青海湖地区草本植物根系力学特性试验研究

贺振昭，党 生，刘昌义，窦增宁，胡夏嵩,3

(1.青海大学 地质工程系，青海 西宁 810016； 2.青海省水土保持局，青海 西宁 810001；3.中国科学院 青海盐湖研究所，青海 西宁 810008)

青海湖地区草本植物根系力学特性试验研究

贺振昭1，党 生2，刘昌义1，窦增宁1，胡夏嵩1,3

(1.青海大学 地质工程系，青海 西宁 810016； 2.青海省水土保持局，青海 西宁 810001；3.中国科学院 青海盐湖研究所，青海 西宁 810008)

草本植物；单根；抗拉强度；抗拉力；抗剪强度；抗剪力；青海湖地区

为研究草本植物单根的力学特性及其根系固土护坡的力学机制，为青海湖及其周边地区开展植物固土护坡和防风固沙提供理论依据和实际应用指导，以青海湖北岸为研究区，分别采集自然生长区内的醉马草、紫花针茅、羊茅，沙漠生长区的赖草、驼绒藜，315国道种植区的垂穗披碱草、早熟禾等7种优势草本植物，进行了室内单根拉伸和单根剪切试验，较为系统地分析了7种草本植物单根的力学特性。试验结果表明：草本植物单根抗拉力和抗剪力均随其根径的增加而增大，且分别与其根径呈幂函数或指数函数关系；3个区内草本植物单根抗拉强度与其根径均呈幂函数关系，抗剪强度与其根径呈幂函数或指数函数关系，其中自然生长区草本植物单根平均抗拉强度和平均抗剪强度由大至小依次为紫花针茅、羊茅、醉马草，沙漠生长区草本植物单根平均抗拉强度和平均抗剪强度为赖草大于驼绒藜，315国道种植区草本植物单根平均抗拉强度和平均抗剪强度为早熟禾大于垂穗披碱草。

已有研究和应用结果表明，植物护坡措施近年来愈来愈受到国内外学者和环境保护部门的关注[1-2]。采用植物护坡对防治水土流失、浅层滑坡等地质灾害现象及提高浅层坡体稳定性均具有实际意义[3-5]。

灌木和草本植物根系具有防治地表水土流失、浅层滑坡等作用，采用力学试验方法研究植物根系的固土护坡作用和机理具有理论价值和现实意义[6]。近年来国内外学者先后对植物根系力学性质方面进行了大量的试验研究[7-9]。王晓梅等[10]对华中地区瑜伽山边坡的紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)、木子树〔Sapiumsebiferum(L.) Roxb.〕、栾树(KoelreuteriapaniculataLaxm.)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)的根系进行了单根抗拉强度试验，结果表明这4种植物根系的单根极限抗拉强度由小到大依次为紫穗槐、木子树、栾树、紫花苜蓿。李光莹等[11]对黄河源玛沁地区高寒草地植物固土护坡的力学强度试验结果表明，小嵩草(KobresiapygmaeaC. B. Clarke)等6种草本植物根径较小时根系具有相对较显著的加筋固土作用。

植物对边坡土体固持力的大小主要取决于根系分布特征、根径、单根抗拉力大小等因素[12-13]。赵丽兵等[14]对豆科植物紫花苜蓿和禾本科植物马唐〔Digitariasanguinalis(L.) Scop.〕进行单根拉伸试验后指出，植物根系抗拉强度与根径存在幂函数或指数函数关系，且根径愈小，单根抗拉强度愈大。朱海丽等[15]对四翅滨藜〔Atriplexcaneseens(Pursh) Nutt.〕等4种灌木进行室内单根拉伸、剪切试验后指出，灌木单根抗剪力随根径的增加而增大。相关研究结果亦表明，不同植物根系在不同生理状况和不同生长环境下，其根系材料的力学性质差异较大[16-17]。相比较而言，青藏高原东北部地区拥有高海拔和寒冷干旱气候条件，有关植物根系在固土护坡中的作用机理等方面的研究开始受到一定程度关注[18-19]。

本项研究采用室内单根拉伸与剪切试验等方法测定青海湖北岸7种草本植物的单根力学强度大小及其变化规律，旨在为青海湖及其周边地区，以及与其环境条件相类似的其他地区，开展植物固土护坡和防风固沙等方面的进一步研究和应用提供理论支撑依据。

1 研究区自然概况

研究区位于青藏高原东北部的青海海北藏族自治州刚察县东北部地区，属高原大陆性气候，日照时间长，昼夜温差大；年降水量为371 mm，年蒸发量为1 729 mm[20]。区内气候冬季寒冷、夏秋温凉，其中1月份的平均气温为-14.8 ℃，年平均气温为-1.7 ℃[21]。研究区北部地区高山连绵，南部则相对低缓，整体地域相对宽广。平均海拔为4 150 m，绝大部分地区海拔在3 800 m以上，海拔最高为4 800 m[21]。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验材料分别为采集于青海湖北岸自然生长区的醉马草〔Achnatheruminebrians(Hance) Keng〕、紫花针茅(StipapurpureaGriseb.)、羊茅(FestucaovinaL.)，沙漠生长区的赖草〔Leymussecalinus(Georgi) Tzvel.〕、驼绒藜〔Ceratoideslatens(J.F.Gmel.) Reveal et Holmgren〕和315国道种植区的垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)、早熟禾(PoaannuaL.)，共7种优势草本植物的根系，对其进行室内单根拉伸和剪切试验。

2.2 试验装置

拉伸和剪切试验仪采用上海衡翼精密仪器有限公司生产的HY-0580微机控制电子万能材料试验机，其工作原理主要是通过工作系统中的力和位移传感器来记录试验过程中试样的抗拉力和抗剪力大小。单根拉伸和剪切试验的过程中，传感器将测得的数据反馈至数据采集系统，通过计算机软件对数据进行处理后即可得到单根抗拉力或单根抗剪力，同时绘制出相应的植物单根抗拉力、抗剪力与根径之间的关系曲线。

2.3 试验方法

采用原位挖掘采样的办法，在拉伸试验中，首先将植物根系剪至根长约15 cm，尽可能选择顺直且表面完好的根系；然后采用游标卡尺在待测的根段上选取3个部位分别测量其根径，取平均值作为该根段的根径(D)，并将数据输入计算机软件中。单根拉伸试验开始时，通过调节升降按钮使夹具间距为10 cm，然后将根系两端夹持于夹具间并拧紧固定。试验过程中，为了合理地避免单根在受力时出现打滑现象，采用在夹具两端粘贴胶片、缠绕和添加柔性物质等方法来增大根系与夹具间的摩擦，使单根受到拉伸力直至其被拉断为止[22]。在进行单根剪切试验时，将试样穿过剪切装置中的小孔对根系试样进行剪切。若试验过程中试样未完全被剪断则不计入有效数据，重新进行剪切试验。每种试验材料各重复20～30次拉伸和剪切试验。

3 结果分析

3.1 单根抗拉力和抗拉强度与根径的关系

3.1.1 自然生长区植物

青海湖北岸自然生长区醉马草、紫花针茅、羊茅等3种草本植物单根拉伸试验结果见表1和图1、2。由表1可知，区内3种草本植物的平均根径由大至小依次为醉马草、紫花针茅、羊茅，3种植物单根的平均抗拉力由大至小依次为醉马草、紫花针茅、羊茅。同时，由图1可知，3种植物的单根抗拉力均随其根径的增加而增大，单根抗拉力与其根径均符合幂函数关系。

表1 青海湖北岸自然生长区草本植物单根拉伸试验结果

图1 自然生长区草本植物单根抗拉力与其根径的关系

图2 自然生长区草本植物单根抗拉强度与其根径的关系

此外，该区内的3种草本植物单根平均抗拉强度由大到小依次为紫花针茅(58.799 MPa)、羊茅(35.514 MPa)、醉马草(28.342 MPa)，每种植物的单根抗拉强度均表现出随其根径的增大而减小的变化规律，且单根抗拉强度与其根径呈幂函数关系(图2)。该结果与李光莹等[11]、朱海丽等[15]、李谦等[23]诸多学者对四翅滨藜〔Atriplexcaneseens(Pursh) Nutt.〕等4种灌木和1种绿竹属(Dendrocalamopsis)植物进行拉伸试验后所得出的单根抗拉强度与根径之间关系的结论一致。

3.1.2 沙漠生长区自然生长植物

青海湖北岸沙漠生长区内自然生长的草本植物主要为赖草和驼绒藜，其单根拉伸试验结果见表2和图3、4。由表2可知，单根平均抗拉力赖草是驼绒藜的2.9倍。由图3可知，赖草和驼绒藜的单根抗拉力均随其根径的增加而增大，且单根抗拉力与其根径之间均符合指数函数关系。驼绒藜单根抗拉力随根径的增加增长幅度相对较小，而赖草在根径小于0.35 mm时单根抗拉力增长幅度较小，当根径继续增大时增长幅度变大。

表2 青海湖北岸沙漠生长区自然生长植物单根拉伸试验结果

图3 沙漠生长区草本植物单根抗拉力与其根径的关系

图4 沙漠生长区草本植物单根抗拉强度与其根径的关系

此外，由表2、图4可知，赖草单根平均抗拉强度大于驼绒藜，约为驼绒藜的2.22倍，且2种草本植物的单根抗拉强度与其根径均符合幂函数关系。通过对单根抗拉力和抗拉强度的分析可知，赖草的单根抗拉性能较驼绒藜强，因此赖草增强边坡土体抗拉强度的效应显著于驼绒黎。

3.1.3 315国道种植区植物

青海湖北岸315国道种植区内的植物主要为垂穗披碱草和早熟禾等2种草本，其单根拉伸试验结果见表3和图5、6。通过试验测得垂穗披碱草的单根平均抗拉力为2.282 N，较早熟禾大0.938 N。由图5、6可知：早熟禾的单根抗拉力和抗拉强度与其根径均呈幂函数关系；垂穗披碱草的单根抗拉力与其根径呈指数函数关系，单根抗拉强度与其根径呈幂函数关系。垂穗披碱草单根平均抗拉强度小于早熟禾，这也在一定程度上说明早熟禾固土护坡力学贡献相对显著于垂穗披碱草。

表3 青海湖北岸315国道种植区草本植物单根拉伸试验结果

图5 315国道草本植物单根抗拉力与其根径的关系

图6 315国道草本植物单根抗拉强度与其根径的关系

3.2 单根抗剪力和抗剪强度与根径的关系

3.2.1 自然生长区植物

青海湖北岸自然生长区3种草本植物单根剪切试验结果见表4和图7、8。由表4可知，羊茅、紫花针茅、醉马草的平均根径依次增大，且随根径的增加其单根平均抗剪力亦表现出增大的规律。由图7可知，根径0.16～0.60 mm范围内，醉马草的单根抗剪力随根径的增长幅度相对较大，其次为紫花针茅、羊茅；另外，醉马草和紫花针茅的单根抗剪力与其根径呈幂函数关系，羊茅的单根抗剪力与其根径呈指数函数关系。

表4 青海湖北岸自然生长区草本植物单根剪切试验结果

图7 自然生长区草本植物单根抗剪力与其根径的关系

图8 自然生长区草本植物单根抗剪强度与其根径的关系

由表4和图8可知，区内3种草本植物单根平均抗剪强度由大至小依次为紫花针茅、羊茅、醉马草，且3种植物的单根抗剪强度均随其根径的增大而减小，羊茅和紫花针茅单根抗剪强度与其根径均呈幂函数关系，醉马草单根抗剪强度与其根径呈指数函数关系。

3.2.2 沙漠生长区自然生长植物

青海湖北岸沙漠生长区2种草本植物单根剪切试验结果见表5和图9、10。由表5和图9可知，区内驼绒藜的平均根径大于赖草，但赖草的单根平均抗剪力大于驼绒藜，2种植物的单根抗剪力均随其根径的增加而增大，且2种植物的单根抗剪力与其根径均呈幂函数关系。

表5 青海湖北岸沙漠生长区自然生长草本植物单根剪切试验结果

图9 沙漠生长区草本植物单根抗剪力与其根径的关系

图10 沙漠生长区草本植物单根抗剪强度与其根径的关系

由表5和图10可知，2种植物的单根抗剪强度均随其根径的增大而减小，赖草的平均抗剪强度显著大于驼绒藜；驼绒藜单根抗剪强度与其根径之间呈幂函数关系，赖草则符合指数函数关系。

3.2.3 315国道种植区植物

青海湖北岸315国道种植区2种草本的单根剪切试验结果见表6和图11、12。由表6和图11可知，单根抗剪力与其根径之间呈正相关关系，单根平均抗剪力垂穗披碱草大于早熟禾，垂穗披碱草的单根抗剪力与其根径之间符合幂函数关系，早熟禾的单根抗剪力与其根径之间呈指数函数关系。

表6 青海湖北岸315国道种植区草本植物单根剪切试验结果

图11 315国道草本植物单根抗剪力与其根径的关系

图12 315国道草本植物单根抗剪强度与其根径的关系

由表6和图12可知，2种草本植物的单根抗剪强度均随其根径的增大而减小，早熟禾的单根平均抗剪强度较垂穗披碱草大，早熟禾的单根抗剪强度与其根径符合幂函数关系，垂穗披碱草的单根抗剪强度与其根径符合指数函数关系。

4 结 论

(1)自然生长区3种草本植物单根平均抗拉力和平均抗剪力由大至小均为醉马草、紫花针茅、羊茅，沙漠生长区自然生长草本植物单根平均抗拉力和平均抗剪力由大至小均为赖草、驼绒藜，315国道种植区草本植物单根平均抗拉力和平均抗剪力由大至小依次为垂穗披碱草、早熟禾。7种草本植物的单根平均抗拉力和平均抗剪力均表现出相同的变化规律，即单根平均抗拉力相对较大的草本其单根平均抗剪力亦相对较大；单根抗拉力和抗剪力均与其根径呈幂函数或指数函数关系，且均随根径的增加而增大。

(2)自然生长区3种草本植物单根平均抗拉强度和平均抗剪强度由大至小依次为紫花针茅、羊茅、醉马草，沙漠生长区自然生长草本植物单根平均抗拉强度和平均抗剪强度由大至小依次为赖草、驼绒藜，315国道种植区草本植物单根平均抗拉强度和平均抗剪强度由大至小依次为早熟禾、披碱草。单根平均抗拉强度较强的草本植物其单根平均抗剪强度亦较强；单根抗拉强度与其根径呈幂函数关系，单根抗剪强度与其根径呈幂函数或指数函数的关系。

(3)自然生长区紫花针茅单根平均抗拉强度和平均抗剪强度均大于羊茅和醉马草；沙漠生长区自然生长的赖草单根平均抗拉力和平均抗剪力均大于驼绒藜，且其单根平均抗拉强度和平均抗剪强度亦较驼绒藜大；315国道种植区的早熟禾单根平均抗拉强度和平均抗剪强度均略大于垂穗披碱草。由此分析可知，区内紫花针茅、赖草和早熟禾这3种草本植物根系强度相对较高，可起到较好的固土护坡作用。

[1] 徐中华,钭逢光,陈锦剑,等.活树桩固坡对边坡稳定性影响的数值分析[J].岩土力学,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] 杨旸,字淑慧,余建新,等.植物根系固土机理及模型研究进展[J].云南农业大学学报：自然科学版,2014,29(5):759-765.

[4] 杨永红,刘淑珍,王成华,等.浅层滑坡生物治理中的乔木根系抗拉试验[J].水土保持研究,2007,14(1):138-140.

[5] 胡夏嵩,陈桂琛,周国英,等.青藏铁路沱沱河段路基边坡植物护坡根系力学强度试验研究[J].水文地质工程地质,2012,39(1):107-113.

[6] 李国荣,胡夏嵩,毛小青,等.青藏高原东北部黄土区草本与灌木植物根-土相互作用力学机理及其模型研究[J].中国水土保持,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] 王晓梅,陈建平,周云艳.植物根系抗拉试验研究[J].安徽农业科学,2009,37(32):15688-15691.

[11] 李光莹,虎啸天,李希来,等.黄河源玛沁地区高寒草地植物固土护坡的力学效应[J].山地学报,2014,32(5):550-560.

[12] 冯国建,沈凡,王世通.护坡植物根系分布特征及抗拉强度研究[J].重庆师范大学学报,2013,30(2):115-118.

[13] 李贺鹏,岳春雷,赵广琦,等.中亚热带常绿阔叶林中主要灌木根系力学特性[J].西北林学院学报,2010,25(5):33-36.

[14] 赵丽兵,张宝贵.紫花苜蓿和马唐根的生物力学性能及相关因素的试验研究[J].农业工程学报,2007,23(9):7-12.

[15] 朱海丽,胡夏嵩,毛小青,等.青藏高原黄土区护坡灌木植物根系力学特性研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(增刊2):3445-3452.

[16] 胡夏嵩,陈桂琛,周国英,等.青藏铁路沱沱河取土场草本植物固土力学强度与化学元素含量特征[J].冰川冻土,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] 张兴玲,胡夏嵩,李国荣,等.青藏高原东北部黄土区灌木幼林根系护坡时间效应[J].农业工程学报,2012,28(4):136-141.

[19] 张兴玲,胡夏嵩,毛小青,等.青藏高原东北部黄土区护坡灌木柠条锦鸡儿根系拉拔摩擦试验研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(增刊2):3739-3745.

[20] 张兴玲,胡夏嵩.寒旱环境柠条锦鸡儿根系的力学群根效应[J].湖北农业科学,2014,53(19):4632-4637.

[21] 王长庭,王根绪,刘伟,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过程中的变化[J].生态环境学报,2012,21(3):409-416.

[22] 张云伟,惠尚,卜晓磊,等.3种散生竹的单根抗拉力学特性[J].林业科学,2013,49(7):183-187.

[23] 李谦,周本智,安艳飞,等.绿竹根系分布及生物力学性质[J].应用生态学报,2014,25(5):1319-1326.

(责任编辑 徐素霞)

国家自然科学基金资助项目(41162010，41572306)；青海省自然科学基金资助项目(2014-ZJ-906)；长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室开放基金资助项目(CHD2011SY016)

S157

A

1000-0941(2017)04-0044-05

贺振昭(1994—)，女，湖北荆州市人，学士，主要从事地质工程等方面的研究工作；通信作者胡夏嵩(1965—)，男，河南开封市人，教授，博士，主要从事环境岩土工程与工程地质等领域的教学和研究工作。

2016-07-19