西寧盆地黃土區典型草本植物單根抗拉力學特性試驗

劉亞斌，李淑霞，余冬梅，胡夏嵩，楊幼清

（1.中國科學院青海鹽湖研究所中國科學院鹽湖資源綜合高效利用重點實驗室，西寧810008；2.青海省鹽湖地質與環境重點實驗室，西寧810008；3.中國科學院大學，北京100049；4.青海大學地質工程系，西寧810016）

0 引 言

近年來隨著西寧盆地及其周邊地區經濟快速發展，區內基礎設施建設力度亦不斷加大。隨著大規模工程建設活動的開展，諸如邊坡開挖等工程活動會在一定程度上造成原有斜坡植被的破壞，并形成大量裸露邊坡，其結果是進一步加劇了區內水土流失、滑坡、泥石流等地質災害現象的發生，同時也對區內地質環境與生態環境產生了直接影響和破壞作用[1-4]。據已有國內外相關學者研究成果表明，通過種植植被的方法不僅可起到邊坡生態恢復的作用，同時還能有效地控制水土流失、淺層滑坡及泥石流等地質災害現象的發生[5-9]。植物通過其根系力學效應可實現有效增強邊坡土體抗剪強度和提高邊坡穩定性作用，主要歸因于根系具有較強的抗拉特性，而土體具有抗壓能力強而抗拉能力弱的特性，故當含根系土體受到剪切作用時，通過根-土界面摩擦力的作用，根系可將土體內部剪應力轉化為自身所承受的拉應力，起到增強土體抗剪強度的作用[10]。植物根系抗拉特性是表征其增強土體抗剪強度能力大小的重要力學特性[10-13]。

有關植物根系抗拉力學特性的研究，國內外學者開展了大量相關試驗工作。Stokes等[14]指出根的抗拉強度愈高則愈具有抗拔出和增強土體抗剪強度的能力，故在根面積比一定的條件下，數量相對愈多的細根較數量相對較少的粗根，表現出具有相對更為顯著的固土護坡能力。Baets等[10]研究了生長于地中海地區的25種植物（含灌木、草本和小型喬木）的單根抗拉強度，研究結果認為植物單根抗拉強度隨著根徑增加呈降低的趨勢，且單根抗拉強度與根徑之間的函數關系取決于植物的種類。鐘榮華等[15]通過室內單根拉伸試驗對三峽庫區消落帶牛鞭草、扁穗牛鞭草、雙穗雀稗及狗牙根 4種草本植物進行單根拉伸試驗研究，結果表明 4種草本植物單根平均抗拉力由大至小依次為狗牙根、牛鞭草、扁穗牛鞭草和雙穗雀稗；而單根平均抗拉強度由大至小依次為狗牙根、扁穗牛鞭草、牛鞭草和雙穗雀稗；4種草本植物單根抗拉力和單根抗拉強度，隨著根徑增加分別呈冪函數增大和冪函數降低趨勢。此外，Tosi等[11,16-22]等學者亦對不同草本、灌木及木本植物的單根抗拉力、單根抗拉強度與根徑之間的關系進行了研究，并得出了相類似的研究結果。

有關植物根系應力-應變關系研究方面，劉國彬等[16]通過單根拉伸試驗對黃土高原常見的沙打旺等12種草本植物根徑為0.1～1.0 mm的毛根應力-應變關系、彈性模量等力學特性進行了系統研究，認為不同草本植物的本構方程和彈性模量均存在差異性，且毛根應力-應變關系對應變率的敏感程度，隨根徑的增加表現出呈降低趨勢。劉秀萍等[23]通過分析油松單根拉伸試驗過程中表現出的應力與應變關系特征，指出當油松單根應力達到抗拉強度極限的 50%～70%時，所對應點即為單根的彈性極限點。朱海麗等[1]通過對種植于西寧盆地生長期為18個月的檸條錦雞兒、霸王等4種灌木進行室內單根拉伸試驗，結果表明4種灌木單根在受拉初期其應力-應變曲線呈線性關系，表現出彈性材料的特征，當載荷超過彈性極限時，4種灌木應力-應變關系表現出彈塑性材料的特征。

綜上所述，有關植物根系抗拉力學特性研究方面，已有研究成果主要表現在對不同植物單根抗拉力學特性指標差異性評價及其與根徑關系，以及單根應力-應變關系分析等方面。其中，有關單根抗拉力、單根抗拉強度等單根抗拉力學特性指標差異性評價時，多數采用的是對不同根徑單根，其平均單根抗拉力學特性指標進行對比分析，相應地，以根徑級別作為分類依據，對西寧盆地黃土區不同草本植物開展不同根徑級別條件下，單根抗拉力、單根抗拉強度等單根抗拉力學特性指標對比分析等方面的研究則相對較少；與此同時，已有的有關西寧盆地黃土區植物單根拉伸應力-應變特征方面的研究，主要以灌木植物為主要研究對象[1,17]，而探討區內不同草本植物單根應力-應變關系反映出的階段性特征及其差異性方面的研究亦相對較少。基于上述分析，本項研究選取西寧盆地典型草本植物垂穗披堿草（Elymus nutans Griseb.）、細莖冰草（Agropyron trachycaulum Linn.Gaertn.）及紫花苜蓿（Medicago sativa L.）作為試驗供試種，通過開展單根拉伸試驗對這 3種草本植物單根抗拉力、單根抗拉強度和單根極限延伸率 3個單根抗拉力學特性指標大小及其與根徑之間的關系，以及單根拉伸過程中的應力-應變特征進行了試驗研究。本項研究結果對于西寧盆地及其周邊黃土區邊坡水土流失、淺層滑坡等地質災害現象有效防治，以及保護區域生態地質環境等方面均具有理論研究價值和實際指導意義。

1 研究區概況

研究區為地處青海東北部湟水谷地中部的西寧盆地，屬于黃土高原西緣與青藏高原東北部的交接地帶。區內為溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為6 ℃，年平均蒸發量為1 400～2 000 mm，年均降水量為250～500 mm且年內分布極不均勻，降雨主要集中分布在6～9月份，約占全年降水量的70%～80%，多以暴雨和陣雨形式出現，具有歷時短、強度大、降雨集中等特點[24]。西寧盆地及其周邊地區地表植被覆蓋率相對較低，黃土高陡邊坡發育，地質環境相對脆弱，區內地質災害類型主要為滑坡、崩塌、泥石流3種類型[25-26]。本項研究的自建試驗區位于西寧盆地長嶺溝，其地理坐標為東經101°42′00′，北緯36°36′00′，區內海拔為2 315～2 570 m。種植區屬于土質邊坡，邊坡坡度為30°，坡向向南，土質類型為粉土。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗供試種種植方法及供試種選擇

本項研究在自建試驗區共劃分出10塊坡長為1 000 cm，坡寬為500 cm的試驗種植區，其中的3塊種植區（即6號、7號、8號種植區）用于單播種植。3塊單播種植區內均設置有11塊坡長為1 000 cm，坡寬為45 cm的種植小區。3個單播種植區內草本和灌木植物種植方法采用隨機完全區組設計，每個種植區內均種植有10種適宜當地氣候條件下生長的草本和灌木植物。每塊種植區內草本和灌木植物種植順序通過隨機抽樣的方法確定。種植區內種植的草本植物包括垂穗披堿草、細莖冰草、紫花苜蓿、芨芨草（Achnatherum splendens（Trin.）Nevski）、草地早熟禾（Poa pratensis L.）和星星草（Puccinellia tenuiflora（Griseb.）Scribn.）6種，本項研究選取生長期為150 d時，生長情況相對良好的垂穗披堿草、細莖冰草、紫花苜蓿3種草本植物，作為試驗供試種進行單根拉伸試驗。試驗區內草本植物種植方法為條播法，播種量為 3.8～20.1 g/m2。試驗區草本和灌木植物種植方案如圖1所示。

圖1 試驗區草本和灌木植物種植方案Fig.1 diagram of planting plots and planting program in test area

本項研究所選取的 3種草本植物中，垂穗披堿草與細莖冰草為禾本科多年生草本植物，紫花苜蓿為豆科多年生草本植物。垂穗披堿草和紫花苜蓿為適宜西寧盆地及周邊地區環境條件下生長的常見鄉土植物，可在 2 200～4 100 m的海拔范圍內正常生長[27-30]；細莖冰草為引進至西寧盆地的優良牧草種，該種亦適宜于西寧盆地及其周邊地區種植生長，具有較強的抗寒抗旱性和適應性[31]。這 3種草本植物均為研究區人工草地建植、水土保持的理想草種[27,31]。本項研究所選取的垂穗披堿草、細莖冰草和紫花苜蓿3種草本植物生長期均為150 d。3種草本植物中，垂穗披堿草與細莖冰草根系為須根型，紫花苜蓿根系發達且多為直根型[32-33]。生長期為150 d時，垂穗披堿草與細莖冰草根系主要分布在邊坡地表以下15～25 cm深度土體中；紫花苜蓿根系可達邊坡表層以下50～75 cm深度位置。試驗區植物整體生長情況，及3種草本植物生長情況如圖2所示。

圖2 試驗區植物生長情況Fig.2 Growth situation of vegetation in test area

2.2 取樣與制樣方法

在區內3種草本植物單根拉伸試驗之前，首先分別從每種草本植物在6號、7號和8號種植區所對應的種植小區的上部、中部和下部位置（取樣位置如圖1所示），整株挖掘出試驗所需3種草本植物根系各一組，并將原位采集完畢的根系樣品放入大號自封袋中隨即帶回實驗室進行試驗。在室內將3種草本植物根系用清水洗凈后，分別從每種草本植物的3組根系試樣中用剪刀各隨機剪取70根根長為8～10 cm且未受損傷的單根，即每種草本植物共剪取210根單根進行拉伸試驗。因根徑＜l.00 mm的根系纏繞固結土體、增強土體抗沖性作用相對較為顯著[16]，同時，鑒于紫花苜蓿單根根徑為0～0.10 mm范圍內的數量相對較少，且垂穗披堿草和細莖冰草單根根徑≥0.6 mm條件下的數量亦相對較少，故本項研究單根拉伸試驗所選取的單根根徑范圍為0.10～0.60 mm。此外，為系統性對比分析區內3種草本植物根系力學指標之間的差異性，本項研究將3種草本植物根徑D（mm）依次劃分為（0.10，0.20]、（0.20，0.30]、（0.30，0.40]、（0.40，0.50]及（0.50，0.60] mm 5個根徑級別進行單根拉伸試驗。

2.3 單根拉伸試驗方法

區內3種草本植物在開展單根拉伸試驗時，首先將單根夾持在上、下拉伸夾具之間，同時保證位于上、下兩夾具之間的根段標距為20 mm（夾具間根段保持順直狀態，同時做到避免根段在拉伸試驗開始前受拉力作用）；試驗過程中，上夾具以20 mm/min的速率勻速上行，以使位于上、下夾具間的根段承受拉伸作用，直至該根段被拉斷為止。由于單根拉伸試驗儀在記錄單根應力-應變曲線時，需提前測得待測單根根徑，故在每根單根進行拉伸試驗前，先用記號筆在其中部位置做出2個標記（標記間距為20 mm），然后在2個標記間的3個不同位置處使用游標卡尺測量其根徑，以3次測量的平均值作為該20 mm長根段根徑，最后按單根根徑級別依次進行相應歸類。此外，在夾持單根時，做到準確地將2個標記間的根段夾持在夾具之間。單根拉伸試驗進行過程中，單根應力-應變關系曲線則由該試驗儀內置程序自動計算生成并記錄；待試驗結束后該試驗儀自動記錄單根抗拉力；然后在此基礎上計算得到單根抗拉強度、單根極限延伸率等單根抗拉力學特性指標。

此外，需要說明的是，本次單根拉伸試驗過程中，選取位于上、下兩夾具中間位置處發生斷裂根段的單根抗拉力學特性指標作為試驗有效數據。試驗采用的儀器為上海衡翼精密儀器有限公司生產的HY-0580型微機控制電子萬能試驗機。電子萬能試驗機力學傳感器量程為10 kg，精度為0.3%。本項研究中3種草本植物單根抗拉強度計算公式為[1]

3種草本植物單根極限延伸率計算公式為[1]

式中Fmax表示單根抗拉力，N；D表示上、下兩夾具間根段的平均根徑，mm；T表示單根抗拉強度，MPa；ΔLmax表示單根處于極限狀態時的根長增長量，mm；εmax表示單根極限延伸率，%。

3 試驗結果與分析

3.1 3種草本植物單根抗拉力學特性

3.1.1 單根抗拉力

試驗區3種草本植物單根抗拉試驗結果如表1所示。由表1可知，區內3種草本植物根徑在（0.10，0.20]、（0.20，0.30]、（0.30，0.40]、（0.40，0.50]及（0.50，0.60] mm 5個根徑級別條件下，紫花苜蓿單根抗拉力均顯著高于垂穗披堿草和細莖冰草。在上述 5個根徑級別范圍內，紫花苜蓿單根抗拉力為（2.28±0.67）～（12.00±3.89）N，垂穗披堿草和細莖冰草單根抗拉力分別為（1.75±0.43）～（7.66±0.72）N 和（1.82±0.46）～（7.95±0.47）N，紫花苜蓿單根抗拉力較垂穗披堿草和細莖冰草分別平均高1.32倍和1.26倍。此外，區內3種草本植物根徑級別為（0.20，0.30] mm時，紫花苜蓿單根抗拉力較垂穗披堿草、細莖冰草的差異性相對較小，即紫花苜蓿單根抗拉力分別為垂穗披堿草和細莖冰草的1.18倍和1.16倍；當根徑級別為（0.50，0.60] mm時，紫花苜蓿單根抗拉力較垂穗披堿草、細莖冰草表現出相對較大的差異性，即紫花苜蓿單根抗拉力分別為穗披堿草和細莖冰草的 1.57倍和1.51倍。此外，區內細莖冰草單根抗拉力在 5個根徑級別條件下均表現出略大于垂穗披堿草的特性，且細莖冰草單根抗拉力平均高出垂穗披堿草1.05倍，同時在5個根徑級別條件下，垂穗披堿草和細莖冰草單根抗拉力的差異性均表現出相對不顯著性的特性。

表1 試驗區3種草本植物單根抗拉力學特性指標試驗結果Table 1 Single root tensile mechanical property indexes of three herbs in test area

3.1.2 單根抗拉強度

由表1可知，區內3種草本植物在5個根徑級別條件下，紫花苜蓿的單根抗拉強度顯著高于垂穗披堿草和細莖冰草，即具體表現為 5個根徑級別條件下，紫花苜蓿單根抗拉強度為（49.21±16.39）～（124.88±46.63）MPa，垂穗披堿草和細莖冰草單根抗拉強度分別為（35.33±1.76）～（84.87±15.93）MPa和（35.96±2.46）～（73.32±19.56）MPa，紫花苜蓿單根抗拉強度分別較垂穗披堿草和細莖冰草平均高出1.30倍和1.31倍。其中，當根徑級別為（0.30，0.40] mm時，紫花苜蓿單根抗拉強度與垂穗披堿草、細莖冰草之間的差異性均表現出相對較小的特性，即紫花苜蓿單根抗拉強度分別為垂穗披堿草和細莖冰草的1.18倍和1.12倍；相應地，當根徑級別為（0.10，0.20] mm時，紫花苜蓿的單根抗拉強度較垂穗披堿草、細莖冰草表現出具有相對較大的差異性，即紫花苜蓿單根抗拉強度分別為垂穗披堿草和細莖冰草的 1.47倍和1.70倍。雖然垂穗披堿草和細莖冰草的單根抗拉強度在 5個根徑級別條件下均未表現出顯著差異性，但在根徑級別為（0.10，0.20] mm和（0.20，0.30] mm時，垂穗披堿草單根抗拉強度具有略大于細莖冰草的特性，在上述 2個根徑級別條件下，垂穗披堿草單根抗拉強度分別為細莖冰草1.16倍和1.01倍；與此同時，在根徑級別為（0.30，0.40]、（0.40，0.50]及（0.50，0.60] mm 3 個根徑級別條件下，細莖冰草的單根抗拉強度表現出略高于垂穗披堿草的特性，即分別高出1.05倍、1.09倍和1.02倍。

3.1.3 單根極限延伸率

由表1可知，區內3種草本植物在5個根徑級別條件下，垂穗披堿草單根極限延伸率表現出顯著高于其他2種草本植物的特性，細莖冰草次之，而紫花苜蓿的單根極限延伸率在 5個根徑級別條件下均具有相對較小的特性。區內3種草本植物在5個根徑級別條件下，垂穗披堿草的單根極限延伸率為 50.36%±15.52%～76.4%±3.05%，細莖冰草和紫花苜蓿的單根極限延伸率則分 別 為 45.84%±11.56% ～ 73.28%±10.82% 和25.74%±8.05%～36.09%±7.78%，垂穗披堿草單根極限延伸率分別較細莖冰草和紫花苜蓿平均高 1.13倍和 2.16倍。當根徑級別為（0.50，0.60] mm時，垂穗披堿草單根極限延伸率較細莖冰草差異性相對不顯著，即垂穗披堿草單根極限延伸率僅為細莖冰草的1.02倍；相應地，當根徑級別為（0.10，0.20] mm時，垂穗披堿草單根極限延伸率較紫花苜蓿的差異性相對較小，即垂穗披堿草單根極限延伸率為紫花苜蓿的1.75倍；在根徑級別為（0.30，0.40] mm時，垂穗披堿草單根極限延伸率分別較細莖冰草和紫花苜蓿表現出相對較大的差異性，即垂穗披堿草單根極限延伸率分別為細莖冰草和紫花苜蓿的1.19倍和2.51倍。此外，在 5個根徑級別條件下，細莖冰草單根極限延伸率亦表現出較紫花苜蓿顯著的特性，即細莖冰草單根極限延伸率平均高出紫花苜蓿1.91倍，其中根徑級別為（0.10，0.20] mm時，細莖冰草單根極限延伸率較紫花苜蓿的差異性相對較小，細莖冰草單根極限延伸率為紫花苜蓿的 1.59倍，相應地，在根徑級別為（0.30，0.40] mm時，細莖冰草單根極限延伸率與紫花苜蓿的差異性相對較大，即細莖冰草單根極限延伸率為紫花苜蓿的2.11倍。

通過上述對區內垂穗披堿草、細莖冰草及紫花苜蓿3種草本植物單根根徑在（0.10，0.20]、（0.20，0.30]、（0.30，0.40]、（0.40，0.50]及（0.50，0.60] mm 5個根徑級別條件下，單根抗拉力、單根抗拉強度和單根極限延伸率 3個單根抗拉力學特性指標對比分析可知，在 5個根徑級別條件下，紫花苜蓿單根抗拉力和單根抗拉強度均表現出顯著高于垂穗披堿草和細莖冰草的特性，且紫花苜蓿單根極限延伸率均表現出低于垂穗披堿草和細莖冰草的特性。由于本項研究所選取的 3種草本植物單根根徑均小于1 mm，表現出主要以加筋作用方式增強邊坡土體抗剪強度，即當邊坡土體受到剪切力作用時，穿過土體剪切面的根系通過將自身所受拉應力轉化為剪切面的法向應力和切向應力，從而起到增強邊坡土體抗剪強度的作用[5,13]，故在根面積比相同情況下，植物的單根抗拉力和單根抗拉強度愈大，則愈能起到增強邊坡土體抗剪強度的作用[14]。相應地，植物單根極限延伸率愈小，當土體發生相對較小剪切位移時，單根即可將其自身的拉應力發揮出來，以起到有效增強土體抗剪強度的作用。由上述可知，在根面積比相同且根徑為 0.10～0.60 mm條件下，區內 3種草本植物中紫花苜蓿根系增強邊坡土體抗剪強度的作用較區內其他 2種草本植物相對較為顯著，其次依次為細莖冰草和垂穗披堿草。

3.2 3種草本植物單根抗拉力學特性指標與根徑的關系

3.2.1 單根抗拉力與根徑關系

如圖3所示為試驗區3種草本植物單根抗拉力與根徑之間的關系曲線。

由圖3可知，區內3種草本植物單根抗拉力均表現出隨著根徑（根徑范圍為0.10～0.60 mm）的增加呈增大的變化規律，且單根抗拉力與根徑間符合冪函數關系。

圖3 試驗區3種草本植物單根抗拉力與根徑關系Fig.3 Relationship between single root tensile force and root diameter of three herbs in test area

垂穗披堿草、細莖冰草和紫花苜蓿 3種草本植物單根抗拉力與根徑間的函數關系式分別為 y=17.06x1.25（R2=0.98，P＜0.001）、y=20.73x1.40（R2=0.90，P＜0.001）和y=21.54x1.27（R2=0.73，P＜0.001）。此外，有關植物單根抗拉力與根徑之間的關系，與本項研究結果相類似的相關研究主要表現為：陸桂紅等[34]通過對寒芒、草地早熟禾等 6種草本植物根系進行室內單根拉伸試驗，結果表明根系抗拉力與根徑間呈冪函數關系，且抗拉力隨根徑的增加而增大；Ye等[20]通過對百喜草進行單根拉伸試驗，亦得到了單根抗拉力隨根徑增加呈冪函數增長的變化關系；Lateh等[35]對喬木馬占相思進行了單根拉伸試驗，也得到了單根抗拉力隨著根徑增加呈冪函數增長的變化關系。

3.2.2 單根抗拉強度與根徑關系

如圖4所示為試驗區3種草本植物單根抗拉強度與根徑之間的關系曲線。由圖4可知，本項研究所選取的3種草本植物單根抗拉強度隨著根徑（根徑為0.10～0.60 mm）的增加呈冪函數降低的變化規律。垂穗披堿草、細莖冰草及紫花苜蓿3種草本植物單根抗拉強度與根徑之間的函數關系式分別為y=22.09x-0.74（R2=0.94，P＜0.001）、y=27.71x-0.60（R2=0.54，P＜0.001）和y=25.07x-0.85（R2=0.58，P＜0.001）。此外，有關植物單根抗拉強度與根徑關系研究方面，趙麗兵等[19]通過室內單根拉伸試驗，分析了紫花苜蓿和馬唐2種草本植物單根抗拉強度及其與根徑之間的關系，試驗結果表明紫花苜蓿和馬唐其單根抗拉強度隨著根徑增加均呈冪函數降低的變化關系；李光瑩等[36]采用單根拉伸試驗，亦得到了小嵩草、紫花針茅等6植物，其單根抗拉強度隨著根徑的增加呈冪函數降低變化關系的研究結論；Esmaiili等[37]通過單根拉伸試驗得出歐洲云杉和歐洲白蠟樹單根抗拉強度隨著根徑的增加亦呈冪函數降低的變化關系。上述研究結果均與本項研究所得到的結果相類似。

相應地，有關草本植物單根抗拉強度隨著根徑的增加而降低這一特性成因機理研究方面，趙麗兵等[19]的研究結果表明，紫花苜蓿和馬唐 2種草本植物根纖維素含量隨著根徑增加呈線性降低的變化關系，而上述 2種草本植物單根抗拉強度隨著根纖維素含量增加呈線性增大變化關系，故使得這 2種草本植物出現單根抗拉強度隨著根徑增加而降低的特性。上述研究結果對本項研究中，有關垂穗披堿草、細莖冰草及紫花苜蓿 3種草本植物單根抗拉強度隨著根徑增加而降低的試驗結果，亦具有一定程度的參考價值。

圖4 試驗區3種草本植物單根抗拉強度與根徑關系Fig.4 Relationship between single root tensile strength and root diameter of three herbs in test area

3.2.3 單根極限延伸率與根徑關系

如圖5所示為試驗區3種草本植物單根極限延伸率與根徑之間的關系曲線。由圖 5可知，垂穗披堿草、細莖冰草及紫花苜蓿 3種草本植物，其單根極限延伸率與根徑（根徑為0.10～0.60 mm）之間的關系未表現出相對顯著性，即未出現決定系數R2大于0.5的函數關系（圖5中所示為決定系數R2為最大值時所對應的擬合曲線及函數關系式）。

雖然區內 3種草本植物單根極限延伸率與根徑之間關系的回歸分析結果反映出兩者間相關性相對較低，但由圖5可知，區內3種草本植物單根極限延伸率，仍表現出隨著根徑的增加而逐漸增大的變化規律。

圖5 試驗區3種草本植物單根極限延伸率與根徑關系Fig.5 Relationship between single root limit extensile rate and root diameter of three herbs in test area

3.3 3種草本植物單根拉伸應力-應變關系

本項研究通過對區內 3種草本植物根系進行單根拉伸試驗，得到了垂穗披堿草、細莖冰草及紫花苜蓿 3種草本植物單根拉伸全過程應力-應變曲線，如圖6所示。由圖6可知，區內3種草本植物單根應力-應變關系曲線，存在2種類型的應力-應變關系。第一種類型即應力-應變關系曲線Ⅰ，該類型曲線為 3種草本植物普遍具有的單根拉伸應力-應變關系，其特征具體表現為：①單根受力的初期階段，即表現在圖6a、6b和6c中應力-應變關系曲線Ⅰ的O點至A點處，其應力-應變關系曲線基本呈直線型，反映出單根應力與應變之間呈線性變化關系，該階段屬于單根拉伸過程中的彈性變形階段。該階段單根變形可恢復，即卸去拉伸力作用后，單根形態可恢復至其在受拉變形前的初始狀態，該階段單根內部尚未產生殘余變形和殘余應力；②單根受力的中期階段，即表現在圖6a、6b和6c中應力-應變關系曲線Ⅰ的A點至C點處，單根的應力-應變曲線逐漸呈非線性，說明此階段單根在拉應力作用下開始屈服，即單根進入彈塑性變形階段；③單根受力的后期階段，即表現在圖 6a、6b和 6c中應力-應變關系曲線Ⅰ的C點至H點處，應力-應變曲線近似呈直線型，表現為應力與應變之間呈線性增長關系，在該階段，單根的塑性變形增加了其對繼續變形的阻力，故隨著單根拉應力增大的同時，單根的屈服點位置亦表現出相應地提高的特性，即出現應變硬化現象；④當應變硬化現象發展至H點時，應力-應變曲線發生突變，即在該點處拉應力迅速下降至0，說明單根此時已被拉斷，與此同時，應力-應變關系曲線在H點達峰值點，即H點所對應的極限拉應力即為單根抗拉強度[38]。在此需說明的是，在上述單根拉伸應力-應變關系曲線中，O點位置未選擇在坐標原點，其原因在于單根拉伸試驗過程中，由于單根其自身存在一定程度的自然彎曲現象，且當單根被夾具夾緊后亦會使單根出現一定的彎曲松弛現象，因此在如圖6所示的應力-應變關系曲線中，自坐標原點至O點處的應力-應變關系并非代表單根實際的應力-應變變化關系，故本項研究選擇 O點作為單根應力-應變關系曲線的起始點位置。

圖6 試驗區3種草本植物單根應力-應變關系曲線Fig.6 Stress-strain curves of three herbs in test area

區內3種草本植物單根拉伸過程中第二種應力-應變關系類型為應力-應變關系曲線Ⅱ，該類型曲線僅存在于垂穗披堿草和細莖冰草 2種草本植物單根的拉伸試驗過程中。由圖 6a、6b可知，應力-應變關系曲線Ⅱ與應力-應變關系曲線Ⅰ相比，二者表現出一定的相似性，即反映在應力-應變關系曲線Ⅱ中O'A'段、A'C'段及C'H'段，對應地與應力-應變關系曲線Ⅰ中的OA段、AC段及CH段具有相同的單根拉伸應力-應變關系階段性變化特征。相應地，應力-應變關系曲線Ⅱ與應力-應變關系曲線Ⅰ的差異性則表現在：當單根應力-應變關系曲線Ⅱ處于應變硬化階段（即圖6a、6b中C'點至H'點位置）時，拉應力在未達到單根抗拉強度時（即應力-應變關系曲線未到達H'點位置時），即當應變為0.24（如圖6a）和0.42（如圖6b所示）時出現了拉應力峰值點 h，且其對應的拉應力分別為26.5和29.8 MPa，在峰值點h出現之后應力-應變關系曲線Ⅱ呈一定程度下降后，仍處于應變硬化階段，直至單根應力-應變關系曲線到達H'點。通過對單根拉伸過程中單根表面形態和結構變化特征詳細觀察，發現峰值點 h出現的原因與垂穗披堿草和細莖冰草單根表皮先于表皮內部組織發生斷裂現象關系密切。在單根拉伸過程中，當垂穗披堿草和細莖冰草單根表皮發生斷裂后，其結果使得應力-應變關系曲線Ⅱ在C'H'段出現了峰值點h，此后其單根內部組織繼續承受拉應力，直至單根應力-應變關系曲線到達極限拉應力點H'。因此，應力-應變關系曲線Ⅱ在整體上呈現出了雙峰值的特征。值的一提的是，應力-應變關系曲線Ⅱ未出現在紫花苜蓿單根拉伸試驗過程中，說明根徑為0.10～0.60 mm的紫花苜蓿單根表皮與表皮內部組織的抗拉力學特性的差異性相對較為不顯著，使得紫花苜蓿單根表皮與表皮內部組織的應力-應變過程，在單根拉伸試驗過程中表現出具有相對較為顯著的同步性。

4 結 論

1）西寧盆地黃土區內3種草本植物在根徑為（0.10，0.20]、（0.20，0.30]、（0.30，0.40]、（0.40，0.50]及（0.50，0.60] mm 5個根徑級別條件下，紫花苜蓿單根抗拉力和單根抗拉強度均表現出顯著高于垂穗披堿草和細莖冰草的特性，且紫花苜蓿單根極限延伸率均表現出低于垂穗披堿草和細莖冰草的特性，體現出紫花苜蓿根系增強邊坡土體抗剪強度的作用較細莖冰草和垂穗披堿草相對較為顯著。

2）區內3種草本植物根徑為0.10～0.60 mm范圍內單根抗拉力隨著根徑的增加而增大，且二者間呈冪函數關系；單根抗拉強度隨著根徑的增加而減小，二者間亦呈冪函數關系；單根極限延伸率表現出具有隨著根徑增加而增大的變化趨勢，但二者間并未表現出相對顯著的函數關系。

3）區內3種草本植物在單根拉伸過程中表現出了2類應力-應變關系曲線，其中應力-應變關系曲線Ⅰ和應力-應變關系曲線Ⅱ均表現出了彈性變形、彈塑性變形、應變硬化及斷裂破壞4個階段；此外，應力-應變關系曲線Ⅱ在應變硬化階段表現出雙峰值現象；應力-應變關系曲線Ⅱ未出現在紫花苜蓿單根拉伸試驗過程中，說明紫花苜蓿其單根表皮與表皮內部組織的應力-應變過程，在單根拉伸試驗過程中表現出具有相對較為顯著的同步性。

該項研究成果對于研究區坡面水土流失、淺層滑坡等地質災害現象的生態防護工作，具有理論研究價值和實際指導意義。