黃河源區(qū)高寒草地植物組合對根-土復(fù)合體抗剪強度的影響

劉昌義， 竇增寧， 胡夏嵩,3,4*， 徐志聞， 周林虎， 李希來， 朱海麗， 李燕婷

(1. 青海大學(xué)地質(zhì)工程系， 青海 西寧810016； 2. 青海省公路科研勘測設(shè)計院， 青海 西寧810001； 3. 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實驗室， 青海 西寧810008； 4. 青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室， 青海 西寧810008； 5. 青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院， 青海 西寧810016)

近年來，受全球氣候變化的影響，黃河源區(qū)極端氣候現(xiàn)象頻繁發(fā)生，加之受到鼠害和過度放牧等諸多因素的綜合影響，草地退化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，草地退化面積為425767 hm2，占總面積的8.24%[1]。草地退化引發(fā)的水土流失、土壤侵蝕和滑坡等災(zāi)害現(xiàn)象頻繁發(fā)生[2-3]，導(dǎo)致黃河源區(qū)土地覆被狀況指數(shù)僅為38.84%，且土體覆被狀況變化程度較為劇烈[4]，尤其黃河源東部地區(qū)草地蓋度狀況處于逐漸減少的趨勢[5]。這不僅對源區(qū)高寒草地生態(tài)保護(hù)和草地植被恢復(fù)帶來影響，而且對源區(qū)畜牧業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生一定影響和帶來潛在危害性[6]。

有關(guān)黃河源區(qū)草地退化的影響因素和成因機理研究，國內(nèi)外學(xué)者采用常規(guī)生態(tài)學(xué)研究、遙感分析、元素測試、建立數(shù)學(xué)模型等多種方法，對草地退化現(xiàn)狀、形成機制、植被與土壤相互作用、放牧、鼠害、毒雜草等因素的影響、生態(tài)恢復(fù)等方面均進(jìn)行了深入的研究[7-11]。對于植物根系與土壤所組成的根-土復(fù)合體的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者對于根-土復(fù)合體在固土護(hù)坡等方面開展了深入的研究，特別是有關(guān)根系對于提高根-土復(fù)合體力學(xué)強度特性方面的作用已經(jīng)得到了國內(nèi)外學(xué)者的普遍認(rèn)可，其研究結(jié)果對于防治高寒草地退化亦有一定的理論指導(dǎo)意義[12-16]。

但采用草地植物根-土復(fù)合體力學(xué)強度的方法，分析評價草地退化和形成機理研究成果，尤其是有關(guān)青藏高原東北部黃河源地區(qū)相關(guān)研究相對較少。因此，本研究以黃河源區(qū)東部的高寒草地為研究對

象，通過對區(qū)內(nèi)不同植物及其組合根-土復(fù)合體開展抗剪強度試驗，探討了不同植物及其組合類型對根-土復(fù)合體抗剪強度影響，以及根-土復(fù)合體抗剪強度大小變化規(guī)律和影響因素，以期為該地區(qū)植被恢復(fù)和科學(xué)有效地防治草地退化、水土流失、淺層滑坡等災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以位于黃河源區(qū)青海河南縣啟龍牧場作為研究區(qū)(101°50′08″ E，34°35′12″ N)，區(qū)內(nèi)平均海拔為3 600 m，地處青藏高原東北部。年平均氣溫為0.31℃，年降雨量為468.9 mm，相對濕度為66%[17-18]。研究區(qū)距離區(qū)內(nèi)黃河主干道約70 km，主要分布洮河、澤曲河與尕瑪日河等眾多河流，年均徑流總量為13.87億m3，水源條件相對較為豐富。研究區(qū)啟龍牧場分布有垂穗披堿草草地和矮生嵩草草地等2種草地類型[19]。區(qū)內(nèi)草甸土壤中氮、鉀含量相對較高，且速效鉀含量已達(dá)富鉀水平，但磷含量相對較低[20]。邊坡土體物理性質(zhì)指標(biāo)及土體顆粒分析試驗結(jié)果如表1所示，區(qū)內(nèi)邊坡土體顆粒級配曲線如圖1所示，區(qū)內(nèi)陽坡位置處土體平均密度、平均含水率分別為1.13 g·cm-3，18.33%，陰坡位置處土體平均密度、平均含水率分別為1.03 g·cm-3，23.35%；區(qū)內(nèi)邊坡土體為不良級配，土體類型為砂類土。

表1 研究區(qū)邊坡草本植物生長區(qū)土體物理性質(zhì)指標(biāo)試驗測試結(jié)果Table 1 Test results of soil physical properties of plant growing areas in the study area

圖1 研究區(qū)植物邊坡土體顆粒級配曲線Fig. 1 Particle grading curve of plant slope soil in the study area

1.2 試驗設(shè)計

為確定不同植物組合其根-土復(fù)合體抗剪強度指標(biāo)，首先在區(qū)內(nèi)實測地形線剖面，且沿剖面由陽坡坡頂至陰坡坡頂位置，依次劃分出6種不同類型的植物組合。區(qū)內(nèi)該實測剖面其陽坡坡長為150 m，平均坡度為7.6 °，陰坡坡長為100 m，平均坡度為4.5°。區(qū)內(nèi)沿剖面線方向植物分布及組合類型劃分結(jié)果見圖2，植物生長情況見圖3，沿該剖面線方向所劃分出的6種不同類型植物組合分別為：組合Ⅰ為紫花針茅(StipapurpureaGriseb.)+高山嵩草(KobresiapygmaeaC. B. Clarke)組合，該組合位于陽坡坡頂位置處，其水平方向延伸距離為46.82m；組合Ⅱ為高山嵩草(KobresiapygmaeaC. B. Clarke)組合，該組合位于陽坡坡中位置處，其水平方向延伸距離為55.51 m；組合Ⅲ為垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)組合，該組合位于陽坡坡底位置處，其水平方向延伸距離為45.70 m；組合Ⅳ為垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)+青藏苔草(CarexmoorcroftiiFalc．Ex Boott)組合，該組合位于區(qū)內(nèi)陰坡坡頂位置處，其水平方向延伸距離為47.52 m；組合Ⅴ為珠芽蓼(PolygonumviviparumL.)+垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)組合，該組合位于陰坡坡中位置處，其水平方向延伸距離為56.58 m；組合Ⅵ為高山嵩草(KobresiapygmaeaC. B. Clarke)+紫菀(AstertataricusL. f.)組合，該組合位于陰坡坡底位置處，其水平方向延伸距離為45.21 m。

圖2 研究區(qū)邊坡草本植物組合類型及其劃分情況Fig. 2 The types and division of herb plants on the slope of the study area

圖3 研究區(qū)實測邊坡剖面及其剖面植物生長情況Fig.3 Measured slope profiles and plant growth in the study area

1.3 試驗方法

首先通過野外取樣得到區(qū)內(nèi)6種不同植物組合類型其根-土復(fù)合體試樣柱。按照如圖2所示的區(qū)內(nèi)邊坡地表草本植物分布及其類型劃分情況，分別由陽坡坡頂位置處至陰坡坡頂位置處，6種不同植物組合類型設(shè)置取樣點，每種植物組合類型分別選擇2個有代表性的位置，并采用挖取的方式制取直徑為28 cm，高為22 cm的試樣柱放置于試驗樣盆中及時密封和編號并帶回實驗室。在制取試樣柱過程中在該取樣點同時分層制取其密度試樣和含水率試樣，即上層為地表以下0～10 cm深度位置中央，下層為10～20 cm深度中央。其次，在室內(nèi)對取回的試樣柱亦分為上下兩層分別制取用于直剪試驗的根-土復(fù)合體試樣(規(guī)格為內(nèi)徑6.18 cm，高為2.00 cm，每層取4個試樣作為一組)，并立即進(jìn)行直剪試驗。

在室內(nèi)采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀開展根-土復(fù)合體抗剪強度試驗，試驗過程中每組試驗制取4個試樣，分別在50 kPa，100 kPa，200 kPa，300 kPa等4級垂直壓力(P)下進(jìn)行直接剪切試驗，得到區(qū)內(nèi)6種不同植物組合根-土復(fù)合體試樣抗剪強度指標(biāo)黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值。室內(nèi)密度試驗采用環(huán)刀法，含水率試驗采用烘干法。在直剪試驗結(jié)束后，收集剪切后的試樣采用沖洗的方法洗出試樣中的根系，并風(fēng)干后稱量其根系干重。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2007進(jìn)行，顯著性分析采用SPSS 19.0的單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗區(qū)6種不同植物組合類型的根-土復(fù)合體抗剪強度特征

由表2可知，區(qū)內(nèi)陽坡坡頂位置處分布的高山嵩草組合類型的根-土復(fù)合體平均黏聚力c值為27.76 kPa，坡中位置處珠芽蓼+垂穗披堿草組合的根-土復(fù)合體平均黏聚力c值為25.24 kPa，坡底位置處垂穗披堿草組合的根-土復(fù)合體平均黏聚力c值為37.53 kPa，可知陽坡坡頂與坡中位置處根-土復(fù)合體平均黏聚力c值，相比坡底位置處分別降低26.0%、32.7%。相應(yīng)地，陰坡坡頂位置處高山嵩草+紫菀組合的根-土復(fù)合體平均黏聚力c值為16.74 kPa，坡中位置處珠芽蓼+垂穗披堿草組合的根-土復(fù)合體平均黏聚力c值為23.91 kPa，坡底位置處垂穗披堿草+青藏苔草組合的根-土復(fù)合體平均黏聚力c值為34.73 kPa，即表現(xiàn)出自坡底至坡頂方向呈逐漸減小的變化規(guī)律，坡頂與坡中相比較于坡底位置處分別降低51.8%，31.2%。

研究區(qū)6種不同植物組合類型的根-土復(fù)合體黏聚力c值隨海拔高度變化關(guān)系如圖4所示。由該圖可知，區(qū)內(nèi)陽坡坡頂?shù)母呱结圆萁M合的根-土復(fù)合體上層(0～10 cm)平均黏聚力c值為35.00 kPa，下層(10～20 cm)為20.53kPa，坡中珠芽蓼+垂穗披堿草組合的根-土復(fù)合體上層平均黏聚力c值為41.41 kPa，下層為29.06 kPa，坡底垂穗披堿草組合的根-土復(fù)合體上層平均黏聚力c值為41.63 kPa，下層為33.41 kPa，表現(xiàn)出區(qū)內(nèi)不同植物組合在相同海拔位置處上層平均黏聚力c值大于下層，平均增幅為42%，且上層與下層均分別隨海拔高度的降低呈現(xiàn)出增大的變化趨勢。

圖4 研究區(qū)6種不同植物組合類型的根-土復(fù)合體黏聚力與海拔高度間關(guān)系Fig. 4 Relationship between cohesion force of root-soil composite system and altitude of 6 different plant combinations in the study area

區(qū)內(nèi)陰坡坡頂高山嵩草+紫菀組合的根-土復(fù)合體其上層平均黏聚力c值為18.02 kPa，下層為15.47 kPa；坡中珠芽蓼+垂穗披堿草組合其上層平均黏聚力c值為24.78 kPa，下層為23.04 kPa；坡底垂穗披堿草+青藏苔草組合其上層平均黏聚力c值為34.59 kPa，下層為34.87 kPa；其根-土復(fù)合體平均黏聚力c值亦表現(xiàn)出上層較下層增幅為5.5%，且均隨區(qū)內(nèi)海拔高度的降低呈現(xiàn)出增大的變化趨勢。

表2 研究區(qū)6種不同植物組合類型的根-土復(fù)合體試樣直剪試驗結(jié)果Table 2 Direct shear test results of root-soil composite system of 6 different plant combinations in the study area

注：“根-土復(fù)合體平均黏聚力c值降幅”指坡頂或坡中位置處植物組合其根-土復(fù)合體平均黏聚力相對于坡底位置的變化幅度；不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

Note:"the decrease degree of average cohesion force of the root-soil composite system" refers to the decrease degree of the average cohesion force of the root-soil composite system at the top or middle of slope relative to the bottom of the slope. Different lowercase letter shows significant difference (P<0.05), The same as below

研究區(qū)6種不同植物組合類型的根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線如圖5所示。6種植物組合類型的根-土復(fù)合體試樣剪切過程中，垂直壓力由50 kPa增加至300 kPa時，當(dāng)剪切位移量相同時，復(fù)合體試樣所受到的剪應(yīng)力隨垂直壓力的增大而相應(yīng)地增大，且表現(xiàn)出抗剪強度大的植物組合類型其在相同垂直壓力下的最大剪應(yīng)力值亦相對較大的特征。即陽坡坡底最大剪應(yīng)力值相比較于坡頂增幅為7.6%，陰坡坡底最大剪應(yīng)力值相比較于坡頂增幅為16.5%。

圖5 研究區(qū)6種不同植物組合類型根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系Fig. 5 Relationship between shear stress and shear displacement of root-soil composite system of 6 different plant combinations in the study area

2.2 土體密度與含水率對6種不同植物組合類型根-土復(fù)合體抗剪強度影響

研究區(qū)陽坡和陰坡6種不同植物組合類型，其平均密度、平均含水率均分別隨海拔高度的降低而呈現(xiàn)增大趨勢，即分別在陽坡和陰坡坡底位置處其密度和含水率均相對最大，且表現(xiàn)為陰坡相同位置處其密度小于陽坡相同位置而含水率則大于陽坡相同位置的特征(表3)。

區(qū)內(nèi)6種不同植物組合類型的根-土復(fù)合體黏聚力c值，其總體表現(xiàn)出隨著根-土復(fù)合體的密度增加而呈增大的變化趨勢(圖6)。6種不同植物組合類型的根-土復(fù)合體的含水率則表現(xiàn)出存在最優(yōu)含水率的特征，即根-土復(fù)合體黏聚力c值在其含水率約為20%時達(dá)到相對最大值為54.60 kPa；當(dāng)根-土復(fù)合體含水率小于20%時，根-土復(fù)合體黏聚力c值表現(xiàn)出隨含水率的增大而呈逐漸增加的變化規(guī)律；當(dāng)含水率大于20%時，則表現(xiàn)出隨含水率的增加而呈降低的變化趨勢。

表3 研究區(qū)6種不同植物組合類型的根-土復(fù)合體試樣密度和含水率試驗結(jié)果Table 3 Test results of density and moisture content of root-soil composite system of 6 different plant combinations in the study area

注：“根-土復(fù)合體密度增幅”和“根-土復(fù)合體含水率增幅”分別指坡底或坡中位置處植物組合的平均密度和平均含水率相對于坡頂位置的增加幅度

Note:The "Increase degree of soil density of root-soil composite system" and "Increase degree of moisture content of root-soil composite system" refers to the variation of average density and average moisture content of the plant combinations at the bottom or middle position of the slope relative to the top of the slope

圖6 研究區(qū)6種不同植物組合類型的根-土復(fù)合體黏聚力與密度和含水率關(guān)系Fig. 6 Relationship between cohesion force and density and moisture content of root-soil composite system of 6 different plant combinations in the study area

2.3 6種不同植物組合類型根系含量對根-土復(fù)合體抗剪強度影響

區(qū)內(nèi)6種不同植物組合類型其根系含量表現(xiàn)出隨海拔高度的降低而逐漸增加的變化規(guī)律(表4)。陽坡坡頂紫花針茅+高山嵩草組合、坡中高山嵩草組合，其根-土復(fù)合體中所包含的根系總干重分別為0.058 g·cm-3，0.067 g·cm-3，坡底垂穗披堿草組合的根系總干重為0.104 g·cm-3，表現(xiàn)出隨取樣位置海拔高度的降低其植物根系總干重逐漸增加的特征。區(qū)內(nèi)陰坡坡頂高山嵩草+紫菀組合、坡中珠芽蓼+垂穗披堿草組合，其根系總干重分別為0.038 g·cm-3，0.061 g·cm-3，坡底垂穗披堿草+青藏苔草組合其根系總干重為0.097 g·cm-3，亦表現(xiàn)出隨海拔高度降低而增加的變化規(guī)律。

結(jié)合表2可知，區(qū)內(nèi)6種不同植物組合類型，其根-土復(fù)合體的根系含量和粘聚力c值，均分別表現(xiàn)出隨著海拔高度的降低而逐漸增大的變化規(guī)律，一定程度上反映出了復(fù)合體中根系含量的增加對提高根-土復(fù)合體粘聚力c值有增強作用。即由陽坡坡頂紫花針茅+高山嵩草植物組合其根系含量為6.2%，增大至陽坡坡底垂穗披堿草根系含量為16.2%時，其復(fù)合體抗剪強度由27.76 kPa增大至37.53kPa。陰坡植物組合亦表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。

表4 研究區(qū)6種不同植物組合類型的根系生長量指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Statistical results of root growth indices of 6 different plant combinations in the study area

注：“復(fù)合體根系干重”指每組直剪試樣4個環(huán)刀(單個環(huán)刀體積為60cm3)中所有根系的總干質(zhì)量與試樣體積的比值；“復(fù)合體根系含量”指每組直剪試樣4個環(huán)刀中根系質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的比例

Note："Dry weight of roots in the root-soil composite system" refers to the ratio of the dry weight of all roots to the volume of 4 ring knives(with a single volume of 60cm3for each ring knife) in each group of direct shear samples. "Root content of root-soil composite system" refers to the proportion of the weight of roots in the 4 ring knives of each group of direct shear samples to the total weight of the samples

3 討論

區(qū)內(nèi)6種不同植物組合類型的根-土復(fù)合體抗剪強度總體上表現(xiàn)為，分布于海拔高度相對較低位置處的植物組合類型大于相對較高海拔的植物組合類型，這種使得區(qū)內(nèi)6種不同植物組合類型的根-土復(fù)合體抗剪強度之間存在差異的主要原因在于，草本植物的生長受海拔高度、光照條件、含水率等諸多因素的綜合影響，從而導(dǎo)致相同植物在不同影響因素下表現(xiàn)出不同生長狀況[21,22]，即區(qū)內(nèi)不同取樣位置處其植物類型的不同，以及不同植物類型其根系生長條件等方面均存在顯著差異性，從而使得區(qū)內(nèi)6種不同植物組合的根-土復(fù)合體抗剪強度之間存在差異性。本項研究中，隨著海拔高度的降低，根-土復(fù)合體的平均密度、平均含水率和根系干重、根系含量等均逐漸增加，其抗剪強度亦呈逐漸增大的變化規(guī)律，這些因素均與其所處為陰坡或陽坡及海拔高度等因素有關(guān)，處于不同海拔高度位置處的植物其生長規(guī)律存在差異，其結(jié)果均會一定程度改變其地下根系分布及土壤性質(zhì)等，從而影響其根-土復(fù)合體抗剪強度。因此，區(qū)內(nèi)6種不同植物組合類型其根-土復(fù)合體抗剪強度受到其密度、含水率、含根量等諸多因素的影響，在分析時需要在多方面綜合考慮。

程昊民(2018)[23]對重塑黃土的強度影響因素研究指出，在干密度較大的情況下，土樣孔隙比較小，土中水分被緊密結(jié)合在土顆粒周圍以水膜的形式存在，使得土體的粘聚力增大，隨著干密度減小，孔隙比增大，結(jié)合水向自由水轉(zhuǎn)化，水膜與土顆粒間的強結(jié)合力消失，其粘聚力則降低。張奎等(2016)[24]根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》配置不同含水率和不同密度的重塑黃土試樣，采用直剪試驗確定出黏聚力c值，該值在最優(yōu)含水率為15.78%時最大為32.69 kPa，當(dāng)?shù)陀谧顑?yōu)含水率時該黏聚力c值為21.08 kPa，高于最優(yōu)含水率時其黏聚力c值為8.00 kPa。以上結(jié)果與本項研究中根-土復(fù)合體密度和含水率對根-土復(fù)合體抗剪強度的影響關(guān)系相一致。

在諸多影響因素中，根系干重和根系含量對根-土復(fù)合體抗剪強度的影響較為顯著。劉昌義等(2017)[12]通過針對位于黃河源區(qū)的河南縣境內(nèi)優(yōu)勢植物小嵩草(KobresiapygmaeaSergiev)、紫花針茅(StipapurpureaGriseb.)、垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)等7種根-土復(fù)合體進(jìn)行抗剪強度試驗，劃分出不同退化程度草地之間的復(fù)合體的黏聚力閾值；同時，其研究指出根-土復(fù)合體中根系含量的減少是造成其抗剪強度降低的主要因素，這與本項研究中隨著海拔高度的降低，復(fù)合體中根系含量增加，抗剪強度亦逐漸增加的變化規(guī)律相一致。

此外，劉亞斌等(2017)[13]通過對檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)根系的拉拔摩擦試驗結(jié)果表明，當(dāng)檸條錦雞兒根系總干質(zhì)量最小為0.65 g時，根-土間最大摩擦力為0.03 kN，當(dāng)檸條錦雞兒根系總干質(zhì)量最大為3.21 g時，根-土間最大摩擦力為0.14 kN。陳航等(2017)[25]通過對紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)根-土復(fù)合體進(jìn)行抗剪強度試驗結(jié)果表明，紫穗槐的根-土復(fù)合體密度為1.53 g·cm-3、含水率為12%時，根數(shù)為6根時其抗剪強度為49.907 kPa；根數(shù)為10根時其抗剪強度最大為54.322 kPa。由上述結(jié)果可知，植物根系數(shù)量增加具有有效增加根-土間摩擦力的作用，并起到提高根-土復(fù)合體抗剪強度的作用。鑒于此，本項研究中，區(qū)內(nèi)6種不同植物組合類型的抗剪強度隨著根系含量的增加而增大；同時，根-土復(fù)合體抗剪強度亦受6種不同植物組合類型的根系總干重變化的影響，研究結(jié)論與上述學(xué)者結(jié)論相一致。

4 結(jié)論

區(qū)內(nèi)6種不同植物組合類型的根-土復(fù)合體其平均黏聚力c值，表現(xiàn)為在坡頂相對較小，坡底相對較大的變化規(guī)律；相同位置處不同植物組合類型的根-土復(fù)合體黏聚力c值表現(xiàn)為位于0～10cm深度較10～20cm深度相對較大的特征。不同植物組合類型的根-土復(fù)合體的密度、含水率、根系干重和根系含量等，均表現(xiàn)出隨著海拔高度降低呈逐漸增加的變化趨勢。不同植物組合類型的根-土復(fù)合體其平均黏聚力c值表現(xiàn)出隨著根系含量和根系干重的增加而增大的規(guī)律。