黄河源区4种植物根系力学特性及根-土复合体抗剪强度研究

申紫雁，李光莹，刘昌义，余冬梅，胡夏嵩，李希来

(1.青海大学 地质工程系，青海 西宁 810016；2.中国科学院 青海盐湖研究所/中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室，青海 西宁 810008；3.青海大学 农牧学院，青海 西宁 810016)

近年来，黄河源区高寒草地出现了不同程度的退化现象，给当地的生态环境带来一定程度影响和潜在危害[1]。为防治高寒草地退化、水土流失等灾害，利用乡土植物进行人工恢复、固土护坡等方面的研究，受到国内外相关学者的广泛关注[2-3]。已有研究结果表明，利用乡土植物生长过程中根系对土体的加筋、锚固和牵拉作用，可起到增强土体抗剪强度的效果[4-7]。

黄河源区生态环境较为脆弱，对于草地植物力学强度性质方面的研究尚处于起步阶段，特别是将植物根系的单根力学强度特性与根-土复合体的抗剪强度结合起来进行研究还相对较少。基于此，本研究选取黄河源区甘德县青珍乡作为研究区，通过野外调查和室内试验等相关研究，将高寒草地退化类型划分为未退化、轻度退化和重度退化3种类型[3]，并确定出每一退化类型区优势种植物；在此基础上，通过开展室内单根拉伸、剪切试验及根-土复合体直剪试验，分析区内不同退化类型植物单根力学强度与根-土复合体抗剪强度之间的关系，以期为科学有效地防治黄河源区高寒草地退化和水土流失提供理论支撑和实际指导。

1 研究区概况

研究区位于黄河源区青海省甘德县青珍乡，地理位置为100°12.466′～100°12.478′E、34°08.818′～34°08.939′N，海拔为4 040～4 120 m[3]。研究区气候属于高原大陆性气候，年平均气温为-3.9～-1.3 ℃，年降水量为418.6～662.8 mm，年蒸发量为1 068.9～1 397.4 mm[3]。受气候变化及人为因素等影响，区内草地出现了不同程度的退化现象。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

本研究选取区内代表性边坡东柯曲河河漫滩边坡，依据边坡植被覆盖度将其划分为未退化、轻度退化和重度退化3种类型[3]，并分别选取不同退化类型区的优势草本植物进行研究，未退化区优势种为小嵩草(Kobresiapygmaea)、紫花针茅(Stipapurpurea)，轻度退化区优势种为矮火绒草(Leontopodiumnanum)，重度退化区优势种为细叶亚菊(Ajaniatenuifolia)，如图1所示。制取所选取的各植物含根系试样柱，取样过程中保持植物根系及其地上部分的完整性，开展室内单根拉伸试验和根-土复合体试样的直剪试验[3]。

图1 研究区实测地形剖面与植物群落类型分布

2.2 试验方法

2.2.1 单根拉伸与剪切试验

对研究区边坡4种优势种草本植物分别进行了单根拉伸与剪切试验，共进行了4组单根拉伸试验和4组单根剪切试验，每组单根拉伸试验和单根剪切试验的样本数为30～60个，其中获得有效试验数据的试验样本数为20～48个。

2.2.2 根-土复合体直剪试验

由于区内不同退化类型区草本植物根-土复合体原状试样土体含水量、密度等存在差异性，因此本研究先在野外制取4种优势草本植物的根-土复合体原状试样，在室内开展直剪试验时，以4种植物根-土复合体原状试样的平均密度、平均含水量、平均根系密度(取值分别为1.37 g/cm3、22.8%、0.050 g/cm3)作为控制条件，制备重塑根-土复合体试样进行直剪试验，得到相同密度、含水量、根系含量条件下不同种类植物的根-土复合体抗剪强度，以探讨不同植物对土体抗剪强度的增强作用。

3 结果与分析

3.1 单根抗拉力、抗拉强度与根径关系

由表1、图2可知，4种草本植物的单根抗拉力均随根径增加而增大，即表现出单根抗拉力与根径间存在指数函数或幂函数关系，且4种草本植物按平均单根抗拉力大小排序为细叶亚菊(11.39 N)>小嵩草(6.30 N)>矮火绒草(5.08 N)>紫花针茅(3.66 N)。由表1、图3可知，4种草本植物的单根抗拉强度均随着根径的增大而减小，单根抗拉强度与根径之间呈幂函数关系，按平均单根抗拉强度大小排序为紫花针茅(46.81 MPa)>小嵩草(36.30 MPa)>矮火绒草(34.57 MPa)>细叶亚菊(15.97 MPa)，其中紫花针茅的平均单根抗拉强度最大，细叶亚菊的平均单根抗拉强度相对最小。本研究结果与李光莹等[3]研究所得到的结果基本相一致。

表1 研究区3种不同退化草地类型4种草本植物单根力学强度试验结果

图2 研究区边坡4种草本植物单根抗拉力与根径之间的拟合关系曲线

图3 研究区边坡4种草本植物单根抗拉强度与根径之间的拟合关系曲线

3.2 单根抗剪力、抗剪强度与根径关系

由表1、图4可知，研究区4种草本植物的单根抗剪力均随根径的增大而增加，单根抗剪力与根径之间呈指数函数或幂函数关系，区内4种草本植物按平均单根抗剪力大小排序为细叶亚菊(45.03 N)>小嵩草(10.91 N)>矮火绒草(8.41 N)>紫花针茅(6.51 N)。同时还可看出，4种草本植物的平均单根抗剪力显著高于平均单根抗拉力，同种植物的平均单根抗剪力为平均单根抗拉力的1.5～6倍。相应地，由表1、图5可知，4种草本植物的单根抗剪强度均随根径的增大而减小，单根抗剪强度与其根径之间呈幂函数关系，按平均单根抗剪强度大小排序为紫花针茅(39.34 MPa)>小嵩草(25.98 MPa)>矮火绒草(25.31 MPa)>细叶亚菊(12.72 MPa)。本研究结果与武艺儒等[8]的研究结果基本相一致。

图4 研究区边坡4种草本植物单根抗剪力与根径之间的拟合关系曲线

图5 研究区边坡4种草本植物单根抗剪强度与根径之间的拟合关系曲线

3.3 根-土复合体抗剪强度试验结果

由表2可知，区内4种不同草本植物的根-土复合体重塑试样及不含根系素土试样按黏聚力大小排序为小嵩草(14.16 kPa)>紫花针茅(13.25 kPa)>矮火绒草(10.89 kPa)>细叶亚菊(9.32 kPa)>素土(6.07 kPa)，4种草本植物的根-土复合体重塑试样的黏聚力均显著大于素土，表明由于草本根系加筋作用使土体抗剪强度指标黏聚力得以显著增加；与素土相比，区内小嵩草、紫花针茅、矮火绒草和细叶亚菊的根-土复合体黏聚力c值的增幅分别为133.3%、118.3%、79.4%、53.5%，该结果表明细叶亚菊根系对土体抗剪强度的增强作用相对较小，其固土能力不及其他3种草本。

表2 研究区4种草本植物根-土复合体重塑试样及素土试样直剪试验结果

3.4 4种草本植物的单根抗拉、抗剪强度与根-土复合体黏聚力之间的关系

为进一步分析植物的单根抗拉强度、单根抗剪强度与黏聚力之间的关系，WU et al.[9]和THOMAS et al.[10]对Wu-Waldron-Model(WWM)模型的根系因子系数值做了进一步探讨，认为当含根系土体的剪切变形角为40°～70°、内摩擦角为25°～40°时，根系因子系数的变化区间为0.92～1.31(取其平均值为1.2)。该模型反映了根系提高的根-土复合体抗剪强度解析解，其中由根系产生的土体抗剪强度的增加值[10]为

(1)

简化后为

(2)

其中

(3)

由公式(2)可知，根系产生的土体抗剪强度增加值与平均单根抗拉强度之间呈正相关关系，即平均单根抗拉强度愈大，其增强土体抗剪强度的能力亦愈大[11]。本研究中，紫花针茅和小嵩草的平均单根抗拉强度和抗剪强度相对较大，相应地，其复合体黏聚力c值亦较大。由此可知，区内紫花针茅、小嵩草对增强边坡土体抗剪强度的贡献相对较为显著，而细叶亚菊增强土体抗剪强度的能力不及另3种草本。

考虑到上述公式主要是用于对根系的单根抗拉强度与根-土复合体抗剪强度进行定量分析评价，故本研究采用SPSS 21.0软件进一步对区内4种草本植物的平均单根抗拉强度、平均单根抗剪强度与黏聚力之间的相关性进行了分析，结果见表3。此外，采用Pearson分析得出，区内4种草本植物根-土复合体黏聚力与其平均单根抗拉强度、平均单根抗剪强度之间均为显著相关关系(P<0.05)，4种草本植物平均单根抗拉强度与单根抗剪强度之间为极显著相关关系(P<0.01)。

表3 4种草本植物单根抗拉强度和单根抗剪强度与根-土复合体黏聚力之间相关性分析结果

本研究中，4种草本植物的平均单根抗拉强度和平均单根抗剪强度按大小排序均为紫花针茅>小嵩草>矮火绒草>细叶亚菊；此外，4种草本植物根-土复合体重塑试样及素土试样按黏聚力大小排序均为小嵩草>紫花针茅>矮火绒草>细叶亚菊>素土，表明未退化区优势植物的平均单根抗拉强度、平均单根抗剪强度和黏聚力c值均较高，进一步说明了区内4种草本中小嵩草和紫花针茅根系固土护坡能力相对较强。

4 结 论

(1)研究区4种草本植物按平均单根抗拉强度和平均单根抗剪强度大小排序为紫花针茅(46.81 MPa，39.34 MPa)>小嵩草(36.30 MPa，25.98 MPa)>矮火绒草(34.57 MPa，25.31 MPa)>细叶亚菊(15.97MPa，12.72 MPa)。

(2)4种草本植物根-土复合体重塑试样按黏聚力c值大小排序为小嵩草(14.16 kPa)>紫花针茅(13.25 kPa)>矮火绒草(10.89 kPa)>细叶亚菊(9.32 kPa)>素土(6.07 kPa)。

(3)未退化区优势草本小嵩草和紫花针茅的平均单根抗拉强度、平均单根抗剪强度、黏聚力相对较高，表明紫花针茅和小嵩草对增强边坡土体抗剪强度的贡献相对更为显著。