黃河源區高寒草地植被根-土復合體抗剪強度試驗及退化程度閾值確定

劉昌義，胡夏嵩,2*，竇增寧，李希來，徐志聞

(1.青海大學地質工程系，青海 西寧 810016；2.中國科學院青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008；3.青海大學農牧學院，青海 西寧 810016)

黃河源區高寒草地植被根-土復合體抗剪強度試驗及退化程度閾值確定

劉昌義1，胡夏嵩1,2*，竇增寧1，李希來3，徐志聞1

(1.青海大學地質工程系，青海 西寧 810016；2.中國科學院青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008；3.青海大學農牧學院，青海 西寧 810016)

為研究黃河源區高寒草地不同退化程度的植物根-土復合體抗剪強度特征，以青海河南縣境內的黃河源區高寒草地作為研究區，進行了根-土復合體試樣抗剪強度試驗研究，系統分析了區內草地不同退化類型的根-土復合體抗剪強度特征及其不同退化程度之間的閾值。結果表明,區內草地其平面形態呈現不規則狀橢圓形退化形態，且愈近于圓心部位草地退化相對愈嚴重，其退化程度表現出由外至內可依次劃分為未退化區、輕度退化區、中度退化區、重度退化區；隨著退化程度的加劇，原生植物種類及數量呈減少的趨勢，次生植物則逐漸取代原生植物并構成優勢植物種類，其結果使得根-土復合體的根系含量表現出逐漸減少的特征，根-土復合體抗剪強度亦逐漸減小；同時，根據4種類型退化區草地根-土復合體抗剪強度特征，分別確定出各退化區交替界限之間的根-土復合體抗剪強度閾值，即表現在未退化區與輕度退化區之間植物根-土復合體的黏聚力閾值為28.07 kPa，輕度退化區與中度退化區復合體的黏聚力閾值為20.46 kPa，中度退化區與重度退化區復合體的黏聚力閾值為9.21 kPa。該項研究成果通過由力學強度角度出發定量研究草地不同退化程度的根-土復合體強度變化規律，從而對科學有效地防治該區草地退化具有重要理論研究價值和實際指導意義。

黃河源區；草地退化；根-土復合體；抗剪強度；閾值

近30多年來，位于黃河源區的青海省境內的天然草地受全球氣候暖干化及日趨頻繁的人類經濟活動等因素的共同影響和作用下，區域內生態系統出現了加速退化的變化趨勢，在一定程度上威脅黃河源區的生態安全，引起了國內外學者和環境保護部門的普遍關注[1]。李旭謙等(2015)[2]對青海省草地退化類型的調查結果表明，青海省內高寒草甸類草地的退化面積為1994.58×104hm2，占全省退化草地總面積的63.70%，其中輕度退化草地的面積為771.67×104hm2，中度和重度退化草地面積為1222.91×104hm2，由此可見，科學有效地防治青海省境內草地退化以及保護草地生態和環境亦刻不容緩，因此，加強對黃河源區退化草地的研究和投入，促使退化草地逐步恢復則是一項非常重要的工作。

近年來，國內外學者對黃河源區草地退化的成因和機理等方面進行了較為系統性的研究，且已取得了大量的研究成果，從而為黃河源區科學有效地防治草地退化及其引發的水土流失等災害現象的發生提供了理論依據并具有重要的指導意義[3-9]。盧虎等(2015)[10]對青藏高原東北緣天祝地區草地退化現狀野外調查表明，區內草地隨著退化程度的不斷加重，表現出植被種類減少和優勢種改變，植物群落高度、蓋度、地上生物量等均呈顯著降低的變化特征。孫磊等(2016)[11]對西藏那曲地區不同退化程度高寒草地的研究結果表明，隨著退化程度的加劇，藏北地區退化草地群落地上生物量(植物地上部分干重)和土壤養分(全氮、全磷、有機質)總體上表現為降低趨勢，而且降低步調基本一致。

國內外學者對于草地退化的成因等方面的研究較為深入，相比較而言，對于草地退化的力學機理領域的研究則相對較少。張思毅等(2016)[12]以香附子(Cyperusrotundus)作為研究對象，對南方紅壤土坡面的減沙效應及其水動力學機理的研究結果表明，香附子對抵抗土壤侵蝕起到了重要作用，蓋度為33%的香附子平均能夠減少72%的土壤侵蝕，且隨著植被蓋度的增加，土壤侵蝕量逐漸減少。胡夏嵩等(2009)[13]對寒旱環境下檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、白刺(Nitrariatangutorum)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、四翅濱藜(Atriplexcanescens)4種灌木根系的護坡力學貢獻進行了評價，指出灌木植物根系能顯著提高根-土復合體的抗剪強度，該研究方法為從力學角度進一步研究草地退化的機理提供了新的思路。同時，國內外的諸多學者將根-土復合體視為一種復合材料，并進行了大量的單根拉伸試驗、根-土復合體直剪試驗等力學試驗研究，且均表明植物根系對增強根-土復合體力學強度方面效果顯著[14-22]。通過對已有研究結果分析，表現出有關高寒草原區草地退化類型的劃分，主要是通過采用植被覆蓋度變化、植物群落演替等方式進行；鑒于以上實際情況，本研究通過開展根-土復合體抗剪強度剪切試驗，一方面分析不同植物根系其增強土體抗剪強度的能力，從而有助于評價植物根系本身所具有的固持土體能力和貢獻；另一方面，有關黃河源區高寒草地開展植物的根-土復合體抗剪強度方面的研究，已有的相關研究成果較為有限，因此通過本項研究將有助于該地區進一步豐富和完善有關高寒草地退化類型的劃分依據；同時，對于進一步開展該區域草地退化過程的力學強度機理方面的研究，可提供重要的理論參考依據。

Robert(1977)[23]首次提出了生態閾值的概念，指出生態系統的特性、功能等具有多個穩定態，穩定態之間存在“閾值和斷點”。隨后李和平等(2005)[24]、王永杰等(2010)[25]諸多學者對生態閾值進行了深入研究，并指出當生態因子擾動接近生態閾值時，生態系統的功能、結構或過程會發生不同狀態間的躍變。王永杰等(2010)[25]提出生態閾值主要有生態閾值帶和生態閾值點2種類型，生態閾值帶暗含了生態系統從一種穩定狀態到另一穩定狀態逐漸轉換的過程，而生態閾值點則表示生態系統的特性功能或過程發生迅速的改變。生態閾值問題普遍存在于不同生態系統中，隨著生態閾值理論研究的不斷發展，在生態系統可持續管理、環境監測等方面，生態閾值的作用越來越受到人們的重視[26-27]。

由上述研究可知，位于青藏高原的黃河源區內草地退化較為顯著，國內外諸多學者對黃河源區草地退化進行了不同程度的研究，這些研究主要集中在草地退化成因、演替過程及防治等方面，而對于草地退化的力學機理方面研究相對較少。針對黃河源區草地退化及其機理研究方面所存在的不足，本研究針對黃河源區高寒草地植被退化的根-土復合體抗剪強度機理及其閾值進行了試驗研究，以實現從根-土復合體力學強度變化方面探討草地退化機理和規律，對科學有效地防治黃河源區草地退化具有重要的理論研究價值和實際意義。

1 材料與方法

1.1試驗地概況

研究區位于青海黃南藏族自治州河南縣南旗村境內(東經101°28′，北緯34°51′)，區內平均海拔為3580 m。研究區地處青藏高原的黃河源區，區內海拔高，地形較為平坦，為高寒草原區，研究區概況(本研究在試驗區建立了小型氣象觀測站)以及植物生長情況如圖1所示。研究區河南縣屬高原亞寒帶濕潤氣候區，由于海拔較高，地形復雜并受季風影響，高原大陸性氣候特點較為顯著[28]。通過分析研究區南旗村試驗區內由課題組自行建設完成的氣象觀測站每天所監測得到的該地區氣象數據結果可知，南旗村試驗區在2015年間的平均氣溫為0.74 ℃，年降雨量為297.2 mm，相對濕度為62%。近幾年，在全球氣候變化和人類活動綜合影響下，青藏高原冰川退縮、土地退化、水土流失、生物多樣性受威脅等生態問題也日益突出[29-30]。此外，區內由于氣候惡劣和過度放牧等因素的影響，使得高寒草地呈現出不同程度的退化現象。自2005年三江源生態保護和建設工程實施以來，三江源草地生態保護和生態恢復狀況得到了顯著性改善；盡管如此，該地區草地生態環境和恢復成果的鞏固和對該區域內已有退化草地的治理，則仍為一項長期的任務[31]。

1.2試驗材料

2015年8月本課題組前往研究區開展了野外調查與取樣工作。研究區內草地呈現不同程度的退化現象，且整體表現為呈不規則狀橢圓形退化現象，如圖2所示。根據劉興波等(2014)[32]研究草地退化程度與草地植物群落養分之間的對應關系時，所采用的草地退化分級及其劃分標準如表1所示。本研究野外取樣時根據區內草地植被覆蓋度及植物類型等變化情況，將區內草地分別劃分為未退化區、輕度退化區、中度退化區和重度退化區，并分別選取各退化區具有代表性的地段制取根-土復合體直接剪切試樣。未退化類型的劃分依據為原生群落組成，蓋度為80%～100%，輕度退化區、中度退化區和重度退化區的劃分依據如表1所示。取樣時選取了6個不規則狀橢圓形退化草地，樣地面積統計結果如表2所示，每個不規則狀的橢圓形草地取樣時對4種不同退化區分別取2組根-土復合體試樣進行試驗。

根-土復合體試樣的制取：在未退化和不同類型的退化草地上分別挖取直徑為30 cm，深度為30 cm的含根系試樣柱，取樣過程中保持植物根系及其地上莖葉部分的完整性，然后將含根系試樣柱放置于試驗樣盆中及時帶回實驗室，并隨即進行室內根-土復合體直接剪切試驗。野外制取根-土復合體試樣工作在1～2 d內及時完成，以便減小復合體試樣受環境影響的誤差，從而有效確保試驗結果的合理性和正確性。在制取根-土復合體試樣過程中同時完成各試樣的含水率、密度試樣的取樣工作。

圖1 研究區概況及植物生長情況Fig.1 The general situation and the plant growth situation in the studying area a: 研究區概況The general situation in the studying area; b: 植物生長情況Plant growth situation.

圖2 研究區不規則狀橢圓形草地不同退化類型分布情況Fig.2 The distribution of different degradation types of grassland in irregular oval shape in the studying area ND： Non-degraded； SD： Slightly degraded； MD： Medium degraded； HD： Heavily degraded； 下同 The same below.

1.3試驗方法

1.3.1根-土復合體密度與含水率測試 野外開展制取不同退化類型的根—土復合體試樣時，按照草地退化程度分別取4種退化區草地根-土復合體的密度和含水率試樣，取樣深度為地表以下10 cm處，將取得的根-土復合體的密度和含水率試樣立即密封并及時帶回實驗室進行密度和含水率測試。區內根-土復合體密度測試采用環刀法，含水率測試采用烘干法。

表1 北方草地退化分級及其劃分標準Table1 The degradation grading and classification stundard ofgrassland in northern China

注：該表據劉興波等[32]，本研究略有改動。

Note:This table is on the basis of Liu X B(2014)[32]and is slightly changed in this resoarch.

表2 研究區6個樣地內4種不同退化區草地面積Table 2 The areas of six plots of four different degradation grasslands in the studying area

1.3.2根-土復合體原狀試樣制取 在進行室內根—土復合體試樣直剪試驗時，需事先從野外制取的根-土復合體試樣柱中制取內徑為6.18 cm，高為2.00 cm的直剪試驗試樣。其中未退化區、輕度退化區、中度退化區的根-土復合體試樣中根系分布相對較為均勻，根與土的結合程度能保持未擾動的原狀情況。制取原狀試樣時先將試樣柱地表植物剪掉，將表面修剪平整，然后將內徑為6.18 cm，高為2.00 cm的環刀垂直向下壓入根-土復合體原狀試樣柱中，直至試樣伸出環刀為止，并用削土刀和剪刀將環刀兩端修平后立即進行根-土復合體原狀試樣直接剪切試驗。每個根-土復合體原狀試樣按以上制樣方法依次制取4個環刀試樣作為1組進行根-土復合體原狀試樣直接剪切試驗。

1.3.3根-土復合體重塑試樣制取 由于區內的重度退化區內植被相對稀少，植物生長區的土體較為松散且在野外原位制取復合體原狀試樣時存在一定的困難，故采用制取重塑復合體試樣進行直剪試驗。具體制樣步驟和方法如下：

1)野外原位制取重度退化區植物根-土復合體試樣時，采用體積為500 cm3的環刀對重度退化區草地復合體進行取樣，重塑樣制取前首先對野外所制取的體積為500 cm3的環刀內的試樣采用水洗法洗出其中的植物根系，且稱其鮮重，并將其中的植物根系種類進行分類，并分別統計其根數、根長和根徑等生長量指標。

2)將從野外研究區內取回的重度退化區原狀土烘干，碾碎后經過2 mm土工篩，然后再收集粒徑<2 mm的烘干土用以制備重塑試樣。

3)根據野外研究區土體密度和含水率試驗所得的土體密度和含水率，計算制取重塑試樣所需的干土和水的比例，并根據通過對復合體洗根所得到的植物根系的數量和根長、根徑等數據計算出相應的根面積比，并計算制取重塑試樣所需的每種植物根系的數量，具體計算步驟和結果如表3所示。

表3 研究區重度退化區重塑復合體試樣布設根系計算結果Table 3 Root preparation calculation result of remolded soil in severe degradation area in the study area

4)制取重塑試樣時稱取所需干土，將所取土樣平鋪于不吸水的托盤內，采用噴霧設備噴灑所需的加水量，并充分攪拌，裝入水桶中密封，浸潤一晝夜備用。

5)重塑試樣制取時將所需根系及土樣充分攪拌混合均勻，然后采用擊實法制備直剪試樣。每次試驗制取4個根-土復合體直剪試樣為一組進行直剪試驗。

1.3.4直接剪切試驗步驟 研究區根—土復合體抗剪強度采用直接剪切試驗進行測試，試驗采用ZJ型應變控制式直剪儀，每組試驗取4個試樣，分別在50，100，200，300 kPa 4級垂直壓力(P)下進行直接剪切試驗，得到根-土復合體抗剪強度指標黏聚力(c)和內摩擦角(φ)。試驗步驟如下：將制備完成的原狀試樣和重塑試樣放置于剪切盒內上、下兩塊透水石之間，并由杠桿系統對試樣進行分級施加垂直壓力；試驗時電動機控制下的驅動手輪以2.4 mm/min的轉速對下剪切盒施加水平方向推力，使試樣在上、下剪切盒的接觸面上產生剪切變形，直至試樣剪破為止；試驗過程中由計算機自動控制土工試驗數據采集處理系統，且自動采集試驗中的位移和剪應力大小，并自動繪制剪應力-位移關系曲線，每個試樣剪切結束時求得該級垂直壓力下的最大剪應力(τ)；當每組4個試樣分別在4級垂直壓力下完成剪切試驗時，計算機自動繪制出抗剪強度-垂直壓力關系曲線，并計算出該組根-土復合體試樣的抗剪強度指標黏聚力(c)和內摩擦角(φ)。

2 結果與分析

2.1不同退化區優勢植物種類及其群落特征

2.1.1未退化區優勢植物種類及其群落特征 研究區草地以未退化草地為主，局部地段分布著一些不規則狀橢圓形退化草地，如圖2(Ⅰ)所示。未退化區原生植物生長較為茂盛，且草地完全被植物覆蓋。該區內優勢植物種類為小嵩草(Kobresiapygmaea)、紫花針茅(Stipapurpurea)和垂穗披堿草(Elymusnutans)。未退化區內植物生長較好，且在區內廣泛分布，其植物根系發達且根系相互交錯形成網狀，起到較好的抵抗草地退化和由退化所引起的水土流失的作用。

2.1.2輕度退化區優勢植物種類及其群落特征 輕度退化區主要分布于不規則狀橢圓形退化草地外圍地帶，如圖2(Ⅱ)所示，該區域內草地呈現出輕度退化現象，其總體植被覆蓋度較高，為65%以上。在該區域內其優勢植物類型逐漸演替為小嵩草和鵝絨委陵菜(Potentillachinensis)，而紫花針茅和垂穗披堿草則相對逐漸減少，同時，麻花艽(Gentianastraminea)、青海風毛菊(Saussureapulchra)等次生植物數量呈相對增多的趨勢。輕度退化區內植物根系較發達，根系與土體顆粒間的相互作用較強，整體性較好。

2.1.3中度退化區優勢植物種類及其群落特征 中度退化區草地主要分布于不規則狀橢圓形退化草地的中部區域位置，如圖2(Ⅲ)所示，區內的草地退化程度表現出加劇現象，該區植被覆蓋度相對于未退化區和輕度退化區顯著降低至約為50%；同時，優勢植物類型小嵩草數量呈明顯減少趨勢，而鵝絨委陵菜和密花香薷(Elsholtziadensa)成為了優勢植物種類。中度退化區草地植物根系較少，且根系較淺，多分布于地表以下10 cm內，其抵抗草地退化作用相對不及上述的輕度和未退化區的植物顯著。

2.1.4重度退化區優勢植物種類及其群落特征 重度退化區分布于不規則狀橢圓形退化草地的中心區域位置，如圖2(Ⅳ)所示，該區內草地退化現象嚴重，多數情況為僅存在零星分布的少量密花香薷，而且該退化類型在區內主要表現為呈裸露狀態，且在地表多已構成禿斑狀。重度退化區其土體呈緊密狀態，且土體密度相對較大，不利于植物在該區域內生長。

2.2不同退化區根-土復合體抗剪強度特征及其影響因素分析

研究區不同退化程度的草地其根-土復合體抗剪強度試驗結果如表4所示。由表4可知，隨著區內草地退化程度的加劇，草地的平均密度和平均含水率均呈增長趨勢，其中未退化區與輕度退化區的密度和含水率相對較小，而中度和重度退化區則相對較大，重度退化區其平均密度和含水率分別達到1.371 g/cm3和21.4%。同時，該區域的草地優勢植物種類則逐漸演替為其他次生植物，且根-土復合體中植物根系含量逐漸減少。隨著優勢植物種類的以上這種變化，區域內的不同退化區草地植物的根系數量亦呈現出顯著降低的趨勢，即具體表現為由未退化區的18.86%降低至重度退化區的0.74%。此外，由表4還可知，區內草地隨著退化程度的不斷加強，其復合體的抗剪強度亦呈現出降低的變化趨勢，其中復合體的平均黏聚力值降低顯著，而其平均內摩擦角則無明顯的變化規律。未退化區根-土復合體平均黏聚力為36.97 kPa，輕度退化區和中度退化區其平均黏聚力逐漸減小，重度退化區平均黏聚力則最小，為9.79 kPa。區內4種類型的退化區根-土復合體平均內摩擦角為24.01°～25.11°，體現出了變化幅度相對較小的特征。

表4 研究區4種不同退化程度草地根-土復合體基本物理特征及其抗剪強度試驗結果Table 4 The basic physical characteristics and shear strength for grassland root-soil composite systems of four different degradation degrees in the studying area

注：表中根系含量指的是野外取樣時環刀內根系鮮重與根-土復合體試樣質量比值，其計算方法為根系鮮重/根-土復合體質量。

Note：The root content in the table refers to the quality ratio of fresh root in the ring knife and the root-soil composite system samples, and the calculation method is root fresh weight/quality of root-soil composite system.

圖3為研究區4種不同退化程度草地根-土復合體剪應力與剪切位移關系曲線，由該圖可知，4種不同退化程度草地根-土復合體的最大剪應力隨著垂直壓力的增加而呈增大趨勢，且在相同垂直壓力(50，100，200，300 kPa)作用下，根-土復合體最大剪應力表現為未退化區>輕度退化區>中度退化區>重度退化區。同時，由圖3還可知，在相同垂直壓力(如200 kPa)和相同剪應力條件下(如80 kPa)，4種不同退化程度草地根-土復合體的剪切位移呈現出未退化區(剪切位移為1.45 mm)<輕度退化區(剪切位移為1.72 mm)<中度退化區(剪切位移為2.11 mm)<重度退化區(剪切位移為2.33 mm)，表明隨著區內退化程度的不斷增強，根-土復合體抗剪切變形的能力呈逐漸減弱的變化趨勢。

栗岳洲等(2015)[33]通過對海韭菜(Triglochinmaritimum)、賴草(Leymussecalinus)、毛穗賴草(Leymuspaboanus)、無脈苔草(Carexenervis)4種草本植物根-土復合體直接剪切試驗結果表明，草本植物根系能顯著提高土體的抗剪強度，且存在最優含根量，表現為在未達到最優含根量時，根-土復合體抗剪強度隨含根量增加而增大。胡其志等(2010)[34]通過對加入草本植物狗牙根(Cynodondactylon)根系的根-土復合體進行直接剪切試驗，結果表明，根-土復合體的抗剪強度隨著含根量的增加而增大，但當含根量達到一定量時根-土復合體強度則不再繼續增加，即反映出存在最優含根量。本研究結果表明，隨著區內草地退化程度的增強，根-土復合體中的根系含量呈逐漸減小的變化規律，其相應的抗剪強度也隨著退化程度的增強而減小，體現出根系含量的減小為根-土復合體抗剪強度減小的主要因素，該研究結論與上述學者的研究結論一致。

圖3 研究區4種不同退化程度草地根-土復合體剪應力與剪切位移關系曲線Fig.3 Shear stress and displacement relationship curves of root-soil composite systems of four different grassland degradation degrees in the studying area a: 未退化區Non-degraded area; b: 輕度退化區Slightly degraded area; c: 中度退化區Medium degraded area; d: 重度退化區Heavily degraded area. 圖中“P1”、“P2”、“P3”、“P4”分別對應垂直壓力為50、100、200、300 kPa時，試樣在該級垂直壓力下達到的最大剪應力，例如，“P1=54.7”表示在垂直壓力為50 kPa時該試樣在試驗結束時達到的最大剪應力為54.7 kPa。P1, P2, P3, P4 represent the maximum shear stress under the vertical pressure of 50, 100, 200, 300 kPa respectively. For example, “P1=54.7” means that the maximum shear stress of the shear sample is 54.7 kPa when shear test ended under the vertical pressure of 50 kPa.

2.3區內不同退化類型之間抗剪強度閾值的初步確定

通過對區內4種不同退化程度草地根-土復合體試樣的直接剪切試驗以及根-土復合體抗剪強度值的統計與分析，分別計算得到4種不同退化類型草地根-土復合體黏聚力c值的平均值和標準差；同時，將黏聚力平均值-標準差作為對應退化類型草地復合體黏聚力c值的下限，將黏聚力平均值+標準差作為對應退化類型草地復合體黏聚力c值的上限，計算結果如表5所示。將同一退化類型草地復合體黏聚力下限和上限之間所構成的區間作為該退化程度草地植物根-土復合體抗剪強度的穩定區間，草地在該區間內處于退化的穩定狀態，不發生不同退化程度間的演替。同時，將相鄰不同退化程度草地的抗剪強度穩定區間相交的區間作為不同草地類型發生向相鄰退化類型顯著演替的過度范圍，即為相鄰退化類型之間草地植物根-土復合體抗剪強度的閾值變化區間，在該區間內，植物根-土復合體抗剪強度達到相鄰退化程度之間發生顯著演替的閾值，若草地退化程度加劇則該草地退化為下一個退化程度。由表5可知，該區內未退化區與輕度退化區之間，發生草地退化程度改變的根-土復合體抗剪強度的閾值變化區間為26.54～29.60 kPa，相應地，輕度退化區與中度退化區之間的抗剪強度閾值變化區間為17.14～23.77 kPa，中度退化區與重度退化區之間為6.33～12.09 kPa。

同時，為了對相鄰不同退化區之間的根-土復合體黏聚力閾值變化區間均值進行計算，選取區內未退化區與輕度退化區之間的根-土復合體的黏聚力閾值變化區間下限26.54 kPa和上限29.60 kPa，計算得出根-土復合體的黏聚力c值平均值為28.07 kPa，并將該值作為未退化區與輕度退化區之間的草地根-土復合體抗剪強度的閾值變化區間均值，即當區內草地根-土復合體抗剪強度大于或等于該值時認為該草地為未退化，小于該值時為輕度退化。同理，依次計算得到的輕度退化與中度退化、中度退化與重度退化之間根-土復合體的黏聚力c值閾值變化區間均值分別為20.46和9.21 kPa。由區內4種退化區草地根-土復合體抗剪強度閾值所確定出的4種草地退化類型界限分布范圍如圖4所示。

表5 研究區4種不同退化區植物根-土復合體抗剪強度閾值計算結果Table 5 Shear strength threshold calculation results for plant root-soil composite systems of four different degradation areas in the studying area

圖4 研究區植物根-土復合體抗剪強度閾值與4種退化類型界限演替模式Fig. 4 Shear strength thresholds for plant root-soil composite systems and succession model for boundaries values of four types of degradation in the studying area

3 討論

目前，國內外諸多學者對草地退化的研究多集中在不同退化等級草地的植被覆蓋度、植物生物量變化、土壤化學成分變化等方面[7,10]，而對于不同退化程度草地的力學特性方面的研究相對較少。因此，本研究對不同退化程度草地的植物根-土復合體抗剪強度特征的研究體現出了一定的創新性。周華坤等(2012)[9]對黃河源區紫花針茅高寒草原在不同退化程度下植物群落、生物量和土壤特征的研究指出，隨著高寒草原退化程度加大，植被蓋度、草地質量指數和優良牧草地上生物量比例逐漸下降，并指出隨著退化程度加劇，禾草地上生物量減少顯著，雜草類植物地上生物量呈先增加后減少的變化規律。該研究結論與本研究中不同退化程度草地優勢植物種類演替規律基本一致。諸多研究結果表明，植物根系能顯著提高植物根-土復合體抗剪強度，且在一定含根量范圍內隨著含根量的增加而呈逐漸增大的變化規律[13-14,20]。本研究中，隨著研究區草地退化程度的加劇，草地植物根系含量顯著降低，其復合體抗剪強度值亦逐漸降低，體現出了植物根系含量降低對其復合體抗剪強度值降低程度的顯著影響，因此，本研究結論與以上的關于根系含量與復合體抗剪強度之間關系的研究結論基本一致。

在閾值研究方面，國內外學者在生態閾值研究上多集中在氣候變化、放牧強度等方面對草地退化程度的影響，而對于草地退化中的有關力學強度閾值的研究則較少[25,27]。因此，本研究通過對研究區不同退化程度草地的根-土復合體抗剪強度特征及其變化閾值進行了探討。本研究所得到的區內4種不同退化區之間的抗剪強度閾值，對進一步分析草地退化區的演替過程具有指示作用，并可作為劃分草地退化等級的其中一項指標。以研究區未退化草地為例，該區內草地植物生長茂盛且根系發達，植物根-土復合體抗剪強度相對較大，即均大于退化閾值28.07 kPa。當區內草地開始出現退化現象時，草地優勢植物由小嵩草和紫花針茅開始向小嵩草和鵝絨委陵菜進行演替。相應地，其植物根系含量亦逐漸減小，使得根-土復合體抗剪強度亦相應減小，但仍大于28.07 kPa。而當草地根-土復合體抗剪強度隨著草地退化程度加劇而逐漸降低，并達到未退化區與輕度退化區之間的抗剪強度閾值28.07 kPa時，草地優勢植物種類和根系數量亦相應發生顯著變化，并迅速演替為以小嵩草和鵝絨委陵菜等輕度退化草地優勢植物種類為主，草地退化至輕度退化類型；此時，根-土復合體抗剪強度則降低至輕度退化區抗剪強度的穩定范圍內，即為20.46～28.07 kPa。相應地，區內草地由輕度退化演替為中度退化及重度退化時，其演替過程亦與未退化向輕度退化演替過程類似。由上述可知，研究區不同退化區植物根-土復合體抗剪強度均具有各自的閾值，且隨著退化程度的增強，其閾值亦相應地隨之發生改變，即其閾值可作為劃分草地退化等級的指標之一。因此，通過對根-土復合體抗剪強度閾值的分析，對于進一步研究草地退化過程具有重要的理論價值，同時對劃分草地退化等級具有重要的指導作用。

此外，諸多學者的研究結果表明，草地退化影響因素較多，其中受氣候條件及地理位置等影響則相對較為顯著，使得草地退化過程在不同年限和不同地理位置處表現出不同的變化特征，因此，生態安全閾值的確定和預測能力還相對較為有限，且存在較大不確定性[35]。基于以上這些因素，在后續研究中應逐漸加強對不同地區草地退化的抗剪強度閾值確定方法的研究以及其隨退化年限的變化規律等方面的系統研究。

4 結論

研究區草地呈現出不同程度的退化現象，并呈現出不規則狀橢圓形退化模式，且愈接近于中心區域，其退化程度相對愈為嚴重，并可依次將區內草地劃分為未退化區、輕度退化區、中度退化區、重度退化區。

隨著區內草地退化程度的增強，草地優勢植物種類則發生顯著性改變，即由未退化區的小嵩草和紫花針茅，逐漸退化為輕度退化區的小嵩草和鵝絨委陵菜，至中度退化區的鵝絨委陵菜和密花香薷，直至演變為裸地，成為重度退化區。

隨著區內草地退化程度的進一步增強，植物生長區土體的平均密度和平均含水率均呈增加趨勢，植物根系含量則呈逐漸降低的變化規律；同時，隨著植物根系含量逐漸減少，根-土復合體抗剪強度亦呈現出依次降低的趨勢。

根據區內4種類型的退化區草地根-土復合體抗剪強度試驗結果，分別得到了區內4種類型的退化區之間的根-土復合體抗剪強度閾值，即由未退化區演變為輕度退化區時，根-土復合體黏聚力的閾值為28.07 kPa，即當草地生長區根-土復合體的黏聚力c值大于28.07 kPa時為未退化區，而當其復合體黏聚力c值小于28.07 kPa時為輕度退化區；同理，區內草地由輕度退化區演變為中度退化區時，復合體黏聚力的閾值為20.46 kPa；由中度退化區演變為重度退化區時，復合體黏聚力的閾值為9.21 kPa。

References：

[1] Fan J W, Shao Q Q, Liu J Y,etal. Assessment of effects of climate change and grazing activity on grassland yield in the Three Rivers Headwaters Region of Qinghai-Tibet Plateau, China. Environmental Monitoring and Assessment, 2010, 170(1/4): 571-584.

[2] Li X Q, Du T Y. Difference natural grassland degradation types in Qinghai Province. Qinghai Prataculture, 2015, 24(3): 49-52. 李旭謙, 杜鐵瑛. 青海天然草地的不同退化類型. 青海草業, 2015, 24(3): 49-52.

[3] Xin Y C. The degradation trend of natural grassland in Qinghai Province. Qinghai Prataculture, 2014, 23(2): 46-53. 辛玉春. 淺議青海天然草地退化. 青海草業, 2014, 23(2): 46-53.

[4] Kang X F, Fu Y, Yan L D,etal. The relationship between plant communities of meadow grassland and climatic factors around north Qinghai Lake. Pratacultural Science, 2010, 27(10): 1-9. 康曉甫, 伏洋, 顏亮東, 等. 環青海湖北岸草甸化草原植物群落與氣候因子的關系. 草業科學, 2010, 27(10): 1-9.

[5] Zhang G S, Li L, Wang Q C,etal. Effects of climatic changes of south Qinghai Plateau on the alpine meadow. Acta Prataculturae Sinica, 1999, 8(3): 1-10. 張國勝, 李林, 汪青春, 等. 青南高原氣候變化及其對高寒草甸牧草生長影響的研究. 草業學報, 1999, 8(3): 1-10.

[6] Yin F, Deng X, Jin Q,etal. The impacts of climate change and human activities on grassland productivity in Qinghai Province, China. Frontiers of Earth Science, 2014, 8(1): 93-103.

[7] Hu L, Wang C T, Wang G X,etal. Changes in the activities of soil enzymes and microbial community structure at different degradation successional stages of alpine meadows in the headwater region of Three Rivers, China. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(3): 8-19. 胡雷, 王長庭, 王根緒, 等. 三江源不同退化演替階段高寒草甸土壤酶活性和微生物群落結構的變化. 草業學報, 2014, 23(3): 8-19.

[8] Du J Z, Wang G X, Li Y S. Rate and causes of degradation of alpine grassland in the source regions of the Yangtze and Yellow Rivers during the last 45 years. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(6): 5-15. 杜際增, 王根緒, 李元壽. 近45年長江黃河源區高寒草地退化特征及成因分析. 草業學報, 2015, 24(6): 5-15.

[9] Zhou H K, Zhao X Q, Wen J,etal. The characteristics of soil and vegetation of degenerated alpine steppe in the Yellow River Source Region. Acta Prataculturae Sinica, 2012, 21(5): 1-11. 周華坤, 趙新全, 溫軍, 等. 黃河源區高寒草原的植被退化與土壤退化特征. 草業學報, 2012, 21(5): 1-11.

[10] Lu H, Yao T, Li J H,etal. Vegetation and soil microorganism characteristics of degraded grasslands. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(5): 34-43. 盧虎, 姚拓, 李建宏, 等. 高寒地區不同退化草地植被和土壤微生物特性及其相關性研究. 草業學報, 2015, 24(5): 34-43.

[11] Sun L, Liu Y, Wu G L,etal. The relationships between community biomass and soil nutrients in the northern Tibet degradation grassland. Pratacultural Science, 2016, 33(6): 1062-1069. 孫磊, 劉玉, 武高林, 等. 藏北退化草地群落生物量與土壤養分的關系. 草業科學, 2016, 33(6): 1062-1069.

[12] Zhang S Y, Liang Z Q, Xie Z Y,etal. Mechanisms of grass in slope erosion control in red soil region of southern China. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(3): 1-5, 18. 張思毅, 梁志權, 謝真越, 等. 植被調控紅壤坡面土壤侵蝕機理. 水土保持學報, 2016, 30(3): 1-5, 18.

[13] Hu X S, Li G R, Zhu H L,etal. Research on interaction between vegetation root and soil for slope protection and its mechanical effect in cold and arid environments. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 38(3): 613-620. 胡夏嵩, 李國榮, 朱海麗, 等. 寒旱環境灌木植物根-土相互作用及其護坡力學效應. 巖石力學與工程學報, 2009, 38(3): 613-620.

[14] Zheng Q P, Xu D Q. Experimental research on the mechanism of herb ecological slope protection and the effect of roots on slope reinforcement. Journal of Hefei University of Technology: Natural Science Edition, 2014, 37(2): 225-228. 鄭啟萍, 徐得潛. 草本植物護坡機理及其固土效應試驗研究. 合肥工業大學學報: 自然科學版, 2014, 37(2): 225-228.

[15] Katuwal S, Vermang J, Cornelis W M,etal. Effect of root density on erosion and erodibility of a loamy soil under simulated rain. Soil Science, 2013, 178(1): 29-36.

[16] Martel S J. Mechanics of landslide initiation as a shear fracture phenomenon. Marine Geology, 2004, 203(3): 319-339.

[17] Ghestem M, Veylon G, Bernard A,etal. Influence of plant root system morphology and architectural traits on soil shear resistance. Plant and Soil, 2014, 377(1/2): 43-61.

[18] Comino E, Druetta A. The effect of Poaceae roots on the shear strength of soils in the Italian alpine environment. Soil and Tillage Research, 2010, 106(2): 194-201.

[19] Giadrossich F, Schwarz M, Cohen D,etal. Mechanical interactions between neighbouring roots during pullout tests. Plant and Soil, 2013, 367(1/2): 391-406.

[20] Zhang X Y, Yang P, Wang L,etal. The experimental study on the effect of vegetation root on the soil shear strength. Journal of Wuhan University of Technology, 2012, 34(4): 113-117. 張翔宇, 楊平, 王磊, 等. 植被根系對土體抗剪強度影響的試驗研究. 武漢理工大學學報, 2012, 34(4): 113-117.

[21] Yang Y S, Xia Z Y, Xiao H,etal. Experimental research on shear strength ofIndigoferaamblyantharoot-soil composite. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2014, 31(4): 72-76. 楊悅舒, 夏振堯, 肖海, 等. 多花木藍根-土復合體抗剪強度試驗研究. 長江科學院院報, 2014, 31(4): 72-76.

[22] Qi G Q, Hu L W. Study on mechanism and application of slope protection with vegetation. Chinese Journal of Rock Mechanism and Engineering, 2006, 25(11): 2220-2225. 戚國慶, 胡利文. 植被護坡機制及應用研究. 巖石力學與工程學報, 2006, 25(11): 2220-2225.

[23] Robert M M. Thresholds and breakpoints in ecosystems with a multiplicity of stable states. Nature, 1977, 10(6): 471-477.

[24] Li H P, Shi H B, Guo Y Y,etal. Study on sustainable utilization of water-grass resources and ecological threshold of pastoral area. Journal of Hydraulic Engineering, 2005, 36(6): 694-700. 李和平, 史海濱, 郭元裕, 等. 牧區水草資源持續利用與生態系統閾值研究. 水利學報, 2005, 36(6): 694-700.

[25] Wang Y J, Zhang X P. Pilot study of the theory of ecological threshold. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(12): 282-286. 王永杰, 張雪萍. 生態閾值理論的初步探究. 中國農學通報, 2010, 26(12): 282-286.

[26] Zhao Y. Introduction to meaning of the ecological threshold study to the environmental monitoring. Science & Technology Information, 2008, (6): 166-168. 趙陽. 淺談生態閾值研究對環境監測的意義. 科技資訊, 2008, (6): 166-168.

[27] Liu Z Q, Wang J W, Luo S M,etal. On the safety threshold of wetlands based on water ecological element-Taking wetlands in Sanjiang Plain as an example. Chinese Journal of Applied Ecology, 2002, 13(12): 1610-1614. 劉振乾, 王建武, 駱世明, 等. 基于水生態因子的沼澤安全閾值研究——以三江平原沼澤為例. 應用生態學報, 2002, 13(12): 1610-1614.

[28] Wang W, Guo Q, Kang H J,etal. Community composition and interspecific association analysis ofKobresiacapillifoliagrassland. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2015, 35(10): 2096-2102. 王偉, 郭倩, 康海軍, 等. 線葉嵩草草地群落構成及種間關聯分析. 西北植物學報, 2015, 35(10): 2096-2102.

[29] Mou X J, Zhao X Y, Rao S,etal. Changes of ecosystem structure in Qinghai-Tibet Plateau ecological barrier area during recent ten years. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis: Natural Science Edition, 2016, 52(3): 279-286. 牟雪潔, 趙昕奕, 饒勝, 等. 青藏高原生態屏障區近10年生態系統結構變化研究. 北京大學學報: 自然科學版, 2016, 52(2): 279-286.

[30] Sun H L, Zheng D, Yao T D,etal. Protection and construction of the national ecological security shelter zone on Tibetan Plateau. Acta Geographica Sinica, 2012, 67(1): 3-12. 孫鴻烈, 鄭度, 姚檀棟, 等. 青藏高原國家生態安全屏障保護與建設. 地理學報, 2012, 67(1): 3-12.

[31] Xu X L, Wang L, Li J,etal. Analysis of the grassland restoration trend and degradation situation in the “Three-River headwaters” region since the implementation of the ecological project. Journal of Geo-information Science, 2017, 19(1): 50-58. 徐新良, 王靚, 李靜, 等. 三江源生態工程實施以來草地恢復態勢及現狀分析. 地球信息科學學報, 2017, 19(1): 50-58.

[32] Liu X B, Ge G T, Sun L,etal. Correspondence analysis of plant community nutrient content of meadow grassland on the different degradation gradient. Chinese Journal of Animal and Veterinary Sciences, 2014, 45(9): 1467-1473. 劉興波, 格根圖, 孫林, 等. 不同退化梯度上草甸草原植物群落養分的對應分析. 畜牧獸醫學報, 2014, 45(9): 1467-1473.

[33] Li Y Z, Fu J T, Yu D M,etal. Mechanical effects of halophytes roots and optimal root content for slope protection in cold and arid environment. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(7): 1370-1383. 栗岳洲, 付江濤, 余冬梅, 等. 寒旱環境鹽生植物根系固土護坡力學效應及其最優含根量探討. 巖石力學與工程學報, 2015, 34(7): 1370-1383.

[34] Hu Q Z, Zhou Z, Xiao B L,etal. Experimental research on relationship between root weight and shearing strength in soil. Soil Engineering and Foundation, 2010, 24(5): 85-87. 胡其志, 周政, 肖本林, 等. 生態護坡中土壤含根量與抗剪強度關系試驗研究. 土工基礎, 2010, 24(5): 85-87.

[35] Wang S J, Wei Y Q. Overview and prospects for ecological safety threshold research. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(1): 195-205. 王世金, 魏彥強. 生態安全閾值研究述評與展望. 草業學報, 2017, 26(1): 195-205.

Shearstrengthtestsoftheroot-soilcompositesystemofalpinegrasslandvegetationatdifferentstagesofdegradationandthedeterminationofthresholdsintheYellowRiversourceregion

LIU Chang-Yi1, HU Xia-Song1,2*, DOU Zeng-Ning1, LI Xi-Lai3, XU Zhi-Wen1

1.DepartmentofGeologicalEngineering,QinghaiUniversity,Xining810016,China; 2.QinghaiInstituteofSaltLakes,ChineseAcademyofSciences,Xining810008,China; 3.CollegeofAgricultureandAnimalHusbandry,QinghaiUniversity,Xining810016,China

The aim of this study was to determine the shear strength of the root-soil composite system from sites with vegetation at different stages of degradation. The selected study area was the alpine grassland in Henan County, Qinghai Province, in the source region of the Yellow River. Shear strength tests were conducted to systematically analyze the characteristics of root-soil composite samples from sites with vegetation at different stages of degradation. The results showed that the grassland in the study area had an irregular oval-shaped pattern of degradation, with more severe degradation close to the center of the oval. From the outside to inside of the irregular oval, the grassland could be divided into a non-degraded (ND) area, a slightly degraded (SD) area, a moderately degraded (MD) area, and a heavily degraded (HD) area. As the degree of degradation increased, the diversity and abundance of local plants decreased, and introduced plants gradually replaced local plants and became dominant. The proportion of roots in soil and the shear strength of the root-soil composite system decreased with increasing degradation. The shear-strength thresholds of the root-soil composite system between neighboring degradation areas were also determined. The threshold of the cohesion of the root-soil composite system between ND and SD was 28.07 kPa, that between SD and MD was 20.46 kPa, and that between MD and HD was 9.21 kPa. This research to quantify differences in the strength of the root-soil composite system among grasslands with vegetation at different stages of degradation has theoretical value for further scientific studies, and will be useful for developing strategies to prevent and manage grassland degradation.

the Yellow River source region; grassland degradation; root-soil composite system; shear strength; threshold

10.11686/cyxb2017005

http://cyxb.lzu.edu.cn

劉昌義, 胡夏嵩, 竇增寧, 李希來, 徐志聞. 黃河源區高寒草地植被根-土復合體抗剪強度試驗及退化程度閾值確定. 草業學報, 2017, 26(9): 14-26.

LIU Chang-Yi, HU Xia-Song, DOU Zeng-Ning, LI Xi-Lai, XU Zhi-Wen. Shear strength tests of the root-soil composite system of alpine grassland vegetation at different stages of degradation and the determination of thresholds in the Yellow River source region. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(9): 14-26.

2017-01-09；改回日期：2017-05-03

國家自然科學基金資助項目(41572306，41162010)，國家國際科技合作專項項目(2015DFG31870)，教育部長江學者和創新團隊發展計劃(IRT_17R62)和青海省自然科學基金資助項目(2014-ZJ-906)資助。

劉昌義(1991-)，男，四川宜賓人，在讀碩士。E-mail:1358128151@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail: hxs@mail.tsinghua.edu.cn