黃河源區不同水文期護岸植物根系抗拉拔研究

李本鋒，朱海麗，謝彬山，羅露瑤，張 珂，李國榮

（青海大學 地質工程系，青海 西寧810016）

植物根系對其分布范圍內的土體具有加筋和錨固作用［1-3］。植物根系的抗拔強度是表征其固土作用的一個重要指標，國內外學者對部分植物的單根抗拔力、抗拔強度的研究表明，植物根系抗拔力隨著根徑的增大而增大，抗拔力與植物生物學性質、土壤含水率等因素有關［4-13］。高鵬等［14］對不同生育期小麥根系固土力進行原位測定，得出不同生育期小麥根系固土力大小為成熟期＞抽穗期＞分蘗期；鄭明新等［15］對不同生長期多花木蘭根系抗拉和抗拔進行了試驗，認為不同生長期多花木蘭根系的抗拔力隨著生物指標的增大而增大。由此可見，不同時期土壤含水率及根系自身含水率存在差異、根系活性不同，對根土界面的摩擦強度影響較大，從而導致根系抗拔強度發生變化。筆者在黃河源區彎曲河流蘭木錯曲選擇優勢高寒草甸植物華扁穗草、線葉嵩草、金露梅，進行原位單根拉拔試驗，對植物根系在不同水文期的抗拉拔能力及變化規律進行研究，以期為黃河源區彎曲河流濱河護岸植物的選擇和崩岸機理研究提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于青海省東南部黃南藏族自治州河南縣城以南約46 km處，海拔3 400～4 200 m，屬高原亞寒帶濕潤氣候區。植被以高寒草甸為主，以寒冷中生、濕中生多年生草本植物密叢短根莖嵩草為建群種或優勢種，草叢低矮，層次結構簡單，群落覆蓋度大、物種組成豐富，具有較厚的草結皮層［16］。河岸帶的草本植物以華扁穗草、線葉嵩草和垂穗披堿草為主，灌木種以金露梅、銀露梅和西藏沙棘為主［17］。據對2001—2015年氣象資料統計及實地調查，每年6—8月氣溫為8～10℃、降水量為70～140 mm，將此時期稱為漲水期；9—11月氣溫為6～7℃、降水量為50～100 mm，將此時期稱為落水期；12月至次年5月氣溫為-7～-5℃、降水量為4～13 mm，寒冷干燥且多為大風天氣，將此時期稱為枯水期。3個試驗時段（2018年4月、7月和2017年10月）平均降水量分別為24.27、114.48、39.31 mm。

2 試驗概況

為了對比分析研究區不同水文期河岸帶優勢護岸植物根系抗拔能力的差異，于2017年10月（落水期）、2018年4月（枯水期）和7月（漲水期）選取華扁穗草、線葉嵩草和金露梅生長正常的區域作為原位試驗點，3種優勢植物試驗點依次分布在連續彎曲河流凹岸彎頂附近（如圖1所示，距離凹岸岸邊水平距離為1.0～1.5 m）。采取挖掘剖面法獲得3種植物的根系，剖面尺寸均為1.5 m×0.5 m（寬×深），取樣深度為地表以下5～15 cm，選取出露且表皮完好的根系作為試驗材料進行原位拉拔試驗。在挖掘剖面選取根系試樣的同時，用環刀制取原狀土樣，測定河岸土體的顆粒級配及含水率、密度等指標，其中顆粒級配采用篩分法測定、含水率采用烘干法測定、密度采用環刀法測定；測量河流有關參數（其中3個試驗點平均流速分別為1.1、0.8、1.4 m/s，平均水深分別為0.83、0.55、0.98 m）。各項指標均測量3次，取平均值。

圖1 試驗點位置示意

原位單根抗拉拔試驗所用儀器為樂清市艾德堡儀器有限公司生產的HP-500數顯式推拉力計，最大負荷值為500 N，示值誤差為±0.5%。在野外選取剖面處，用毛刷對剖面表層浮土進行清除，使植物根系外露出來，剪除在剖面出露根系長度超過6 cm的部分，用游標卡尺分別測量根系出露長度為1、3、5 cm處的根徑；然后在出露長度為3～5 cm處用夾具夾緊根系，連接拉力計，勻速施加拉力直至根系被拉斷或拔出，記錄根系被拉斷或拔出時的力，并測量拔出位移。根據所測的最大單根抗拔力，計算植物單根抗拔強度，計算公式［8］為

式中:P為單根抗拔強度，MPa；F為單根抗拔力，N；D為單根根徑，mm。

為了確保試驗數據的代表性和試驗結果的準確性，每組試驗重復80～100次，并選取試驗中受拉拔根系斷裂部位在根段中間的樣本作為有效樣本，采用Excel2007進行數據處理和分析，采用SPSS21.0對數據進行單因素方差分析。

3 試驗結果分析

3.1 河岸帶土體和根系特性

河岸帶土體均為粉土，不同水文期土體物理指標見表1，可以看出:各水文期3種植物根-土復合體密度變化范圍為1.21～1.75 g/cm3，含水率變化范圍為47.30%～79.91%；3種植物根-土復合體密度在3個水文期呈現相似的變化規律，即枯水期＞漲水期＞落水期；含水率從枯水期到落水期，呈逐漸增大的變化趨勢，其中線葉嵩草根-土復合體增幅最大。

表1 各水文期河岸帶土體物理指標

研究區3種護岸植物在不同水文期的單根抗拉拔試驗結果見表2，可以看出，3種植物的拔斷根徑在0.43～1.64 mm范圍內，其中線葉嵩草的拔斷根徑相對較小。對比3種護岸植物根系在3個水文期的拔出位移可知，落水期的平均拔出位移大于枯水期和漲水期的，金露梅的拔出位移顯著大于華扁穗草和線葉嵩草的。

表2 3種護岸植物根系在不同水文期的抗拉拔指標

在進行原位單根抗拉拔試驗過程中發現，隨著拉力逐漸增大，根系有兩種不同的拔出模式:第一種是根系逐漸從土體中被拔出，即整個過程不發生斷裂現象；第二種是拉力達到根系的最大抗拉力而發生斷裂。有關研究［10，13，18］表明，根系在受到拉拔力作用時，在根土界面產生摩擦力阻止根系拔出，當作用在單根的拉力大于根土界面摩擦力但小于單根抗拉力時，根系會被完整拔出；當作用在單根的拉力小于根土界面摩擦力但大于單根抗拉力時，根系會被拉斷而拔出。現場試驗表明，從枯水期到漲水期再到落水期，研究區3種植物拔出根系占比依次增大、拔斷根系占比依次減小，其中金露梅根系在落水期拔出占比最大，達到45%。

3.2 不同水文期植物根系抗拔特性

3種優勢植物根系的單根抗拔力F、抗拔強度P與根徑D的擬合方程見表3（其中R2為相關系數），可以看出單根抗拔力與根徑呈冪函數正相關關系、單根抗拔強度與根徑呈冪函數負相關關系，該結果與張超波等［1］、李紹才等［19］的研究結果一致。

表3 植物根系的單根抗拔力、抗拔強度與根徑的擬合方程

由圖2和表2可知，在試驗根徑范圍內，相同根徑情況下枯水期的抗拔強度最大，平均單根抗拔強度:華扁穗草為（25.76±12.69）MPa，線葉嵩草為（51.01±17.53）MPa，金露梅為（32.19±8.40）MPa。

圖2 不同水文期植物單根抗拔強度與根徑的關系

不同植物的根系具有不同的抗拉拔特征，其中:華扁穗草根徑＜0.8 mm時隨根徑增大，抗拔強度快速下降，根徑＞0.8 mm時隨根徑增大抗拔強度減小幅度逐漸降低；線葉嵩草根徑＜0.5 mm時隨根徑增大抗拔強度快速下降，當根徑＞0.5 mm時隨根徑增大抗拔強度減小幅度逐漸降低；金露梅根徑＜1 mm時隨根徑增大抗拔強度快速下降，當根徑＞1 mm時隨根徑增大抗拔強度減小幅度逐漸降低。試驗結果表明，根徑較小時抗拔強度變化幅度較根徑較粗時大。

采用單因素方差分析法分析同一植物根系抗拔強度在不同水文期的差異顯著性，結果見表2，可以看出，華扁穗草、線葉嵩草、金露梅3種植物根系的平均抗拔強度在3個水文期具有顯著性差異，說明不同水文期植物根系的抗拔強度存在顯著差異。

從枯水期到漲水期再到落水期，研究區河岸帶3種優勢護岸植物試驗點的土壤含水率均呈逐漸增大趨勢，其單根平均抗拔強度隨著土壤含水率的增大而減小，該結果與夏振堯等［20］、王桂堯等［12］的研究結果一致。不同水文期土壤含水率及根系自身含水率存在差異，根系活性也不同，從而使根土界面的摩擦力產生差異，進而使其抗拔強度、拔出位移也存在差異。在落水期，河岸帶根-土復合體含水率較大，其根土間摩擦作用較弱，根系自身的抗拉性不能完全發揮，因此落水期河岸帶根-土復合體的抗拉性能較弱，河岸崩塌現象相對頻繁。在枯水期，土壤含水率相對較小，根系自身含水率亦相對較小，土顆粒間膠結、咬合作用變強，根系與土壤之間的摩擦力較大，因此單根抗拔力變大，而拔出位移相對較小；在漲水期和落水期，降雨量明顯增大，土體含水率增大，土顆粒表面結合的水膜慢慢變厚，致使膠結作用減弱，根系與土壤之間摩擦力減小、黏聚力降低［13］，從而使得根系更容易被拔出，拔出位移相對增大。當植物單根的抗拔強度減弱時，單位面積內根系對土體的增強作用相應減小，河岸穩定性降低。此外，不同水文期植物根系的木質化程度與其抗拉特性變化也可能存在一定的關系，對此有待深入研究。

3.3 同一水文期不同植物根系抗拔特性

由圖3（a）和表2可知，在同一水文期3種優勢護岸植物單根平均抗拔力大小順序為金露梅＞華扁穗草＞線葉嵩草。由圖3（b）和表2可知:在落水期，3種優勢護岸植物單根平均抗拔強度大小順序為金露梅＞線葉嵩草＞華扁穗草；在枯水期和漲水期，3種優勢護岸植物單根平均抗拔強度大小順序為線葉嵩草＞金露梅＞華扁穗草。試驗結果表明，金露梅和線葉嵩草根系的力學強度較華扁穗草的高。

4 結 論

（1）在試驗根徑范圍內，3種優勢護岸植物根系單根抗拔力均隨根徑的增大而增大，單根抗拔強度均隨根徑的增大而減小，擬合方程符合冪函數關系。

（2）3種植物根系在枯水期的抗拔強度高于漲水期和落水期的，其中線葉嵩草的單根平均抗拔強度顯著高于華扁穗草和金露梅的；在落水期的單根拔出位移大于枯水期和漲水期的，其中金露梅的單根拔出位移顯著大于華扁穗草和線葉嵩草的。

（3）不同水文期3種植物根系的抗拔強度存在顯著差異，不同的植物根系具有不同的抗拉拔特征，在枯水期和漲水期線葉嵩草表現出較強的抗拔能力，在落水期金露梅表現出較強的抗拔能力，從單根抗拉拔能力和崩岸發生時期角度考慮，3種植物中可優先選擇金露梅用于加固河岸帶上層土體。

圖3 同一水文期不同植物根系平均抗拔力與抗拔強度比較