西寧盆地黃土區4種灌木原位拉拔試驗

周林虎, 胡夏嵩,2, 劉昌義, 徐志聞, 許 桐, 申紫雁

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

植被護坡技術在有效恢復邊坡植被和保護環境的同時，亦能起到加固邊坡和提高邊坡穩定性的作用，因此在公路、河岸及礦山排土場邊坡的生態修復和加固方面得到了廣泛地應用[1-3]。已有研究結果表明，植物根系可對邊坡土體起到顯著加筋作用，從而提高邊坡穩定性，其抗拔力可作為評價植物增強邊坡穩定性的重要指標[4-5]，且根—土間摩擦阻力的存在是根系對土體產生加筋、錨固和牽引作用的一個重要原因[6-7]。因此開展植物原位拉拔試驗，對于進一步研究植物根系在增強邊坡穩定性方面有重要意義。

國內外學者在有關植物根系抗拔力方面開展了大量試驗研究，且取得了豐富研究成果。胡夏嵩等[8]對種植于青藏鐵路沱沱河段路基邊坡，生長期為5 a的垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)進行野外現場拉拔試驗，結果表明抗拔力與其須根數量、株高、根長、總表面積和分蘗數均呈線性關系。王桂堯等[4]對生長于湖南長沙市，生長期為1 a的濕地松(PinuselliottiiEngelm.)進行原位拉拔試驗，指出其最大拉拔力與根系體積呈線性關系，且隨著土壤含水率增加，其拉拔力表現出單調遞減或先增大后減小的變化趨勢。馮國建等[9]采用直接施加豎向荷載的方法對生長于云南昆明學院，生長期為2 a的黃茅(Heteropogoncontortus(L.)Beauv.)進行了野外原位抗拔承載力試驗，指出黃茅抗拔承載力與其根系質量存在冪函數關系，與其分枝數存在線性函數關系，與其根冠比之間的關系相對不明顯。Lai Fern等[10]通過對種植于新加坡，生長期為4 a的20株雨樹(SamaneasamanMerr.)進行原位拉拔試驗，結果表明雨樹最大阻力彎矩(樹干胸高處最大作用力×樹干胸高)與其根系整體尺寸、根徑和冠幅之間呈正相關關系。Slobodan B等[11]對生長于西班牙的香根草(Vetiveriazizanioides(L.)Nash)采用10 mm/min的速率進行原位拉拔試驗，結果表明在香根草根系拔出位移小于150 mm時，其拔出力隨著拔出位移的增加顯著性增大，而當拔出位移大于150 mm直至被完全拔出時，其拔出力隨著拔出位移的增加上升緩慢，隨后趨于穩定狀態。

為了進一步說明植物根系在發生滑坡時的牽引和拉伸作用，Schwarz M等[12]分析了發生滑坡災害時不同位置處植物根系的受力狀態。如圖1所示，為淺層滑坡萌生過程中拉裂區(頂嵌體)和壓縮區(底嵌體)根部加固作用示意圖[12]。由該圖可知，在滑坡發生過程中，不同位置處土體可能處于3種不同的應力狀態：剪切、拉伸或壓縮。通常，對于降雨引發的滑坡，其主要原因是土體抗剪強度減小，一旦發生局部破壞，第一個明顯的運動跡象是在滑坡上部形成一個張拉裂縫；同時，破壞穩定的土體會使下坡區的側向壓縮應力增加，當累積的下坡側向應力達到臨界值時，土壤可能會發生破壞，形成一個破壞面(或帶)[12]。而植物根系的拉力對滑坡體起到牽引和拉伸作用，其可有效延緩和防止滑坡災害發生。受到拉力的灌木根系存在2種破壞形式：斷裂破壞和拔出破壞[13]，因灌木根系自身抗拉強度相對較高，且考慮到西寧盆地黃土區滑坡、崩塌等地質災害通常為降水誘發所致，該條件下邊坡土體含水率相對較大，使得邊坡淺層土體亦變得相對松軟，在多數情況下，灌木根系破壞形式均為拔出破壞，因此對植物抗拔力的研究對于進一步分析邊坡變形和失穩具有重要實際意義。

圖1 淺層滑坡萌生過程中拉裂區(頂嵌體)和壓縮區(底嵌體)根部加固作用[12]

由上述已有相關研究結果可知，開展植物根系抗拔力試驗研究，對于進一步開展植物固土護坡力學機制研究具有重要理論意義。已有研究結果大多集中于氣候條件較溫和且降水較充足的低海拔地區，且更多的研究主要是探討植物抗拔力與不同生長參數之間的相關關系，相比較而言，探討植物抗拔力影響因素，即植物抗拔力與其生長參數之間的關聯度及其變化規律尚有待于進一步深入研究。基于上述實際情況，本項研究通過對種植于青藏高原東北部寒冷半干旱黃土區4種生長期為3 a的灌木植物進行了原位拉拔試驗，得到了其抗拔力值；在此基礎上，分析了其抗拔力與株高、冠幅、地徑、根長和側根數等生長參數之間的相關關系；最后通過采用灰色關聯分析法，確定了影響4種灌木抗拔力的主要因素。本項研究結果對于高海拔干旱區利用種植灌木植物方法，開展生態修復和增強邊坡穩定性方面提供理論參考依據。

1 試驗區自然概況

本項研究的試驗區位于青藏高原東北部西寧盆地長嶺溝流域，其地理位置為北緯36°36′，東經101°42′，海拔高程約為2 315～2 570 m[14]。區內屬寒冷半干旱高原大陸性氣候，年平均氣溫為5.6 ℃，年均降水量為386.2 mm，蒸發量為1 762.8 mm，降水主要集中在每年6—9月份，占全年降水量的70%～80%，且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[15-16]，在短時間內可形成較大規模洪水，易引發崩塌、滑坡和泥石流等地質災害，造成道路堵塞、人員傷亡等情況。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

依據研究區寒冷半干旱氣候條件，本項研究篩選出檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王等4種灌木植物作為試驗供試種。這4種灌木具有耐寒、耐旱、耐鹽堿和耐貧瘠等特性，且根系發達，可作為寒冷半干旱黃土區優勢護坡灌木種[17-22]。本項研究自建試驗區，邊坡為自然土質邊坡，土質類型為粉土，坡度為30°。4種灌木植物分別種植在4個不同小區，每個種植小區面積為300 cm (長)×45 cm (寬)。4種灌木均以穴播方式種植，穴間距為5 cm，即相鄰植株間距均為5 cm。如圖2所示，為試驗區生長期為3 a的4種灌木植物生長情況。

2.2 試驗方法

(1) 土體密度和含水率試驗。為確保所測4種灌木植物生長區邊坡土體密度和含水率合理性，分別在距離坡頂和坡低50 cm以及坡中3個位置處制取密度和含水率試樣，取樣深度為地表以下0—10 cm，20—30 cm和40—50 cm，且每個取樣層取3組密度和含水率試樣，待試樣制取完畢后將其密封好，并及時帶回實驗室開展相應試驗。室內試驗過程中，按照《土工試驗規程》[23]，分別采用環刀法和烘干法測定土體密度和含水率。最后，將距離坡頂和坡低50 cm以及坡中3個位置處，同一深度范圍土體密度和含水率平均值，作為該種植小區在該深度范圍的土體密度和含水率值。

(2) 原位拉拔試驗。本項研究采用野外原位根系拉拔試驗裝置，對區內生長期為3 a的4種灌木進行原位拉拔試驗，測定灌木根系最大抗拔力，并統計其株高、冠幅、地徑、根長和側根數等相關生長參數。原位拉拔試驗過程中，選擇生長正常的灌木，將灌木地上部分夾持在傳感器下端的夾具上，然后通過傳感器對灌木施加垂直向上拉力，直至整株灌木被拔出為止，其被拔出時的抗拔力可直接通過傳感器由試驗數據采集顯示儀顯示[24]。

圖2 試驗區4種灌木植物生長情況

3 結果與分析

3.1 4種灌木林下的土體密度和含水率及其變化特征

由表1可知，隨著邊坡地表以下取樣深度增加，土體密度和含水率均呈逐漸增大的變化規律。且邊坡地表以下3個不同深度位置處土體密度平均值由大至小依次為：中寧枸杞(1.410 g/cm3)、白刺(1.365 g/cm3)、檸條錦雞兒(1.336 g/cm3)、霸王(1.308 g/cm3)，含水率由大至小為：白刺(15.81%)、中寧枸杞(15.21%)、檸條錦雞兒(15.09%)、霸王(14.54%)。

由邊坡地表以下5—45 cm深度位置處，4種灌木土體密度和含水率增加幅度表現出顯著差異性，即表現在由地表以下5—25 cm位置處，檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王邊坡土體密度增加幅度分別為4.02%，7.15%，4.26%和2.18%，而由地表以下25—45 cm深度位置處，其增加幅度則分別為1.86%，3.23%，2.77%和0.84%。由此分析得出，隨著邊坡地表以下取樣深度的增大，種植4種灌木邊坡土體密度增加幅度表現出逐漸減小的變化規律；此外，由邊坡地表以下5—25 cm深度位置處，檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王邊坡土體含水率增加幅度分別為14.54%，20.60%，17.88%和17.18%，而由地表以下25—45 cm深度位置處，其增加幅度則分別為5.96%，7.84%，5.26%和9.40%，該變化規律與土體密度變化規律表現出一致性。綜合分析種植4種灌木邊坡土體密度和含水率變化規律得出，邊坡淺層土體密度和含水率變化幅度相對較顯著，而隨著邊坡地表以下取樣位置深度增加，其變化幅度相對較小。

表1 試驗區種植4種灌木植物邊坡土體密度和含水率

3.2 4種灌木植物拔出成功率及其根系特征分析

本項拉拔試驗以叢為基礎進行，選取正常生長的植株進行拉拔試驗。由于生長期為3 a的灌木其抗拔力相對較大，拉拔過程中易于出現滑移和斷裂，其中，檸條錦雞兒拉拔試驗過程中夾持部位與夾具之間發生滑移現象，而中寧枸杞、白刺和霸王3種灌木在拉拔過程中，不同程度地出現滑移和斷裂形式，且以滑移形式為主。試驗區原位拉拔試驗過程中，檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王4種灌木均有10株被成功拔出時，所重復的次數分別為32，24，19，16次，即其拔出成功率分別為31.25%，41.67%，52.63%和62.5%。

4種灌木根系均為主直根型，檸條錦雞兒[16]、中寧枸杞[25]和白刺[16]屬深根型灌木種，主根和側根較為發達，屬于主側根均衡發育型；而霸王[16]屬淺根型灌木種，主根粗壯但相對不發達，其側根較為發達，長度超過主根數倍。本項試驗所選取的檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王，其平均根長分別為42.60 cm，57.40 cm，32.20 cm和28.10 cm，側根數分別為21.9條，21.8條，15.7條和6.2條，其中檸條錦雞兒和中寧枸杞根長相對較長，且側根數相對較多，且其平均抗拔力由大至小依次為檸條錦雞兒(256.39 N)、中寧枸杞(222.80 N)、白刺(178.52 N)、霸王(134.84 N)。由此分析可知，檸條錦雞兒和中寧枸杞根系相對其他2種灌木較為發達，說明這2種灌木對研究區邊坡淺層土體穩定性貢獻亦相對較為顯著。

3.3 4種灌木植物抗拔力與其生長參數之間關系

(1) 4種灌木植物抗拔力與株高之間關系。中寧枸杞平均株高相對較大，分別為檸條錦雞兒、白刺和霸王的1.06，1.19，1.59倍，而其平均抗拔力與株高未表現出一致性變化規律，檸條錦雞兒平均抗拔力相對較大，分別為中寧枸杞、白刺和霸王的1.15，1.44，1.90倍(表2)。同時，區內4種灌木抗拔力與其株高之間呈指數函數關系，且其擬合優度R2為0.7以上(表3)，表現出相對較好的擬合關系。該試驗結果與李紹才等[26]對鐵仔(MyrsineafricanaLinn.)、黃荊(VitexnegundoL.)和羊蹄甲(BauhiniaLinn.)等3種灌木進行野外原位拉拔試驗的結果表現出一致性規律。

檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王其株高分別為24～72 cm，24～77 cm，24～60 cm和21～42 cm，這說明生長期相同的4種灌木其株高存在顯著差異，其中中寧枸杞株高變化范圍相對較大，而霸王株高變化范圍則相對較小。此外，由圖3A所示的4條曲線變化趨勢可知，4種灌木抗拔力均隨株高增加而增大，且不同灌木抗拔力隨著株高增加，其增長幅度亦存在差異性，主要表現在當中寧枸杞、白刺和霸王株高分別大于60 cm，40 cm和30 cm時，其抗拔力和株高之間關系曲線斜率顯著性增大，即其抗拔力遞增幅度顯著增大，而檸條錦雞兒抗拔力與株高關系曲線則呈現出較為平緩狀態，即隨株高增加，其抗拔力遞增幅度未表現出顯著變化規律。

(2) 4種灌木植物抗拔力與冠幅之間關系。通常冠幅指的是苗木南北和東西方向寬度的平均值，是衡量苗木質量和植物生長狀況的重要指標[27]。本項研究所選取的4種灌木中白刺平均冠幅相對較大，即分別為霸王、檸條錦雞兒和中寧枸杞的1.25，1.71，2.59倍(表2)。此外，4種灌木抗拔力與冠幅之間呈線性函數關系，且隨著冠幅的增大，檸條錦雞兒和中寧枸杞抗拔力遞增幅度相對較大，白刺次之，霸王相對較小，說明當冠幅變化相同時，檸條錦雞兒和中寧枸杞抗拔力變化相對較為顯著(圖3B)。

(3) 4種灌木植物抗拔力與地徑之間關系。4種灌木平均地徑由大至小依次為白刺、霸王、中寧枸杞、檸條錦雞兒，其與平均株高和根長表現出不一致的變化規律；4種灌木抗拔力與地徑之間呈冪函數關系，且擬合優度均為0.82以上，霸王抗拔力與地徑之間擬合優度相對較高，為0.883 0(表3)，這與朱清科等(2 002)[28]對生長于長江上游貢嘎山的峨眉冷杉(Abiesfabri(Mast.)Craib)和冬瓜楊(PopuluspurdomiiRehd.)2種喬木原位拉拔試驗結果一致。此外，隨灌木地徑增加，其抗拔力均呈增大變化規律，且其遞增幅度由大至小依次為檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺、霸王(圖3C)。由此可知，隨著4種灌木生長期和地徑增加，檸條錦雞兒和中寧枸杞較其他2種灌木相對更能體現出固土護坡優勢。

(4) 4種灌木植物抗拔力與根長之間關系。根長可作為評價植物抗拔力大小的主要因素，且諸多研究結果表明，植株抗拔力隨根長的增加呈增大的變化規律[8,24]。本項研究中，區內4種灌木根長由大至小依次為中寧枸杞、檸條錦雞兒、白刺、霸王，與其株高表現出一致性變化規律，且中寧枸杞平均根長為檸條錦雞兒、白刺和霸王的1.35，1.78，2.04倍(表2)。此外，由4種灌木抗拔力與根長之間的擬合方程式可知，其抗拔力與根長呈線性函數關系，其中檸條錦雞兒抗拔力與根長之間線性關系相對較為顯著，其擬合優度R2為0.969 1(表3)。由4條曲線變化趨勢可知(圖3D)，其曲線斜率由大至小依次為白刺、檸條錦雞兒、霸王、中寧枸杞，即隨著根長增加，白刺抗拔力遞增幅度相對較為顯著，而中寧枸杞抗拔力遞增幅度相對不及前3種灌木植物。

(5) 4種灌木植物抗拔力與側根數之間關系。中寧枸杞和檸條錦雞兒平均側根數基本相同，且中寧枸杞平均側根數為白刺和霸王的1.39，3.53倍(表2)；同時，檸條錦雞兒、中寧枸杞、白刺和霸王其平均側根根徑依次為0.43 mm，0.94 mm，1.10 mm，1.44 mm。由上述分析可知，檸條錦雞兒側根數相對較多，其側根根徑相對較小；而霸王側根數相對較少，但其側根根徑相對較大，因此評價抗拔力影響因素時，要綜合考慮其側根數量及其根徑2個方面因素對其抗拔力的影響程度。此外，區內4種灌木其抗拔力與側根數均呈線性函數關系(圖3E)，該研究結果與李國榮等[24]對西寧盆地東部地區，生長期為2 a的四翅濱藜(Atriplexcanescens)等4種灌木原位拉拔試驗結果一致。

表2 試驗區4種灌木植物平均生長參數值及抗拔力值

注：該表采用平均±標準差的寫法，其中每種灌木植物樣本數量n=10。

表3 試驗區4種灌木植物抗拔力與生長參數之間擬合方程

3.4 抗拔力與植株生長參數之間的關聯度分析

為進一步分析區內4種灌木株高、冠幅、地徑、根長和側根數對其抗拔力影響程度，本項研究采用灰色關聯分析法，以株高、冠幅、地徑、根長和側根數作為影響因素，分別計算4種灌木抗拔力與5種影響因素之間的關聯度，從而確定4種灌木抗拔力與5種影響因素之間的相關程度。本項研究所采用的灰色關聯法計算方法如下[29-33]：

(1) 設參考序列和比較序列：

參考序列：

X0={x0(1)，x0(2)，…，x0(10)}

(1)

比較序列：

X1={x1(1)，x1(2)，…，x1(10)}

(2)

X2={x2(1)，x2(2)，…，x2(10)}

(3)

X3={x3(1)，x3(2)，…，x3(10)}

(4)

X4={x4(1)，x4(2)，…，x4(10)}

(5)

X5={x5(1)，x5(2)，…，x5(10)}

(6)

式中：參考序列X0代表抗拔力值數據列；比較序列X1，X2，…,X5分別代表株高、冠幅、地徑、根長和側根數的數據列；xi(1)，xi(2)，…，xi(10)分別表示Xi中包含的原始數據，本項研究每組數據列包含10項數據。

(2) 數據的無量綱化處理。本項研究中，參考序列和比較序列的量綱數量級均不相同，為避免系統中各因素量綱與量級不同難以進行比較，需對評價指標的原始數據進行預處理，使指標之間可直接進行比較。本項研究采用均值標準化處理方法，其計算公式如下：

(7)

(3) 關聯系數計算。關聯系數反映參考序列與比較序列之間每個值的關聯程度，計算公式如下：

(k=1，2，…，10；i=1，2，…，5)

(8)

式中：ξoi(k)為參考數據列與比較數列對應數值的關聯系數；Δoi(k)為參考數據列與比較數據列對應數值的絕對差值；Δmax為絕對差值中的最大值；Δmin為絕對差值中的最小值；ρ為分辨系數，通常取值為0.5。

圖3 試驗區4種灌木植物抗拔力與5種生長參數之間關系

(4) 關聯度計算。關聯度為參考序列與比較序列之間所有對應數據關聯系數的平均值，計算公式如下：

(9)

式中：γoi為比較序列Xi與參考序列X0的關聯度。

如表4所示，為按照以上方法計算得到的4種灌木抗拔力與株高、冠幅、地徑、根長和側根數之間的關聯度。由該表可知，區內4種灌木抗拔力與5種影響因素之間的相關程度存在顯著性差異，即檸條錦雞兒、中寧枸杞和白刺抗拔力與根長關聯度相對較大，而霸王抗拔力與側根數關聯度相對較大，其原因為霸王主根粗壯但不及前3種灌木發達，而其側根根徑相對較大，且其長度可達主根數倍，故受側根影響亦相對較為顯著。此外，白刺與株高、根長、地徑和冠幅的關聯度均高于其他3種灌木，而霸王與側根數關聯度高于其他3種灌木；4種灌木抗拔力與側根數之間關聯度為0.698～0.746，差異性相對較小，而與其他4種影響因素之間關聯度差異性較顯著。區內4種灌木抗拔力與5種影響因素之間平均關聯度由大至小依次為根長(0.730)、側根數(0.719)、冠幅(0.669)、地徑(0.629)、株高(0.623)。通過上述分析可知，區內4種灌木抗拔力受根長和側根數影響相對較為顯著，其可作為評價4種灌木抗拔力大小的主要影響因素。

4 結 論

(1) 區內4種灌木抗拔力由大至小依次為檸條錦雞兒(256.39 N)、中寧枸杞(222.80 N)、白刺(178.52 N)、霸王(134.84 N)；檸條錦雞兒和中寧枸杞抗拔力顯著大于其他2種灌木，同時一定程度反映出這2種灌木具有相對較顯著的固土護坡作用。

(2) 區內4種灌木抗拔力與株高呈指數函數關系，與地徑呈冪函數關系，與冠幅、根長和側根數呈線性函數關系；且其與株高、冠幅、地徑、根長和側根數的平均擬合優度分別為0.778 9，0.814 2，0.852 5，0.839 9，0.872 2，即相對于其他4種生長量指標，側根數與抗拔力之間線性關系相對較為顯著。

(3) 通過灰色關聯分析法得到，區內4種灌木抗拔力受株高、冠幅、地徑、根長和側根數的影響程度存在較大差異性，檸條錦雞兒、中寧枸杞和白刺抗拔力與根長關聯度相對較大，而霸王抗拔力與側根數關聯度相對較大；此外，4種灌木抗拔力與5種影響因素間平均關聯度由大至小為：根長(0.730)、側根數(0.719)、冠幅(0.669)、地徑(0.629)、株高(0.623)，即影響區內4種灌木拔出力的最主要因素為根長和側根數。