青海湖地區(qū)草本植物根系力學(xué)特性試驗研究

賀振昭，黨 生，劉昌義，竇增寧，胡夏嵩,3

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016； 2.青海省水土保持局，青海 西寧 810001；3.中國科學(xué)院 青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008)

青海湖地區(qū)草本植物根系力學(xué)特性試驗研究

賀振昭1，黨 生2，劉昌義1，竇增寧1，胡夏嵩1,3

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016； 2.青海省水土保持局，青海 西寧 810001；3.中國科學(xué)院 青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008)

草本植物；單根；抗拉強(qiáng)度；抗拉力；抗剪強(qiáng)度；抗剪力；青海湖地區(qū)

為研究草本植物單根的力學(xué)特性及其根系固土護(hù)坡的力學(xué)機(jī)制，為青海湖及其周邊地區(qū)開展植物固土護(hù)坡和防風(fēng)固沙提供理論依據(jù)和實(shí)際應(yīng)用指導(dǎo)，以青海湖北岸為研究區(qū)，分別采集自然生長區(qū)內(nèi)的醉馬草、紫花針茅、羊茅，沙漠生長區(qū)的賴草、駝絨藜，315國道種植區(qū)的垂穗披堿草、早熟禾等7種優(yōu)勢草本植物，進(jìn)行了室內(nèi)單根拉伸和單根剪切試驗，較為系統(tǒng)地分析了7種草本植物單根的力學(xué)特性。試驗結(jié)果表明：草本植物單根抗拉力和抗剪力均隨其根徑的增加而增大，且分別與其根徑呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系；3個區(qū)內(nèi)草本植物單根抗拉強(qiáng)度與其根徑均呈冪函數(shù)關(guān)系，抗剪強(qiáng)度與其根徑呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其中自然生長區(qū)草本植物單根平均抗拉強(qiáng)度和平均抗剪強(qiáng)度由大至小依次為紫花針茅、羊茅、醉馬草，沙漠生長區(qū)草本植物單根平均抗拉強(qiáng)度和平均抗剪強(qiáng)度為賴草大于駝絨藜，315國道種植區(qū)草本植物單根平均抗拉強(qiáng)度和平均抗剪強(qiáng)度為早熟禾大于垂穗披堿草。

已有研究和應(yīng)用結(jié)果表明，植物護(hù)坡措施近年來愈來愈受到國內(nèi)外學(xué)者和環(huán)境保護(hù)部門的關(guān)注[1-2]。采用植物護(hù)坡對防治水土流失、淺層滑坡等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象及提高淺層坡體穩(wěn)定性均具有實(shí)際意義[3-5]。

灌木和草本植物根系具有防治地表水土流失、淺層滑坡等作用，采用力學(xué)試驗方法研究植物根系的固土護(hù)坡作用和機(jī)理具有理論價值和現(xiàn)實(shí)意義[6]。近年來國內(nèi)外學(xué)者先后對植物根系力學(xué)性質(zhì)方面進(jìn)行了大量的試驗研究[7-9]。王曉梅等[10]對華中地區(qū)瑜伽山邊坡的紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)、木子樹〔Sapiumsebiferum(L.) Roxb.〕、欒樹(KoelreuteriapaniculataLaxm.)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)的根系進(jìn)行了單根抗拉強(qiáng)度試驗，結(jié)果表明這4種植物根系的單根極限抗拉強(qiáng)度由小到大依次為紫穗槐、木子樹、欒樹、紫花苜蓿。李光瑩等[11]對黃河源瑪沁地區(qū)高寒草地植物固土護(hù)坡的力學(xué)強(qiáng)度試驗結(jié)果表明，小嵩草(KobresiapygmaeaC. B. Clarke)等6種草本植物根徑較小時根系具有相對較顯著的加筋固土作用。

植物對邊坡土體固持力的大小主要取決于根系分布特征、根徑、單根抗拉力大小等因素[12-13]。趙麗兵等[14]對豆科植物紫花苜蓿和禾本科植物馬唐〔Digitariasanguinalis(L.) Scop.〕進(jìn)行單根拉伸試驗后指出，植物根系抗拉強(qiáng)度與根徑存在冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且根徑愈小，單根抗拉強(qiáng)度愈大。朱海麗等[15]對四翅濱藜〔Atriplexcaneseens(Pursh) Nutt.〕等4種灌木進(jìn)行室內(nèi)單根拉伸、剪切試驗后指出，灌木單根抗剪力隨根徑的增加而增大。相關(guān)研究結(jié)果亦表明，不同植物根系在不同生理狀況和不同生長環(huán)境下，其根系材料的力學(xué)性質(zhì)差異較大[16-17]。相比較而言，青藏高原東北部地區(qū)擁有高海拔和寒冷干旱氣候條件，有關(guān)植物根系在固土護(hù)坡中的作用機(jī)理等方面的研究開始受到一定程度關(guān)注[18-19]。

本項研究采用室內(nèi)單根拉伸與剪切試驗等方法測定青海湖北岸7種草本植物的單根力學(xué)強(qiáng)度大小及其變化規(guī)律，旨在為青海湖及其周邊地區(qū)，以及與其環(huán)境條件相類似的其他地區(qū)，開展植物固土護(hù)坡和防風(fēng)固沙等方面的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供理論支撐依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于青藏高原東北部的青海海北藏族自治州剛察縣東北部地區(qū)，屬高原大陸性氣候，日照時間長，晝夜溫差大；年降水量為371 mm，年蒸發(fā)量為1 729 mm[20]。區(qū)內(nèi)氣候冬季寒冷、夏秋溫涼，其中1月份的平均氣溫為-14.8 ℃，年平均氣溫為-1.7 ℃[21]。研究區(qū)北部地區(qū)高山連綿，南部則相對低緩，整體地域相對寬廣。平均海拔為4 150 m，絕大部分地區(qū)海拔在3 800 m以上，海拔最高為4 800 m[21]。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料分別為采集于青海湖北岸自然生長區(qū)的醉馬草〔Achnatheruminebrians(Hance) Keng〕、紫花針茅(StipapurpureaGriseb.)、羊茅(FestucaovinaL.)，沙漠生長區(qū)的賴草〔Leymussecalinus(Georgi) Tzvel.〕、駝絨藜〔Ceratoideslatens(J.F.Gmel.) Reveal et Holmgren〕和315國道種植區(qū)的垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)、早熟禾(PoaannuaL.)，共7種優(yōu)勢草本植物的根系，對其進(jìn)行室內(nèi)單根拉伸和剪切試驗。

2.2 試驗裝置

拉伸和剪切試驗儀采用上海衡翼精密儀器有限公司生產(chǎn)的HY-0580微機(jī)控制電子萬能材料試驗機(jī)，其工作原理主要是通過工作系統(tǒng)中的力和位移傳感器來記錄試驗過程中試樣的抗拉力和抗剪力大小。單根拉伸和剪切試驗的過程中，傳感器將測得的數(shù)據(jù)反饋至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過計算機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后即可得到單根抗拉力或單根抗剪力，同時繪制出相應(yīng)的植物單根抗拉力、抗剪力與根徑之間的關(guān)系曲線。

2.3 試驗方法

采用原位挖掘采樣的辦法，在拉伸試驗中，首先將植物根系剪至根長約15 cm，盡可能選擇順直且表面完好的根系；然后采用游標(biāo)卡尺在待測的根段上選取3個部位分別測量其根徑，取平均值作為該根段的根徑(D)，并將數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)軟件中。單根拉伸試驗開始時，通過調(diào)節(jié)升降按鈕使夾具間距為10 cm，然后將根系兩端夾持于夾具間并擰緊固定。試驗過程中，為了合理地避免單根在受力時出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，采用在夾具兩端粘貼膠片、纏繞和添加柔性物質(zhì)等方法來增大根系與夾具間的摩擦，使單根受到拉伸力直至其被拉斷為止[22]。在進(jìn)行單根剪切試驗時，將試樣穿過剪切裝置中的小孔對根系試樣進(jìn)行剪切。若試驗過程中試樣未完全被剪斷則不計入有效數(shù)據(jù)，重新進(jìn)行剪切試驗。每種試驗材料各重復(fù)20～30次拉伸和剪切試驗。

3 結(jié)果分析

3.1 單根抗拉力和抗拉強(qiáng)度與根徑的關(guān)系

3.1.1 自然生長區(qū)植物

青海湖北岸自然生長區(qū)醉馬草、紫花針茅、羊茅等3種草本植物單根拉伸試驗結(jié)果見表1和圖1、2。由表1可知，區(qū)內(nèi)3種草本植物的平均根徑由大至小依次為醉馬草、紫花針茅、羊茅，3種植物單根的平均抗拉力由大至小依次為醉馬草、紫花針茅、羊茅。同時，由圖1可知，3種植物的單根抗拉力均隨其根徑的增加而增大，單根抗拉力與其根徑均符合冪函數(shù)關(guān)系。

表1 青海湖北岸自然生長區(qū)草本植物單根拉伸試驗結(jié)果

圖1 自然生長區(qū)草本植物單根抗拉力與其根徑的關(guān)系

圖2 自然生長區(qū)草本植物單根抗拉強(qiáng)度與其根徑的關(guān)系

此外，該區(qū)內(nèi)的3種草本植物單根平均抗拉強(qiáng)度由大到小依次為紫花針茅(58.799 MPa)、羊茅(35.514 MPa)、醉馬草(28.342 MPa)，每種植物的單根抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)出隨其根徑的增大而減小的變化規(guī)律，且單根抗拉強(qiáng)度與其根徑呈冪函數(shù)關(guān)系(圖2)。該結(jié)果與李光瑩等[11]、朱海麗等[15]、李謙等[23]諸多學(xué)者對四翅濱藜〔Atriplexcaneseens(Pursh) Nutt.〕等4種灌木和1種綠竹屬(Dendrocalamopsis)植物進(jìn)行拉伸試驗后所得出的單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間關(guān)系的結(jié)論一致。

3.1.2 沙漠生長區(qū)自然生長植物

青海湖北岸沙漠生長區(qū)內(nèi)自然生長的草本植物主要為賴草和駝絨藜，其單根拉伸試驗結(jié)果見表2和圖3、4。由表2可知，單根平均抗拉力賴草是駝絨藜的2.9倍。由圖3可知，賴草和駝絨藜的單根抗拉力均隨其根徑的增加而增大，且單根抗拉力與其根徑之間均符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。駝絨藜單根抗拉力隨根徑的增加增長幅度相對較小，而賴草在根徑小于0.35 mm時單根抗拉力增長幅度較小，當(dāng)根徑繼續(xù)增大時增長幅度變大。

表2 青海湖北岸沙漠生長區(qū)自然生長植物單根拉伸試驗結(jié)果

圖3 沙漠生長區(qū)草本植物單根抗拉力與其根徑的關(guān)系

圖4 沙漠生長區(qū)草本植物單根抗拉強(qiáng)度與其根徑的關(guān)系

此外，由表2、圖4可知，賴草單根平均抗拉強(qiáng)度大于駝絨藜，約為駝絨藜的2.22倍，且2種草本植物的單根抗拉強(qiáng)度與其根徑均符合冪函數(shù)關(guān)系。通過對單根抗拉力和抗拉強(qiáng)度的分析可知，賴草的單根抗拉性能較駝絨藜強(qiáng)，因此賴草增強(qiáng)邊坡土體抗拉強(qiáng)度的效應(yīng)顯著于駝絨黎。

3.1.3 315國道種植區(qū)植物

青海湖北岸315國道種植區(qū)內(nèi)的植物主要為垂穗披堿草和早熟禾等2種草本，其單根拉伸試驗結(jié)果見表3和圖5、6。通過試驗測得垂穗披堿草的單根平均抗拉力為2.282 N，較早熟禾大0.938 N。由圖5、6可知：早熟禾的單根抗拉力和抗拉強(qiáng)度與其根徑均呈冪函數(shù)關(guān)系；垂穗披堿草的單根抗拉力與其根徑呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，單根抗拉強(qiáng)度與其根徑呈冪函數(shù)關(guān)系。垂穗披堿草單根平均抗拉強(qiáng)度小于早熟禾，這也在一定程度上說明早熟禾固土護(hù)坡力學(xué)貢獻(xiàn)相對顯著于垂穗披堿草。

表3 青海湖北岸315國道種植區(qū)草本植物單根拉伸試驗結(jié)果

圖5 315國道草本植物單根抗拉力與其根徑的關(guān)系

圖6 315國道草本植物單根抗拉強(qiáng)度與其根徑的關(guān)系

3.2 單根抗剪力和抗剪強(qiáng)度與根徑的關(guān)系

3.2.1 自然生長區(qū)植物

青海湖北岸自然生長區(qū)3種草本植物單根剪切試驗結(jié)果見表4和圖7、8。由表4可知，羊茅、紫花針茅、醉馬草的平均根徑依次增大，且隨根徑的增加其單根平均抗剪力亦表現(xiàn)出增大的規(guī)律。由圖7可知，根徑0.16～0.60 mm范圍內(nèi)，醉馬草的單根抗剪力隨根徑的增長幅度相對較大，其次為紫花針茅、羊茅；另外，醉馬草和紫花針茅的單根抗剪力與其根徑呈冪函數(shù)關(guān)系，羊茅的單根抗剪力與其根徑呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

表4 青海湖北岸自然生長區(qū)草本植物單根剪切試驗結(jié)果

圖7 自然生長區(qū)草本植物單根抗剪力與其根徑的關(guān)系

圖8 自然生長區(qū)草本植物單根抗剪強(qiáng)度與其根徑的關(guān)系

由表4和圖8可知，區(qū)內(nèi)3種草本植物單根平均抗剪強(qiáng)度由大至小依次為紫花針茅、羊茅、醉馬草，且3種植物的單根抗剪強(qiáng)度均隨其根徑的增大而減小，羊茅和紫花針茅單根抗剪強(qiáng)度與其根徑均呈冪函數(shù)關(guān)系，醉馬草單根抗剪強(qiáng)度與其根徑呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3.2.2 沙漠生長區(qū)自然生長植物

青海湖北岸沙漠生長區(qū)2種草本植物單根剪切試驗結(jié)果見表5和圖9、10。由表5和圖9可知，區(qū)內(nèi)駝絨藜的平均根徑大于賴草，但賴草的單根平均抗剪力大于駝絨藜，2種植物的單根抗剪力均隨其根徑的增加而增大，且2種植物的單根抗剪力與其根徑均呈冪函數(shù)關(guān)系。

表5 青海湖北岸沙漠生長區(qū)自然生長草本植物單根剪切試驗結(jié)果

圖9 沙漠生長區(qū)草本植物單根抗剪力與其根徑的關(guān)系

圖10 沙漠生長區(qū)草本植物單根抗剪強(qiáng)度與其根徑的關(guān)系

由表5和圖10可知，2種植物的單根抗剪強(qiáng)度均隨其根徑的增大而減小，賴草的平均抗剪強(qiáng)度顯著大于駝絨藜；駝絨藜單根抗剪強(qiáng)度與其根徑之間呈冪函數(shù)關(guān)系，賴草則符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3.2.3 315國道種植區(qū)植物

青海湖北岸315國道種植區(qū)2種草本的單根剪切試驗結(jié)果見表6和圖11、12。由表6和圖11可知，單根抗剪力與其根徑之間呈正相關(guān)關(guān)系，單根平均抗剪力垂穗披堿草大于早熟禾，垂穗披堿草的單根抗剪力與其根徑之間符合冪函數(shù)關(guān)系，早熟禾的單根抗剪力與其根徑之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

表6 青海湖北岸315國道種植區(qū)草本植物單根剪切試驗結(jié)果

圖11 315國道草本植物單根抗剪力與其根徑的關(guān)系

圖12 315國道草本植物單根抗剪強(qiáng)度與其根徑的關(guān)系

由表6和圖12可知，2種草本植物的單根抗剪強(qiáng)度均隨其根徑的增大而減小，早熟禾的單根平均抗剪強(qiáng)度較垂穗披堿草大，早熟禾的單根抗剪強(qiáng)度與其根徑符合冪函數(shù)關(guān)系，垂穗披堿草的單根抗剪強(qiáng)度與其根徑符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

4 結(jié) 論

(1)自然生長區(qū)3種草本植物單根平均抗拉力和平均抗剪力由大至小均為醉馬草、紫花針茅、羊茅，沙漠生長區(qū)自然生長草本植物單根平均抗拉力和平均抗剪力由大至小均為賴草、駝絨藜，315國道種植區(qū)草本植物單根平均抗拉力和平均抗剪力由大至小依次為垂穗披堿草、早熟禾。7種草本植物的單根平均抗拉力和平均抗剪力均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即單根平均抗拉力相對較大的草本其單根平均抗剪力亦相對較大；單根抗拉力和抗剪力均與其根徑呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且均隨根徑的增加而增大。

(2)自然生長區(qū)3種草本植物單根平均抗拉強(qiáng)度和平均抗剪強(qiáng)度由大至小依次為紫花針茅、羊茅、醉馬草，沙漠生長區(qū)自然生長草本植物單根平均抗拉強(qiáng)度和平均抗剪強(qiáng)度由大至小依次為賴草、駝絨藜，315國道種植區(qū)草本植物單根平均抗拉強(qiáng)度和平均抗剪強(qiáng)度由大至小依次為早熟禾、披堿草。單根平均抗拉強(qiáng)度較強(qiáng)的草本植物其單根平均抗剪強(qiáng)度亦較強(qiáng)；單根抗拉強(qiáng)度與其根徑呈冪函數(shù)關(guān)系，單根抗剪強(qiáng)度與其根徑呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)的關(guān)系。

(3)自然生長區(qū)紫花針茅單根平均抗拉強(qiáng)度和平均抗剪強(qiáng)度均大于羊茅和醉馬草；沙漠生長區(qū)自然生長的賴草單根平均抗拉力和平均抗剪力均大于駝絨藜，且其單根平均抗拉強(qiáng)度和平均抗剪強(qiáng)度亦較駝絨藜大；315國道種植區(qū)的早熟禾單根平均抗拉強(qiáng)度和平均抗剪強(qiáng)度均略大于垂穗披堿草。由此分析可知，區(qū)內(nèi)紫花針茅、賴草和早熟禾這3種草本植物根系強(qiáng)度相對較高，可起到較好的固土護(hù)坡作用。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

國家自然科學(xué)基金資助項目(41162010，41572306)；青海省自然科學(xué)基金資助項目(2014-ZJ-906)；長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室開放基金資助項目(CHD2011SY016)

S157

A

1000-0941(2017)04-0044-05

賀振昭(1994—)，女，湖北荊州市人，學(xué)士，主要從事地質(zhì)工程等方面的研究工作；通信作者胡夏嵩(1965—)，男，河南開封市人，教授，博士，主要從事環(huán)境巖土工程與工程地質(zhì)等領(lǐng)域的教學(xué)和研究工作。

2016-07-19