楊馥鋮， 劉昌義， 胡夏嵩， 李希來(lái)， 付江濤， 盧海靜，申紫雁， 許 桐， 閆 聰， 何偉鵬

（1.青海大學(xué)地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016；2.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016；3.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海 西寧 810016）

黃河源區(qū)位于青藏高原東北部，涉及青海、四川、甘肅3 省的6 個(gè)州、18 個(gè)縣，總面積約12.2×104km2［1］。近50 a 來(lái)，由于受到人為和自然因素等影響，源區(qū)高寒草地出現(xiàn)不同程度退化現(xiàn)象，其結(jié)果影響到源區(qū)生態(tài)平衡，直至目前，區(qū)內(nèi)草地退化現(xiàn)象仍在不同程度地發(fā)生［2-4］。李旭謙等［5］研究結(jié)果表明，青海境內(nèi)退化草地面積占天然草地總面積的74.70%，其中，輕度退化草地面積占天然草地總面積的31.45%，中度退化草地面積占19.14%，重度退化草地面積占24.11%。進(jìn)一步研究表明，區(qū)內(nèi)草地退化還引發(fā)一系列生態(tài)問(wèn)題，表現(xiàn)在地表植物群落物種組成發(fā)生變化、牧草品質(zhì)和產(chǎn)量降低、草畜矛盾突出，以及草地碳儲(chǔ)量降低、溫室氣體排放增加、物種多樣性失衡和減少、災(zāi)害天氣頻發(fā)等現(xiàn)象［6］。因此，科學(xué)有效地開(kāi)展黃河源區(qū)草地退化防治是一項(xiàng)非常緊迫的任務(wù)。

針對(duì)黃河源區(qū)草地退化的實(shí)際問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者開(kāi)展了不同方面的研究，并取得了較為豐富的研究成果［7-13］。有關(guān)高寒草地土壤基本理化性質(zhì)及草地退化治理方面，亦取得大量研究成果［14-20］。Sun等［21］研究了青?，斍叽笪溧l(xiāng)高寒草甸退化對(duì)草地植被類(lèi)型、土壤理化性質(zhì)及微生物群落影響，結(jié)果表明由未退化至重度退化等不同退化程度草地，其植被覆蓋度由98%降低至48%，土壤總氮等營(yíng)養(yǎng)元素呈降低趨勢(shì)，且土壤密度增加16.67%。王婷等［22］研究了黃河源區(qū)瑪多地區(qū)高寒草原退化過(guò)程中植物群落特征和土壤理化特性，結(jié)果表明隨著草地退化程度加劇，區(qū)內(nèi)植物物種豐富度降低50%、多樣性降低39.66%、地上生物量降低40.58%；進(jìn)一步分析表明，在未退化至重度退化等不同退化程度草地，其植物優(yōu)勢(shì)種由紫花針茅（Stipa purpurea）和矮嵩草（Kobresia humilis）演替為雜類(lèi)草，最后為以沙生植物為主。

有關(guān)黃河源區(qū)高寒草地根-土復(fù)合體力學(xué)機(jī)理研究方面，亦開(kāi)展了一定程度研究［23-27］。申紫雁等［28］研究了黃河上游青海河南縣高寒草地不同深度土體理化性質(zhì)和抗剪強(qiáng)度特征，結(jié)果表明隨著深度增加草地和退化裸地其土體含水率呈降低趨勢(shì)，降低幅度分別為42.88%、22.23%；而土體密度則呈增加趨勢(shì)且增加幅度分別為18.31%、20.66%；草地根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度則隨深度增加而降低，其降低幅度為59.55%。劉昌義等［29］研究了黃河源區(qū)河南縣地區(qū)高寒草地由未退化至重度退化等不同退化程度的植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特征，結(jié)果表明隨著草地退化程度加劇，其復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與根系含量呈降低趨勢(shì)，黏聚力c值由未退化至重度退化降低73.52%，而根系含量則由18.86%降低至0.74%。

綜合以上分析可知，有關(guān)黃河源區(qū)高寒草地退化方面的研究，主要表現(xiàn)在對(duì)退化草地其生態(tài)結(jié)構(gòu)、草地退化成因、植物組合，以及草地植物演替過(guò)程等方面；與此同時(shí)，有關(guān)黃河源區(qū)高寒草地退化與根-土復(fù)合體力學(xué)強(qiáng)度方面的研究成果還相對(duì)較少，尤其是關(guān)于黃河源區(qū)不同退化程度高寒草地土壤力學(xué)強(qiáng)度特征，及其與草地退化之間的相互作用關(guān)系等方面研究尚處于起步階段。基于此，本項(xiàng)研究將黃河源區(qū)高寒草地土壤基本理化性質(zhì)與根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度相結(jié)合，進(jìn)一步探討了區(qū)內(nèi)高寒草地退化規(guī)律，其研究結(jié)果為科學(xué)有效防治黃河源區(qū)草地退化及其引起的水土流失、淺層滑坡等災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生，提供理論支撐和實(shí)際指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海黃南藏族自治州河南蒙古族自治縣境內(nèi)，包括區(qū)內(nèi)南旗村、啟龍牧場(chǎng)2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)（圖1）。其中，啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)地理坐標(biāo)為101°50′08″E，34°35′12″N，平均海拔為3600 m；南旗村試驗(yàn)區(qū)地理坐標(biāo)為101°27′54″E，34°51′32″N，平均海拔為3580 m，2處試驗(yàn)區(qū)相隔距離為45 km。區(qū)內(nèi)為高原亞寒帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，地形條件復(fù)雜且受季風(fēng)影響，屬于高原大陸性氣候［30］。河南縣地區(qū)年平均氣溫為9.2～14.6 ℃，年降雨量為597.1～615.5 mm，相對(duì)濕度為62%～66%，年蒸發(fā)量為1349.70 mm［23］。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location diagram of study area

區(qū)內(nèi)植物分布類(lèi)型與海拔、坡向之間關(guān)系密切，前者表現(xiàn)在雪線以下至海拔高度為4200 m處分布苔蘚和墊狀低等植被，海拔3600～4200 m 為高山嵩草（Kobresia pygmaea）、矮生嵩草（Kobresia humilis）及線葉嵩草（Kobresia capillifolia），海拔3500～3650 m 以嵩草屬（Kobresia）為主，并伴生細(xì)葉苔草（Carex rigescens）、早熟禾（Poa annua）等植被類(lèi)型［31］。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 野外調(diào)查與取樣

本研究選取南旗村、啟龍牧場(chǎng)作為試驗(yàn)區(qū)，根據(jù)區(qū)內(nèi)草本植物生長(zhǎng)狀況、地表植被覆蓋度等條件，將區(qū)內(nèi)草地依次劃分為：未退化、輕度退化、中度退化和重度退化4 種不同退化程度［32］；在此基礎(chǔ)上，采用樣方調(diào)查法得到草地地上生物量，然后分別對(duì)4 種不同退化程度草地原位制取試樣，進(jìn)行室內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素測(cè)試、含水率、密度、顆粒級(jí)配分析及根-土復(fù)合體剪切試驗(yàn)，具體為：在區(qū)內(nèi)每種不同退化程度草地設(shè)置3～4 個(gè)取樣點(diǎn)，采用分層制取試樣的方法，分別在地表以下上層（0～10 cm）和下層（10～20 cm）2個(gè)位置處制取試樣。在制取試樣過(guò)程中，每個(gè)取樣位置處相應(yīng)制取土體含水率試樣每層2 個(gè)、土壤營(yíng)養(yǎng)元素試樣每層200 g、顆粒級(jí)配試樣500 g，根-土復(fù)合體直剪試樣按照每層制取4 個(gè)試樣作為1組（同時(shí)用于土體密度試驗(yàn)）。

2.2 草本植物類(lèi)型與生長(zhǎng)特征調(diào)查

對(duì)野外2個(gè)試驗(yàn)區(qū)草本植物生物量調(diào)查采用樣方法進(jìn)行，即在每種不同退化程度草地依次布置3個(gè)樣方，并統(tǒng)計(jì)樣方框內(nèi)草地優(yōu)勢(shì)草本植物種類(lèi)、植被蓋度等生物量指標(biāo)。區(qū)內(nèi)4種不同退化程度草地及植物生長(zhǎng)情況如圖2所示。

圖2 4種不同退化程度草地及其草本植物生長(zhǎng)情況Fig.2 Four different degradation degrees grasslands and herbaceous growth situation

2.3 土體物理性質(zhì)

2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)草地其土體密度、土體含水率和土體顆粒分析測(cè)試，分別采用環(huán)刀法、烘干法和篩分法進(jìn)行。

2.4 土壤營(yíng)養(yǎng)元素

分別對(duì)南旗村、啟龍牧場(chǎng)2個(gè)試驗(yàn)區(qū)，其不同退化程度草地土壤營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試指標(biāo)主要包括全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH值等8種。具體試驗(yàn)測(cè)試方法如表1所示。

表1 4種不同退化程度草地土壤營(yíng)養(yǎng)元素測(cè)定指標(biāo)及測(cè)試方法Tab.1 Soil nutrient elements of four different degraded grassland and measurement methods

2.5 根-土復(fù)合體直剪試驗(yàn)

對(duì)區(qū)內(nèi)草地制取的根-土復(fù)合體試樣，采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，首先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0～10 cm，10～20 cm處，將內(nèi)徑6.18 cm、高2 cm 環(huán)刀垂直壓入土體中，直至試樣完全壓入環(huán)刀為止，使用剪刀修整環(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)［33］。按照上述制樣方法，通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)得到根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值；與此同時(shí)，待直剪試驗(yàn)結(jié)束后，將每組4 個(gè)環(huán)刀試樣中根-土復(fù)合體采用水洗法，洗去復(fù)合體中的土顆粒而保留其根系，然后烘干根系表面水分并統(tǒng)計(jì)根系數(shù)量、干重和根徑等相關(guān)指標(biāo)［23］。

3 結(jié)果與分析

3.1 4種不同類(lèi)型退化區(qū)草本植物分布特征

由表2可知，2個(gè)試驗(yàn)區(qū)4種草本其覆蓋度隨著草地退化程度加劇而降低，尤其在重度退化區(qū)其覆蓋度呈顯著性降低，表現(xiàn)在啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)植被覆蓋度由98.20%降低至20.0%，植物株高由11.02 cm降至4.00 cm；南旗村試驗(yàn)區(qū)植物覆蓋度由100.00%降至36.67%，植物株高由29.20 cm降至6.60 cm。進(jìn)一步分析可知，區(qū)內(nèi)4 種不同退化程度草地演替過(guò)程表現(xiàn)為，2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)草地植物由原生植物矮嵩草（Kobresia humilis）、紫花針茅（Stipa purpurea）、早熟禾（Poa annua）逐漸向次生植物密花香薷（Elsholtzia densa）、青海風(fēng)毛菊（Saussurea pulchra）、麻花艽（Gentiana straminea）演替，該結(jié)果說(shuō)明隨著草地退化程度加劇，區(qū)內(nèi)草地雜草類(lèi)植物其生物量呈增加的變化趨勢(shì)。

表2 4種不同退化程度草地樣方調(diào)查結(jié)果Tab.2 Survey results of four different degraded grassland

啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)未退化區(qū)以矮嵩草（Kobresia humilis）為主要類(lèi)型，含部分紫花針茅（Stipa purpurea）、早熟禾（Poa annua），次生植物種則以黃花苜蓿（Medicago falcata）、頁(yè)蒿（Carum carvi）為主，并伴有少量麻花艽（Gentiana straminea）、翻白委陵菜（Potentilla discolor）、青海風(fēng)毛菊（Saussurea pulchra）等種類(lèi)；輕度退化區(qū)以矮嵩草（Kobresia humilis）為主要類(lèi)型，紫花針茅（Stipa purpurea）和早熟禾（Poa annua）數(shù)量呈減少趨勢(shì)，垂穗披堿草（Elymus nutans）數(shù)量相對(duì)增加，次生植物以黃花苜蓿（Medicago falcata）為主，且細(xì)葉亞菊（Ajania tenuifolia）、青海風(fēng)毛菊（Saussurea pulchra）等種類(lèi)呈逐漸增加趨勢(shì)；中度退化區(qū)主要為矮嵩草（Kobresia humilis）+細(xì)葉亞菊（Ajania tenuifolia）組合類(lèi)型，原生草本種類(lèi)顯著性減少，且以次生植物為主要組成，原生植物以矮嵩草（Kobresia humilis）和早熟禾（Poa annua）為主，次生植物以細(xì)葉亞菊（Ajania tenuifolia）為主，伴生密花香薷（Elsholtzia densa）、翻白委陵菜（Potentilla discolor）、黃花苜蓿（Medicago falcata）等種類(lèi)，該區(qū)表現(xiàn)出草本植物多樣性呈顯著性降低趨勢(shì)；重度退化區(qū)草本其多樣性亦表現(xiàn)出呈顯著性降低且以次生植物為主，其中主要以密花香薷（Elsholtzia densa）為主要類(lèi)型，且伴生露蕊烏頭（Aconitum gymnandrum）、西藏微孔草（Microula tibetica）、臭蒿（Artemisia hedinii）等次生草本種。

相應(yīng)地，南旗村試驗(yàn)區(qū)未退化區(qū)主要以矮嵩草（Kobresia humilis）+垂穗披堿草（Elymus nutans）組合類(lèi)型為主，并含部分原生草本早熟禾（Poa annua）、紫花針茅（Stipa purpurea），次生植物主要為青海風(fēng)毛菊（Saussurea pulchra）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、黃帚橐吾（Ligularia virgaurea）、麻花艽（Gen-tiana straminea）等類(lèi)型；輕度退化區(qū)以矮嵩草（Kobresia humilis）為主要類(lèi)型，其中，垂穗披堿草（Elymus nutans）數(shù)量增加較為顯著，而早熟禾（Poa annua）、紫花針茅（Stipa purpurea）其數(shù)量則呈逐漸減少趨勢(shì)，次生植物種類(lèi)和數(shù)量均表現(xiàn)出減少的特征；中度退化區(qū)主要為矮嵩草（Kobresia humilis）+垂穗披堿草（Elymus nutans）組合類(lèi)型，其中鵝絨委陵菜（Potentilla anserina）數(shù)量增加且為主要類(lèi)型，早熟禾（Poa annua）、紫花針茅（Stipa purpurea）等數(shù)量呈逐漸減少，次生種還包括黃帚橐吾（Ligularia virgaurea）、青海風(fēng)毛菊（Saussurea pulchra）、濕生扁蕾（Gentianopsis paludosa）、密花香薷（Elsholtzia densa）等類(lèi)型；重度退化區(qū)則以密花香薷（Elsholtzia densa）為主要類(lèi)型，其中除少量毛濕地繁縷（Stellaria alaschanica）以外，大部分區(qū)域退化為裸地。

3.2 4種不同退化草地區(qū)土體物理性質(zhì)特征

3.2.1 土體密度及其變化特征 由表3 可知，區(qū)內(nèi)啟龍牧場(chǎng)和南旗村2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)，草地土體密度總體表現(xiàn)出下層大于上層，且2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)相同退化程度下草地土體密度增加幅度分別為3.88%～16.82%和3.50%～14.04%。進(jìn)一步分析可知，南旗村試驗(yàn)區(qū)草地土體密度大于相同位置啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)，且南旗村試驗(yàn)區(qū)未退化草地其土體密度相對(duì)最大，相比較啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)其上層、下層增加幅度分別為10.85%和10.45%。與此同時(shí)，隨著草地退化程度加劇，2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)其土體密度呈先減小后增大的變化規(guī)律。

3.2.2 土體含水率及其變化特征 由表3 可知，相同位置處2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)其上層土體含水率大于下層（除南旗村試驗(yàn)區(qū)未退化區(qū)上層外），且啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)土體含水率大于南旗村相同退化程度草地。其中，草地上層和下層含水率差異最為顯著的是啟龍牧場(chǎng)和南旗村試驗(yàn)區(qū)的輕度退化區(qū)，降低幅度分別為21.88%和15.98%；進(jìn)一步分析可知，2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)草地土體含水率均表現(xiàn)出隨退化程度加劇而逐漸降低（除南旗村試驗(yàn)區(qū)重度退化區(qū)下層土體外），且南旗村試驗(yàn)區(qū)降低幅度相對(duì)較大為41.80%，啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)則相對(duì)較小為36.34%。

表3 4種不同退化程度草地土體物理性質(zhì)Tab.3 Experimental results of physical property of four grassland soils with different degradation degrees

3.2.3 土體顆粒級(jí)配及其變化特征 由圖3 可知，區(qū)內(nèi)草地土體顆粒粒徑主要為5～0.1 mm，且多數(shù)分布在2～0.1 mm，在土體顆粒粒徑大于0.1 mm 時(shí)，啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)相同粒徑土體顆粒其含量表現(xiàn)出隨草地退化程度加劇呈降低變化規(guī)律；相應(yīng)地，南旗村試驗(yàn)區(qū)中度退化程度條件下，草地其土體顆粒粒徑為1～0.2 mm時(shí)含量相對(duì)最多，為76.01%。

圖3 4種不同退化程度草地上層土體顆粒級(jí)配曲線Fig.3 The accumulation of the upper soil particle size of four grasslands with different degradation degrees

由表4 可知，啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)土體不均勻系數(shù)Cu呈先減小后增大的變化規(guī)律，其值為0.90～1.15，反映出啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)上層土體為不良級(jí)配砂類(lèi)土；南旗村試驗(yàn)區(qū)土體不均勻系數(shù)Cu則呈先增大后減小再增大的變化規(guī)律，其值為0.71～1.10，亦為不良級(jí)配砂類(lèi)土。而啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)土體d60和d30整體表現(xiàn)出隨著草地退化程度加劇而增大，且其增加幅度分別為44.33%和61.63%，反映出土體細(xì)顆粒含量隨著草地退化程度加劇而減?。幌鄳?yīng)地，南旗村試驗(yàn)區(qū)草地土體d60隨著草地退化程度加劇呈先減小后增大，且其d30變化規(guī)律與啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)基本相一致，表明隨著區(qū)內(nèi)草地退化程度加劇，4種不同退化程度草地其上層土體細(xì)顆粒含量呈逐漸減小。

表4 4種不同退化程度草地上層土體顆粒分析Tab.4 Particle analysis of upper soil on four grasslands with different degradation degrees

3.3 土壤營(yíng)養(yǎng)元素特征

如表5、表6所示為研究區(qū)不同退化程度草地土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量測(cè)試結(jié)果。由該表可知，啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)草地上、下層土壤其平均pH為7.11～7.45，南旗村試驗(yàn)區(qū)為7.22～7.42，均呈中性至弱堿性，2個(gè)試驗(yàn)區(qū)其pH隨退化程度加劇而逐漸增強(qiáng)，且2個(gè)試驗(yàn)區(qū)同種退化程度下土壤pH均表現(xiàn)為其下層大于上層（除南旗村試驗(yàn)區(qū)輕度退化區(qū)例外）。在同一試驗(yàn)區(qū)同種退化條件下，其上層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量均顯著大于下層。2 處試驗(yàn)區(qū)其土體7 種土壤營(yíng)養(yǎng)元素中以土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較大，且表現(xiàn)出隨退化程度加劇而降低，即啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)由未退化草地至重度退化草地其上層土壤有機(jī)質(zhì)平均含量降低幅度為12.41%，其下層土壤有機(jī)質(zhì)平均含量降低幅度為5.95%；相應(yīng)地，南旗村試驗(yàn)區(qū)其上、下層土壤有機(jī)質(zhì)降低幅度分別為35.56%、30.46%。

表5 4種不同退化程度草地上層土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量Tab.5 Nutrient element content in the upper soil below the surface of four grasslands with different degradation degrees

表6 4種不同退化程度草地下層土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量Tab.6 Nutrient element content in the lower soil below the surface of four grasslands with different degradation degrees

草地全氮含量測(cè)試結(jié)果表明，啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)其輕度退化區(qū)上層土壤全氮含量相對(duì)最高為7.00 g·kg-1，而南旗村試驗(yàn)區(qū)其重度退化區(qū)上層相對(duì)最低為3.83 g·kg-1，土壤全氮含量總體表現(xiàn)出隨著草地退化程度加劇呈逐漸降低。此外，2 處試驗(yàn)區(qū)土壤中全氮、全鉀、全磷3種元素含量均大于1.00 g·kg-1，而土壤堿解氮、速效鉀和速效磷等3 種營(yíng)養(yǎng)元素含量相對(duì)較低且均小于1.00 g·kg-1。在同一試驗(yàn)區(qū)相同退化條件下，上層土壤堿解氮和速效鉀含量亦顯著大于下層（除啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)重度退化區(qū)例外）。

3.4 植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特征

由表7可知，區(qū)內(nèi)根-土復(fù)合體黏聚力c值，表現(xiàn)出隨著草地退化程度加劇而逐漸降低，而其內(nèi)摩擦角φ值則隨著草地退化程度加劇而增大。啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，與未退化區(qū)相比較，上層根-土復(fù)合體平均黏聚力c值在輕度、中度和重度退化條件下分別降低51.48%、50.19%、72.05%，下層則分別降低68.64%、78.12%、77.26%；相應(yīng)地，在南旗村試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，與未退化區(qū)相比較，各退化區(qū)其上層根-土復(fù)合體分別降低25.35%、74.16%、48.77%，下層分別降低50.71%、79.38%、81.37%。

表7 4種不同退化程度草地根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度Tab.7 Shear strength of four different degraded grassland root-soil composite system

由表8 可知，根-土復(fù)合體試樣中根系數(shù)量、根系干重和平均根徑均表現(xiàn)出與復(fù)合體黏聚力c值相一致的變化特征（南旗村試驗(yàn)區(qū)下層除外），即表現(xiàn)出隨著區(qū)內(nèi)草地退化程度加劇而逐漸降低，其中，啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)上層植物根-土復(fù)合體試樣中根系數(shù)量、干重及平均根徑均大于下層。結(jié)合黏聚力c值變化規(guī)律，上述結(jié)果一定程度上反映出隨著區(qū)內(nèi)草地退化程度不斷加劇，植物根系數(shù)量顯著減少對(duì)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度起到降低作用。

表8 4種不同退化程度草地植物根-土復(fù)合體試樣根系含量Tab.8 Root content of four grassland plants with different degradation degrees

3.5 植物根系對(duì)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度影響的理論分析與評(píng)價(jià)

式中：θ和φ′分別為土體剪切變形角（°）和內(nèi)摩擦角（°）；trn為單位面積內(nèi)土體中根系平均抗拉強(qiáng)度（kPa）；Arn/A為根系面積與土體橫截面面積比；同時(shí)，Wu等［36］指出當(dāng)θ和φ′變化范圍分別為40°～70°和25°～40°時(shí)，ΔSr變化區(qū)間為（0.92，1.31），因此將上式修正為：

由此式可知，植物根系提供的根-土復(fù)合體強(qiáng)度增加值與根系平均抗拉強(qiáng)度及根面積比呈正比，即根系數(shù)量愈多其根面積比值則愈大，其結(jié)果提高了根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度增加值；反之，如果根系數(shù)量減少則會(huì)降低根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度增加值，進(jìn)而使得根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著降低。

與此同時(shí)，本研究采用SPSS 19.0 軟件Pearson相關(guān)性分析法，以南旗村試驗(yàn)區(qū)為例，對(duì)區(qū)內(nèi)根系數(shù)量、根系干重等4項(xiàng)指標(biāo)對(duì)根-土復(fù)合體黏聚力的影響程度進(jìn)行相關(guān)性分析。表9所示為南旗村試驗(yàn)區(qū)地表以下上層（0～10 cm）根-土復(fù)合體黏聚力與根系數(shù)量等4項(xiàng)指標(biāo)間的相關(guān)性分析結(jié)果。由該表可知，黏聚力與根系數(shù)量、根系干重、有機(jī)質(zhì)均呈正相關(guān)關(guān)系，與密度呈顯著正相關(guān)關(guān)系（R2=0.974）。

表9 黏聚力與根系數(shù)量等不同指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)Tab.9 Correlation coefficients between cohesion and root amount

4 討論

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者有關(guān)草地退化方面的研究，主要集中在土壤基本性質(zhì)諸如密度、含水率和營(yíng)養(yǎng)元素分布等方面［37-43］。本項(xiàng)研究中，隨著區(qū)內(nèi)草地退化程度的不斷加劇，植物類(lèi)型由原生草本逐漸演替為以次生植物為主且土壤中根系含量顯著降低。由本研究結(jié)果可知，2 處試驗(yàn)區(qū)草地土體含水率均表現(xiàn)出隨著草地退化程度加劇而逐漸降低，且在相同深度條件下，通過(guò)重度退化區(qū)與未退化區(qū)土體含水率對(duì)比結(jié)果可知，含水率降低幅度相對(duì)較為顯著。該結(jié)論與王婷等［44］、慕軍鵬等［45］通過(guò)對(duì)青?，敹嗫h和四川紅原縣不同退化程度高寒草地土體理化性質(zhì)比較分析后，所得出的隨著草地退化程度加劇，其土壤含水率表現(xiàn)出呈顯著降低的結(jié)論相一致；另外，2 處試驗(yàn)區(qū)4 種不同退化程度其土體密度表現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律，這主要?dú)w因于區(qū)內(nèi)4 種不同退化程度草地根系影響土壤養(yǎng)分分布，并進(jìn)一步影響到土壤的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)［23］。

此外，區(qū)內(nèi)2處試驗(yàn)區(qū)土壤均呈弱堿性，且土壤pH 隨草地退化程度加劇而增大，有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷等含量均表現(xiàn)出隨草地退化程度加劇而呈降低變化規(guī)律。該結(jié)論與張振超［46］對(duì)四川紅原縣高寒草甸和西藏申扎縣高寒草原草地退化演替過(guò)程研究得出氮、磷等土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量，隨著草地退化程度加劇而表現(xiàn)出降低的結(jié)論基本相一致。另外，2 處試驗(yàn)區(qū)在相同草地退化程度條件下，其地表以下上層土體有機(jī)質(zhì)、全氮等營(yíng)養(yǎng)元素含量均顯著大于下層，反映出土壤中營(yíng)養(yǎng)元素含量隨著深度增加而呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，說(shuō)明區(qū)內(nèi)草地其土壤養(yǎng)分具有表聚現(xiàn)象［28］，即這種聚集作用主要表現(xiàn)形式為氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素富集在草地地表以下根系含量較多處，而土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量隨著草地退化程度加劇呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，主要是區(qū)內(nèi)因受風(fēng)蝕、水蝕等自然和人為因素影響所誘發(fā)的水土流失現(xiàn)象所致。

研究區(qū)不同退化程度草地植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，其整體表現(xiàn)出隨草地退化程度加劇而逐漸降低，且在相同退化程度下（除啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)未退化草地例外），上層根-土復(fù)合體平均黏聚力c值均顯著性大于下層，其主要原因在于隨著區(qū)內(nèi)草地退化程度的加劇，根-土復(fù)合體試樣中所含根系數(shù)量逐漸減少，表明根系對(duì)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。該結(jié)果與劉昌義等［29］通過(guò)對(duì)黃河源區(qū)河南縣地區(qū)高寒草地植被不同退化程度條件下，隨著草地退化程度加劇其根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度逐漸降低，以及土體含根量降低對(duì)復(fù)合體抗剪強(qiáng)度具有顯著降低作用的結(jié)論一致。

綜上所述，研究區(qū)高寒草地在4 種不同退化程度下土體基本理化性質(zhì)與根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度之間存在相關(guān)性。通過(guò)本研究可知，區(qū)內(nèi)4 種不同退化程度草地植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與營(yíng)養(yǎng)元素、含根量表現(xiàn)出正相關(guān)性，即隨著區(qū)內(nèi)草地退化程度加劇而呈逐漸降低，這在一定程度上說(shuō)明根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與營(yíng)養(yǎng)元素含量間呈正相關(guān)關(guān)系。其主要原因在于土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，表現(xiàn)在營(yíng)養(yǎng)元素含量愈高、植物生長(zhǎng)發(fā)育相對(duì)愈快且根系愈發(fā)達(dá)，其結(jié)果對(duì)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用亦愈為顯著［23］；與此同時(shí)，區(qū)內(nèi)因受風(fēng)蝕、水蝕自然因素及鼠類(lèi)、放牧等因素的綜合影響，所造成的草地退化現(xiàn)象其結(jié)果導(dǎo)致區(qū)內(nèi)多種不同類(lèi)型土壤營(yíng)養(yǎng)元素流失，且在一定程度影響和改變了土體理化性質(zhì)和植物根系分布，其結(jié)果造成區(qū)內(nèi)4 種不同退化程度草地根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度呈降低變化趨勢(shì)；相應(yīng)地，由于區(qū)內(nèi)4種不同退化草地其土體抗剪強(qiáng)度的降低，結(jié)果進(jìn)一步導(dǎo)致水土流失、土壤侵蝕和淺層滑坡等災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生的概率增加，這也是本研究后續(xù)需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

5 結(jié)論

（1）在相同位置下，南旗村試驗(yàn)區(qū)草地土體密度總體大于啟龍牧場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)，且在同一試驗(yàn)區(qū)其下層土體密度大于上層土體；2 處試驗(yàn)區(qū)上層土體細(xì)顆粒含量徑表現(xiàn)出隨著退化程度加劇呈逐漸降低的變化趨勢(shì)。

（2）2 處試驗(yàn)區(qū)4 種不同退化程度草地土體其pH隨著草地退化程度加劇呈增加的變化規(guī)律，而土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷等則表現(xiàn)出隨著草地退化程度加劇而降低，其中南旗村試驗(yàn)區(qū)在相同草地退化條件下，其上層土體營(yíng)養(yǎng)元素含量總體大于下層。

（3）2處試驗(yàn)區(qū)植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨著草地退化程度加劇而逐漸降低，且其降低幅度最大為81.37%，根-土復(fù)合體所含根系數(shù)量、根系干重和平均根徑等指標(biāo)均表現(xiàn)出與抗剪強(qiáng)度相類(lèi)似的變化規(guī)律，這反映出區(qū)內(nèi)植物根系在其最優(yōu)含根量?jī)?nèi)愈發(fā)達(dá)其對(duì)復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用則愈為顯著。

（4）區(qū)內(nèi)啟龍牧場(chǎng)和南旗村試驗(yàn)區(qū)上層土體黏聚力與根系數(shù)量、根系干重、密度、有機(jī)質(zhì)均呈正相關(guān)關(guān)系，其中南旗村試驗(yàn)區(qū)土體黏聚力與密度呈顯著正相關(guān)關(guān)系（R2=0.974）。