賀振昭，黨 生，劉昌義，竇增寧，胡夏嵩,3

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016； 2.青海省水土保持局，青海 西寧 810001；3.中國科學(xué)院 青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008)

青海湖地區(qū)草本植物根系力學(xué)特性試驗研究

賀振昭1，黨 生2，劉昌義1，竇增寧1，胡夏嵩1,3

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016； 2.青海省水土保持局，青海 西寧 810001；3.中國科學(xué)院 青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008)

草本植物；單根；抗拉強度；抗拉力；抗剪強度；抗剪力；青海湖地區(qū)

為研究草本植物單根的力學(xué)特性及其根系固土護坡的力學(xué)機制，為青海湖及其周邊地區(qū)開展植物固土護坡和防風(fēng)固沙提供理論依據(jù)和實際應(yīng)用指導(dǎo)，以青海湖北岸為研究區(qū)，分別采集自然生長區(qū)內(nèi)的醉馬草、紫花針茅、羊茅，沙漠生長區(qū)的賴草、駝絨藜，315國道種植區(qū)的垂穗披堿草、早熟禾等7種優(yōu)勢草本植物，進行了室內(nèi)單根拉伸和單根剪切試驗，較為系統(tǒng)地分析了7種草本植物單根的力學(xué)特性。試驗結(jié)果表明：草本植物單根抗拉力和抗剪力均隨其根徑的增加而增大，且分別與其根徑呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系；3個區(qū)內(nèi)草本植物單根抗拉強度與其根徑均呈冪函數(shù)關(guān)系，抗剪強度與其根徑呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其中自然生長區(qū)草本植物單根平均抗拉強度和平均抗剪強度由大至小依次為紫花針茅、羊茅、醉馬草，沙漠生長區(qū)草本植物單根平均抗拉強度和平均抗剪強度為賴草大于駝絨藜，315國道種植區(qū)草本植物單根平均抗拉強度和平均抗剪強度為早熟禾大于垂穗披堿草。

已有研究和應(yīng)用結(jié)果表明，植物護坡措施近年來愈來愈受到國內(nèi)外學(xué)者和環(huán)境保護部門的關(guān)注[1-2]。采用植物護坡對防治水土流失、淺層滑坡等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象及提高淺層坡體穩(wěn)定性均具有實際意義[3-5]。

灌木和草本植物根系具有防治地表水土流失、淺層滑坡等作用，采用力學(xué)試驗方法研究植物根系的固土護坡作用和機理具有理論價值和現(xiàn)實意義[6]。近年來國內(nèi)外學(xué)者先后對植物根系力學(xué)性質(zhì)方面進行了大量的試驗研究[7-9]。王曉梅等[10]對華中地區(qū)瑜伽山邊坡的紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)、木子樹〔Sapiumsebiferum(L.) Roxb.〕、欒樹(KoelreuteriapaniculataLaxm.)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)的根系進行了單根抗拉強度試驗，結(jié)果表明這4種植物根系的單根極限抗拉強度由小到大依次為紫穗槐、木子樹、欒樹、紫花苜蓿。李光瑩等[11]對黃河源瑪沁地區(qū)高寒草地植物固土護坡的力學(xué)強度試驗結(jié)果表明，小嵩草(KobresiapygmaeaC. B. Clarke)等6種草本植物根徑較小時根系具有相對較顯著的加筋固土作用。

植物對邊坡土體固持力的大小主要取決于根系分布特征、根徑、單根抗拉力大小等因素[12-13]。趙麗兵等[14]對豆科植物紫花苜蓿和禾本科植物馬唐〔Digitariasanguinalis(L.) Scop.〕進行單根拉伸試驗后指出，植物根系抗拉強度與根徑存在冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且根徑愈小，單根抗拉強度愈大。朱海麗等[15]對四翅濱藜〔Atriplexcaneseens(Pursh) Nutt.〕等4種灌木進行室內(nèi)單根拉伸、剪切試驗后指出，灌木單根抗剪力隨根徑的增加而增大。相關(guān)研究結(jié)果亦表明，不同植物根系在不同生理狀況和不同生長環(huán)境下，其根系材料的力學(xué)性質(zhì)差異較大[16-17]。相比較而言，青藏高原東北部地區(qū)擁有高海拔和寒冷干旱氣候條件，有關(guān)植物根系在固土護坡中的作用機理等方面的研究開始受到一定程度關(guān)注[18-19]。

本項研究采用室內(nèi)單根拉伸與剪切試驗等方法測定青海湖北岸7種草本植物的單根力學(xué)強度大小及其變化規(guī)律，旨在為青海湖及其周邊地區(qū)，以及與其環(huán)境條件相類似的其他地區(qū)，開展植物固土護坡和防風(fēng)固沙等方面的進一步研究和應(yīng)用提供理論支撐依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于青藏高原東北部的青海海北藏族自治州剛察縣東北部地區(qū)，屬高原大陸性氣候，日照時間長，晝夜溫差大；年降水量為371 mm，年蒸發(fā)量為1 729 mm[20]。區(qū)內(nèi)氣候冬季寒冷、夏秋溫涼，其中1月份的平均氣溫為-14.8 ℃，年平均氣溫為-1.7 ℃[21]。研究區(qū)北部地區(qū)高山連綿，南部則相對低緩，整體地域相對寬廣。平均海拔為4 150 m，絕大部分地區(qū)海拔在3 800 m以上，海拔最高為4 800 m[21]。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料分別為采集于青海湖北岸自然生長區(qū)的醉馬草〔Achnatheruminebrians(Hance) Keng〕、紫花針茅(StipapurpureaGriseb.)、羊茅(FestucaovinaL.)，沙漠生長區(qū)的賴草〔Leymussecalinus(Georgi) Tzvel.〕、駝絨藜〔Ceratoideslatens(J.F.Gmel.) Reveal et Holmgren〕和315國道種植區(qū)的垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)、早熟禾(PoaannuaL.)，共7種優(yōu)勢草本植物的根系，對其進行室內(nèi)單根拉伸和剪切試驗。

2.2 試驗裝置

拉伸和剪切試驗儀采用上海衡翼精密儀器有限公司生產(chǎn)的HY-0580微機控制電子萬能材料試驗機，其工作原理主要是通過工作系統(tǒng)中的力和位移傳感器來記錄試驗過程中試樣的抗拉力和抗剪力大小。單根拉伸和剪切試驗的過程中，傳感器將測得的數(shù)據(jù)反饋至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過計算機軟件對數(shù)據(jù)進行處理后即可得到單根抗拉力或單根抗剪力，同時繪制出相應(yīng)的植物單根抗拉力、抗剪力與根徑之間的關(guān)系曲線。

2.3 試驗方法

采用原位挖掘采樣的辦法，在拉伸試驗中，首先將植物根系剪至根長約15 cm，盡可能選擇順直且表面完好的根系；然后采用游標卡尺在待測的根段上選取3個部位分別測量其根徑，取平均值作為該根段的根徑(D)，并將數(shù)據(jù)輸入計算機軟件中。單根拉伸試驗開始時，通過調(diào)節(jié)升降按鈕使夾具間距為10 cm，然后將根系兩端夾持于夾具間并擰緊固定。試驗過程中，為了合理地避免單根在受力時出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，采用在夾具兩端粘貼膠片、纏繞和添加柔性物質(zhì)等方法來增大根系與夾具間的摩擦，使單根受到拉伸力直至其被拉斷為止[22]。在進行單根剪切試驗時，將試樣穿過剪切裝置中的小孔對根系試樣進行剪切。若試驗過程中試樣未完全被剪斷則不計入有效數(shù)據(jù)，重新進行剪切試驗。每種試驗材料各重復(fù)20～30次拉伸和剪切試驗。

3 結(jié)果分析

3.1 單根抗拉力和抗拉強度與根徑的關(guān)系

3.1.1 自然生長區(qū)植物

青海湖北岸自然生長區(qū)醉馬草、紫花針茅、羊茅等3種草本植物單根拉伸試驗結(jié)果見表1和圖1、2。由表1可知，區(qū)內(nèi)3種草本植物的平均根徑由大至小依次為醉馬草、紫花針茅、羊茅，3種植物單根的平均抗拉力由大至小依次為醉馬草、紫花針茅、羊茅。同時，由圖1可知，3種植物的單根抗拉力均隨其根徑的增加而增大，單根抗拉力與其根徑均符合冪函數(shù)關(guān)系。

表1 青海湖北岸自然生長區(qū)草本植物單根拉伸試驗結(jié)果

圖1 自然生長區(qū)草本植物單根抗拉力與其根徑的關(guān)系

圖2 自然生長區(qū)草本植物單根抗拉強度與其根徑的關(guān)系

此外，該區(qū)內(nèi)的3種草本植物單根平均抗拉強度由大到小依次為紫花針茅(58.799 MPa)、羊茅(35.514 MPa)、醉馬草(28.342 MPa)，每種植物的單根抗拉強度均表現(xiàn)出隨其根徑的增大而減小的變化規(guī)律，且單根抗拉強度與其根徑呈冪函數(shù)關(guān)系(圖2)。該結(jié)果與李光瑩等[11]、朱海麗等[15]、李謙等[23]諸多學(xué)者對四翅濱藜〔Atriplexcaneseens(Pursh) Nutt.〕等4種灌木和1種綠竹屬(Dendrocalamopsis)植物進行拉伸試驗后所得出的單根抗拉強度與根徑之間關(guān)系的結(jié)論一致。

3.1.2 沙漠生長區(qū)自然生長植物

青海湖北岸沙漠生長區(qū)內(nèi)自然生長的草本植物主要為賴草和駝絨藜，其單根拉伸試驗結(jié)果見表2和圖3、4。由表2可知，單根平均抗拉力賴草是駝絨藜的2.9倍。由圖3可知，賴草和駝絨藜的單根抗拉力均隨其根徑的增加而增大，且單根抗拉力與其根徑之間均符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。駝絨藜單根抗拉力隨根徑的增加增長幅度相對較小，而賴草在根徑小于0.35 mm時單根抗拉力增長幅度較小，當(dāng)根徑繼續(xù)增大時增長幅度變大。

表2 青海湖北岸沙漠生長區(qū)自然生長植物單根拉伸試驗結(jié)果

圖3 沙漠生長區(qū)草本植物單根抗拉力與其根徑的關(guān)系

圖4 沙漠生長區(qū)草本植物單根抗拉強度與其根徑的關(guān)系

此外，由表2、圖4可知，賴草單根平均抗拉強度大于駝絨藜，約為駝絨藜的2.22倍，且2種草本植物的單根抗拉強度與其根徑均符合冪函數(shù)關(guān)系。通過對單根抗拉力和抗拉強度的分析可知，賴草的單根抗拉性能較駝絨藜強，因此賴草增強邊坡土體抗拉強度的效應(yīng)顯著于駝絨黎。

3.1.3 315國道種植區(qū)植物

青海湖北岸315國道種植區(qū)內(nèi)的植物主要為垂穗披堿草和早熟禾等2種草本，其單根拉伸試驗結(jié)果見表3和圖5、6。通過試驗測得垂穗披堿草的單根平均抗拉力為2.282 N，較早熟禾大0.938 N。由圖5、6可知：早熟禾的單根抗拉力和抗拉強度與其根徑均呈冪函數(shù)關(guān)系；垂穗披堿草的單根抗拉力與其根徑呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，單根抗拉強度與其根徑呈冪函數(shù)關(guān)系。垂穗披堿草單根平均抗拉強度小于早熟禾，這也在一定程度上說明早熟禾固土護坡力學(xué)貢獻相對顯著于垂穗披堿草。

表3 青海湖北岸315國道種植區(qū)草本植物單根拉伸試驗結(jié)果

圖5 315國道草本植物單根抗拉力與其根徑的關(guān)系

圖6 315國道草本植物單根抗拉強度與其根徑的關(guān)系

3.2 單根抗剪力和抗剪強度與根徑的關(guān)系

3.2.1 自然生長區(qū)植物

青海湖北岸自然生長區(qū)3種草本植物單根剪切試驗結(jié)果見表4和圖7、8。由表4可知，羊茅、紫花針茅、醉馬草的平均根徑依次增大，且隨根徑的增加其單根平均抗剪力亦表現(xiàn)出增大的規(guī)律。由圖7可知，根徑0.16～0.60 mm范圍內(nèi)，醉馬草的單根抗剪力隨根徑的增長幅度相對較大，其次為紫花針茅、羊茅；另外，醉馬草和紫花針茅的單根抗剪力與其根徑呈冪函數(shù)關(guān)系，羊茅的單根抗剪力與其根徑呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

表4 青海湖北岸自然生長區(qū)草本植物單根剪切試驗結(jié)果

圖7 自然生長區(qū)草本植物單根抗剪力與其根徑的關(guān)系

圖8 自然生長區(qū)草本植物單根抗剪強度與其根徑的關(guān)系

由表4和圖8可知，區(qū)內(nèi)3種草本植物單根平均抗剪強度由大至小依次為紫花針茅、羊茅、醉馬草，且3種植物的單根抗剪強度均隨其根徑的增大而減小，羊茅和紫花針茅單根抗剪強度與其根徑均呈冪函數(shù)關(guān)系，醉馬草單根抗剪強度與其根徑呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3.2.2 沙漠生長區(qū)自然生長植物

青海湖北岸沙漠生長區(qū)2種草本植物單根剪切試驗結(jié)果見表5和圖9、10。由表5和圖9可知，區(qū)內(nèi)駝絨藜的平均根徑大于賴草，但賴草的單根平均抗剪力大于駝絨藜，2種植物的單根抗剪力均隨其根徑的增加而增大，且2種植物的單根抗剪力與其根徑均呈冪函數(shù)關(guān)系。

表5 青海湖北岸沙漠生長區(qū)自然生長草本植物單根剪切試驗結(jié)果

圖9 沙漠生長區(qū)草本植物單根抗剪力與其根徑的關(guān)系

圖10 沙漠生長區(qū)草本植物單根抗剪強度與其根徑的關(guān)系

由表5和圖10可知，2種植物的單根抗剪強度均隨其根徑的增大而減小，賴草的平均抗剪強度顯著大于駝絨藜；駝絨藜單根抗剪強度與其根徑之間呈冪函數(shù)關(guān)系，賴草則符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3.2.3 315國道種植區(qū)植物

青海湖北岸315國道種植區(qū)2種草本的單根剪切試驗結(jié)果見表6和圖11、12。由表6和圖11可知，單根抗剪力與其根徑之間呈正相關(guān)關(guān)系，單根平均抗剪力垂穗披堿草大于早熟禾，垂穗披堿草的單根抗剪力與其根徑之間符合冪函數(shù)關(guān)系，早熟禾的單根抗剪力與其根徑之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

表6 青海湖北岸315國道種植區(qū)草本植物單根剪切試驗結(jié)果

圖11 315國道草本植物單根抗剪力與其根徑的關(guān)系

圖12 315國道草本植物單根抗剪強度與其根徑的關(guān)系

由表6和圖12可知，2種草本植物的單根抗剪強度均隨其根徑的增大而減小，早熟禾的單根平均抗剪強度較垂穗披堿草大，早熟禾的單根抗剪強度與其根徑符合冪函數(shù)關(guān)系，垂穗披堿草的單根抗剪強度與其根徑符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

4 結(jié) 論

(1)自然生長區(qū)3種草本植物單根平均抗拉力和平均抗剪力由大至小均為醉馬草、紫花針茅、羊茅，沙漠生長區(qū)自然生長草本植物單根平均抗拉力和平均抗剪力由大至小均為賴草、駝絨藜，315國道種植區(qū)草本植物單根平均抗拉力和平均抗剪力由大至小依次為垂穗披堿草、早熟禾。7種草本植物的單根平均抗拉力和平均抗剪力均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即單根平均抗拉力相對較大的草本其單根平均抗剪力亦相對較大；單根抗拉力和抗剪力均與其根徑呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且均隨根徑的增加而增大。

(2)自然生長區(qū)3種草本植物單根平均抗拉強度和平均抗剪強度由大至小依次為紫花針茅、羊茅、醉馬草，沙漠生長區(qū)自然生長草本植物單根平均抗拉強度和平均抗剪強度由大至小依次為賴草、駝絨藜，315國道種植區(qū)草本植物單根平均抗拉強度和平均抗剪強度由大至小依次為早熟禾、披堿草。單根平均抗拉強度較強的草本植物其單根平均抗剪強度亦較強；單根抗拉強度與其根徑呈冪函數(shù)關(guān)系，單根抗剪強度與其根徑呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)的關(guān)系。

(3)自然生長區(qū)紫花針茅單根平均抗拉強度和平均抗剪強度均大于羊茅和醉馬草；沙漠生長區(qū)自然生長的賴草單根平均抗拉力和平均抗剪力均大于駝絨藜，且其單根平均抗拉強度和平均抗剪強度亦較駝絨藜大；315國道種植區(qū)的早熟禾單根平均抗拉強度和平均抗剪強度均略大于垂穗披堿草。由此分析可知，區(qū)內(nèi)紫花針茅、賴草和早熟禾這3種草本植物根系強度相對較高，可起到較好的固土護坡作用。

[1] 徐中華,鈄逢光,陳錦劍,等.活樹樁固坡對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2004,25(增刊2):275-279.

[2] ROERING J J,SCHMIDT K M,STOCK J D,et al.Shallow landsliding,root reinforcement,and the spatial distribution of trees in the Oregon Coast Range[J].Canadian Geotechnical Journal,2003,40(2):237-253.

[3] 楊旸,字淑慧,余建新,等.植物根系固土機理及模型研究進展[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2014,29(5):759-765.

[4] 楊永紅,劉淑珍,王成華,等.淺層滑坡生物治理中的喬木根系抗拉試驗[J].水土保持研究,2007,14(1):138-140.

[5] 胡夏嵩,陳桂琛,周國英,等.青藏鐵路沱沱河段路基邊坡植物護坡根系力學(xué)強度試驗研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2012,39(1):107-113.

[6] 李國榮,胡夏嵩,毛小青,等.青藏高原東北部黃土區(qū)草本與灌木植物根-土相互作用力學(xué)機理及其模型研究[J].中國水土保持,2013(7):37-41.

[7] TOSI M.Root tensile strength relationships and their slope stability implications of three shrub species in the Northern Apennines (Italy)[J].Geomorphology,2007,84(4):268-283.

[8] OSMAN N,BARAKBAH S S.Parameters to predict slope stability-soil water and root profiles[J].Ecological Engineering,2006,28(1):90-95.

[9] GENET M,STOKES A,FOURCAUD T,et al.The influence of plant diversity on slope stability in a moist evergreen deciduous forest[J].Ecological Engineering,2010,36(3):265-275.

[10] 王曉梅,陳建平,周云艷.植物根系抗拉試驗研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(32):15688-15691.

[11] 李光瑩,虎嘯天,李希來,等.黃河源瑪沁地區(qū)高寒草地植物固土護坡的力學(xué)效應(yīng)[J].山地學(xué)報,2014,32(5):550-560.

[12] 馮國建,沈凡,王世通.護坡植物根系分布特征及抗拉強度研究[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報,2013,30(2):115-118.

[13] 李賀鵬,岳春雷,趙廣琦,等.中亞熱帶常綠闊葉林中主要灌木根系力學(xué)特性[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2010,25(5):33-36.

[14] 趙麗兵,張寶貴.紫花苜蓿和馬唐根的生物力學(xué)性能及相關(guān)因素的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(9):7-12.

[15] 朱海麗,胡夏嵩,毛小青,等.青藏高原黃土區(qū)護坡灌木植物根系力學(xué)特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(增刊2):3445-3452.

[16] 胡夏嵩,陳桂琛,周國英,等.青藏鐵路沱沱河取土場草本植物固土力學(xué)強度與化學(xué)元素含量特征[J].冰川凍土,2012,34(5):1190-1199.

[17] WALDRON J L,DAKESSIN S D.Soil reinforcement by roots: calculation of increased soil shear resistance from root properties[J].Soil Science,1981,132(6):427-435.

[18] 張興玲,胡夏嵩,李國榮,等.青藏高原東北部黃土區(qū)灌木幼林根系護坡時間效應(yīng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(4):136-141.

[19] 張興玲,胡夏嵩,毛小青,等.青藏高原東北部黃土區(qū)護坡灌木檸條錦雞兒根系拉拔摩擦試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,30(增刊2):3739-3745.

[20] 張興玲,胡夏嵩.寒旱環(huán)境檸條錦雞兒根系的力學(xué)群根效應(yīng)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,53(19):4632-4637.

[21] 王長庭,王根緒,劉偉,等.植被根系及其土壤理化特征在高寒小嵩草草甸退化演替過程中的變化[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2012,21(3):409-416.

[22] 張云偉,惠尚,卜曉磊,等.3種散生竹的單根抗拉力學(xué)特性[J].林業(yè)科學(xué),2013,49(7):183-187.

[23] 李謙,周本智,安艷飛,等.綠竹根系分布及生物力學(xué)性質(zhì)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2014,25(5):1319-1326.

(責(zé)任編輯 徐素霞)

國家自然科學(xué)基金資助項目(41162010，41572306)；青海省自然科學(xué)基金資助項目(2014-ZJ-906)；長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室開放基金資助項目(CHD2011SY016)

S157

A

1000-0941(2017)04-0044-05

賀振昭(1994—)，女，湖北荊州市人，學(xué)士，主要從事地質(zhì)工程等方面的研究工作；通信作者胡夏嵩(1965—)，男，河南開封市人，教授，博士，主要從事環(huán)境巖土工程與工程地質(zhì)等領(lǐng)域的教學(xué)和研究工作。

2016-07-19