黃河源區高寒草地植物組合對根-土復合體抗剪強度的影響

劉昌義， 竇增寧， 胡夏嵩,3,4*， 徐志聞， 周林虎， 李希來， 朱海麗， 李燕婷

(1. 青海大學地質工程系， 青海 西寧810016； 2. 青海省公路科研勘測設計院， 青海 西寧810001； 3. 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， 青海 西寧810008； 4. 青海省鹽湖地質與環境重點實驗室， 青海 西寧810008； 5. 青海大學農牧學院， 青海 西寧810016)

近年來，受全球氣候變化的影響，黃河源區極端氣候現象頻繁發生，加之受到鼠害和過度放牧等諸多因素的綜合影響，草地退化現象較為嚴重，草地退化面積為425767 hm2，占總面積的8.24%[1]。草地退化引發的水土流失、土壤侵蝕和滑坡等災害現象頻繁發生[2-3]，導致黃河源區土地覆被狀況指數僅為38.84%，且土體覆被狀況變化程度較為劇烈[4]，尤其黃河源東部地區草地蓋度狀況處于逐漸減少的趨勢[5]。這不僅對源區高寒草地生態保護和草地植被恢復帶來影響，而且對源區畜牧業和經濟發展產生一定影響和帶來潛在危害性[6]。

有關黃河源區草地退化的影響因素和成因機理研究，國內外學者采用常規生態學研究、遙感分析、元素測試、建立數學模型等多種方法，對草地退化現狀、形成機制、植被與土壤相互作用、放牧、鼠害、毒雜草等因素的影響、生態恢復等方面均進行了深入的研究[7-11]。對于植物根系與土壤所組成的根-土復合體的研究方面，國內外學者對于根-土復合體在固土護坡等方面開展了深入的研究，特別是有關根系對于提高根-土復合體力學強度特性方面的作用已經得到了國內外學者的普遍認可，其研究結果對于防治高寒草地退化亦有一定的理論指導意義[12-16]。

但采用草地植物根-土復合體力學強度的方法，分析評價草地退化和形成機理研究成果，尤其是有關青藏高原東北部黃河源地區相關研究相對較少。因此，本研究以黃河源區東部的高寒草地為研究對

象，通過對區內不同植物及其組合根-土復合體開展抗剪強度試驗，探討了不同植物及其組合類型對根-土復合體抗剪強度影響，以及根-土復合體抗剪強度大小變化規律和影響因素，以期為該地區植被恢復和科學有效地防治草地退化、水土流失、淺層滑坡等災害現象發生提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

以位于黃河源區青海河南縣啟龍牧場作為研究區(101°50′08″ E，34°35′12″ N)，區內平均海拔為3 600 m，地處青藏高原東北部。年平均氣溫為0.31℃，年降雨量為468.9 mm，相對濕度為66%[17-18]。研究區距離區內黃河主干道約70 km，主要分布洮河、澤曲河與尕瑪日河等眾多河流，年均徑流總量為13.87億m3，水源條件相對較為豐富。研究區啟龍牧場分布有垂穗披堿草草地和矮生嵩草草地等2種草地類型[19]。區內草甸土壤中氮、鉀含量相對較高，且速效鉀含量已達富鉀水平，但磷含量相對較低[20]。邊坡土體物理性質指標及土體顆粒分析試驗結果如表1所示，區內邊坡土體顆粒級配曲線如圖1所示，區內陽坡位置處土體平均密度、平均含水率分別為1.13 g·cm-3，18.33%，陰坡位置處土體平均密度、平均含水率分別為1.03 g·cm-3，23.35%；區內邊坡土體為不良級配，土體類型為砂類土。

表1 研究區邊坡草本植物生長區土體物理性質指標試驗測試結果Table 1 Test results of soil physical properties of plant growing areas in the study area

圖1 研究區植物邊坡土體顆粒級配曲線Fig. 1 Particle grading curve of plant slope soil in the study area

1.2 試驗設計

為確定不同植物組合其根-土復合體抗剪強度指標，首先在區內實測地形線剖面，且沿剖面由陽坡坡頂至陰坡坡頂位置，依次劃分出6種不同類型的植物組合。區內該實測剖面其陽坡坡長為150 m，平均坡度為7.6 °，陰坡坡長為100 m，平均坡度為4.5°。區內沿剖面線方向植物分布及組合類型劃分結果見圖2，植物生長情況見圖3，沿該剖面線方向所劃分出的6種不同類型植物組合分別為：組合Ⅰ為紫花針茅(StipapurpureaGriseb.)+高山嵩草(KobresiapygmaeaC. B. Clarke)組合，該組合位于陽坡坡頂位置處，其水平方向延伸距離為46.82m；組合Ⅱ為高山嵩草(KobresiapygmaeaC. B. Clarke)組合，該組合位于陽坡坡中位置處，其水平方向延伸距離為55.51 m；組合Ⅲ為垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)組合，該組合位于陽坡坡底位置處，其水平方向延伸距離為45.70 m；組合Ⅳ為垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)+青藏苔草(CarexmoorcroftiiFalc．Ex Boott)組合，該組合位于區內陰坡坡頂位置處，其水平方向延伸距離為47.52 m；組合Ⅴ為珠芽蓼(PolygonumviviparumL.)+垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)組合，該組合位于陰坡坡中位置處，其水平方向延伸距離為56.58 m；組合Ⅵ為高山嵩草(KobresiapygmaeaC. B. Clarke)+紫菀(AstertataricusL. f.)組合，該組合位于陰坡坡底位置處，其水平方向延伸距離為45.21 m。

圖2 研究區邊坡草本植物組合類型及其劃分情況Fig. 2 The types and division of herb plants on the slope of the study area

圖3 研究區實測邊坡剖面及其剖面植物生長情況Fig.3 Measured slope profiles and plant growth in the study area

1.3 試驗方法

首先通過野外取樣得到區內6種不同植物組合類型其根-土復合體試樣柱。按照如圖2所示的區內邊坡地表草本植物分布及其類型劃分情況，分別由陽坡坡頂位置處至陰坡坡頂位置處，6種不同植物組合類型設置取樣點，每種植物組合類型分別選擇2個有代表性的位置，并采用挖取的方式制取直徑為28 cm，高為22 cm的試樣柱放置于試驗樣盆中及時密封和編號并帶回實驗室。在制取試樣柱過程中在該取樣點同時分層制取其密度試樣和含水率試樣，即上層為地表以下0～10 cm深度位置中央，下層為10～20 cm深度中央。其次，在室內對取回的試樣柱亦分為上下兩層分別制取用于直剪試驗的根-土復合體試樣(規格為內徑6.18 cm，高為2.00 cm，每層取4個試樣作為一組)，并立即進行直剪試驗。

在室內采用ZJ型應變控制式直剪儀開展根-土復合體抗剪強度試驗，試驗過程中每組試驗制取4個試樣，分別在50 kPa，100 kPa，200 kPa，300 kPa等4級垂直壓力(P)下進行直接剪切試驗，得到區內6種不同植物組合根-土復合體試樣抗剪強度指標黏聚力c值和內摩擦角φ值。室內密度試驗采用環刀法，含水率試驗采用烘干法。在直剪試驗結束后，收集剪切后的試樣采用沖洗的方法洗出試樣中的根系，并風干后稱量其根系干重。

1.4 數據處理和分析

數據處理采用Excel 2007進行，顯著性分析采用SPSS 19.0的單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 試驗區6種不同植物組合類型的根-土復合體抗剪強度特征

由表2可知，區內陽坡坡頂位置處分布的高山嵩草組合類型的根-土復合體平均黏聚力c值為27.76 kPa，坡中位置處珠芽蓼+垂穗披堿草組合的根-土復合體平均黏聚力c值為25.24 kPa，坡底位置處垂穗披堿草組合的根-土復合體平均黏聚力c值為37.53 kPa，可知陽坡坡頂與坡中位置處根-土復合體平均黏聚力c值，相比坡底位置處分別降低26.0%、32.7%。相應地，陰坡坡頂位置處高山嵩草+紫菀組合的根-土復合體平均黏聚力c值為16.74 kPa，坡中位置處珠芽蓼+垂穗披堿草組合的根-土復合體平均黏聚力c值為23.91 kPa，坡底位置處垂穗披堿草+青藏苔草組合的根-土復合體平均黏聚力c值為34.73 kPa，即表現出自坡底至坡頂方向呈逐漸減小的變化規律，坡頂與坡中相比較于坡底位置處分別降低51.8%，31.2%。

研究區6種不同植物組合類型的根-土復合體黏聚力c值隨海拔高度變化關系如圖4所示。由該圖可知，區內陽坡坡頂的高山嵩草組合的根-土復合體上層(0～10 cm)平均黏聚力c值為35.00 kPa，下層(10～20 cm)為20.53kPa，坡中珠芽蓼+垂穗披堿草組合的根-土復合體上層平均黏聚力c值為41.41 kPa，下層為29.06 kPa，坡底垂穗披堿草組合的根-土復合體上層平均黏聚力c值為41.63 kPa，下層為33.41 kPa，表現出區內不同植物組合在相同海拔位置處上層平均黏聚力c值大于下層，平均增幅為42%，且上層與下層均分別隨海拔高度的降低呈現出增大的變化趨勢。

圖4 研究區6種不同植物組合類型的根-土復合體黏聚力與海拔高度間關系Fig. 4 Relationship between cohesion force of root-soil composite system and altitude of 6 different plant combinations in the study area

區內陰坡坡頂高山嵩草+紫菀組合的根-土復合體其上層平均黏聚力c值為18.02 kPa，下層為15.47 kPa；坡中珠芽蓼+垂穗披堿草組合其上層平均黏聚力c值為24.78 kPa，下層為23.04 kPa；坡底垂穗披堿草+青藏苔草組合其上層平均黏聚力c值為34.59 kPa，下層為34.87 kPa；其根-土復合體平均黏聚力c值亦表現出上層較下層增幅為5.5%，且均隨區內海拔高度的降低呈現出增大的變化趨勢。

表2 研究區6種不同植物組合類型的根-土復合體試樣直剪試驗結果Table 2 Direct shear test results of root-soil composite system of 6 different plant combinations in the study area

注：“根-土復合體平均黏聚力c值降幅”指坡頂或坡中位置處植物組合其根-土復合體平均黏聚力相對于坡底位置的變化幅度；不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

Note:"the decrease degree of average cohesion force of the root-soil composite system" refers to the decrease degree of the average cohesion force of the root-soil composite system at the top or middle of slope relative to the bottom of the slope. Different lowercase letter shows significant difference (P<0.05), The same as below

研究區6種不同植物組合類型的根-土復合體剪應力與剪切位移關系曲線如圖5所示。6種植物組合類型的根-土復合體試樣剪切過程中，垂直壓力由50 kPa增加至300 kPa時，當剪切位移量相同時，復合體試樣所受到的剪應力隨垂直壓力的增大而相應地增大，且表現出抗剪強度大的植物組合類型其在相同垂直壓力下的最大剪應力值亦相對較大的特征。即陽坡坡底最大剪應力值相比較于坡頂增幅為7.6%，陰坡坡底最大剪應力值相比較于坡頂增幅為16.5%。

圖5 研究區6種不同植物組合類型根-土復合體剪應力與剪切位移關系Fig. 5 Relationship between shear stress and shear displacement of root-soil composite system of 6 different plant combinations in the study area

2.2 土體密度與含水率對6種不同植物組合類型根-土復合體抗剪強度影響

研究區陽坡和陰坡6種不同植物組合類型，其平均密度、平均含水率均分別隨海拔高度的降低而呈現增大趨勢，即分別在陽坡和陰坡坡底位置處其密度和含水率均相對最大，且表現為陰坡相同位置處其密度小于陽坡相同位置而含水率則大于陽坡相同位置的特征(表3)。

區內6種不同植物組合類型的根-土復合體黏聚力c值，其總體表現出隨著根-土復合體的密度增加而呈增大的變化趨勢(圖6)。6種不同植物組合類型的根-土復合體的含水率則表現出存在最優含水率的特征，即根-土復合體黏聚力c值在其含水率約為20%時達到相對最大值為54.60 kPa；當根-土復合體含水率小于20%時，根-土復合體黏聚力c值表現出隨含水率的增大而呈逐漸增加的變化規律；當含水率大于20%時，則表現出隨含水率的增加而呈降低的變化趨勢。

表3 研究區6種不同植物組合類型的根-土復合體試樣密度和含水率試驗結果Table 3 Test results of density and moisture content of root-soil composite system of 6 different plant combinations in the study area

注：“根-土復合體密度增幅”和“根-土復合體含水率增幅”分別指坡底或坡中位置處植物組合的平均密度和平均含水率相對于坡頂位置的增加幅度

Note:The "Increase degree of soil density of root-soil composite system" and "Increase degree of moisture content of root-soil composite system" refers to the variation of average density and average moisture content of the plant combinations at the bottom or middle position of the slope relative to the top of the slope

圖6 研究區6種不同植物組合類型的根-土復合體黏聚力與密度和含水率關系Fig. 6 Relationship between cohesion force and density and moisture content of root-soil composite system of 6 different plant combinations in the study area

2.3 6種不同植物組合類型根系含量對根-土復合體抗剪強度影響

區內6種不同植物組合類型其根系含量表現出隨海拔高度的降低而逐漸增加的變化規律(表4)。陽坡坡頂紫花針茅+高山嵩草組合、坡中高山嵩草組合，其根-土復合體中所包含的根系總干重分別為0.058 g·cm-3，0.067 g·cm-3，坡底垂穗披堿草組合的根系總干重為0.104 g·cm-3，表現出隨取樣位置海拔高度的降低其植物根系總干重逐漸增加的特征。區內陰坡坡頂高山嵩草+紫菀組合、坡中珠芽蓼+垂穗披堿草組合，其根系總干重分別為0.038 g·cm-3，0.061 g·cm-3，坡底垂穗披堿草+青藏苔草組合其根系總干重為0.097 g·cm-3，亦表現出隨海拔高度降低而增加的變化規律。

結合表2可知，區內6種不同植物組合類型，其根-土復合體的根系含量和粘聚力c值，均分別表現出隨著海拔高度的降低而逐漸增大的變化規律，一定程度上反映出了復合體中根系含量的增加對提高根-土復合體粘聚力c值有增強作用。即由陽坡坡頂紫花針茅+高山嵩草植物組合其根系含量為6.2%，增大至陽坡坡底垂穗披堿草根系含量為16.2%時，其復合體抗剪強度由27.76 kPa增大至37.53kPa。陰坡植物組合亦表現出相似的變化規律。

表4 研究區6種不同植物組合類型的根系生長量指標統計結果Table 4 Statistical results of root growth indices of 6 different plant combinations in the study area

注：“復合體根系干重”指每組直剪試樣4個環刀(單個環刀體積為60cm3)中所有根系的總干質量與試樣體積的比值；“復合體根系含量”指每組直剪試樣4個環刀中根系質量占試樣總質量的比例

Note："Dry weight of roots in the root-soil composite system" refers to the ratio of the dry weight of all roots to the volume of 4 ring knives(with a single volume of 60cm3for each ring knife) in each group of direct shear samples. "Root content of root-soil composite system" refers to the proportion of the weight of roots in the 4 ring knives of each group of direct shear samples to the total weight of the samples

3 討論

區內6種不同植物組合類型的根-土復合體抗剪強度總體上表現為，分布于海拔高度相對較低位置處的植物組合類型大于相對較高海拔的植物組合類型，這種使得區內6種不同植物組合類型的根-土復合體抗剪強度之間存在差異的主要原因在于，草本植物的生長受海拔高度、光照條件、含水率等諸多因素的綜合影響，從而導致相同植物在不同影響因素下表現出不同生長狀況[21,22]，即區內不同取樣位置處其植物類型的不同，以及不同植物類型其根系生長條件等方面均存在顯著差異性，從而使得區內6種不同植物組合的根-土復合體抗剪強度之間存在差異性。本項研究中，隨著海拔高度的降低，根-土復合體的平均密度、平均含水率和根系干重、根系含量等均逐漸增加，其抗剪強度亦呈逐漸增大的變化規律，這些因素均與其所處為陰坡或陽坡及海拔高度等因素有關，處于不同海拔高度位置處的植物其生長規律存在差異，其結果均會一定程度改變其地下根系分布及土壤性質等，從而影響其根-土復合體抗剪強度。因此，區內6種不同植物組合類型其根-土復合體抗剪強度受到其密度、含水率、含根量等諸多因素的影響，在分析時需要在多方面綜合考慮。

程昊民(2018)[23]對重塑黃土的強度影響因素研究指出，在干密度較大的情況下，土樣孔隙比較小，土中水分被緊密結合在土顆粒周圍以水膜的形式存在，使得土體的粘聚力增大，隨著干密度減小，孔隙比增大，結合水向自由水轉化，水膜與土顆粒間的強結合力消失，其粘聚力則降低。張奎等(2016)[24]根據《土工試驗方法標準》配置不同含水率和不同密度的重塑黃土試樣，采用直剪試驗確定出黏聚力c值，該值在最優含水率為15.78%時最大為32.69 kPa，當低于最優含水率時該黏聚力c值為21.08 kPa，高于最優含水率時其黏聚力c值為8.00 kPa。以上結果與本項研究中根-土復合體密度和含水率對根-土復合體抗剪強度的影響關系相一致。

在諸多影響因素中，根系干重和根系含量對根-土復合體抗剪強度的影響較為顯著。劉昌義等(2017)[12]通過針對位于黃河源區的河南縣境內優勢植物小嵩草(KobresiapygmaeaSergiev)、紫花針茅(StipapurpureaGriseb.)、垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)等7種根-土復合體進行抗剪強度試驗，劃分出不同退化程度草地之間的復合體的黏聚力閾值；同時，其研究指出根-土復合體中根系含量的減少是造成其抗剪強度降低的主要因素，這與本項研究中隨著海拔高度的降低，復合體中根系含量增加，抗剪強度亦逐漸增加的變化規律相一致。

此外，劉亞斌等(2017)[13]通過對檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)根系的拉拔摩擦試驗結果表明，當檸條錦雞兒根系總干質量最小為0.65 g時，根-土間最大摩擦力為0.03 kN，當檸條錦雞兒根系總干質量最大為3.21 g時，根-土間最大摩擦力為0.14 kN。陳航等(2017)[25]通過對紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)根-土復合體進行抗剪強度試驗結果表明，紫穗槐的根-土復合體密度為1.53 g·cm-3、含水率為12%時，根數為6根時其抗剪強度為49.907 kPa；根數為10根時其抗剪強度最大為54.322 kPa。由上述結果可知，植物根系數量增加具有有效增加根-土間摩擦力的作用，并起到提高根-土復合體抗剪強度的作用。鑒于此，本項研究中，區內6種不同植物組合類型的抗剪強度隨著根系含量的增加而增大；同時，根-土復合體抗剪強度亦受6種不同植物組合類型的根系總干重變化的影響，研究結論與上述學者結論相一致。

4 結論

區內6種不同植物組合類型的根-土復合體其平均黏聚力c值，表現為在坡頂相對較小，坡底相對較大的變化規律；相同位置處不同植物組合類型的根-土復合體黏聚力c值表現為位于0～10cm深度較10～20cm深度相對較大的特征。不同植物組合類型的根-土復合體的密度、含水率、根系干重和根系含量等，均表現出隨著海拔高度降低呈逐漸增加的變化趨勢。不同植物組合類型的根-土復合體其平均黏聚力c值表現出隨著根系含量和根系干重的增加而增大的規律。