西寧盆地黃土區(qū)典型草本植物單根抗拉力學(xué)特性試驗(yàn)

劉亞斌，李淑霞，余冬梅，胡夏嵩，楊幼清

（1.中國科學(xué)院青海鹽湖研究所中國科學(xué)院鹽湖資源綜合高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧810008；2.青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧810008；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；4.青海大學(xué)地質(zhì)工程系，西寧810016）

0 引 言

近年來隨著西寧盆地及其周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度亦不斷加大。隨著大規(guī)模工程建設(shè)活動的開展，諸如邊坡開挖等工程活動會在一定程度上造成原有斜坡植被的破壞，并形成大量裸露邊坡，其結(jié)果是進(jìn)一步加劇了區(qū)內(nèi)水土流失、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)也對區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境與生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了直接影響和破壞作用[1-4]。據(jù)已有國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究成果表明，通過種植植被的方法不僅可起到邊坡生態(tài)恢復(fù)的作用，同時(shí)還能有效地控制水土流失、淺層滑坡及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生[5-9]。植物通過其根系力學(xué)效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)有效增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度和提高邊坡穩(wěn)定性作用，主要?dú)w因于根系具有較強(qiáng)的抗拉特性，而土體具有抗壓能力強(qiáng)而抗拉能力弱的特性，故當(dāng)含根系土體受到剪切作用時(shí)，通過根-土界面摩擦力的作用，根系可將土體內(nèi)部剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化為自身所承受的拉應(yīng)力，起到增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的作用[10]。植物根系抗拉特性是表征其增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度能力大小的重要力學(xué)特性[10-13]。

有關(guān)植物根系抗拉力學(xué)特性的研究，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量相關(guān)試驗(yàn)工作。Stokes等[14]指出根的抗拉強(qiáng)度愈高則愈具有抗拔出和增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的能力，故在根面積比一定的條件下，數(shù)量相對愈多的細(xì)根較數(shù)量相對較少的粗根，表現(xiàn)出具有相對更為顯著的固土護(hù)坡能力。Baets等[10]研究了生長于地中海地區(qū)的25種植物（含灌木、草本和小型喬木）的單根抗拉強(qiáng)度，研究結(jié)果認(rèn)為植物單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑增加呈降低的趨勢，且單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間的函數(shù)關(guān)系取決于植物的種類。鐘榮華等[15]通過室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)對三峽庫區(qū)消落帶牛鞭草、扁穗牛鞭草、雙穗雀稗及狗牙根 4種草本植物進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)研究，結(jié)果表明 4種草本植物單根平均抗拉力由大至小依次為狗牙根、牛鞭草、扁穗牛鞭草和雙穗雀稗；而單根平均抗拉強(qiáng)度由大至小依次為狗牙根、扁穗牛鞭草、牛鞭草和雙穗雀稗；4種草本植物單根抗拉力和單根抗拉強(qiáng)度，隨著根徑增加分別呈冪函數(shù)增大和冪函數(shù)降低趨勢。此外，Tosi等[11,16-22]等學(xué)者亦對不同草本、灌木及木本植物的單根抗拉力、單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，并得出了相類似的研究結(jié)果。

有關(guān)植物根系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系研究方面，劉國彬等[16]通過單根拉伸試驗(yàn)對黃土高原常見的沙打旺等12種草本植物根徑為0.1～1.0 mm的毛根應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、彈性模量等力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，認(rèn)為不同草本植物的本構(gòu)方程和彈性模量均存在差異性，且毛根應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對應(yīng)變率的敏感程度，隨根徑的增加表現(xiàn)出呈降低趨勢。劉秀萍等[23]通過分析油松單根拉伸試驗(yàn)過程中表現(xiàn)出的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系特征，指出當(dāng)油松單根應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限的 50%～70%時(shí)，所對應(yīng)點(diǎn)即為單根的彈性極限點(diǎn)。朱海麗等[1]通過對種植于西寧盆地生長期為18個(gè)月的檸條錦雞兒、霸王等4種灌木進(jìn)行室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明4種灌木單根在受拉初期其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系，表現(xiàn)出彈性材料的特征，當(dāng)載荷超過彈性極限時(shí)，4種灌木應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出彈塑性材料的特征。

綜上所述，有關(guān)植物根系抗拉力學(xué)特性研究方面，已有研究成果主要表現(xiàn)在對不同植物單根抗拉力學(xué)特性指標(biāo)差異性評價(jià)及其與根徑關(guān)系，以及單根應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析等方面。其中，有關(guān)單根抗拉力、單根抗拉強(qiáng)度等單根抗拉力學(xué)特性指標(biāo)差異性評價(jià)時(shí)，多數(shù)采用的是對不同根徑單根，其平均單根抗拉力學(xué)特性指標(biāo)進(jìn)行對比分析，相應(yīng)地，以根徑級別作為分類依據(jù)，對西寧盆地黃土區(qū)不同草本植物開展不同根徑級別條件下，單根抗拉力、單根抗拉強(qiáng)度等單根抗拉力學(xué)特性指標(biāo)對比分析等方面的研究則相對較少；與此同時(shí)，已有的有關(guān)西寧盆地黃土區(qū)植物單根拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特征方面的研究，主要以灌木植物為主要研究對象[1,17]，而探討區(qū)內(nèi)不同草本植物單根應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系反映出的階段性特征及其差異性方面的研究亦相對較少?；谏鲜龇治?，本項(xiàng)研究選取西寧盆地典型草本植物垂穗披堿草（Elymus nutans Griseb.）、細(xì)莖冰草（Agropyron trachycaulum Linn.Gaertn.）及紫花苜蓿（Medicago sativa L.）作為試驗(yàn)供試種，通過開展單根拉伸試驗(yàn)對這 3種草本植物單根抗拉力、單根抗拉強(qiáng)度和單根極限延伸率 3個(gè)單根抗拉力學(xué)特性指標(biāo)大小及其與根徑之間的關(guān)系，以及單根拉伸過程中的應(yīng)力-應(yīng)變特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本項(xiàng)研究結(jié)果對于西寧盆地及其周邊黃土區(qū)邊坡水土流失、淺層滑坡等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象有效防治，以及保護(hù)區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境等方面均具有理論研究價(jià)值和實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為地處青海東北部湟水谷地中部的西寧盆地，屬于黃土高原西緣與青藏高原東北部的交接地帶。區(qū)內(nèi)為溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為6 ℃，年平均蒸發(fā)量為1 400～2 000 mm，年均降水量為250～500 mm且年內(nèi)分布極不均勻，降雨主要集中分布在6～9月份，約占全年降水量的70%～80%，多以暴雨和陣雨形式出現(xiàn)，具有歷時(shí)短、強(qiáng)度大、降雨集中等特點(diǎn)[24]。西寧盆地及其周邊地區(qū)地表植被覆蓋率相對較低，黃土高陡邊坡發(fā)育，地質(zhì)環(huán)境相對脆弱，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害類型主要為滑坡、崩塌、泥石流3種類型[25-26]。本項(xiàng)研究的自建試驗(yàn)區(qū)位于西寧盆地長嶺溝，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)101°42′00′，北緯36°36′00′，區(qū)內(nèi)海拔為2 315～2 570 m。種植區(qū)屬于土質(zhì)邊坡，邊坡坡度為30°，坡向向南，土質(zhì)類型為粉土。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)供試種種植方法及供試種選擇

本項(xiàng)研究在自建試驗(yàn)區(qū)共劃分出10塊坡長為1 000 cm，坡寬為500 cm的試驗(yàn)種植區(qū)，其中的3塊種植區(qū)（即6號、7號、8號種植區(qū)）用于單播種植。3塊單播種植區(qū)內(nèi)均設(shè)置有11塊坡長為1 000 cm，坡寬為45 cm的種植小區(qū)。3個(gè)單播種植區(qū)內(nèi)草本和灌木植物種植方法采用隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)種植區(qū)內(nèi)均種植有10種適宜當(dāng)?shù)貧夂驐l件下生長的草本和灌木植物。每塊種植區(qū)內(nèi)草本和灌木植物種植順序通過隨機(jī)抽樣的方法確定。種植區(qū)內(nèi)種植的草本植物包括垂穗披堿草、細(xì)莖冰草、紫花苜蓿、芨芨草（Achnatherum splendens（Trin.）Nevski）、草地早熟禾（Poa pratensis L.）和星星草（Puccinellia tenuiflora（Griseb.）Scribn.）6種，本項(xiàng)研究選取生長期為150 d時(shí)，生長情況相對良好的垂穗披堿草、細(xì)莖冰草、紫花苜蓿3種草本植物，作為試驗(yàn)供試種進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)草本植物種植方法為條播法，播種量為 3.8～20.1 g/m2。試驗(yàn)區(qū)草本和灌木植物種植方案如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)草本和灌木植物種植方案Fig.1 diagram of planting plots and planting program in test area

本項(xiàng)研究所選取的 3種草本植物中，垂穗披堿草與細(xì)莖冰草為禾本科多年生草本植物，紫花苜蓿為豆科多年生草本植物。垂穗披堿草和紫花苜蓿為適宜西寧盆地及周邊地區(qū)環(huán)境條件下生長的常見鄉(xiāng)土植物，可在 2 200～4 100 m的海拔范圍內(nèi)正常生長[27-30]；細(xì)莖冰草為引進(jìn)至西寧盆地的優(yōu)良牧草種，該種亦適宜于西寧盆地及其周邊地區(qū)種植生長，具有較強(qiáng)的抗寒抗旱性和適應(yīng)性[31]。這 3種草本植物均為研究區(qū)人工草地建植、水土保持的理想草種[27,31]。本項(xiàng)研究所選取的垂穗披堿草、細(xì)莖冰草和紫花苜蓿3種草本植物生長期均為150 d。3種草本植物中，垂穗披堿草與細(xì)莖冰草根系為須根型，紫花苜蓿根系發(fā)達(dá)且多為直根型[32-33]。生長期為150 d時(shí)，垂穗披堿草與細(xì)莖冰草根系主要分布在邊坡地表以下15～25 cm深度土體中；紫花苜蓿根系可達(dá)邊坡表層以下50～75 cm深度位置。試驗(yàn)區(qū)植物整體生長情況，及3種草本植物生長情況如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)區(qū)植物生長情況Fig.2 Growth situation of vegetation in test area

2.2 取樣與制樣方法

在區(qū)內(nèi)3種草本植物單根拉伸試驗(yàn)之前，首先分別從每種草本植物在6號、7號和8號種植區(qū)所對應(yīng)的種植小區(qū)的上部、中部和下部位置（取樣位置如圖1所示），整株挖掘出試驗(yàn)所需3種草本植物根系各一組，并將原位采集完畢的根系樣品放入大號自封袋中隨即帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。在室內(nèi)將3種草本植物根系用清水洗凈后，分別從每種草本植物的3組根系試樣中用剪刀各隨機(jī)剪取70根根長為8～10 cm且未受損傷的單根，即每種草本植物共剪取210根單根進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。因根徑＜l.00 mm的根系纏繞固結(jié)土體、增強(qiáng)土體抗沖性作用相對較為顯著[16]，同時(shí)，鑒于紫花苜蓿單根根徑為0～0.10 mm范圍內(nèi)的數(shù)量相對較少，且垂穗披堿草和細(xì)莖冰草單根根徑≥0.6 mm條件下的數(shù)量亦相對較少，故本項(xiàng)研究單根拉伸試驗(yàn)所選取的單根根徑范圍為0.10～0.60 mm。此外，為系統(tǒng)性對比分析區(qū)內(nèi)3種草本植物根系力學(xué)指標(biāo)之間的差異性，本項(xiàng)研究將3種草本植物根徑D（mm）依次劃分為（0.10，0.20]、（0.20，0.30]、（0.30，0.40]、（0.40，0.50]及（0.50，0.60] mm 5個(gè)根徑級別進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)。

2.3 單根拉伸試驗(yàn)方法

區(qū)內(nèi)3種草本植物在開展單根拉伸試驗(yàn)時(shí)，首先將單根夾持在上、下拉伸夾具之間，同時(shí)保證位于上、下兩夾具之間的根段標(biāo)距為20 mm（夾具間根段保持順直狀態(tài)，同時(shí)做到避免根段在拉伸試驗(yàn)開始前受拉力作用）；試驗(yàn)過程中，上夾具以20 mm/min的速率勻速上行，以使位于上、下夾具間的根段承受拉伸作用，直至該根段被拉斷為止。由于單根拉伸試驗(yàn)儀在記錄單根應(yīng)力-應(yīng)變曲線時(shí)，需提前測得待測單根根徑，故在每根單根進(jìn)行拉伸試驗(yàn)前，先用記號筆在其中部位置做出2個(gè)標(biāo)記（標(biāo)記間距為20 mm），然后在2個(gè)標(biāo)記間的3個(gè)不同位置處使用游標(biāo)卡尺測量其根徑，以3次測量的平均值作為該20 mm長根段根徑，最后按單根根徑級別依次進(jìn)行相應(yīng)歸類。此外，在夾持單根時(shí)，做到準(zhǔn)確地將2個(gè)標(biāo)記間的根段夾持在夾具之間。單根拉伸試驗(yàn)進(jìn)行過程中，單根應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線則由該試驗(yàn)儀內(nèi)置程序自動計(jì)算生成并記錄；待試驗(yàn)結(jié)束后該試驗(yàn)儀自動記錄單根抗拉力；然后在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到單根抗拉強(qiáng)度、單根極限延伸率等單根抗拉力學(xué)特性指標(biāo)。

此外，需要說明的是，本次單根拉伸試驗(yàn)過程中，選取位于上、下兩夾具中間位置處發(fā)生斷裂根段的單根抗拉力學(xué)特性指標(biāo)作為試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)。試驗(yàn)采用的儀器為上海衡翼精密儀器有限公司生產(chǎn)的HY-0580型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。電子萬能試驗(yàn)機(jī)力學(xué)傳感器量程為10 kg，精度為0.3%。本項(xiàng)研究中3種草本植物單根抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為[1]

3種草本植物單根極限延伸率計(jì)算公式為[1]

式中Fmax表示單根抗拉力，N；D表示上、下兩夾具間根段的平均根徑，mm；T表示單根抗拉強(qiáng)度，MPa；ΔLmax表示單根處于極限狀態(tài)時(shí)的根長增長量，mm；εmax表示單根極限延伸率，%。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 3種草本植物單根抗拉力學(xué)特性

3.1.1 單根抗拉力

試驗(yàn)區(qū)3種草本植物單根抗拉試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，區(qū)內(nèi)3種草本植物根徑在（0.10，0.20]、（0.20，0.30]、（0.30，0.40]、（0.40，0.50]及（0.50，0.60] mm 5個(gè)根徑級別條件下，紫花苜蓿單根抗拉力均顯著高于垂穗披堿草和細(xì)莖冰草。在上述 5個(gè)根徑級別范圍內(nèi)，紫花苜蓿單根抗拉力為（2.28±0.67）～（12.00±3.89）N，垂穗披堿草和細(xì)莖冰草單根抗拉力分別為（1.75±0.43）～（7.66±0.72）N 和（1.82±0.46）～（7.95±0.47）N，紫花苜蓿單根抗拉力較垂穗披堿草和細(xì)莖冰草分別平均高1.32倍和1.26倍。此外，區(qū)內(nèi)3種草本植物根徑級別為（0.20，0.30] mm時(shí)，紫花苜蓿單根抗拉力較垂穗披堿草、細(xì)莖冰草的差異性相對較小，即紫花苜蓿單根抗拉力分別為垂穗披堿草和細(xì)莖冰草的1.18倍和1.16倍；當(dāng)根徑級別為（0.50，0.60] mm時(shí)，紫花苜蓿單根抗拉力較垂穗披堿草、細(xì)莖冰草表現(xiàn)出相對較大的差異性，即紫花苜蓿單根抗拉力分別為穗披堿草和細(xì)莖冰草的 1.57倍和1.51倍。此外，區(qū)內(nèi)細(xì)莖冰草單根抗拉力在 5個(gè)根徑級別條件下均表現(xiàn)出略大于垂穗披堿草的特性，且細(xì)莖冰草單根抗拉力平均高出垂穗披堿草1.05倍，同時(shí)在5個(gè)根徑級別條件下，垂穗披堿草和細(xì)莖冰草單根抗拉力的差異性均表現(xiàn)出相對不顯著性的特性。

表1 試驗(yàn)區(qū)3種草本植物單根抗拉力學(xué)特性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Single root tensile mechanical property indexes of three herbs in test area

3.1.2 單根抗拉強(qiáng)度

由表1可知，區(qū)內(nèi)3種草本植物在5個(gè)根徑級別條件下，紫花苜蓿的單根抗拉強(qiáng)度顯著高于垂穗披堿草和細(xì)莖冰草，即具體表現(xiàn)為 5個(gè)根徑級別條件下，紫花苜蓿單根抗拉強(qiáng)度為（49.21±16.39）～（124.88±46.63）MPa，垂穗披堿草和細(xì)莖冰草單根抗拉強(qiáng)度分別為（35.33±1.76）～（84.87±15.93）MPa和（35.96±2.46）～（73.32±19.56）MPa，紫花苜蓿單根抗拉強(qiáng)度分別較垂穗披堿草和細(xì)莖冰草平均高出1.30倍和1.31倍。其中，當(dāng)根徑級別為（0.30，0.40] mm時(shí)，紫花苜蓿單根抗拉強(qiáng)度與垂穗披堿草、細(xì)莖冰草之間的差異性均表現(xiàn)出相對較小的特性，即紫花苜蓿單根抗拉強(qiáng)度分別為垂穗披堿草和細(xì)莖冰草的1.18倍和1.12倍；相應(yīng)地，當(dāng)根徑級別為（0.10，0.20] mm時(shí)，紫花苜蓿的單根抗拉強(qiáng)度較垂穗披堿草、細(xì)莖冰草表現(xiàn)出具有相對較大的差異性，即紫花苜蓿單根抗拉強(qiáng)度分別為垂穗披堿草和細(xì)莖冰草的 1.47倍和1.70倍。雖然垂穗披堿草和細(xì)莖冰草的單根抗拉強(qiáng)度在 5個(gè)根徑級別條件下均未表現(xiàn)出顯著差異性，但在根徑級別為（0.10，0.20] mm和（0.20，0.30] mm時(shí)，垂穗披堿草單根抗拉強(qiáng)度具有略大于細(xì)莖冰草的特性，在上述 2個(gè)根徑級別條件下，垂穗披堿草單根抗拉強(qiáng)度分別為細(xì)莖冰草1.16倍和1.01倍；與此同時(shí)，在根徑級別為（0.30，0.40]、（0.40，0.50]及（0.50，0.60] mm 3 個(gè)根徑級別條件下，細(xì)莖冰草的單根抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出略高于垂穗披堿草的特性，即分別高出1.05倍、1.09倍和1.02倍。

3.1.3 單根極限延伸率

由表1可知，區(qū)內(nèi)3種草本植物在5個(gè)根徑級別條件下，垂穗披堿草單根極限延伸率表現(xiàn)出顯著高于其他2種草本植物的特性，細(xì)莖冰草次之，而紫花苜蓿的單根極限延伸率在 5個(gè)根徑級別條件下均具有相對較小的特性。區(qū)內(nèi)3種草本植物在5個(gè)根徑級別條件下，垂穗披堿草的單根極限延伸率為 50.36%±15.52%～76.4%±3.05%，細(xì)莖冰草和紫花苜蓿的單根極限延伸率則分 別 為 45.84%±11.56% ～ 73.28%±10.82% 和25.74%±8.05%～36.09%±7.78%，垂穗披堿草單根極限延伸率分別較細(xì)莖冰草和紫花苜蓿平均高 1.13倍和 2.16倍。當(dāng)根徑級別為（0.50，0.60] mm時(shí)，垂穗披堿草單根極限延伸率較細(xì)莖冰草差異性相對不顯著，即垂穗披堿草單根極限延伸率僅為細(xì)莖冰草的1.02倍；相應(yīng)地，當(dāng)根徑級別為（0.10，0.20] mm時(shí)，垂穗披堿草單根極限延伸率較紫花苜蓿的差異性相對較小，即垂穗披堿草單根極限延伸率為紫花苜蓿的1.75倍；在根徑級別為（0.30，0.40] mm時(shí)，垂穗披堿草單根極限延伸率分別較細(xì)莖冰草和紫花苜蓿表現(xiàn)出相對較大的差異性，即垂穗披堿草單根極限延伸率分別為細(xì)莖冰草和紫花苜蓿的1.19倍和2.51倍。此外，在 5個(gè)根徑級別條件下，細(xì)莖冰草單根極限延伸率亦表現(xiàn)出較紫花苜蓿顯著的特性，即細(xì)莖冰草單根極限延伸率平均高出紫花苜蓿1.91倍，其中根徑級別為（0.10，0.20] mm時(shí)，細(xì)莖冰草單根極限延伸率較紫花苜蓿的差異性相對較小，細(xì)莖冰草單根極限延伸率為紫花苜蓿的 1.59倍，相應(yīng)地，在根徑級別為（0.30，0.40] mm時(shí)，細(xì)莖冰草單根極限延伸率與紫花苜蓿的差異性相對較大，即細(xì)莖冰草單根極限延伸率為紫花苜蓿的2.11倍。

通過上述對區(qū)內(nèi)垂穗披堿草、細(xì)莖冰草及紫花苜蓿3種草本植物單根根徑在（0.10，0.20]、（0.20，0.30]、（0.30，0.40]、（0.40，0.50]及（0.50，0.60] mm 5個(gè)根徑級別條件下，單根抗拉力、單根抗拉強(qiáng)度和單根極限延伸率 3個(gè)單根抗拉力學(xué)特性指標(biāo)對比分析可知，在 5個(gè)根徑級別條件下，紫花苜蓿單根抗拉力和單根抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)出顯著高于垂穗披堿草和細(xì)莖冰草的特性，且紫花苜蓿單根極限延伸率均表現(xiàn)出低于垂穗披堿草和細(xì)莖冰草的特性。由于本項(xiàng)研究所選取的 3種草本植物單根根徑均小于1 mm，表現(xiàn)出主要以加筋作用方式增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度，即當(dāng)邊坡土體受到剪切力作用時(shí)，穿過土體剪切面的根系通過將自身所受拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為剪切面的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力，從而起到增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度的作用[5,13]，故在根面積比相同情況下，植物的單根抗拉力和單根抗拉強(qiáng)度愈大，則愈能起到增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度的作用[14]。相應(yīng)地，植物單根極限延伸率愈小，當(dāng)土體發(fā)生相對較小剪切位移時(shí)，單根即可將其自身的拉應(yīng)力發(fā)揮出來，以起到有效增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的作用。由上述可知，在根面積比相同且根徑為 0.10～0.60 mm條件下，區(qū)內(nèi) 3種草本植物中紫花苜蓿根系增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度的作用較區(qū)內(nèi)其他 2種草本植物相對較為顯著，其次依次為細(xì)莖冰草和垂穗披堿草。

3.2 3種草本植物單根抗拉力學(xué)特性指標(biāo)與根徑的關(guān)系

3.2.1 單根抗拉力與根徑關(guān)系

如圖3所示為試驗(yàn)區(qū)3種草本植物單根抗拉力與根徑之間的關(guān)系曲線。

由圖3可知，區(qū)內(nèi)3種草本植物單根抗拉力均表現(xiàn)出隨著根徑（根徑范圍為0.10～0.60 mm）的增加呈增大的變化規(guī)律，且單根抗拉力與根徑間符合冪函數(shù)關(guān)系。

圖3 試驗(yàn)區(qū)3種草本植物單根抗拉力與根徑關(guān)系Fig.3 Relationship between single root tensile force and root diameter of three herbs in test area

垂穗披堿草、細(xì)莖冰草和紫花苜蓿 3種草本植物單根抗拉力與根徑間的函數(shù)關(guān)系式分別為 y=17.06x1.25（R2=0.98，P＜0.001）、y=20.73x1.40（R2=0.90，P＜0.001）和y=21.54x1.27（R2=0.73，P＜0.001）。此外，有關(guān)植物單根抗拉力與根徑之間的關(guān)系，與本項(xiàng)研究結(jié)果相類似的相關(guān)研究主要表現(xiàn)為：陸桂紅等[34]通過對寒芒、草地早熟禾等 6種草本植物根系進(jìn)行室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明根系抗拉力與根徑間呈冪函數(shù)關(guān)系，且抗拉力隨根徑的增加而增大；Ye等[20]通過對百喜草進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)，亦得到了單根抗拉力隨根徑增加呈冪函數(shù)增長的變化關(guān)系；Lateh等[35]對喬木馬占相思進(jìn)行了單根拉伸試驗(yàn)，也得到了單根抗拉力隨著根徑增加呈冪函數(shù)增長的變化關(guān)系。

3.2.2 單根抗拉強(qiáng)度與根徑關(guān)系

如圖4所示為試驗(yàn)區(qū)3種草本植物單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系曲線。由圖4可知，本項(xiàng)研究所選取的3種草本植物單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑（根徑為0.10～0.60 mm）的增加呈冪函數(shù)降低的變化規(guī)律。垂穗披堿草、細(xì)莖冰草及紫花苜蓿3種草本植物單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間的函數(shù)關(guān)系式分別為y=22.09x-0.74（R2=0.94，P＜0.001）、y=27.71x-0.60（R2=0.54，P＜0.001）和y=25.07x-0.85（R2=0.58，P＜0.001）。此外，有關(guān)植物單根抗拉強(qiáng)度與根徑關(guān)系研究方面，趙麗兵等[19]通過室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)，分析了紫花苜蓿和馬唐2種草本植物單根抗拉強(qiáng)度及其與根徑之間的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明紫花苜蓿和馬唐其單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑增加均呈冪函數(shù)降低的變化關(guān)系；李光瑩等[36]采用單根拉伸試驗(yàn)，亦得到了小嵩草、紫花針茅等6植物，其單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑的增加呈冪函數(shù)降低變化關(guān)系的研究結(jié)論；Esmaiili等[37]通過單根拉伸試驗(yàn)得出歐洲云杉和歐洲白蠟樹單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑的增加亦呈冪函數(shù)降低的變化關(guān)系。上述研究結(jié)果均與本項(xiàng)研究所得到的結(jié)果相類似。

相應(yīng)地，有關(guān)草本植物單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑的增加而降低這一特性成因機(jī)理研究方面，趙麗兵等[19]的研究結(jié)果表明，紫花苜蓿和馬唐 2種草本植物根纖維素含量隨著根徑增加呈線性降低的變化關(guān)系，而上述 2種草本植物單根抗拉強(qiáng)度隨著根纖維素含量增加呈線性增大變化關(guān)系，故使得這 2種草本植物出現(xiàn)單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑增加而降低的特性。上述研究結(jié)果對本項(xiàng)研究中，有關(guān)垂穗披堿草、細(xì)莖冰草及紫花苜蓿 3種草本植物單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑增加而降低的試驗(yàn)結(jié)果，亦具有一定程度的參考價(jià)值。

圖4 試驗(yàn)區(qū)3種草本植物單根抗拉強(qiáng)度與根徑關(guān)系Fig.4 Relationship between single root tensile strength and root diameter of three herbs in test area

3.2.3 單根極限延伸率與根徑關(guān)系

如圖5所示為試驗(yàn)區(qū)3種草本植物單根極限延伸率與根徑之間的關(guān)系曲線。由圖 5可知，垂穗披堿草、細(xì)莖冰草及紫花苜蓿 3種草本植物，其單根極限延伸率與根徑（根徑為0.10～0.60 mm）之間的關(guān)系未表現(xiàn)出相對顯著性，即未出現(xiàn)決定系數(shù)R2大于0.5的函數(shù)關(guān)系（圖5中所示為決定系數(shù)R2為最大值時(shí)所對應(yīng)的擬合曲線及函數(shù)關(guān)系式）。

雖然區(qū)內(nèi) 3種草本植物單根極限延伸率與根徑之間關(guān)系的回歸分析結(jié)果反映出兩者間相關(guān)性相對較低，但由圖5可知，區(qū)內(nèi)3種草本植物單根極限延伸率，仍表現(xiàn)出隨著根徑的增加而逐漸增大的變化規(guī)律。

圖5 試驗(yàn)區(qū)3種草本植物單根極限延伸率與根徑關(guān)系Fig.5 Relationship between single root limit extensile rate and root diameter of three herbs in test area

3.3 3種草本植物單根拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

本項(xiàng)研究通過對區(qū)內(nèi) 3種草本植物根系進(jìn)行單根拉伸試驗(yàn)，得到了垂穗披堿草、細(xì)莖冰草及紫花苜蓿 3種草本植物單根拉伸全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖6所示。由圖6可知，區(qū)內(nèi)3種草本植物單根應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，存在2種類型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。第一種類型即應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅰ，該類型曲線為 3種草本植物普遍具有的單根拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，其特征具體表現(xiàn)為：①單根受力的初期階段，即表現(xiàn)在圖6a、6b和6c中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅰ的O點(diǎn)至A點(diǎn)處，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線基本呈直線型，反映出單根應(yīng)力與應(yīng)變之間呈線性變化關(guān)系，該階段屬于單根拉伸過程中的彈性變形階段。該階段單根變形可恢復(fù)，即卸去拉伸力作用后，單根形態(tài)可恢復(fù)至其在受拉變形前的初始狀態(tài)，該階段單根內(nèi)部尚未產(chǎn)生殘余變形和殘余應(yīng)力；②單根受力的中期階段，即表現(xiàn)在圖6a、6b和6c中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅰ的A點(diǎn)至C點(diǎn)處，單根的應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸呈非線性，說明此階段單根在拉應(yīng)力作用下開始屈服，即單根進(jìn)入彈塑性變形階段；③單根受力的后期階段，即表現(xiàn)在圖 6a、6b和 6c中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅰ的C點(diǎn)至H點(diǎn)處，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似呈直線型，表現(xiàn)為應(yīng)力與應(yīng)變之間呈線性增長關(guān)系，在該階段，單根的塑性變形增加了其對繼續(xù)變形的阻力，故隨著單根拉應(yīng)力增大的同時(shí)，單根的屈服點(diǎn)位置亦表現(xiàn)出相應(yīng)地提高的特性，即出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象；④當(dāng)應(yīng)變硬化現(xiàn)象發(fā)展至H點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生突變，即在該點(diǎn)處拉應(yīng)力迅速下降至0，說明單根此時(shí)已被拉斷，與此同時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線在H點(diǎn)達(dá)峰值點(diǎn)，即H點(diǎn)所對應(yīng)的極限拉應(yīng)力即為單根抗拉強(qiáng)度[38]。在此需說明的是，在上述單根拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中，O點(diǎn)位置未選擇在坐標(biāo)原點(diǎn)，其原因在于單根拉伸試驗(yàn)過程中，由于單根其自身存在一定程度的自然彎曲現(xiàn)象，且當(dāng)單根被夾具夾緊后亦會使單根出現(xiàn)一定的彎曲松弛現(xiàn)象，因此在如圖6所示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中，自坐標(biāo)原點(diǎn)至O點(diǎn)處的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系并非代表單根實(shí)際的應(yīng)力-應(yīng)變變化關(guān)系，故本項(xiàng)研究選擇 O點(diǎn)作為單根應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的起始點(diǎn)位置。

圖6 試驗(yàn)區(qū)3種草本植物單根應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Stress-strain curves of three herbs in test area

區(qū)內(nèi)3種草本植物單根拉伸過程中第二種應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系類型為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅱ，該類型曲線僅存在于垂穗披堿草和細(xì)莖冰草 2種草本植物單根的拉伸試驗(yàn)過程中。由圖 6a、6b可知，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅱ與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅰ相比，二者表現(xiàn)出一定的相似性，即反映在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅱ中O'A'段、A'C'段及C'H'段，對應(yīng)地與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅰ中的OA段、AC段及CH段具有相同的單根拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系階段性變化特征。相應(yīng)地，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅱ與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅰ的差異性則表現(xiàn)在：當(dāng)單根應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅱ處于應(yīng)變硬化階段（即圖6a、6b中C'點(diǎn)至H'點(diǎn)位置）時(shí)，拉應(yīng)力在未達(dá)到單根抗拉強(qiáng)度時(shí)（即應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線未到達(dá)H'點(diǎn)位置時(shí)），即當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.24（如圖6a）和0.42（如圖6b所示）時(shí)出現(xiàn)了拉應(yīng)力峰值點(diǎn) h，且其對應(yīng)的拉應(yīng)力分別為26.5和29.8 MPa，在峰值點(diǎn)h出現(xiàn)之后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅱ呈一定程度下降后，仍處于應(yīng)變硬化階段，直至單根應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線到達(dá)H'點(diǎn)。通過對單根拉伸過程中單根表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)變化特征詳細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)峰值點(diǎn) h出現(xiàn)的原因與垂穗披堿草和細(xì)莖冰草單根表皮先于表皮內(nèi)部組織發(fā)生斷裂現(xiàn)象關(guān)系密切。在單根拉伸過程中，當(dāng)垂穗披堿草和細(xì)莖冰草單根表皮發(fā)生斷裂后，其結(jié)果使得應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅱ在C'H'段出現(xiàn)了峰值點(diǎn)h，此后其單根內(nèi)部組織繼續(xù)承受拉應(yīng)力，直至單根應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線到達(dá)極限拉應(yīng)力點(diǎn)H'。因此，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅱ在整體上呈現(xiàn)出了雙峰值的特征。值的一提的是，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅱ未出現(xiàn)在紫花苜蓿單根拉伸試驗(yàn)過程中，說明根徑為0.10～0.60 mm的紫花苜蓿單根表皮與表皮內(nèi)部組織的抗拉力學(xué)特性的差異性相對較為不顯著，使得紫花苜蓿單根表皮與表皮內(nèi)部組織的應(yīng)力-應(yīng)變過程，在單根拉伸試驗(yàn)過程中表現(xiàn)出具有相對較為顯著的同步性。

4 結(jié) 論

1）西寧盆地黃土區(qū)內(nèi)3種草本植物在根徑為（0.10，0.20]、（0.20，0.30]、（0.30，0.40]、（0.40，0.50]及（0.50，0.60] mm 5個(gè)根徑級別條件下，紫花苜蓿單根抗拉力和單根抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)出顯著高于垂穗披堿草和細(xì)莖冰草的特性，且紫花苜蓿單根極限延伸率均表現(xiàn)出低于垂穗披堿草和細(xì)莖冰草的特性，體現(xiàn)出紫花苜蓿根系增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度的作用較細(xì)莖冰草和垂穗披堿草相對較為顯著。

2）區(qū)內(nèi)3種草本植物根徑為0.10～0.60 mm范圍內(nèi)單根抗拉力隨著根徑的增加而增大，且二者間呈冪函數(shù)關(guān)系；單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑的增加而減小，二者間亦呈冪函數(shù)關(guān)系；單根極限延伸率表現(xiàn)出具有隨著根徑增加而增大的變化趨勢，但二者間并未表現(xiàn)出相對顯著的函數(shù)關(guān)系。

3）區(qū)內(nèi)3種草本植物在單根拉伸過程中表現(xiàn)出了2類應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，其中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅰ和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅱ均表現(xiàn)出了彈性變形、彈塑性變形、應(yīng)變硬化及斷裂破壞4個(gè)階段；此外，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅱ在應(yīng)變硬化階段表現(xiàn)出雙峰值現(xiàn)象；應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Ⅱ未出現(xiàn)在紫花苜蓿單根拉伸試驗(yàn)過程中，說明紫花苜蓿其單根表皮與表皮內(nèi)部組織的應(yīng)力-應(yīng)變過程，在單根拉伸試驗(yàn)過程中表現(xiàn)出具有相對較為顯著的同步性。

該項(xiàng)研究成果對于研究區(qū)坡面水土流失、淺層滑坡等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的生態(tài)防護(hù)工作，具有理論研究價(jià)值和實(shí)際指導(dǎo)意義。