黃河源區4種植物根系力學特性及根-土復合體抗剪強度研究

2021-07-08 05:44:20申紫雁李光瑩劉昌義余冬梅胡夏嵩李希來

中國水土保持 2021年7期

申紫雁，李光瑩，劉昌義，余冬梅，胡夏嵩，李希來

(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/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；3.青海大學農牧學院，青海西寧 810016)

近年來，黃河源區高寒草地出現了不同程度的退化現象，給當地的生態環境帶來一定程度影響和潛在危害[1]。為防治高寒草地退化、水土流失等災害，利用鄉土植物進行人工恢復、固土護坡等方面的研究，受到國內外相關學者的廣泛關注[2-3]。已有研究結果表明，利用鄉土植物生長過程中根系對土體的加筋、錨固和牽拉作用，可起到增強土體抗剪強度的效果[4-7]。

黃河源區生態環境較為脆弱，對于草地植物力學強度性質方面的研究尚處于起步階段，特別是將植物根系的單根力學強度特性與根-土復合體的抗剪強度結合起來進行研究還相對較少?；诖?，本研究選取黃河源區甘德縣青珍鄉作為研究區，通過野外調查和室內試驗等相關研究，將高寒草地退化類型劃分為未退化、輕度退化和重度退化3種類型[3]，并確定出每一退化類型區優勢種植物；在此基礎上，通過開展室內單根拉伸、剪切試驗及根-土復合體直剪試驗，分析區內不同退化類型植物單根力學強度與根-土復合體抗剪強度之間的關系，以期為科學有效地防治黃河源區高寒草地退化和水土流失提供理論支撐和實際指導。

1 研究區概況

研究區位于黃河源區青海省甘德縣青珍鄉，地理位置為100°12.466′～100°12.478′E、34°08.818′～34°08.939′N，海拔為4 040～4 120 m[3]。研究區氣候屬于高原大陸性氣候，年平均氣溫為-3.9～-1.3 ℃，年降水量為418.6～662.8 mm，年蒸發量為1 068.9～1 397.4 mm[3]。受氣候變化及人為因素等影響，區內草地出現了不同程度的退化現象。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本研究選取區內代表性邊坡東柯曲河河漫灘邊坡，依據邊坡植被覆蓋度將其劃分為未退化、輕度退化和重度退化3種類型[3]，并分別選取不同退化類型區的優勢草本植物進行研究，未退化區優勢種為小嵩草(Kobresiapygmaea)、紫花針茅(Stipapurpurea)，輕度退化區優勢種為矮火絨草(Leontopodiumnanum)，重度退化區優勢種為細葉亞菊(Ajaniatenuifolia)，如圖1所示。制取所選取的各植物含根系試樣柱，取樣過程中保持植物根系及其地上部分的完整性，開展室內單根拉伸試驗和根-土復合體試樣的直剪試驗[3]。

圖1 研究區實測地形剖面與植物群落類型分布

2.2 試驗方法

2.2.1 單根拉伸與剪切試驗

對研究區邊坡4種優勢種草本植物分別進行了單根拉伸與剪切試驗，共進行了4組單根拉伸試驗和4組單根剪切試驗，每組單根拉伸試驗和單根剪切試驗的樣本數為30～60個，其中獲得有效試驗數據的試驗樣本數為20～48個。

2.2.2 根-土復合體直剪試驗

由于區內不同退化類型區草本植物根-土復合體原狀試樣土體含水量、密度等存在差異性，因此本研究先在野外制取4種優勢草本植物的根-土復合體原狀試樣，在室內開展直剪試驗時，以4種植物根-土復合體原狀試樣的平均密度、平均含水量、平均根系密度(取值分別為1.37 g/cm3、22.8%、0.050 g/cm3)作為控制條件，制備重塑根-土復合體試樣進行直剪試驗，得到相同密度、含水量、根系含量條件下不同種類植物的根-土復合體抗剪強度，以探討不同植物對土體抗剪強度的增強作用。

3 結果與分析

3.1 單根抗拉力、抗拉強度與根徑關系

由表1、圖2可知，4種草本植物的單根抗拉力均隨根徑增加而增大，即表現出單根抗拉力與根徑間存在指數函數或冪函數關系，且4種草本植物按平均單根抗拉力大小排序為細葉亞菊(11.39 N)>小嵩草(6.30 N)>矮火絨草(5.08 N)>紫花針茅(3.66 N)。由表1、圖3可知，4種草本植物的單根抗拉強度均隨著根徑的增大而減小，單根抗拉強度與根徑之間呈冪函數關系，按平均單根抗拉強度大小排序為紫花針茅(46.81 MPa)>小嵩草(36.30 MPa)>矮火絨草(34.57 MPa)>細葉亞菊(15.97 MPa)，其中紫花針茅的平均單根抗拉強度最大，細葉亞菊的平均單根抗拉強度相對最小。本研究結果與李光瑩等[3]研究所得到的結果基本相一致。

表1 研究區3種不同退化草地類型4種草本植物單根力學強度試驗結果

圖2 研究區邊坡4種草本植物單根抗拉力與根徑之間的擬合關系曲線

圖3 研究區邊坡4種草本植物單根抗拉強度與根徑之間的擬合關系曲線

3.2 單根抗剪力、抗剪強度與根徑關系

由表1、圖4可知，研究區4種草本植物的單根抗剪力均隨根徑的增大而增加，單根抗剪力與根徑之間呈指數函數或冪函數關系，區內4種草本植物按平均單根抗剪力大小排序為細葉亞菊(45.03 N)>小嵩草(10.91 N)>矮火絨草(8.41 N)>紫花針茅(6.51 N)。同時還可看出，4種草本植物的平均單根抗剪力顯著高于平均單根抗拉力，同種植物的平均單根抗剪力為平均單根抗拉力的1.5～6倍。相應地，由表1、圖5可知，4種草本植物的單根抗剪強度均隨根徑的增大而減小，單根抗剪強度與其根徑之間呈冪函數關系，按平均單根抗剪強度大小排序為紫花針茅(39.34 MPa)>小嵩草(25.98 MPa)>矮火絨草(25.31 MPa)>細葉亞菊(12.72 MPa)。本研究結果與武藝儒等[8]的研究結果基本相一致。

圖4 研究區邊坡4種草本植物單根抗剪力與根徑之間的擬合關系曲線

圖5 研究區邊坡4種草本植物單根抗剪強度與根徑之間的擬合關系曲線

3.3 根-土復合體抗剪強度試驗結果

由表2可知，區內4種不同草本植物的根-土復合體重塑試樣及不含根系素土試樣按黏聚力大小排序為小嵩草(14.16 kPa)>紫花針茅(13.25 kPa)>矮火絨草(10.89 kPa)>細葉亞菊(9.32 kPa)>素土(6.07 kPa)，4種草本植物的根-土復合體重塑試樣的黏聚力均顯著大于素土，表明由于草本根系加筋作用使土體抗剪強度指標黏聚力得以顯著增加；與素土相比，區內小嵩草、紫花針茅、矮火絨草和細葉亞菊的根-土復合體黏聚力c值的增幅分別為133.3%、118.3%、79.4%、53.5%，該結果表明細葉亞菊根系對土體抗剪強度的增強作用相對較小，其固土能力不及其他3種草本。

表2 研究區4種草本植物根-土復合體重塑試樣及素土試樣直剪試驗結果

3.4 4種草本植物的單根抗拉、抗剪強度與根-土復合體黏聚力之間的關系

為進一步分析植物的單根抗拉強度、單根抗剪強度與黏聚力之間的關系，WU et al.[9]和THOMAS et al.[10]對Wu-Waldron-Model(WWM)模型的根系因子系數值做了進一步探討，認為當含根系土體的剪切變形角為40°～70°、內摩擦角為25°～40°時，根系因子系數的變化區間為0.92～1.31(取其平均值為1.2)。該模型反映了根系提高的根-土復合體抗剪強度解析解，其中由根系產生的土體抗剪強度的增加值[10]為

(1)

簡化后為

(2)

其中

(3)

由公式(2)可知，根系產生的土體抗剪強度增加值與平均單根抗拉強度之間呈正相關關系，即平均單根抗拉強度愈大，其增強土體抗剪強度的能力亦愈大[11]。本研究中，紫花針茅和小嵩草的平均單根抗拉強度和抗剪強度相對較大，相應地，其復合體黏聚力c值亦較大。由此可知，區內紫花針茅、小嵩草對增強邊坡土體抗剪強度的貢獻相對較為顯著，而細葉亞菊增強土體抗剪強度的能力不及另3種草本。

考慮到上述公式主要是用于對根系的單根抗拉強度與根-土復合體抗剪強度進行定量分析評價，故本研究采用SPSS 21.0軟件進一步對區內4種草本植物的平均單根抗拉強度、平均單根抗剪強度與黏聚力之間的相關性進行了分析，結果見表3。此外，采用Pearson分析得出，區內4種草本植物根-土復合體黏聚力與其平均單根抗拉強度、平均單根抗剪強度之間均為顯著相關關系(P<0.05)，4種草本植物平均單根抗拉強度與單根抗剪強度之間為極顯著相關關系(P<0.01)。

表3 4種草本植物單根抗拉強度和單根抗剪強度與根-土復合體黏聚力之間相關性分析結果

本研究中，4種草本植物的平均單根抗拉強度和平均單根抗剪強度按大小排序均為紫花針茅>小嵩草>矮火絨草>細葉亞菊；此外，4種草本植物根-土復合體重塑試樣及素土試樣按黏聚力大小排序均為小嵩草>紫花針茅>矮火絨草>細葉亞菊>素土，表明未退化區優勢植物的平均單根抗拉強度、平均單根抗剪強度和黏聚力c值均較高，進一步說明了區內4種草本中小嵩草和紫花針茅根系固土護坡能力相對較強。