黃河上游巨型滑坡區(qū)植被分布及其根系力學強度特征

趙吉美，胡夏嵩，付江濤，劉昌義，邢光延，楊馥鋮，張培豪，周喆

（1. 青海大學農(nóng)牧學院，青海 西寧 810016；2. 青海大學機械工程學院，青海 西寧 810016；3. 青海大學地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016；4. 青海大學農(nóng)林科學院，青海 西寧 810016）

位于青藏高原東北緣的黃河上游地區(qū)，是我國地質(zhì)災(zāi)害的高易發(fā)區(qū)［1］。該區(qū)域發(fā)育的巨型滑坡具有數(shù)量多、分布廣、方量大、危害嚴重且發(fā)育機制復(fù)雜等特點，在全球范圍內(nèi)具有典型性和代表性［2］；其中黃河上游龍羊峽-劉家峽380 km 的河段內(nèi)，沿線發(fā)育有規(guī)模不一的滑坡205 處，其中在黃河上游貴德至循化流域段，滑坡總數(shù)達115 個［3］；受到區(qū)域地殼構(gòu)造運動、氣候變化、人類工程活動等諸多因素影響，還可能誘發(fā)小型現(xiàn)代滑坡［2-4］。黃河上游河谷平原區(qū)，人口較為聚集，人類工程活動較為頻繁，會在一定程度上誘發(fā)黃河上游區(qū)域滑坡、崩塌、泥石流等潛在地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，將對當?shù)鼐用裆敭a(chǎn)安全和正常生產(chǎn)生活帶來影響和構(gòu)成潛在危害性［5］。黃河上游主要以濕地、草地和荒漠為主，其對氣候變化響應(yīng)表現(xiàn)出敏感性［6］；加之，該區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)環(huán)境較為脆弱［7-8］，草地資源的不合理利用造成草地生態(tài)環(huán)境退化嚴重，并對中下游地區(qū)生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展帶來影響［7］。因此，開展該流域內(nèi)水土流失和各類滑坡等災(zāi)害類型的研究和科學防治，不僅有利于該流域及其周邊水電工程等基礎(chǔ)設(shè)施的安全，而且還有助于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與自然生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)發(fā)展。

相關(guān)文獻資料表明，地處青海東部的黃河上游地區(qū)，共有野生種子植物86 科、404 屬、1027 種，分別占青海植物總科數(shù)的95.56%、總屬數(shù)的79.53%、總種數(shù)的44.95%，其中50 種以上的大科有菊科（Asteraceae）、薔薇科（Rosaceae）、禾本科（Poaceae）、豆科（Fabaceae）和毛茛科（Ranunculaceae）［9］。植被分布具有明顯的垂直地帶性，表現(xiàn)在由相對低海拔至高海拔，植被分布依次為荒漠草原植被帶、溫性灌叢草原植被帶、山地森林草原植被帶、高山灌叢和高山草甸植被帶［10］。其中，位于海拔2200～2800 m 的溫性灌叢草原植被帶，灌叢與草原鑲嵌分布，主要優(yōu)勢種有長芒草（Stipa bungeana）、短花針茅（Stipa breviflora）、芨芨草（Achnatherum splendens）、灌木亞菊（Ajania fruticulosa）和中亞紫菀木（Asterothamnus centraliasiaticus）等［10］。另外，位于黃河上游的共和盆地中，主要建群種或優(yōu)勢種以禾本科、菊科、藜科和豆科植物為主，其中芨芨草屬（Achnatherum）、針茅屬（Stipa）、固沙草屬（Orinus）為優(yōu)勢種，狗娃花屬（Heteropappus）、蒿屬（Artemisia）、豬毛菜屬（Salsola）和黃芪屬（Astragalus）是常見伴生種［11］。

植被不僅能夠影響生態(tài)環(huán)境，還對邊坡防護起著重要作用。這種作用表現(xiàn)在植物地上莖葉部分，可對徑流攜帶的泥沙等懸浮固體具有一定的攔截作用，從而能有效減緩坡面徑流的形成［12］；植物的地下根系部分，可通過與土體間纏繞等作用增強土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而增強邊坡土體抗剪強度和提高邊坡安全系數(shù)［12-14］。許桐等［15］的研究結(jié)果表明植物根系具有顯著增強淺層土體抗剪強度的作用，表現(xiàn)在植物根-土復(fù)合體平均抗剪強度顯著大于不含根系素土，對土體有顯著的加筋作用。Osman 等［16］通過對高速公路削坡防護的研究，表明植物群落間的相互作用能減少對土壤的侵蝕作用，從而提高土體的抗剪強度。吳鵬等［17］通過對植物根系力學特性與固土護坡機理的研究表明，植物根系能有效提高土體強度，表現(xiàn)在當植物根系穿過邊坡潛在滑動面時，滑動面上土體能承受更大的應(yīng)力和應(yīng)變，從而起到提高邊坡穩(wěn)定性的作用。Feng 等［18］通過開展植被對淺層邊坡穩(wěn)定性的力學效應(yīng)和水文效應(yīng)研究，指出根系的水文和力學效應(yīng)的相對貢獻取決于根系的抗拉強度。上述分析表明，植被固土護坡作用主要表現(xiàn)在根系力學效應(yīng)和莖葉水文效應(yīng)兩個方面。

在已有研究中，更多表現(xiàn)在對黃河上游滑坡的研究，主要集中在滑坡成因、發(fā)育特征、地貌演化和群發(fā)機理等方面；相比較而言，對于黃河上游流域植被類型、根系強度特征，以及根系增強淺層土體強度和流域生態(tài)防護等領(lǐng)域的研究尚處于起步階段?；诖?，本研究選取黃河上游巨型滑坡分布區(qū)的席芨灘滑坡作為研究區(qū)，在現(xiàn)場調(diào)查該區(qū)域植物類型、分布特征等基礎(chǔ)上，分析土壤含水量、pH 值、有機質(zhì)等各環(huán)境因子對區(qū)域植物分布格局的影響；通過對區(qū)內(nèi)3 種優(yōu)勢草本植物根系抗拉試驗，探討單根抗拉力、抗拉強度與根徑之間的關(guān)系，為進一步開展黃河上游草地退化、水土流失、淺層滑坡等災(zāi)害的植物生態(tài)防護，實現(xiàn)該流域生態(tài)地質(zhì)安全提供理論支撐與實際指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取黃河上游龍羊峽至積石峽段席芨灘巨型滑坡分布區(qū)作為研究區(qū)（圖1）。區(qū)內(nèi)席芨灘滑坡位于青藏高原貴德盆地黃河北岸，黃河一級支流農(nóng)春河東側(cè)［4］，其地理坐標為東經(jīng)101°24′2.1″-101°29′1.8″，北緯36°02′51.0″-36°07′48.2″，區(qū)內(nèi)黃河南岸最高海拔為3150 m，前緣延伸至黃河岸邊海拔約2220 m，相對高差超900 m［4］。研究區(qū)隸屬青海海南藏族自治州貴德縣境內(nèi)，位于貴德縣城北側(cè)，與縣城隔黃河相望。研究區(qū)屬典型的高原大陸性氣候，干旱少雨，氣候溫涼寒冷，太陽輻射強，日溫差較大，光照時數(shù)多，年平均日照率達59%～67%；區(qū)內(nèi)年均氣溫為9.03 ℃，年均降水量為254.8 mm［19］。

圖1 研究區(qū)位置及席芨灘滑坡分布區(qū)Fig.1 The study area location and Xijitan landslide distribution area

該滑坡體長為6500 m，寬為2500 m，厚度為51 m，面積為1.63×107m2，滑坡體積為8.7×107m3［20］，滑坡中部為席芨灘滑坡的主體，相對平緩，高程約2460～2640 m，相對高差約180 m，該區(qū)域以放牧為主。該滑坡由剪出口至最前緣長度為5900 m，為高速遠程滑坡（圖2）［5］。

圖2 席芨灘滑坡體剖面Fig.2 Profile map of the Xijitan landslide

該滑坡中部主要由泥巖、粉砂巖塊體構(gòu)成，組成物質(zhì)較單一?；虑熬壣喜坑绅ね梁头凵皩咏M成，厚為0.5～1.5 m，下部為泥砂巖堆積層［5］。區(qū)內(nèi)滑坡體及其周邊主要土壤類型為灰鈣土，植被類型多為荒漠型，主要植物種類為賴草（Leymusspp.）、芨芨草（Achnatherumspp.）、多裂駱駝蓬（Peganum multisectum）、白刺（Nitrariaspp.）等［21］。

研究區(qū)植被分布相對較為稀疏，以草本植物為主，有少量灌木、半灌木分布，草本植物呈片狀分布，灌木則呈零星狀分布（圖3）。其中，主要草本植物類型有醉馬草（Achnatherum inebrians）、異針茅（Stipa aliena）、冷地早熟禾（Poa crymophila）、芨芨草、多裂駱駝蓬、銀灰旋花（Convolvulus ammannii）等；灌木主要有荒漠錦雞兒（Caragana roborovskyi），半灌木主要有珍珠豬毛菜（Salsola passerina）和五柱紅砂（Reaumuria kaschgarica）等。

圖3 研究區(qū)部分草本植物生長情況Fig.3 The growth of some herbaceous plants in the study area

1.2 野外試驗區(qū)樣地選擇

本研究于2021 年8 月對席芨灘滑坡區(qū)域進行采樣，由滑坡前緣至后壁位置處，根據(jù)其地形特征與植物群落分布特征設(shè)立采樣點。其中在滑坡前緣設(shè)立4 塊采樣點，滑坡中部設(shè)立5 塊采樣點，滑坡后壁設(shè)立3 塊采樣點，共設(shè)立12 塊采樣點（XJT-1～XJT-12）。根據(jù)席芨灘滑坡區(qū)地形地貌特征總體表現(xiàn)出較為陡峭的實際情況，即表現(xiàn)在滑坡后壁和前緣位置地形較陡，中部相對平緩，按照對每一采樣點多次重復(fù)布設(shè)樣方的原則，即在每一處采樣位置隨機選取3～9 個面積為0.5 m×0.5 m 的樣方，共計布設(shè)60 個樣方（圖4）。

圖4 研究區(qū)采樣點位置布設(shè)情況Fig.4 Location and distribution of sampling points in the study area

1.3 取樣方法

在野外采集樣品的過程中，采用樣方調(diào)查法原位統(tǒng)計并記錄各采樣點經(jīng)緯度和每個樣方內(nèi)各植物地徑、株高、冠幅等生長量指標，分別收集樣方內(nèi)地上生物量并稱鮮重，然后帶回實驗室風干后稱量干重。采用挖掘剖面壁法挖掘植物根系，挖掘深度為0.3～1.0 m，隨后植入試驗盆內(nèi)，按植物物種進行編號，并及時帶回實驗室。另外，野外試驗區(qū)原位采集土壤樣品，取樣深度為3～10 cm，分別采集環(huán)刀和鋁盒試樣，并及時密封保存帶回實驗室用于土壤理化性質(zhì)測試分析。

1.4 供試種植物類型

本研究在區(qū)內(nèi)滑坡前緣、中部和后壁位置處分別開展樣方調(diào)查，試驗供試種植物篩選的原則為：1）適應(yīng)干旱、寒冷的氣候條件；2）適應(yīng)當?shù)氐耐寥罈l件，耐旱、耐貧瘠；3）抗逆性強；4）根系發(fā)達，生長迅速［22］。在此基礎(chǔ)上篩選出根系發(fā)達的須根型禾本科優(yōu)勢種植物，即醉馬草、異針茅、冷地早熟禾作為供試種進行室內(nèi)單根拉伸試驗。以上3 種草本植物，其根系細而密集，須根發(fā)達，根徑均小于1 mm。

在滑坡前緣和滑坡后壁位置處分別采集多株冷地早熟禾樣品，在滑坡中部位置處分別采集多株冷地早熟禾、醉馬草和異針茅3 種植物作為供試種，進行室內(nèi)單根拉伸試驗。

1.5 土體物理性質(zhì)指標及營養(yǎng)元素含量測定

野外原位采集土壤樣品深度為坡面地表以下3～10 cm，主要用于室內(nèi)進行土體物理性質(zhì)、顆粒分析和土壤營養(yǎng)元素分析試驗。其中，采用烘干法測定土壤含水量，采用環(huán)刀法測定土體密度，采用篩分法進行顆粒分析；采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定有機質(zhì)含量，分別采用凱氏法消解、氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法和碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定全氮、全磷含量［23］；采用電位法測定pH 值，采用堿解-擴散法測定堿解氮含量，分別采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和乙酸銨浸提-火焰光度法測定速效磷、速效鉀含量［24］。

1.6 單根拉伸試驗

試驗前挑選生長正常、無病蟲害的植株作為供試植物。先將根-土復(fù)合體中的土體部分用清水沖洗干凈，然后截取完整新鮮表皮，制取根長為8～13 cm 的根段試樣，采用HY-0580 型微機控制電子萬能材料試驗機（上海）對選取的根段分別進行單根拉伸試驗。具體試驗方法為：設(shè)置萬能材料試驗機上、下兩個拉伸夾具間標距為20 mm，速率為20 mm·min-1，并將根段順直夾持在上、下兩夾具之間；隨后啟動試驗機，得到植物的單根抗拉力。在此需說明的是，在進行試驗時，選取發(fā)生在根段中部位置處斷裂的試驗數(shù)據(jù)作為有效試驗數(shù)據(jù)。

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 軟件進行常規(guī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析；采用SPSS 19.0 軟件，對植物生物量和單根抗拉力各指標進行單因素方差分析，比較各指標間的差異；應(yīng)用Canoco 5 軟件基于線性模型對植被分布和環(huán)境因子的相關(guān)性進行冗余分析（redundancy analysis，RDA），并繪制二維排序圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物群落分布特征

研究區(qū)內(nèi)席芨灘滑坡分布區(qū)的12 個樣地區(qū)域鑒定植物16 科40 屬51 種，其中禾本科植物最多，占總植物種數(shù)的23.5%，其次為菊科，占總植物種數(shù)的21.6%（表1）。

表1 席芨灘滑坡區(qū)域植物物種組成分布結(jié)果Table 1 Results of plant species composition distribution in Xijitan landslide area

區(qū)內(nèi)滑坡中部植物物種數(shù)量相對較多，鑒定16 科35 屬43 種，其次是滑坡前緣處，有9 科22 屬26 種，滑坡后壁相對較少，有9 科18 屬21 種（圖5）?；麦w不同位置處植物種類數(shù)量呈駝峰狀分布，其中在滑坡中部位置處的XJT-8 樣地的植物物種數(shù)量相對最多，分布有9 科18 屬20 種，在滑坡后壁的XJTT-11 處植物物種數(shù)相對最少，分布有5 科8 屬9 種。

圖5 研究區(qū)植物群落分布特征Fig. 5 Distribution characteristics of plant communities in the study area

研究區(qū)草本植物生物量在空間分布上表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。表現(xiàn)為滑坡前緣由接近黃河河谷位置向滑坡中部位置呈遞減的變化規(guī)律，滑坡中部和滑坡后壁處由地勢低處向地勢高處亦呈遞減趨勢?；轮胁縓JT-5 樣地的植物平均干重最大（222.08 g·m-2），滑坡前緣XJT-3 樣地最小（24.67 g·m-2），且前者為后者的9.00 倍；滑坡中部XJT-6 樣地的植物平均株高最高（10.33 cm），滑坡前緣XJT-4 樣地最低（2.51 cm），二者相差3.12 倍（圖6）。

通過野外試驗區(qū)現(xiàn)場調(diào)查可知，區(qū)內(nèi)植被整體低矮，群落分布形式表現(xiàn)為草本+灌木植物組合類型（圖7）。具體表現(xiàn)為滑坡前緣以冷地早熟禾為主要建群種，部分以白草（Pennisetum flaccidum）、櫛葉蒿（Neopallasia pectinata）為主，伴生種為多裂駱駝蓬、阿爾泰狗娃花（Aster altaicus）和異針茅等，并伴生少量金露梅（Potentilla fruticosa）、灌木亞菊、荒漠錦雞兒、五柱紅砂和珍珠豬毛菜；滑坡中部地勢較平坦，主要建群種植物為醉馬草、冷地早熟禾和異針茅，部分包含短花針茅、櫛葉蒿，且菊科種數(shù)明顯增加，例如蒲公英（Taraxacum mongolicum）、窄葉小苦荬（Ixeridium gramineum）、阿爾泰狗娃花等，并伴有薔薇科［多裂委陵菜（Potentilla multifida）、二裂委陵菜（Potentilla bifurca）］、蒺藜科（多裂駱駝蓬）、藜科［灰綠藜（Chenopodium glaucum）］等植物，并有少量五柱紅砂、珍珠豬毛菜、荒漠錦雞兒、灌木亞菊分布；滑坡后壁落差達350 m，相對陡峭，植物生長稀疏，覆蓋度較低，以冷地早熟禾、異針茅為主要植物；此外，在滑坡后壁前灘地帶處，植物相對茂盛，以芨芨草、賴草（Leymus secalinus）和多裂駱駝蓬為主，并伴有狼毒（Stellera chamaejasme）、多裂委陵菜、櫛葉蒿、銀灰旋花等植物，有少量灌木亞菊、荒漠錦雞兒和五柱紅砂。

2.2 土體物理性質(zhì)特征

2.2.1 土體物理性質(zhì)指標及其特征 土體含水量由滑坡中部向滑坡前緣和滑坡后壁呈降低的變化趨勢，反映出區(qū)內(nèi)滑坡不同位置處其土體含水量不同，植物地上生物量亦隨之產(chǎn)生變化（表2）。區(qū)內(nèi)土體均為不良級配砂類土，不均勻系數(shù)（Cu）為7.58～29.70，表現(xiàn)為滑坡中部小于滑坡前緣和滑坡后壁，而曲率系數(shù)（Cc）則表現(xiàn)為滑坡中部大于滑坡前緣和滑坡后壁。此外，土體d60由滑坡中部分別向前緣和后壁處逐漸增加，而d10則由滑坡中部分別向前緣和后壁表現(xiàn)為逐漸減小，一定程度反映出土體細顆粒含量隨著植物分布種類的減少而表現(xiàn)出降低的變化趨勢。

表2 研究區(qū)土體物理性質(zhì)指標試驗測試結(jié)果Table 2 Test results of soil physical properties indexes in the study area

滑坡區(qū)域內(nèi)不同位置處土體顆粒粒徑主要為0.1～5.0 mm，且表現(xiàn)為滑坡中部（79.10%）＞滑坡前緣（66.00%）＞滑坡后壁（63.30%）；土體顆粒粒徑在0.5～5.0 mm 的含量，表現(xiàn)出隨著植被物種數(shù)和生物量的減少而呈降低的變化規(guī)律（圖8）。

圖8 滑坡區(qū)域不同位置土體顆粒級配曲線Fig.8 Particle gradation curve of soils at different landslide locations

2.2.2 土壤營養(yǎng)元素分布特征 滑坡前緣、滑坡中部、滑坡后壁位置處土壤均呈弱堿性（表3）。滑坡中部位置處土壤全氮、全磷、有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀與滑坡后壁之間的差異不顯著，而與滑坡前緣則表現(xiàn)出顯著的地帶差異性；另外，不同位置處的土壤全鉀、速效磷、pH 值差異均不顯著。由此可知，區(qū)內(nèi)滑坡區(qū)域不同位置處，其土壤營養(yǎng)元素含量亦表現(xiàn)出不相同的特征，從而一定程度造成區(qū)內(nèi)植物分布和群落特征的差異性。

表3 研究區(qū)滑坡體不同位置土壤營養(yǎng)元素含量試驗測試結(jié)果Table 3 Test results of soil nutrient element content in different locations of the study area

2.3 植物群落與環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析

冗余分析能夠揭示環(huán)境因子對各物種影響貢獻的大小，在一定程度上解釋環(huán)境因子與植物群落分布格局之間的關(guān)系。本研究選取區(qū)內(nèi)與植物群落相關(guān)的10 個環(huán)境因子（海拔、土壤含水量、土壤溫度、pH 值、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)），選取12 塊樣地的18 個樣方，構(gòu)成18×10 的環(huán)境因子矩陣與18×6 的樣地物種矩陣，并進行RDA 排序。

區(qū)內(nèi)有關(guān)植物群落與環(huán)境因子的RDA 排序結(jié)果（表4）表明，第1 排序軸和第2 排序軸與環(huán)境因子之間呈顯著相關(guān)關(guān)系，其特征值分別為0.910 和0.019，植物群落分布與環(huán)境因子的相關(guān)性分別為0.9784 和0.8511，前兩軸累積解釋植物群落分布的92.88%，且對植物群落與環(huán)境因子關(guān)系的累積解釋量達98.65%。整體而言，第1、2 排序軸能較好地反映出區(qū)內(nèi)植物群落與環(huán)境因子間的關(guān)系，具有生物統(tǒng)計學意義。

表4 研究區(qū)植物群落分布與環(huán)境因子RDA 排序結(jié)果Table 4 RDA ranking of plant communities and environmental factors

RDA 二維排序結(jié)果表明（圖9），箭頭所處的象限表示環(huán)境因子和排序軸的正負相關(guān)性，箭頭連線在排序軸上投影，表示植物群落與環(huán)境因子相關(guān)性的大小，投影長度愈長，則環(huán)境因子對植物分布的影響愈顯著。箭頭之間的夾角愈小，則說明其相關(guān)性愈高。

圖9 研究區(qū)植物群落分布與環(huán)境因子相關(guān)性的冗余分析Fig. 9 Redundancy analysis of plant community distribution and environmental factors

第1 排序軸主要反映含水量、pH 值對植物群落分布格局的影響，第2 排序軸則反映的是區(qū)內(nèi)植物群落分布格局在有機質(zhì)梯度上的變化特征（圖9）。其中，通過箭頭連線在排序軸上投影的長度可知，在10 個環(huán)境因子當中，含水量是影響植物群落分布最主要的因素，堿解氮、全鉀、全氮、有機質(zhì)和土壤pH 值對植物分布亦有顯著影響；此外，海拔、速效鉀、速效磷、全磷對植物群落影響則較小。

通過運用向前選擇和全局置換試驗檢驗10 個環(huán)境因子對植物影響的顯著性，基于RDA 分析中的向前選擇結(jié)果（表5）表明，土體含水量對群落變異的解釋率和貢獻率相對較高，分別為44.3%和47.1%，是驅(qū)動群落變異的主要因子。進一步分析得到，含水量（P＜0.01，F(xiàn)=12.7）、土壤pH 值（P＜0.05，F(xiàn)=8.0）和全氮（P＜0.05，F(xiàn)=4.5）對區(qū)內(nèi)植物群落特征影響較為顯著。對植物群落有重要影響的因子中，土壤含水量、全氮、有機質(zhì)和堿解氮含量均表現(xiàn)為滑坡中部＞滑坡后壁＞滑坡前緣（表2 和表3），反映出滑坡區(qū)域內(nèi)植物不同生長位置處，土壤含水量和土壤營養(yǎng)元素的差異性，其結(jié)果則影響植物的群落組成特征。

表5 研究區(qū)植被群落與環(huán)境因子的冗余分析向前選擇結(jié)果Table 5 Forward selection results of redundancy analysis between vegetation communities and environmental factors in the study area

2.4 植物單根抗拉力特征

2.4.1 不同位置草本植物單根抗拉力和抗拉強度與根徑之間的關(guān)系 選取研究區(qū)不同位置處優(yōu)勢種植物冷地早熟禾作為供試種進行單根拉伸試驗。不同位置處冷地早熟禾的干重表現(xiàn)出滑坡前緣和滑坡中部顯著大于滑坡后壁，而株高表現(xiàn)為滑坡前緣與滑坡中部無顯著差異，滑坡中部與滑坡后壁則差異顯著（圖10）。

圖10 不同位置處冷地早熟禾生物量對比特征Fig. 10 Comparative characteristics of P. crymophila biomass at different locations

由滑坡體不同位置處冷地早熟禾單根拉伸試驗結(jié)果可知（表6），冷地早熟禾平均根徑由大至小依次為滑坡中部（0.46 mm）、滑坡后壁（0.44 mm）、滑坡前緣（0.42 mm）；其中，滑坡中部位置處的冷地早熟禾平均單根抗拉力相對最大，分別是滑坡前緣和滑坡后壁的2.10 和1.63 倍；相應(yīng)地，滑坡中部位置處冷地早熟禾平均單根抗拉強度分別是滑坡前緣和滑坡后壁的1.72 和1.46 倍。區(qū)內(nèi)滑坡體不同生長位置處的冷地早熟禾，其單根抗拉力和抗拉強度均表現(xiàn)出明顯的地帶差異性特征。

表6 研究區(qū)不同生長位置處冷地早熟禾單根拉伸試驗結(jié)果Table 6 Single root tensile test results of P. crymophila at different locations in the study area

冷地早熟禾的單根抗拉力與其根徑呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，抗拉強度與根徑間呈冪函數(shù)關(guān)系，擬合優(yōu)度均大于0.7，表現(xiàn)出極顯著的擬合效果，且顯著性水平均小于0.01（表7）。滑坡區(qū)域不同位置處的冷地早熟禾單根抗拉力均隨根徑增加而增大，而單根抗拉強度則隨根徑增大而減?。▓D11）。

表7 不同生長位置冷地早熟禾單根抗拉力和抗拉強度與根徑之間的擬合關(guān)系式Table 7 The fitting relationship between the single root tensile resistance， tensile strength and root diameter of P. crymophila at different locations

圖11 不同位置處冷地早熟禾單根抗拉力、抗拉強度與根徑之間的關(guān)系Fig. 11 Relationship between the single root tensile resistance， tensile strength and root diameter of P. crymophila at different locations

2.4.2 滑坡中部3 種草本植物單根抗拉力和抗拉強度與根徑之間的關(guān)系 選取滑坡中部位置處生長的異針茅、冷地早熟禾與醉馬草3 種優(yōu)勢草本進行單根拉伸試驗。以上3 種草本均為須根系植物，其單根抗拉力均表現(xiàn)出隨著根徑增加而增大的變化規(guī)律，單根抗拉強度則均表現(xiàn)出隨著根徑增加而減小的變化規(guī)律（圖12）。由3 種草本平均單根抗拉力和平均單根抗拉強度可知，異針茅其固土護坡的作用相對更為顯著，其次為冷地早熟禾（表8）。

表8 滑坡中部3 種草本植物單根拉伸試驗結(jié)果Table 8 Single root tensile test results of three herbaceous plant in the middle of landslide

圖12 滑坡中部3 種草本植物單根抗拉力、抗拉強度與根徑之間的關(guān)系Fig. 12 Relationship between the single root tensile resistance， tensile strength and root diameter of three herbaceous plant in the middle of landslide

2.5 土壤營養(yǎng)元素與植物根系力學強度特征

根據(jù)研究區(qū)土壤營養(yǎng)元素分布特征，在測試的8 種土壤元素中，通過SPSS 軟件分析結(jié)果可知，滑坡體不同位置處的全鉀、速效磷、pH 值差異不顯著（表3）。有關(guān)土壤營養(yǎng)元素與植物根系力學強度之間的關(guān)系，以生長在滑坡體不同位置處的冷地早熟禾為例加以分析。土壤全氮、全磷、有機質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量分布均為滑坡中部＞滑坡后壁＞滑坡前緣（圖13），冷地早熟禾的根徑表現(xiàn)為隨以上5 種營養(yǎng)元素含量的增多而增加，反映了土壤中的營養(yǎng)元素有利于植物的生長；由本研究結(jié)果可知，植物根徑愈大，其單根抗拉力愈大，單根抗拉強度則愈小。由此可見，土壤中營養(yǎng)元素的含量表現(xiàn)出顯著影響植物根系力學強度的特征。劉昌義等［25］通過對高寒草地根-土復(fù)合體抗剪強度與土壤營養(yǎng)元素分布關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，土壤豐富的營養(yǎng)元素含量使得植物生長狀況較好，根系相對發(fā)達，而土壤營養(yǎng)元素流失，則影響植物的生長狀況，根系發(fā)達程度亦隨之降低，本研究結(jié)果與之相似。

圖13 研究區(qū)不同位置處土壤營養(yǎng)元素含量與植物根徑之間的關(guān)系Fig.13 Relationship between soil nutrient content and plant root diameter at different locations in the study area

2.6 植物群落分布及其根系力學效應(yīng)

研究區(qū)不同草本植物，其根系表現(xiàn)出不同的生長特征，不同植物根系分布在坡面地表以下處于不同的生態(tài)位空間，如圖14 為區(qū)內(nèi)滑坡區(qū)域內(nèi)6 種植物坡面分布及地下根系生長分布示意圖。由該圖可知，醉馬草、異針茅、冷地早熟禾均為須根系植物，對根周土體主要是起到加筋作用；多裂委陵菜、多裂駱駝蓬和珍珠豬毛菜為直根系植物，其中多裂委陵菜為淺層根系植物，而多裂駱駝蓬、珍珠豬毛菜為深層根系植物，2 種植物根系對根周土體起到淺層加筋和錨固作用。植物根系在生長過程中，主根對土體的錨固作用、淺根的加筋作用、側(cè)根的牽引支撐作用，能有效提高土體的抗剪強度［26-28］。

圖14 研究區(qū)植物坡面分布及其地下根系形態(tài)Fig.14 Plant distribution on slope and underground root morphology in the study area

此外，在降水條件下邊坡植被通過降水截留、根系吸水和植物的蒸騰作用，能有效降低土壤含水量和坡體孔隙水壓力，抑制地表徑流并削弱雨滴濺蝕，這些因素均有利于水土保持和邊坡的穩(wěn)定性［12］。在此需說明的是，有關(guān)區(qū)內(nèi)植物分布、土壤養(yǎng)分以及根系抗拉能力與增強土體強度和提高邊坡穩(wěn)定性作用機理，尚有待于本課題組后續(xù)進一步深入探究。

3 討論

3.1 環(huán)境因子與植物群落之間的關(guān)系

研究區(qū)席芨灘滑坡區(qū)域植物群落為草本+灌木植物組合類型，且以草本植物為主，灌木零星分布。區(qū)內(nèi)植物分布組合特征與席芨灘滑坡區(qū)所處的高海拔，以及典型的高原大陸性氣候環(huán)境密切相關(guān)。

在影響植被分布的環(huán)境因子當中，含水量是最重要的因素，對黃河上游流域植被具有明顯的改善作用［7］；土壤pH 值對區(qū)內(nèi)植物群落特征影響較為顯著，其原因在于土壤pH 值作為土壤主要的、基本的性質(zhì)之一，與土壤肥力狀況、微生物活動及植物生長有密切關(guān)系，pH 值可通過影響土壤營養(yǎng)元素的有效性而影響植物生長［29］；通過RDA 分析結(jié)果表明，土壤堿解氮、全氮、全鉀、有機質(zhì)對植物分布亦具有重要影響，該結(jié)論與盧慧等［30］的研究結(jié)果基本一致。另外，區(qū)內(nèi)土壤含水量、有機質(zhì)、全氮、堿解氮的含量，均表現(xiàn)為滑坡中部＞滑坡后壁＞滑坡前緣，反映出植物的生長位置不同，其所在位置處土壤含水量和土壤營養(yǎng)元素亦表現(xiàn)出差異性，從而一定程度地影響區(qū)內(nèi)植物群落的組成類型和特征。

3.2 草本植物分布類型及其根系力學強度特征

通過對區(qū)內(nèi)席芨灘滑坡區(qū)域不同位置處冷地早熟禾進行單根拉伸試驗，結(jié)果表明生長在滑坡中部的冷地早熟禾單根抗拉力和抗拉強度顯著高于生長在滑坡前緣和滑坡后壁的；通過對席芨灘滑坡中部位置處3 種優(yōu)勢草本單根拉伸試驗結(jié)果可知，異針茅其單根抗拉力和抗拉強度顯著高于冷地早熟禾與醉馬草。由此可知，區(qū)內(nèi)滑坡不同位置的植物生長條件不同，造成群落組成和根系力學強度特征也表現(xiàn)出不同的變化特征；相應(yīng)地，不同植物處于相同的生長條件下，由于其生長和群落組成特征的不同，而表現(xiàn)出對固土護坡貢獻的差異性。

3.3 土壤營養(yǎng)元素與植物根系力學強度特征間的關(guān)系

豐富的營養(yǎng)元素可以使生物量總體呈增加趨勢，不僅能夠影響植物群落的地上生物量，還能影響地下生物量［31］。具體表現(xiàn)為：一方面營養(yǎng)元素豐富能夠提高植物根系細根生物量、根長密度、細根表面積，使得根系生長茂密［31］；另一方面，植物根系的根徑小且稀疏，根系發(fā)達程度相對較弱，而植物根系的根徑大且密集，則根系較為發(fā)達［25］；土壤中營養(yǎng)元素豐富時則有助于促進植物的正常生長，表現(xiàn)在根系密集和根徑的增加［25］，而根徑增加的結(jié)果將進一步提高植物單根抗拉力［32-36］；此外，相關(guān)研究結(jié)果還表明，滑坡在形成和發(fā)生過程中，其滑動面位置處主要受到拉伸和剪切作用［37］，即當下滑力大于抗滑力時即形成滑坡災(zāi)害［38］，而當植物根系穿過滑動面時，根系抗拉性能起到有效減小和阻止下滑力的作用［36］，因此，植物除具有抑制地表徑流、控制土壤營養(yǎng)元素流失以外，還起到有效防治區(qū)內(nèi)水土流失、草地退化和淺層滑坡等災(zāi)害的發(fā)生。

4 結(jié)論

1）研究區(qū)席芨灘滑坡區(qū)域以草本植物為主，灌木零星分布，物種數(shù)呈“駝峰狀分布”，滑坡中部與滑坡前緣、滑坡后壁相比較，呈現(xiàn)出明顯的地帶差異性。

2）席芨灘滑坡區(qū)土壤含水量是驅(qū)動群落變異的主要因子，土壤pH 值、堿解氮、全鉀、全氮和有機質(zhì)等各環(huán)境因子間的相互作用，構(gòu)建了滑坡區(qū)植物分布格局和植物群落的組成特征。

3）區(qū)內(nèi)同種植物生長位置不同，其單根抗拉力學強度表現(xiàn)出不同的變化特征?；轮胁课恢锰幧L的冷地早熟禾平均單根抗拉力和抗拉強度均顯著高于滑坡前緣和滑坡后壁，其單根抗拉力增加幅度分別為109.78%和62.55%，單根抗拉強度增幅則分別為72.49%和46.41%。

4）區(qū)內(nèi)相同位置處的不同種植物，其單根力學強度亦表現(xiàn)出不同的特征，表現(xiàn)為滑坡中部位置處生長的冷地早熟禾、異針茅和醉馬草的平均單根抗拉力和平均單根抗拉強度由大至小依次為異針茅（9.10 N，80.29 MPa）、冷地早熟禾（7.51 N，49.78 MPa）、醉馬草（6.69 N，34.82 MPa）。

5）基于植被分布及其根系力學強度特征分析結(jié)果，該區(qū)域可采用提高植被覆蓋率，通過根系增強土體抗剪強度來發(fā)揮固土保水和防治土壤養(yǎng)分流失的作用，從而實現(xiàn)該區(qū)域生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，為黃河上游區(qū)域生態(tài)安全提供理論依據(jù)。