熱水河小流域香薷根系力學性能分析

王昊宇, 薛雷*, 丁昊, 魏瀟, 李龍飛, 步豐暢

(1.中國科學院地質與地球物理研究所， 中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室， 北京 100029；2.中國科學院地球科學研究院， 北京 100029； 3.中國科學院大學地球與行星科學學院， 北京 100049；4.中國地質大學(北京)工程技術學院， 北京 100083； 5.華北水利水電大學地球科學與工程學院， 鄭州 450046)

中國脫貧攻堅成果舉世矚目，但如何防止因災返貧需引起重視，特別是對于地質災害易發(fā)的地區(qū)。例如，四川省涼山彝族自治州國家級貧困縣喜德縣，于2020年成功摘帽脫貧[見四川省人民政府印發(fā)《關于批準普格縣等7個縣退出貧困縣的通知》(川府函〔2020〕227號)]，但其所處區(qū)域地質災害較為發(fā)育，如安寧河冕寧至西昌段發(fā)育有415處滑坡，滑坡密度為17.6處/100 km2，滑坡最密集的區(qū)域密度達87處/100 km2，中高危險性滑坡約占90%[1]，當外界激發(fā)條件足夠時(如地震、降雨、人工擾動等)，極易誘發(fā)山體滑坡等地質災害，給當?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)帶來威脅。在這種背景下，針對山體滑坡等地質災害的防護加固，除了常規(guī)的巖土措施外，如何最大限度挖掘山區(qū)植被自身的生態(tài)護坡性能近年來已受到越來越多的關注。

諸多研究表明：植被在提高邊坡穩(wěn)定性方面可發(fā)揮一定作用[2]，其力學效應主要表現(xiàn)為植被根系的抗拔力和抗拉力兩方面。

就植被根系抗拔力而言，研究表明根徑[3]、根長[4-5]、根系形態(tài)[6]、土壤含水率[4-5]、根-土接觸面積[7]、上覆載荷[7]等因素對植被根系的抗拔力有一定影響，如Ji等[3]對河北省北溝林場的油松進行了原位拉拔試驗，結果表明根系最大錨固力與根徑呈線性正相關關系，隨根系埋置長度增加而增大，隨加載速率增加而增大；Zhang等[5]對山西太原附近的沙棘進行了原位拉拔試驗，結果表明根-土界面最大拔出力與土壤含水量和根徑均呈冪函數(shù)關系，與總根長呈線性關系；常婧美等[6]對湖南長沙理工生態(tài)防護試驗區(qū)的紅葉石楠進行根系抗拔力研究，結果表明根系形態(tài)與含水率是影響根系抗拔力的關鍵因素；張文豪等[7]對長沙市的薄葉山礬進行根土作用力影響規(guī)律研究，結果表明根系有須根時的最大抗拔力大于無須根時的最大抗拔力，根土間摩擦力隨上覆荷載的增加而增加。不難看出，以往研究多聚焦于植被根系抗拔力，而鮮有研究將原位抗拔力與地上生長量指標建立聯(lián)系。

就植被根系抗拉力而言，研究表明植物種類[8]、根吸力[9]、株距[10]、根徑[8,11-12]、根系化學成分和微觀結構[13-14]、相同橫截面積下的根數(shù)[15]、根系含水率[9, 16-17]、根長[18]、試驗加載速度[18]等因素對植被根系的抗拉力有一定影響，如Ni等[10]研究了株距對鵝掌藤根系抗拉強度的影響，結果表明株距較小的植株具有較高的根系面積比和較低的根系抗拉強度；李長暄[14]研究發(fā)現(xiàn)白樺、蒙古櫟、油松的根系極限抗拉力均隨木纖比(木質素與纖維素含量的比值)增大而減??；Melese等[18]研究發(fā)現(xiàn)根徑與根系抗拉強度呈冪函數(shù)負相關，根系含水率與根系抗拉強度呈輕度負相關關系，根長與根系抗拉強度呈顯著線性負相關關系，而試驗加載速率對根系抗拉強度影響并不顯著；嵇曉雷等[19]對夾竹桃進行根系力學性能研究，發(fā)現(xiàn)夾竹桃單根極限抗拉力隨根徑增大而增大，根系抗拉強度隨根徑增大而減小。不難看出，以往研究大多針對植被單根抗拉力的某個影響因素開展研究，而系統(tǒng)探究各項影響因素的研究較少。

綜上所述，前人已針對植被根系力學性能做了不少研究，豐富了人們的認識。然而，鮮有研究同時針對植被根系原位抗拔力與室內單根抗拉力開展系統(tǒng)研究，且鮮有學者將草本植物根系原位抗拔力與其各項生長量指標建立聯(lián)系。鑒于此，現(xiàn)以四川省涼山彝族自治州喜德縣境內的熱水河流域常見植被香薷為研究對象，旨在通過對其根系力學性能和生長量指標等進行系統(tǒng)測試分析，查明香薷原位抗拔力與各項生長量指標之間的相關性，揭示香薷根徑、根長和根系含水條件對香薷室內單根抗拉力的影響規(guī)律，以期為山區(qū)小流域植被生態(tài)護坡和水土保持研究提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省涼山彝族自治州喜德縣熱水河小流域，地理坐標為102°9′E～102°23′E，28°3′N～28°13′N，海拔高度1 552～3 432 m，地形以中山為主，地勢具有北高南低的特點，區(qū)內四面環(huán)山，群山矗立，溝壑縱橫[圖1(a)]，流域內主要出露有第四系、新近系、白堊系、侏羅系、三疊系和震旦系的地層[圖1(b)][20]，年平均氣溫為17.1 ℃，年平均降雨量為1 006 mm，且大雨、暴雨及其引發(fā)的地質災害主要集中在6—9月，年平均降雨量大于年平均蒸發(fā)量，屬于亞熱帶高原季風性氣候，具有冬季干旱、夏秋多雨等特點[21-23]，流域內喬木、灌木及草本均有發(fā)育[圖1(c)]，其中喬木主要為松樹和桉樹，灌木以花椒樹為主，草本包括香薷、艾、紫莖澤蘭、馬尼拉草、苣荬菜、雞眼草和積雪草等。

以熱水河小流域常見的香薷為研究對象，具體試驗區(qū)位于熱水河小流域分叉溝的右溝溝頭(地理坐標為102°16′21″ E，28°7′1″ N，如圖1(a)所示。

圖1 熱水河小流域衛(wèi)星影像圖、地質圖與地表覆蓋類型圖Fig.1 Satellite image map,geological map and land cover type map in the small watershed of Reshui River

2 試驗方法

2.1 野外原位拉拔試驗方法

野外原位拉拔試驗采用艾德堡HP-500型高精度數(shù)顯推拉力計(圖2)，其量程為0～500 N，精度為0.1 N，可直接記錄存儲拉拔過程中的拉力數(shù)據(jù)變化。具體測試過程如下：首先隨機選擇試驗區(qū)生長正常的香薷，將拉力計夾具夾持在其地徑附近位置，固定牢靠，然后通過拉力計手柄對植株施加豎直向上的力，當植物根系被全部拔出地面時，該組試驗完成。為避免夾具脫落及根系斷裂，整個試驗過程所施加拉力盡可能緩慢增大，同時為減少干擾、最大可能確保植株被順利拔出，可在試驗前將植株莖部以上部分剪除以方便試驗。

2.2 室內單根拉伸試驗方法

本次室內測試儀器采用前述艾德堡HP-500型高精度數(shù)顯推拉力計，測試時使用兩個夾具：第一個夾具的一端與拉力計相連，以傳輸拉伸過程中的拉力值，另一端夾住根系的一端；第二個夾具的一端夾住根系的另一端，夾具另一端固定(圖3)。具體測試過程如下：首先，選取剪切好的固定長度和含水條件的根系，測量根系兩端及中部根徑，取平均值作為該根系的平均根徑；其次，用夾具將根系兩端夾緊，初始狀態(tài)要保證根系不受拉力亦不彎曲；之后啟動拉力計的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，將拉力計沿根系延伸方向勻速緩慢拉離，保證試驗過程中根系不發(fā)生滑動；最后，當根系被拉斷時，觀察根系斷裂位置，若其臨近夾具，則根系的斷裂可能受到夾具影響，不符合試驗要求，重復上述操作；若其位于根系中部位置，則儲存試驗數(shù)據(jù)與拉力-位移變化曲線。

圖2 野外原位拉拔試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of in-situ pull-out test

圖3 室內單根拉伸試驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of indoor single root tensile test

3 結果與分析

3.1 香薷原位抗拔力測試結果與分析

在使用艾德堡HP-500型高精度數(shù)顯推拉力計對香薷進行原位拉拔試驗前后，采用激光測距儀、卷尺和游標卡尺，先后測量了香薷的株高、冠幅、地徑和根長、根幅5項生長量指標，其中株高為植株地徑至植物最高點的垂直距離，冠幅指同一水平面上冠叢所組成橢圓長軸與短軸的平均值，地徑為植物在與地面交界處的直徑，根長指植物最長根系至地徑的距離，根幅指植物根系在地下同一水平面上最大延伸范圍所組成橢圓長軸與短軸的平均值。

圖4 香薷原位抗拔力與不同生長量指標關系圖Fig.4 Relationship between in-situ pull-out resistance and different growth indexes of Elsholtzia

對15株香薷進行了有效測試，采用多種擬合方法(線性、多項式、指數(shù)、對數(shù)和乘冪)對香薷原位抗拔力與其不同生長量之間的相關性進行統(tǒng)計(圖4)，結果表明無論采用何種擬合方法，其相關性均不高，推測可能主要是由于樣本數(shù)量過小所致，亦或是香薷原位抗拔力與其不同生長量之間相關性原本就不顯著。

為進一步探究該問題，揭示香薷株高、冠幅、地徑、根長和根幅對其原位抗拔力的影響程度，引入灰色關聯(lián)分析法開展分析，該方法僅需要少量代表性樣本，根據(jù)因素間發(fā)展趨勢的相似程度即可衡量其關聯(lián)程度[24-26]。

根據(jù)關聯(lián)度計算方法知，系統(tǒng)行為特征序列和相關因素序列可分別表示為

X0={x0(1),x0(2),…,x0(n)}

(1)

Xi={xi(1),xi(2),…,xi(n)}，i=1,2,…,m

(2)

式中：n為每個序列包含的數(shù)據(jù)個數(shù)；m為相關因素序列的個數(shù)。

以香薷原位抗拔力作為系統(tǒng)行為特征序列，則X0={188.2, 167.8, 231.8, 149.9, 145.3, 171.2, 86.7, 51.3, 85.3, 101.1, 209.2, 136.4, 68.1, 236.1, 135.3}，以香薷株高、冠幅、地徑、根長和根幅5項生長量指標作為相關因素序列，則Xi可表示為如表1所示。

根據(jù)關聯(lián)度計算方法知，在進行關聯(lián)度計算時需首先通過均值化處理方法對相關數(shù)據(jù)列進行無量綱化處理，即

k=1,2,…,n;i=1,2,…,m

(3)

根據(jù)關聯(lián)度計算方法知，系統(tǒng)行為特征序列X0與相關因素序列Xi之間關聯(lián)度γ0i的計算公式為

ρmin|x′0(k)-x′i(k)|max]，

k=1,2,…,n;i=1,2,…,m

(4)

式(4)中：ξ0i為關聯(lián)系數(shù)；ρ為分辨系數(shù)，通常取0.5。

如此，可計算出香薷原位抗拔力與株高、冠幅、地徑、根長、根幅之間的關聯(lián)度(表3)，結果表明：香薷原位抗拔力與根幅關聯(lián)度最大，與根長關聯(lián)度次之，地徑、冠幅和株高再次之。

綜上可知，香薷原位抗拔力與其地下部分生長量指標(根幅與根長)之間具有較強相關性，通過后者表征根系抗拔力更具可信度?？紤]到根幅與根長均位于地下，測量不便，亦可采用灰色關聯(lián)分析法探明香薷地上部分(株高、冠幅、地徑)與地下部分(根長、根幅)生長量指標的相關性，即分別以香薷的根長和根幅作為系統(tǒng)行為特征序列，求其他參數(shù)與之關聯(lián)度。結果表明：香薷根長與株高、冠幅、地徑、根幅之間關聯(lián)度依次為0.759、0.636、0.622和0.712，即根長與株高關聯(lián)性最強；香薷根幅與株高、冠幅、地徑、根長之間關聯(lián)度依次為0.757、0.763、0.658和0.756，即根幅與冠幅關聯(lián)性最強。換言之，可通過香薷地上部分株高和冠幅分別表征其地下部分根長和根幅(圖5)，進而間接估算其原位抗拔力。

表1 影響香薷原位抗拔力的相關生長量指標實測原始數(shù)據(jù)

表2 香薷生長量指標實測原始數(shù)據(jù)的無量綱化處理結果

表3 香薷原位抗拔力與不同生長量指標之間的關聯(lián)度

圖5 香薷冠幅與根幅、株高與根長關系圖Fig.5 Relationships of crown breadth versus root breadth and plant height versus root length of Elsholtzia

3.2 香薷室內單根抗拉力測試結果與分析

對不同根徑、不同長度和不同含水條件的香薷根系共進行了125組室內單根抗拉力測試，旨在分析這3個因素對香薷室內單根抗拉力的影響程度。其中，根徑未進行人為分級；根系長度設置了5、10、15 cm 3個等級，分別測試了44、45、36組；根系含水條件設置了浸泡根系、自然根系和干燥根系3種類型，分別測試了36、45、44組。浸泡根系是指將野外采集的根系，完全浸泡到純凈水中，待試驗時取用；自然根系是指將野外采集的根系，直接裝入密封袋，保持其天然含水率，待試驗時取用；干燥根系是指將野外采集的根系，靜置一定時間使其根系內水分自然蒸發(fā)，待試驗時取用。

3.2.1 香薷室內單根抗拉力與其根徑關系

圖6為香薷室內單根抗拉力與其根徑之間的關系，可以看出：在根長和含水條件固定時，香薷室內單根抗拉力與根徑呈現(xiàn)正相關關系，且總體可采用f(x)=axk乘冪函數(shù)刻畫。上述認識與前人研究結果類似，如呂春娟等[27]研究指出油松、蒙古櫟、白樺、落葉松和榆樹5種喬木根系的單根抗拉力和根徑之間關系均符合乘冪關系；Zhang等[17]研究表明阿爾泰狗娃花和早熟禾兩種草本植物的單根抗拉力和根徑之間關系亦均可采用乘冪關系刻畫。

3.2.2 香薷室內單根抗拉強度與其根長關系

研究根長對香薷根系抗拉力影響時，為消除根徑不同造成的影響，故將香薷室內單根抗拉力除以根系橫截面積，轉化為分析香薷室內單根抗拉強度與根長關系。由圖7可知：全部根系(不區(qū)分含水條件)、浸泡根系、自然根系的室內單根平均抗拉強度總體均隨根長增長而降低，這與前人研究一致，如姚環(huán)等[28]研究指出香根草根系抗拉強度隨根長增長而降低；苑淑娟[15]研究表明檸條、沙柳、沙地柏和白沙蒿4種植物的抗拉強度均呈現(xiàn)隨根長增長而減小的趨勢。造成上述這種規(guī)律的原因容易理解，即在進行室內單根抗拉力測試時，根系任意橫截面受力大小相同，但由于根系任意截面的形狀和面積大小存在一定差異，使得根系任意截面所承受的拉伸應力并非一致，截面積小的位置往往由于所承受拉伸應力較大，從而易于超過其拉伸強度而發(fā)生斷裂，根系越長其截面積出現(xiàn)差異的概率越大，從而在拉伸過程中更易發(fā)生斷裂，這點與Zhang等[29]的研究觀點一致。值得注意的是，干燥根系的室內單根平均抗拉強度隨根長增長呈現(xiàn)增大趨勢，與上述規(guī)律恰好相反，推測可能是由于根系脫水導致木質素、纖維素等物質的成分、含量、微觀結構等發(fā)生變化，進而引起干燥根系的力學性能發(fā)生改變。

圖6 香薷室內單根抗拉力與其根徑關系Fig.6 Relationship between indoor single root tensile force and root diameter of Elsholtzia

圖7 香薷室內單根抗拉強度與其根長關系Fig.7 Relationship between indoor single root tensile strength and root length of Elsholtzia

3.2.3 香薷室內單根抗拉強度與其根系含水條件關系

研究含水條件對香薷根系抗拉力影響時，亦轉化為分析香薷室內單根抗拉強度與含水條件之間的關系。由圖8可知：全部根系(不區(qū)分根長)、5、10與15 cm根長的室內單根平均抗拉強度總體均呈現(xiàn)干燥根系>自然根系>浸泡根系，即香薷室內單根平均抗拉強度隨根系含水率的降低而增大，該結果與前人研究一致，如李會科等[16]研究指出地?；ń犯悼估瓘姸缺憩F(xiàn)為干根>帶土根>濕根；Zhang等[17]研究表明阿爾泰狗娃花和早熟禾兩種草本植物的根系抗拉強度與根系含水量呈線性負相關關系；Yang等[30]研究發(fā)現(xiàn)白樺、蒙古櫟、油松和落葉松4個樹種的根系含水量損失至一定程度時，其抗拉強度會提高4.59%～48.18%。造成上述這種規(guī)律的原因，參考Hales等[31]的觀點，其認為是由于隨著根系含水率的上升，積累于細胞壁中的結合水會增多，從而降低細胞壁有機聚合物之間的鍵強度，由此導致根系抗拉強度隨之降低。綜上分析，推測在滿足植被正常生長所需水分前提下，適當降低植被根系賦存環(huán)境土體含水率不僅可使土體強度增加，還能使植被根系抗拉強度適當?shù)靡蕴岣撸瑥亩欣谏絽^(qū)斜坡的穩(wěn)定。

圖8 香薷室內單根抗拉強度與其根系含水條件關系Fig.8 Relationship between indoor single root tensile strength and root water condition of Elsholtzia

4 結論

以熱水河小流域常見植物香薷為研究對象，分析了香薷原位抗拔力與其不同生長量指標的關聯(lián)性，研究了香薷單根根徑、根長、根系含水條件對香薷室內單根抗拉力的影響規(guī)律，得出如下結論。

(1)香薷不同生長量指標與其原位抗拔力的關聯(lián)度由大到小依次為：根幅、根長、地徑、冠幅和株高，故通過香薷地下生長量指標(根幅與根長)表征其原位抗拔力更具可信度。進一步研究表明：香薷根幅與冠幅關聯(lián)性最強，香薷根長與株高關聯(lián)性最強，故當難以獲取地下生長量指標時，可通過香薷地上生長量指標(冠幅與株高)對其原位抗拔力進行間接估算。

(2)香薷室內單根抗拉力與根徑之間關系呈現(xiàn)正相關，且總體可采用f(x) =axk乘冪函數(shù)刻畫；香薷自然根系和浸泡根系的平均抗拉強度隨根長增長總體呈現(xiàn)降低趨勢，而干燥根系情況正好相反，推測可能是由于根系中木質素與纖維素的成分、含量、微觀結構等在脫水過程中發(fā)生變化而導致干燥根系的力學性能發(fā)生改變；香薷根系平均抗拉強度隨根系含水率降低總體呈現(xiàn)增大趨勢，換言之，降低根系賦存環(huán)境土體含水率有利于提高山坡穩(wěn)定性。