黃河源區(qū)不同水文期護(hù)岸植物根系抗拉拔研究

李本鋒，朱海麗，謝彬山，羅露瑤，張 珂，李國榮

（青海大學(xué) 地質(zhì)工程系，青海 西寧810016）

植物根系對其分布范圍內(nèi)的土體具有加筋和錨固作用［1-3］。植物根系的抗拔強(qiáng)度是表征其固土作用的一個重要指標(biāo)，國內(nèi)外學(xué)者對部分植物的單根抗拔力、抗拔強(qiáng)度的研究表明，植物根系抗拔力隨著根徑的增大而增大，抗拔力與植物生物學(xué)性質(zhì)、土壤含水率等因素有關(guān)［4-13］。高鵬等［14］對不同生育期小麥根系固土力進(jìn)行原位測定，得出不同生育期小麥根系固土力大小為成熟期＞抽穗期＞分蘗期；鄭明新等［15］對不同生長期多花木蘭根系抗拉和抗拔進(jìn)行了試驗(yàn)，認(rèn)為不同生長期多花木蘭根系的抗拔力隨著生物指標(biāo)的增大而增大。由此可見，不同時期土壤含水率及根系自身含水率存在差異、根系活性不同，對根土界面的摩擦強(qiáng)度影響較大，從而導(dǎo)致根系抗拔強(qiáng)度發(fā)生變化。筆者在黃河源區(qū)彎曲河流蘭木錯曲選擇優(yōu)勢高寒草甸植物華扁穗草、線葉嵩草、金露梅，進(jìn)行原位單根拉拔試驗(yàn)，對植物根系在不同水文期的抗拉拔能力及變化規(guī)律進(jìn)行研究，以期為黃河源區(qū)彎曲河流濱河護(hù)岸植物的選擇和崩岸機(jī)理研究提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省東南部黃南藏族自治州河南縣城以南約46 km處，海拔3 400～4 200 m，屬高原亞寒帶濕潤氣候區(qū)。植被以高寒草甸為主，以寒冷中生、濕中生多年生草本植物密叢短根莖嵩草為建群種或優(yōu)勢種，草叢低矮，層次結(jié)構(gòu)簡單，群落覆蓋度大、物種組成豐富，具有較厚的草結(jié)皮層［16］。河岸帶的草本植物以華扁穗草、線葉嵩草和垂穗披堿草為主，灌木種以金露梅、銀露梅和西藏沙棘為主［17］。據(jù)對2001—2015年氣象資料統(tǒng)計(jì)及實(shí)地調(diào)查，每年6—8月氣溫為8～10℃、降水量為70～140 mm，將此時期稱為漲水期；9—11月氣溫為6～7℃、降水量為50～100 mm，將此時期稱為落水期；12月至次年5月氣溫為-7～-5℃、降水量為4～13 mm，寒冷干燥且多為大風(fēng)天氣，將此時期稱為枯水期。3個試驗(yàn)時段（2018年4月、7月和2017年10月）平均降水量分別為24.27、114.48、39.31 mm。

2 試驗(yàn)概況

為了對比分析研究區(qū)不同水文期河岸帶優(yōu)勢護(hù)岸植物根系抗拔能力的差異，于2017年10月（落水期）、2018年4月（枯水期）和7月（漲水期）選取華扁穗草、線葉嵩草和金露梅生長正常的區(qū)域作為原位試驗(yàn)點(diǎn)，3種優(yōu)勢植物試驗(yàn)點(diǎn)依次分布在連續(xù)彎曲河流凹岸彎頂附近（如圖1所示，距離凹岸岸邊水平距離為1.0～1.5 m）。采取挖掘剖面法獲得3種植物的根系，剖面尺寸均為1.5 m×0.5 m（寬×深），取樣深度為地表以下5～15 cm，選取出露且表皮完好的根系作為試驗(yàn)材料進(jìn)行原位拉拔試驗(yàn)。在挖掘剖面選取根系試樣的同時，用環(huán)刀制取原狀土樣，測定河岸土體的顆粒級配及含水率、密度等指標(biāo)，其中顆粒級配采用篩分法測定、含水率采用烘干法測定、密度采用環(huán)刀法測定；測量河流有關(guān)參數(shù)（其中3個試驗(yàn)點(diǎn)平均流速分別為1.1、0.8、1.4 m/s，平均水深分別為0.83、0.55、0.98 m）。各項(xiàng)指標(biāo)均測量3次，取平均值。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)位置示意

原位單根抗拉拔試驗(yàn)所用儀器為樂清市艾德堡儀器有限公司生產(chǎn)的HP-500數(shù)顯式推拉力計(jì)，最大負(fù)荷值為500 N，示值誤差為±0.5%。在野外選取剖面處，用毛刷對剖面表層浮土進(jìn)行清除，使植物根系外露出來，剪除在剖面出露根系長度超過6 cm的部分，用游標(biāo)卡尺分別測量根系出露長度為1、3、5 cm處的根徑；然后在出露長度為3～5 cm處用夾具夾緊根系，連接拉力計(jì)，勻速施加拉力直至根系被拉斷或拔出，記錄根系被拉斷或拔出時的力，并測量拔出位移。根據(jù)所測的最大單根抗拔力，計(jì)算植物單根抗拔強(qiáng)度，計(jì)算公式［8］為

式中:P為單根抗拔強(qiáng)度，MPa；F為單根抗拔力，N；D為單根根徑，mm。

為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的代表性和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)重復(fù)80～100次，并選取試驗(yàn)中受拉拔根系斷裂部位在根段中間的樣本作為有效樣本，采用Excel2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，采用SPSS21.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 河岸帶土體和根系特性

河岸帶土體均為粉土，不同水文期土體物理指標(biāo)見表1，可以看出:各水文期3種植物根-土復(fù)合體密度變化范圍為1.21～1.75 g/cm3，含水率變化范圍為47.30%～79.91%；3種植物根-土復(fù)合體密度在3個水文期呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，即枯水期＞漲水期＞落水期；含水率從枯水期到落水期，呈逐漸增大的變化趨勢，其中線葉嵩草根-土復(fù)合體增幅最大。

表1 各水文期河岸帶土體物理指標(biāo)

研究區(qū)3種護(hù)岸植物在不同水文期的單根抗拉拔試驗(yàn)結(jié)果見表2，可以看出，3種植物的拔斷根徑在0.43～1.64 mm范圍內(nèi)，其中線葉嵩草的拔斷根徑相對較小。對比3種護(hù)岸植物根系在3個水文期的拔出位移可知，落水期的平均拔出位移大于枯水期和漲水期的，金露梅的拔出位移顯著大于華扁穗草和線葉嵩草的。

表2 3種護(hù)岸植物根系在不同水文期的抗拉拔指標(biāo)

在進(jìn)行原位單根抗拉拔試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著拉力逐漸增大，根系有兩種不同的拔出模式:第一種是根系逐漸從土體中被拔出，即整個過程不發(fā)生斷裂現(xiàn)象；第二種是拉力達(dá)到根系的最大抗拉力而發(fā)生斷裂。有關(guān)研究［10，13，18］表明，根系在受到拉拔力作用時，在根土界面產(chǎn)生摩擦力阻止根系拔出，當(dāng)作用在單根的拉力大于根土界面摩擦力但小于單根抗拉力時，根系會被完整拔出；當(dāng)作用在單根的拉力小于根土界面摩擦力但大于單根抗拉力時，根系會被拉斷而拔出。現(xiàn)場試驗(yàn)表明，從枯水期到漲水期再到落水期，研究區(qū)3種植物拔出根系占比依次增大、拔斷根系占比依次減小，其中金露梅根系在落水期拔出占比最大，達(dá)到45%。

3.2 不同水文期植物根系抗拔特性

3種優(yōu)勢植物根系的單根抗拔力F、抗拔強(qiáng)度P與根徑D的擬合方程見表3（其中R2為相關(guān)系數(shù)），可以看出單根抗拔力與根徑呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系、單根抗拔強(qiáng)度與根徑呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，該結(jié)果與張超波等［1］、李紹才等［19］的研究結(jié)果一致。

表3 植物根系的單根抗拔力、抗拔強(qiáng)度與根徑的擬合方程

由圖2和表2可知，在試驗(yàn)根徑范圍內(nèi)，相同根徑情況下枯水期的抗拔強(qiáng)度最大，平均單根抗拔強(qiáng)度:華扁穗草為（25.76±12.69）MPa，線葉嵩草為（51.01±17.53）MPa，金露梅為（32.19±8.40）MPa。

圖2 不同水文期植物單根抗拔強(qiáng)度與根徑的關(guān)系

不同植物的根系具有不同的抗拉拔特征，其中:華扁穗草根徑＜0.8 mm時隨根徑增大，抗拔強(qiáng)度快速下降，根徑＞0.8 mm時隨根徑增大抗拔強(qiáng)度減小幅度逐漸降低；線葉嵩草根徑＜0.5 mm時隨根徑增大抗拔強(qiáng)度快速下降，當(dāng)根徑＞0.5 mm時隨根徑增大抗拔強(qiáng)度減小幅度逐漸降低；金露梅根徑＜1 mm時隨根徑增大抗拔強(qiáng)度快速下降，當(dāng)根徑＞1 mm時隨根徑增大抗拔強(qiáng)度減小幅度逐漸降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，根徑較小時抗拔強(qiáng)度變化幅度較根徑較粗時大。

采用單因素方差分析法分析同一植物根系抗拔強(qiáng)度在不同水文期的差異顯著性，結(jié)果見表2，可以看出，華扁穗草、線葉嵩草、金露梅3種植物根系的平均抗拔強(qiáng)度在3個水文期具有顯著性差異，說明不同水文期植物根系的抗拔強(qiáng)度存在顯著差異。

從枯水期到漲水期再到落水期，研究區(qū)河岸帶3種優(yōu)勢護(hù)岸植物試驗(yàn)點(diǎn)的土壤含水率均呈逐漸增大趨勢，其單根平均抗拔強(qiáng)度隨著土壤含水率的增大而減小，該結(jié)果與夏振堯等［20］、王桂堯等［12］的研究結(jié)果一致。不同水文期土壤含水率及根系自身含水率存在差異，根系活性也不同，從而使根土界面的摩擦力產(chǎn)生差異，進(jìn)而使其抗拔強(qiáng)度、拔出位移也存在差異。在落水期，河岸帶根-土復(fù)合體含水率較大，其根土間摩擦作用較弱，根系自身的抗拉性不能完全發(fā)揮，因此落水期河岸帶根-土復(fù)合體的抗拉性能較弱，河岸崩塌現(xiàn)象相對頻繁。在枯水期，土壤含水率相對較小，根系自身含水率亦相對較小，土顆粒間膠結(jié)、咬合作用變強(qiáng)，根系與土壤之間的摩擦力較大，因此單根抗拔力變大，而拔出位移相對較??；在漲水期和落水期，降雨量明顯增大，土體含水率增大，土顆粒表面結(jié)合的水膜慢慢變厚，致使膠結(jié)作用減弱，根系與土壤之間摩擦力減小、黏聚力降低［13］，從而使得根系更容易被拔出，拔出位移相對增大。當(dāng)植物單根的抗拔強(qiáng)度減弱時，單位面積內(nèi)根系對土體的增強(qiáng)作用相應(yīng)減小，河岸穩(wěn)定性降低。此外，不同水文期植物根系的木質(zhì)化程度與其抗拉特性變化也可能存在一定的關(guān)系，對此有待深入研究。

3.3 同一水文期不同植物根系抗拔特性

由圖3（a）和表2可知，在同一水文期3種優(yōu)勢護(hù)岸植物單根平均抗拔力大小順序?yàn)榻鹇睹罚救A扁穗草＞線葉嵩草。由圖3（b）和表2可知:在落水期，3種優(yōu)勢護(hù)岸植物單根平均抗拔強(qiáng)度大小順序?yàn)榻鹇睹罚揪€葉嵩草＞華扁穗草；在枯水期和漲水期，3種優(yōu)勢護(hù)岸植物單根平均抗拔強(qiáng)度大小順序?yàn)榫€葉嵩草＞金露梅＞華扁穗草。試驗(yàn)結(jié)果表明，金露梅和線葉嵩草根系的力學(xué)強(qiáng)度較華扁穗草的高。

4 結(jié) 論

（1）在試驗(yàn)根徑范圍內(nèi)，3種優(yōu)勢護(hù)岸植物根系單根抗拔力均隨根徑的增大而增大，單根抗拔強(qiáng)度均隨根徑的增大而減小，擬合方程符合冪函數(shù)關(guān)系。

（2）3種植物根系在枯水期的抗拔強(qiáng)度高于漲水期和落水期的，其中線葉嵩草的單根平均抗拔強(qiáng)度顯著高于華扁穗草和金露梅的；在落水期的單根拔出位移大于枯水期和漲水期的，其中金露梅的單根拔出位移顯著大于華扁穗草和線葉嵩草的。

（3）不同水文期3種植物根系的抗拔強(qiáng)度存在顯著差異，不同的植物根系具有不同的抗拉拔特征，在枯水期和漲水期線葉嵩草表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗拔能力，在落水期金露梅表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗拔能力，從單根抗拉拔能力和崩岸發(fā)生時期角度考慮，3種植物中可優(yōu)先選擇金露梅用于加固河岸帶上層土體。

圖3 同一水文期不同植物根系平均抗拔力與抗拔強(qiáng)度比較