柴達(dá)木盆地4種鹽生植物根系力學(xué)特性及根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度研究

許 桐, 劉昌義, 胡夏嵩, 周林虎, 申紫雁, 余冬梅

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系, 西寧 810016;2.中國(guó)科學(xué)院 青海鹽湖研究所, 中國(guó)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)

近年來(lái)，利用草本植物有效防治地表土壤侵蝕，減少水土流失，增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度，已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)可并開展了廣泛研究和普遍應(yīng)用[1-7]。植物根系不僅可從土壤中吸收植物生長(zhǎng)過程中所需要的水分和養(yǎng)分，且對(duì)于改良土壤結(jié)構(gòu)和成分，增強(qiáng)土壤的抗侵蝕能力和抗剪切能力方面有著重要作用[8-10]。本項(xiàng)研究其研究區(qū)位于柴達(dá)木盆地東部，柴達(dá)木盆地是我國(guó)四大內(nèi)陸盆地之一，區(qū)內(nèi)擁有豐富的礦產(chǎn)資源，是西部地區(qū)重要資源富集區(qū)，被譽(yù)為“聚寶盆”[11]。但由于近年來(lái)受到全球氣候變暖以及區(qū)域性風(fēng)蝕、水蝕和人類工程活動(dòng)等因素的綜合影響，使得區(qū)內(nèi)發(fā)生因植被退化、河湖萎縮等現(xiàn)象所引發(fā)的水土流失、土地沙化等災(zāi)害現(xiàn)象較為嚴(yán)重，且一定程度地對(duì)當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)居民生產(chǎn)生活帶來(lái)影響和產(chǎn)生潛在危害，因此開展柴達(dá)木盆地及其周邊生態(tài)地質(zhì)環(huán)境的科學(xué)保護(hù)是一項(xiàng)亟待解決的重大問題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者通過開展植物根系力學(xué)強(qiáng)度研究，探討植物有效防治地表水土流失和淺層滑坡方面，取得了較為豐富研究成果。Stokes等指出根的抗拉強(qiáng)度與根系的抗拔力和抗剪強(qiáng)度成正比關(guān)系，故在根面積比一定的條件下，數(shù)量相對(duì)愈多的細(xì)根較數(shù)量相對(duì)較少的粗根，表現(xiàn)出具有相對(duì)更為顯著的固土護(hù)坡能力[12]。Capilleri等以意大利西西里島蘆筍(Asparagusofficinalis)作為研究對(duì)象，通過室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)得到蘆筍單根抗拉強(qiáng)度為2.5～8.0 MPa，并指出根系抗拉強(qiáng)度受多種因素影響，其因素分別為根徑、根系水分和植株生長(zhǎng)位置等，認(rèn)為草本植物可用于淺層滑坡防治[13]。武藝儒等以檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、沙柳(Salixcheilophila)和沙棘(Hippophaerhamnoides)為研究對(duì)象，通過測(cè)定3種灌木根系抗剪特性及纖維素、半纖維素、木質(zhì)素3種化學(xué)成分含量，分析其化學(xué)成分對(duì)抗剪特性的影響，結(jié)果表明區(qū)內(nèi)3種灌木直根抗剪力、抗剪強(qiáng)度均存在顯著差異，種間變化為檸條錦雞兒(172.68 N，17.18 MPa)>沙柳(124.99 N，12.49 MPa)>沙棘(68.49 N，6.76 MPa)，且3種直根抗剪力與根徑均呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，抗剪強(qiáng)度與根徑均呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系[14]。

與此同時(shí)，Comino等通過對(duì)意大利北部典型高山禾本科植物早熟禾(Poaannua)、黑麥草(Loliumperenne)開展根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果表明2種植物根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度明顯高于不含根素土的抗剪強(qiáng)度，其黏聚力增長(zhǎng)9.6～12.6 kPa[15]。祁兆鑫等選取柴達(dá)木盆地尕斯庫(kù)勒鹽湖區(qū)及周邊地區(qū)海韭菜(Triglochinmaritimum)、蘆葦(Phragmitesaustralias)、無(wú)脈苔草(Carexenervis)等5種優(yōu)勢(shì)鹽生植物為研究對(duì)象，通過直剪試驗(yàn)分析根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響因素，結(jié)果表明土體含水率的提高導(dǎo)致根—土復(fù)合體黏聚力c值降低，并指出鹽生植物根—土復(fù)合體與素土相比抗剪強(qiáng)度增加了3.26%～57.18%[16]。栗岳洲等通過對(duì)大柴旦鹽湖區(qū)海韭菜(TriglochinmaritimumLinn)、賴草(LeymussecalinusTzvel)、毛穗賴草(LeymuspaboanusPilger)、無(wú)脈苔草(CarexenervisC.A.Mey)復(fù)合體進(jìn)行直剪試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果表明，根系提高土體的抗剪強(qiáng)度存在一個(gè)最優(yōu)含根量，當(dāng)根—土復(fù)合體中的含根量為最優(yōu)含根量時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度為最大，分別得到海韭菜為27.42 kPa，賴草為20.9 kPa，毛穗賴草為18.11 kPa，無(wú)脈苔草為17.84 kPa[17]。

綜上所述，已有研究結(jié)果關(guān)于通過植被防治水土流失、淺層滑坡等災(zāi)害大多是單獨(dú)討論有關(guān)植物根系力學(xué)特性或植物根—土復(fù)合體力學(xué)強(qiáng)度研究方面，相比較而言，采用將植物單根抗拉、抗剪強(qiáng)度與根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度二者結(jié)合起來(lái)的研究方法，綜合探討植物根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度效應(yīng)和有效提高土體抗侵蝕能力等方面的研究相對(duì)較少，尤其是位于青藏高原腹地地處高寒干旱區(qū)柴達(dá)木盆地及其周邊地區(qū)。因此，本項(xiàng)研究以柴達(dá)木盆地柯柯鹽湖區(qū)作為研究區(qū)，通過對(duì)區(qū)內(nèi)4種不同優(yōu)勢(shì)鹽生植物開展單根拉伸、剪切和根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，分析地表0—20 cm深度處復(fù)合體黏聚力與含根量的變化規(guī)律及兩者間的關(guān)系，并探討4種不同鹽生植物根系力學(xué)強(qiáng)度特性，以及根—土復(fù)合體隨取樣深度變化其抗剪強(qiáng)度的變化特征。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)柯柯鹽湖位于柴達(dá)木盆地東部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)97°58′—98°30′，北緯36°50′—37°06′，東西長(zhǎng)約28 km，南北平均寬約4～5 km，總面積約119 km2[18]?？驴蔓}湖隸屬于青海海西蒙古族藏族自治州烏蘭縣柯柯鎮(zhèn)境內(nèi)。研究區(qū)柯柯鹽湖及其周邊地區(qū)地勢(shì)平坦，海拔高度為3 010 m左右，區(qū)內(nèi)氣候?qū)儆诖箨懶愿珊禋夂騕18]，多年平均降水量為107.4～139.9 mm，蒸發(fā)量為2 172.6～2 483.3 mm，蒸發(fā)量為降水量的20倍以上[19]，年平均最高氣溫在7—8月份，為22.9℃，最低氣溫在上年12月至次年1月份，為-19～-23℃，年溫差為41～46℃[20]。區(qū)內(nèi)地層主要為變質(zhì)巖系和中生界侏羅系及新生界第三系，其巖石類型由下而上分別為細(xì)粉砂、砂質(zhì)黏土、淤泥、石鹽層[20]。區(qū)內(nèi)土壤類型以鹽漬土為主，適宜于當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)鹽生植物主要為蘆葦(PhragmitesaustralisTrin.)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum(Pall.)Moq.)、賴草(Leymussecalinus(Georgi)Tzvel.)、無(wú)脈苔草(Carexenervis)、鹽地風(fēng)毛菊(SaussureasalsaSpreng.)、海韭菜(Triglochinmaritimum)等。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本項(xiàng)研究選取適宜于研究區(qū)柯柯鹽湖區(qū)及周邊地區(qū)氣候條件下生長(zhǎng)的4種優(yōu)勢(shì)鹽生植物，即蘆葦(PhragmitesaustralisTrin.)、鹽爪爪(KalidiumfoliatumMoq.)、無(wú)脈苔草(Carexenervis)、鹽地風(fēng)毛菊(SaussureasalsaSpreng.)作為試驗(yàn)供試種，這4種鹽生草本植物具有耐寒、耐旱、耐貧瘠等生物學(xué)特性，且水土保持效果較為顯著。本項(xiàng)研究通過野外試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)采集鹽生植物試樣，原位制取4種根—土復(fù)合體試樣等方法，并將所采集到的試樣及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，在室內(nèi)進(jìn)行單根拉伸、剪切試驗(yàn)和根—土復(fù)合體剪切試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試驗(yàn)樣地及其設(shè)置 本項(xiàng)研究通過對(duì)研究區(qū)柯柯鹽湖及其周邊地區(qū)鹽生植物類型、生長(zhǎng)情況等進(jìn)行原位調(diào)查的基礎(chǔ)上，在區(qū)內(nèi)選擇了植被類型豐富、植物生長(zhǎng)正常，且植物類型及其組合具有代表性的樣地布設(shè)了實(shí)測(cè)剖面。該實(shí)測(cè)剖面線位于區(qū)內(nèi)鹽湖區(qū)東南方向，剖面線起點(diǎn)距鹽湖約1 000 m處，剖面起點(diǎn)位置地理坐標(biāo)為36°58′8″N，98°15′19″E，海拔高度為2 881.22 m，剖面總長(zhǎng)為1 000 m，坡度為2°。首先，沿該剖面線方向依次劃分出不同鹽生植物種類和組合類型；其次，沿剖面線方向選擇鹽生植物生長(zhǎng)良好的位置作為試樣采集點(diǎn)，并分別制取不同鹽生植物根—土復(fù)合體試樣。沿剖面線方向每種鹽生植物按照20～80 m間距進(jìn)行采樣，且每種鹽生植物其根—土復(fù)合體試樣進(jìn)行3次重復(fù)。

2.2.2 單根拉伸試驗(yàn) 本項(xiàng)研究通過野外現(xiàn)場(chǎng)制取鹽生植物根系試樣，將原位采集完的整植物根系放置在試樣盆中并做標(biāo)記，將試樣及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室開展相應(yīng)試驗(yàn)。在室內(nèi)首先將植物根系挑選出來(lái)并用清水沖洗干凈，選取較為完整的根系，截取單根長(zhǎng)度為10～20 cm根段，然后選取3個(gè)不同部位采用游標(biāo)卡尺測(cè)量其根徑，并取其平均值作為該根段的根徑[21]。在進(jìn)行根系拉伸試驗(yàn)過程中，需調(diào)整好拉伸儀夾具與根系之間的摩擦力，防止試驗(yàn)進(jìn)行過程中發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象，根系從夾具中間發(fā)生斷裂計(jì)為有效數(shù)據(jù)，若根系與夾具發(fā)生滑動(dòng)，數(shù)據(jù)視為無(wú)效，需重新進(jìn)行試驗(yàn)[22]。根據(jù)試驗(yàn)得到的單根最大抗拉力和實(shí)測(cè)得到的根徑，即可計(jì)算出4種草本單根抗拉強(qiáng)度，其計(jì)算公式[23]為：

(1)

式中:P為根段抗拉強(qiáng)度(MPa)；F為最大抗拉力(N)；D為根段直徑(mm)。

2.2.3 單根剪切試驗(yàn) 本項(xiàng)研究在進(jìn)行室內(nèi)單根剪切試驗(yàn)時(shí)，將預(yù)先挑選好的根系穿過剪切試驗(yàn)裝置中的小孔進(jìn)行剪切，試驗(yàn)過程中根系試樣未完全被剪斷則視為無(wú)效數(shù)據(jù)，重新進(jìn)行剪切試驗(yàn)。根據(jù)單根剪切試驗(yàn)結(jié)果得到的單根最大抗剪力，以及對(duì)通過單根測(cè)量得到的根徑值，即可計(jì)算出4種鹽生植物的單根抗剪強(qiáng)度，其計(jì)算公式[23]為：

(2)

式中:τ為單根抗剪強(qiáng)度(MPa)；Fs為單根最大抗剪力(N)；A為根系的原始截面積(mm2)；D為根段直徑(mm)。

2.2.4 根—土復(fù)合體直剪試驗(yàn) 在野外試驗(yàn)區(qū)樣地制取根—土復(fù)合體試樣過程，首先是將取樣位置處的植物修剪至與地表土體平行，并在地表土體垂直向下深0—10 cm，10—20 cm處，將內(nèi)徑61.8 mm、高20 mm的環(huán)刀垂直壓入土體中，直到試樣完全壓入環(huán)刀為止，使用小刀和剪刀修整環(huán)刀兩側(cè)土體，待兩側(cè)土體平整后立即裝入環(huán)刀盒中，貼上標(biāo)簽，并用膠帶將環(huán)刀盒封口，防止水分蒸發(fā)。同樣，選擇未生長(zhǎng)植物區(qū)域，用相同的方法制取相應(yīng)的素土試樣作為試驗(yàn)對(duì)照組，同時(shí)準(zhǔn)備原位直剪樣品時(shí)，完成相應(yīng)位置處樣品的含水量和密度的制取工作，并密封樣品并把所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。室內(nèi)直剪試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀，試樣剪切位移為4 mm，剪切速度2.4 mm/min，施加垂直壓力依次為50 kPa，100 kPa，200 kPa，300 kPa[24]。

3 結(jié)果與分析

3.1 單根抗拉力和抗拉強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系

由表1所示可知，區(qū)內(nèi)4種鹽生植物平均根徑由大至小依次為鹽地風(fēng)毛菊(1.376 mm)、鹽爪爪(0.282 mm)、蘆葦(0.109 mm)、無(wú)脈苔草(0.088 mm)，鹽地風(fēng)毛菊平均根徑顯著大于其他3種鹽生植物(p<0.05)，鹽爪爪平均根徑顯著大于蘆葦和無(wú)脈苔草(p<0.05)，而無(wú)脈苔草和蘆葦未表現(xiàn)出顯著性差異。4種鹽生植物平均單根抗拉力由大至小依次為鹽地風(fēng)毛菊(20.511 N)、蘆葦(2.227 N)、鹽爪爪(1.944 N)、無(wú)脈苔草(0.642 N)；其中，鹽地風(fēng)毛菊平均單根抗拉力顯著高于其他3種(p<0.05)，即分別為蘆葦、鹽爪爪、無(wú)脈苔草平均單根抗拉力的9.210，10.550，37.843倍。蘆葦單根其平均抗拉力顯著高于苔草(p<0.05)，鹽爪爪與無(wú)脈苔草之間無(wú)明顯差異。區(qū)內(nèi)4種鹽生植物其平均單根抗拉強(qiáng)度由大至小依次為蘆葦(281.208 MPa)、無(wú)脈苔草(114.798 MPa)、鹽爪爪(33.159 MPa)、鹽地風(fēng)毛菊(14.824 MPa)，其中，蘆葦單根抗拉強(qiáng)度為無(wú)脈苔草2.45倍，鹽爪爪8.48倍，鹽地風(fēng)毛菊18.97倍，蘆葦單根抗拉強(qiáng)度與鹽爪爪、無(wú)脈苔草、鹽地風(fēng)毛菊之間的差異顯著(p<0.05)，無(wú)脈苔草的平均單根抗拉強(qiáng)度顯著大于鹽爪爪與鹽地風(fēng)毛菊(p<0.05)，而鹽爪爪與鹽地風(fēng)毛菊之間未表現(xiàn)出顯著性差異。

表1 試驗(yàn)區(qū)4種鹽生植物單根拉伸試驗(yàn)結(jié)果

相應(yīng)地，由圖1可知區(qū)內(nèi)4種鹽生植物單根抗拉力隨根徑增加而增大，且單根抗拉力與根徑符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。由圖2所示可知，4種鹽生植物單根抗拉強(qiáng)度隨根徑增大而減小，且單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間符合冪函數(shù)關(guān)系；其中以鹽爪爪為例，鹽爪爪根徑在0.35～0.6 mm比0.13～0.35 mm時(shí)單根抗拉力隨根徑增大的速率更大，同時(shí)其單根抗拉強(qiáng)度隨著根徑的增大其減小速率更緩慢，因此鹽爪爪根徑在0.35 mm時(shí)單根抗拉力學(xué)特性表現(xiàn)相對(duì)較好。該試驗(yàn)結(jié)果與劉昌義等[25]對(duì)西寧盆地細(xì)莖冰草(Agropyrontrachycaulum)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、白刺(Nitrariatangutorum)等5種草本和灌木根系單根拉伸試驗(yàn)結(jié)果，以及與李可等[26]對(duì)檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)和草地早熟禾(Poapratensis)根系單根拉伸試驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖1 研究區(qū)4種鹽生植物單根抗拉力與根徑之間的關(guān)系

3.2 單根抗剪力、抗剪強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系

由表2所示可知，區(qū)內(nèi)4種鹽生植物平均根徑由大至小依次為鹽地風(fēng)毛菊(1.360 mm)、鹽爪爪(0.475 mm)、蘆葦(0.286 mm)、無(wú)脈苔草(0.132 mm)，鹽地風(fēng)毛菊平均根徑顯著大于無(wú)脈苔草、鹽爪爪、蘆葦(p<0.05)，鹽爪爪平均根徑顯著大于蘆葦和無(wú)脈苔草(p<0.05)，而蘆葦?shù)钠骄鶑斤@著大于無(wú)脈苔草(p<0.05)。4種鹽生植物平均單根抗剪力由大至小依次為鹽地風(fēng)毛菊(25.243 N)、蘆葦(12.035 N)、鹽爪爪(9.073 N)、無(wú)脈苔草(3.484 N)，其表現(xiàn)出的變化規(guī)律與平均單根抗拉力相一致。其中，鹽地風(fēng)毛菊的平均單根抗剪力顯著大于其他3種鹽生植物(p<0.05)，蘆葦?shù)钠骄鶈胃辜袅︼@著大于鹽爪爪和無(wú)脈苔草(p<0.05)，鹽爪爪顯著大于無(wú)脈苔草(p<0.05)。進(jìn)一步研究表明，同種鹽生植物之間其單根抗剪力均大于單根抗拉力，表現(xiàn)在鹽地風(fēng)毛菊、蘆葦、鹽爪爪、無(wú)脈苔草單根抗剪力較抗拉力其增長(zhǎng)幅度分別是23.0%，440.4%，367.7%，442.6%。

表2 試驗(yàn)區(qū)4種鹽生植物單根剪切試驗(yàn)結(jié)果

區(qū)內(nèi)4種鹽生植物其平均單根抗剪強(qiáng)度由大至小依次為無(wú)脈苔草(157.428 MPa)、蘆葦(110.836 MPa)、鹽爪爪(26.657 MPa)、鹽地風(fēng)毛菊(9.105 MPa)，無(wú)脈苔草平均單根抗剪強(qiáng)度與蘆葦、鹽爪爪、鹽地風(fēng)毛菊間存在顯著性差異(p<0.05)，蘆葦?shù)钠骄鶈胃辜魪?qiáng)度顯著大于鹽爪爪和鹽地風(fēng)毛菊(p<0.05)，而鹽爪爪與鹽地風(fēng)毛菊之間無(wú)明顯差異。其中，無(wú)脈苔草其抗剪強(qiáng)度為蘆葦1.42倍、鹽爪爪5.91倍、鹽地風(fēng)毛菊17.29倍；此外，由圖3所示還可知，區(qū)內(nèi)4種鹽生植物其單根抗剪力隨根徑增加而增大，且單根抗剪力與根徑符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。另外，由圖4所示可知，4種鹽生植物其單根抗剪強(qiáng)度隨根徑增大而減小，且單根抗剪強(qiáng)度與根徑之間符合冪函數(shù)關(guān)系；其中以蘆葦為例，蘆葦根徑在0.30～0.45 mm較0.15～0.30 mm時(shí)單根抗剪力隨根徑增大的速率更大，同時(shí)其單根抗剪強(qiáng)度隨著根徑的增大其減小速率更緩慢，因此蘆葦根徑在0.30 mm時(shí)單根抗剪力學(xué)性能相對(duì)較好。該結(jié)果與賀振昭等[27]對(duì)青海湖地區(qū)賴草(LeymussecalinusTzvel)、紫花針茅(StipapurpureaGriseb)等7種植物根系單根剪切試驗(yàn)結(jié)果，以及與李成凱等[28]對(duì)西寧盆地披堿草(Elymusdahuricus)、細(xì)莖冰草(Agropyrontrachycaulum)、賴草(Leymussecalinus)等4種植物根系單根剪切試驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖2 研究區(qū)4種鹽生植物單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系

圖3 研究區(qū)4種鹽生植物單根抗剪力與根徑之間的關(guān)系

3.3 根-土復(fù)合體試樣中的根系特性

本項(xiàng)研究中，鹽地風(fēng)毛菊、蘆葦、鹽爪爪3種鹽生植物根系多呈近似垂直分布，而無(wú)脈苔草根系則相對(duì)較細(xì)，且多在土體中呈水平或傾斜分布。區(qū)內(nèi)4種鹽生植物根—土復(fù)合體試樣中含根數(shù)、含根量、根系質(zhì)量計(jì)算結(jié)果見表3。待室內(nèi)完成根—土復(fù)合體直剪試驗(yàn)后即對(duì)剪切后試樣進(jìn)行沖洗，從根—土復(fù)合體試樣中清洗出分布于其中的根系，然后將洗凈的根系晾干至根系表面未見水滴時(shí)，便對(duì)根徑、根系鮮重、根數(shù)、含根量等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[17]。

圖4 研究區(qū)4種鹽生植物單根抗剪強(qiáng)度與根徑之間的關(guān)系

表3 試驗(yàn)區(qū)4種鹽生植物復(fù)合體中鮮根質(zhì)量、含根量及含根數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表3所示可知，區(qū)內(nèi)4種鹽生植物根—土復(fù)合體在地表以下0—10 cm深度處(即上層)，土體含根量均大于10—20 cm處(即下層)，4種鹽生植物蘆葦、鹽爪爪、無(wú)脈苔草、鹽地風(fēng)毛菊其根—土復(fù)合體其上層含根量分別為0.016 g/cm3，0.007 g/cm3，0.063 g/cm3，0.005 g/cm3，下層含根量分別為0.010 g/cm3，0.003 g/cm3，0.011 g/cm3，0.001 g/cm3；進(jìn)一步研究表明，含根量由上層至下層其降低幅度分別為38%，57%，83%，80%，其中，無(wú)脈苔草試樣由上層至下層含根量降低幅度是相對(duì)最大的，即分別為蘆葦復(fù)合體試樣降低幅度的2.20倍，鹽爪爪試樣降低幅度的1.44倍，鹽地風(fēng)毛菊試樣降低幅度的1.03倍。

3.4 不同取樣深度根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特征

區(qū)內(nèi)4種鹽生植物根—土復(fù)合體原狀試樣和素土試樣抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系見圖5。由該圖可知，4種鹽生植物根—土復(fù)合體及素土抗剪強(qiáng)度與垂直壓力間呈線性相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)在隨著垂直壓力的增加，土體抗剪強(qiáng)度亦隨之增強(qiáng)，這與摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則相一致。此外，由該圖還可知，區(qū)內(nèi)4種植物根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線位于素土抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線上方，說明在四級(jí)垂直荷載作用下，素土抗剪強(qiáng)度均顯著低于根—土復(fù)合體，其中蘆葦、鹽爪爪、無(wú)脈苔草、鹽地風(fēng)毛菊在地表以下0—10 cm深度處，其根—土復(fù)合體平均抗剪強(qiáng)度分別為75.675 kPa，128.575 kPa，95.450 kPa，78.150 kPa，地表10—20 cm深度處4種植物復(fù)合體平均抗剪強(qiáng)度分別為76.450 kPa，91.200 kPa，96.700 kPa，85.375 kPa。相應(yīng)地，與4種鹽生植物所對(duì)應(yīng)的素土試樣平均抗剪強(qiáng)度為69.650 kPa，86.725 kPa，84.875 kPa，74.850 kPa，與復(fù)合體試樣相比較，素土抗剪強(qiáng)度降低幅度分別為8.9%，5.9%，12.2%，12.3%。

在地表以下0—10 cm，10—20 cm深度處，4種鹽生植物根—土復(fù)合體平均抗剪強(qiáng)度均顯著大于所對(duì)應(yīng)素土，其主要原因是在0—10 cm深度處復(fù)合體含根量大于10—20 cm深度處，同時(shí)，反映出區(qū)內(nèi)4種鹽生植物根系對(duì)土體具有顯著加筋作用，進(jìn)而使得土體抗剪強(qiáng)度得到顯著性提高[30]。本項(xiàng)研究，通過對(duì)比區(qū)內(nèi)4種鹽生植物根—土復(fù)合體與素土試樣的抗剪強(qiáng)度可知,鹽爪爪根—土復(fù)合體、無(wú)脈苔草根—土復(fù)合體抗剪切能力相對(duì)較強(qiáng)，表現(xiàn)在鹽爪爪、無(wú)脈苔草其根—土復(fù)合體較蘆葦、鹽地風(fēng)毛菊其抗剪強(qiáng)度平均增加幅度分別為44.4%，34.3%，25.3%，17.5%。

區(qū)內(nèi)4種鹽生植物在地表以下0—10 cm，10—20 cm深度處，其根—土復(fù)合體黏聚力c值與相應(yīng)素土黏聚力c值對(duì)比結(jié)果見圖6。蘆葦、鹽爪爪、無(wú)脈苔草、鹽地風(fēng)毛菊4種植物地表以下0—10 cm，10—20 cm深度處，其根—土復(fù)合體黏聚力值c分別為4.87～12.27 kPa，6.75～16.91 kPa，16.34～18.19 kPa，11.96～16.96 kPa，4種植物根—土復(fù)合體試樣對(duì)應(yīng)素土黏聚力c值分別為3.92 kPa，6.12 kPa，11.32 kPa，9.76 kPa；以上4種鹽生植物與素土相比，黏聚力c值增幅分別為24.2%～213.0%，9.9%～176.3%，44.3%～60.7%，22.5%～71.0%。4種鹽生植物根—土復(fù)合體試樣黏聚力c值隨著取樣深度增加而逐漸降低，尤其是地表以下0—10 cm處根—土復(fù)合體與素土之間的黏聚力c值存在較大的差值，即分別為8.35 kPa，10.79 kPa，6.87 kPa，6.93 kPa，黏聚力c值的減小幅度分別為60.3%，60.0%，10.1%，29.5%。在地表以下0—10 cm深度處4種植物根—土復(fù)合體黏聚力c值相對(duì)較大，反映出區(qū)內(nèi)植物根系在表層以下0—10 cm深度其所具有的淺層加筋作用相對(duì)更為顯著。

3.5 相同取樣深度根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特征

研究區(qū)4種鹽生植物根—土復(fù)合體試樣在相同位置處(地表以下0—10 cm，10—20 cm深度處)黏聚力c值對(duì)比結(jié)果見圖7，由該圖所示可知，位于地表以下0—10 cm深度處，4種植物根—土復(fù)合體黏聚力c值為12.27～18.19 kPa，與素土相比復(fù)合體黏聚力c值增幅為60.7%～213%，平均增幅為130.2%，黏聚力c值由大至小依次為無(wú)脈苔草、鹽爪爪、鹽地風(fēng)毛菊、蘆葦。相應(yīng)地，在地表以下10—20 cm深度處，4種植物根—土復(fù)合體黏聚力c值為4.87～16.34 kPa，與素土相比黏聚力c值增幅為9.9%～44.3%，平均增幅為25.2%，黏聚力c值由大至小依次為無(wú)脈苔草、鹽地風(fēng)毛菊、鹽爪爪、蘆葦。由以上分析結(jié)果可知，區(qū)內(nèi)在地表以下10—20 cm深度處4種植物根—土復(fù)合體黏聚力c值明顯小于0—10 cm處，且4種植物根—土復(fù)合體在地表以下10—20 cm深度處黏聚力c值，略高于素土的黏聚力c值，這表明區(qū)內(nèi)4種植物根—土復(fù)合體愈接近表層位置處，其黏聚力c值表現(xiàn)出愈大的規(guī)律，這主要?dú)w因于植物根系在表層位置處含根量相對(duì)較多，即表現(xiàn)在地表以下10—20 cm深度處，4種鹽生植物含根量較0—10 cm處降低38%，57%，83%，80%。

區(qū)內(nèi)4種植物根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與取樣深度之間變化關(guān)系見表4。由該表可知，隨著4種植物根—土復(fù)合體取樣深度增加，4種植物根—土復(fù)合體黏聚力c值呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，例如蘆葦根—土復(fù)合體隨著取樣深度由地表以下0—10 cm增加至10—20 cm深度處時(shí)，其黏聚力c值則由12.27 kPa降低為4.87 kPa，降低幅度為60.3%；相類似地，對(duì)于其他3種植物的黏聚力c值亦呈現(xiàn)出上述相類似的變化規(guī)律。另外，在地表以下0—10 cm深度處，無(wú)脈苔草和鹽爪爪根—土復(fù)合體黏聚力c值顯著大于鹽地風(fēng)毛菊和蘆葦(p<0.05)，鹽地風(fēng)毛菊和蘆葦黏聚力c值相對(duì)較小，即4種草本無(wú)脈苔草、鹽爪爪、鹽地風(fēng)毛菊和蘆葦其黏聚力c值分別為18.19 kPa，16.91 kPa，16.69 kPa，12.27 kPa；相應(yīng)地，在地表以下10—20 cm深度處，無(wú)脈苔草的平均黏聚力c值顯著大于鹽地風(fēng)毛菊、鹽爪爪、蘆葦(p<0.05)，鹽地風(fēng)毛菊的平均黏聚力c值顯著大于鹽爪爪和蘆葦(p<0.05)，鹽爪爪與蘆葦未表現(xiàn)出顯著性差異。

表4 試驗(yàn)區(qū)4種植物根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)區(qū)地表以下10～20 cm深度處，4種鹽生植物其平均黏聚力c值分別為16.34 kPa，11.96 kPa，6.75 kPa，4.87 kPa。由區(qū)內(nèi)4種鹽生植物在地表以下2種深度位置處的復(fù)合體黏聚力值及變化規(guī)律可知，區(qū)內(nèi)增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度作用相對(duì)較為顯著的植物種分別為無(wú)脈苔草、鹽地風(fēng)毛菊，其黏聚力平均值分別是17.25 kPa，14.46 kPa；另外，區(qū)內(nèi)4種鹽生植物根—土復(fù)合體內(nèi)摩擦角與采樣深度之間則未表現(xiàn)出顯著性關(guān)系，二者間的關(guān)系尚有待于進(jìn)一步深入研究。

綜合表1，表2和圖6所示可知，區(qū)內(nèi)4種鹽生植物其平均單根抗拉力與平均抗剪力的變化規(guī)律基本相一致，但4種鹽生植物根—土復(fù)合體黏聚力值的變化未體現(xiàn)出一致性的規(guī)律。其次，通過綜合分析區(qū)內(nèi)4種鹽生植物其單根抗拉、抗剪強(qiáng)度，以及復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c值的大小可知，在4種鹽生植物中，無(wú)脈苔草相對(duì)具有更為顯著的固土護(hù)坡效果，其次為蘆葦、鹽爪爪，而鹽地風(fēng)毛菊相對(duì)不及前3種。

4 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)區(qū)4種鹽生植物平均單根抗拉、抗剪力由大至小順序一致，依次為鹽地風(fēng)毛菊、蘆葦、鹽爪爪、無(wú)脈苔草，其單根抗拉、抗剪力變化范圍分別為20.511～0.642 N，25.243～3.484 N，且單根抗拉、抗剪力均隨著根徑增加而增大，且均與根徑符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系；4種鹽生植物平均單根抗拉強(qiáng)度由大至小依次為蘆葦、無(wú)脈苔草、鹽爪爪、鹽地風(fēng)毛菊，其變化范圍為281.208～14.824 MPa；單根抗剪強(qiáng)度由大至小依次為無(wú)脈苔草、蘆葦、鹽爪爪、鹽地風(fēng)毛菊，其變化范圍為157.428～26.657 MPa，且單根抗拉、抗剪強(qiáng)度均隨根徑增大而減小，均與根徑之間符合冪函數(shù)關(guān)系。

(2) 區(qū)內(nèi)蘆葦、鹽爪爪、無(wú)脈苔草、鹽地風(fēng)毛菊4種鹽生植物根—土復(fù)合體試樣含根量變化，表現(xiàn)在由地表以下0—10 cm至10—20 cm深度處逐漸降低，其降低幅度為37.5%～80%；4種鹽生植物根—土復(fù)合體的黏聚力c值與不含根系素土相比，4種植物根系對(duì)土體黏聚力平均增幅為46.7%～118.6%；根—土復(fù)合體試樣黏聚力c值隨著取樣深度的增加而減小，復(fù)合體含根量也表現(xiàn)出了相同的變化規(guī)律，因此，根—土復(fù)合體試樣含根量對(duì)黏聚力c值的影響較為顯著。

(3) 區(qū)內(nèi)4種鹽生植物根—土復(fù)合體在地表以下0—10 cm深度處，黏聚力c值由大至小依次為無(wú)脈苔草、鹽爪爪、鹽地風(fēng)毛菊、蘆葦，其黏聚力c值變化范圍為18.19～12.27 kPa；在地表以下10—20 cm深度處，黏聚力c值由大至小依次為無(wú)脈苔草、鹽地風(fēng)毛菊、鹽爪爪、蘆葦，其黏聚力c值變化范圍為16.34～4.87 kPa；4種植物根—土復(fù)合體試樣黏聚力c值，表現(xiàn)出在地表以下0—10 cm深度處相對(duì)大于10—20 cm深度，說明區(qū)內(nèi)4種鹽生植物根系具有顯著增強(qiáng)淺層土體抗剪強(qiáng)度的作用。