黄河源区不同水文期护岸植物根系抗拉拔研究

2021-06-16李本锋朱海丽谢彬山罗露瑶李国荣

人民黄河 2021年6期

李本锋，朱海丽，谢彬山，罗露瑶，张珂，李国荣

（青海大学地质工程系，青海西宁810016）

植物根系对其分布范围内的土体具有加筋和锚固作用［1-3］。植物根系的抗拔强度是表征其固土作用的一个重要指标，国内外学者对部分植物的单根抗拔力、抗拔强度的研究表明，植物根系抗拔力随着根径的增大而增大，抗拔力与植物生物学性质、土壤含水率等因素有关［4-13］。高鹏等［14］对不同生育期小麦根系固土力进行原位测定，得出不同生育期小麦根系固土力大小为成熟期＞抽穗期＞分蘖期；郑明新等［15］对不同生长期多花木兰根系抗拉和抗拔进行了试验，认为不同生长期多花木兰根系的抗拔力随着生物指标的增大而增大。由此可见，不同时期土壤含水率及根系自身含水率存在差异、根系活性不同，对根土界面的摩擦强度影响较大，从而导致根系抗拔强度发生变化。笔者在黄河源区弯曲河流兰木错曲选择优势高寒草甸植物华扁穗草、线叶嵩草、金露梅，进行原位单根拉拔试验，对植物根系在不同水文期的抗拉拔能力及变化规律进行研究，以期为黄河源区弯曲河流滨河护岸植物的选择和崩岸机理研究提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于青海省东南部黄南藏族自治州河南县城以南约46 km处，海拔3 400～4 200 m，属高原亚寒带湿润气候区。植被以高寒草甸为主，以寒冷中生、湿中生多年生草本植物密丛短根茎嵩草为建群种或优势种，草丛低矮，层次结构简单，群落覆盖度大、物种组成丰富，具有较厚的草结皮层［16］。河岸带的草本植物以华扁穗草、线叶嵩草和垂穗披碱草为主，灌木种以金露梅、银露梅和西藏沙棘为主［17］。据对2001—2015年气象资料统计及实地调查，每年6—8月气温为8～10℃、降水量为70～140 mm，将此时期称为涨水期；9—11月气温为6～7℃、降水量为50～100 mm，将此时期称为落水期；12月至次年5月气温为-7～-5℃、降水量为4～13 mm，寒冷干燥且多为大风天气，将此时期称为枯水期。3个试验时段（2018年4月、7月和2017年10月）平均降水量分别为24.27、114.48、39.31 mm。

2 试验概况

为了对比分析研究区不同水文期河岸带优势护岸植物根系抗拔能力的差异，于2017年10月（落水期）、2018年4月（枯水期）和7月（涨水期）选取华扁穗草、线叶嵩草和金露梅生长正常的区域作为原位试验点，3种优势植物试验点依次分布在连续弯曲河流凹岸弯顶附近（如图1所示，距离凹岸岸边水平距离为1.0～1.5 m）。采取挖掘剖面法获得3种植物的根系，剖面尺寸均为1.5 m×0.5 m（宽×深），取样深度为地表以下5～15 cm，选取出露且表皮完好的根系作为试验材料进行原位拉拔试验。在挖掘剖面选取根系试样的同时，用环刀制取原状土样，测定河岸土体的颗粒级配及含水率、密度等指标，其中颗粒级配采用筛分法测定、含水率采用烘干法测定、密度采用环刀法测定；测量河流有关参数（其中3个试验点平均流速分别为1.1、0.8、1.4 m/s，平均水深分别为0.83、0.55、0.98 m）。各项指标均测量3次，取平均值。

图1 试验点位置示意

原位单根抗拉拔试验所用仪器为乐清市艾德堡仪器有限公司生产的HP-500数显式推拉力计，最大负荷值为500 N，示值误差为±0.5%。在野外选取剖面处，用毛刷对剖面表层浮土进行清除，使植物根系外露出来，剪除在剖面出露根系长度超过6 cm的部分，用游标卡尺分别测量根系出露长度为1、3、5 cm处的根径；然后在出露长度为3～5 cm处用夹具夹紧根系，连接拉力计，匀速施加拉力直至根系被拉断或拔出，记录根系被拉断或拔出时的力，并测量拔出位移。根据所测的最大单根抗拔力，计算植物单根抗拔强度，计算公式［8］为

式中:P为单根抗拔强度，MPa；F为单根抗拔力，N；D为单根根径，mm。

为了确保试验数据的代表性和试验结果的准确性，每组试验重复80～100次，并选取试验中受拉拔根系断裂部位在根段中间的样本作为有效样本，采用Excel2007进行数据处理和分析，采用SPSS21.0对数据进行单因素方差分析。

3 试验结果分析

3.1 河岸带土体和根系特性

河岸带土体均为粉土，不同水文期土体物理指标见表1，可以看出:各水文期3种植物根-土复合体密度变化范围为1.21～1.75 g/cm3，含水率变化范围为47.30%～79.91%；3种植物根-土复合体密度在3个水文期呈现相似的变化规律，即枯水期＞涨水期＞落水期；含水率从枯水期到落水期，呈逐渐增大的变化趋势，其中线叶嵩草根-土复合体增幅最大。

表1 各水文期河岸带土体物理指标

研究区3种护岸植物在不同水文期的单根抗拉拔试验结果见表2，可以看出，3种植物的拔断根径在0.43～1.64 mm范围内，其中线叶嵩草的拔断根径相对较小。对比3种护岸植物根系在3个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涨水期的，金露梅的拔出位移显著大于华扁穗草和线叶嵩草的。

表2 3种护岸植物根系在不同水文期的抗拉拔指标

在进行原位单根抗拉拔试验过程中发现，随着拉力逐渐增大，根系有两种不同的拔出模式:第一种是根系逐渐从土体中被拔出，即整个过程不发生断裂现象；第二种是拉力达到根系的最大抗拉力而发生断裂。有关研究［10，13，18］表明，根系在受到拉拔力作用时，在根土界面产生摩擦力阻止根系拔出，当作用在单根的拉力大于根土界面摩擦力但小于单根抗拉力时，根系会被完整拔出；当作用在单根的拉力小于根土界面摩擦力但大于单根抗拉力时，根系会被拉断而拔出。现场试验表明，从枯水期到涨水期再到落水期，研究区3种植物拔出根系占比依次增大、拔断根系占比依次减小，其中金露梅根系在落水期拔出占比最大，达到45%。

3.2 不同水文期植物根系抗拔特性

3种优势植物根系的单根抗拔力F、抗拔强度P与根径D的拟合方程见表3（其中R2为相关系数），可以看出单根抗拔力与根径呈幂函数正相关关系、单根抗拔强度与根径呈幂函数负相关关系，该结果与张超波等［1］、李绍才等［19］的研究结果一致。

表3 植物根系的单根抗拔力、抗拔强度与根径的拟合方程

由图2和表2可知，在试验根径范围内，相同根径情况下枯水期的抗拔强度最大，平均单根抗拔强度:华扁穗草为（25.76±12.69）MPa，线叶嵩草为（51.01±17.53）MPa，金露梅为（32.19±8.40）MPa。

图2 不同水文期植物单根抗拔强度与根径的关系

不同植物的根系具有不同的抗拉拔特征，其中:华扁穗草根径＜0.8 mm时随根径增大，抗拔强度快速下降，根径＞0.8 mm时随根径增大抗拔强度减小幅度逐渐降低；线叶嵩草根径＜0.5 mm时随根径增大抗拔强度快速下降，当根径＞0.5 mm时随根径增大抗拔强度减小幅度逐渐降低；金露梅根径＜1 mm时随根径增大抗拔强度快速下降，当根径＞1 mm时随根径增大抗拔强度减小幅度逐渐降低。试验结果表明，根径较小时抗拔强度变化幅度较根径较粗时大。

采用单因素方差分析法分析同一植物根系抗拔强度在不同水文期的差异显著性，结果见表2，可以看出，华扁穗草、线叶嵩草、金露梅3种植物根系的平均抗拔强度在3个水文期具有显著性差异，说明不同水文期植物根系的抗拔强度存在显著差异。

从枯水期到涨水期再到落水期，研究区河岸带3种优势护岸植物试验点的土壤含水率均呈逐渐增大趋势，其单根平均抗拔强度随着土壤含水率的增大而减小，该结果与夏振尧等［20］、王桂尧等［12］的研究结果一致。不同水文期土壤含水率及根系自身含水率存在差异，根系活性也不同，从而使根土界面的摩擦力产生差异，进而使其抗拔强度、拔出位移也存在差异。在落水期，河岸带根-土复合体含水率较大，其根土间摩擦作用较弱，根系自身的抗拉性不能完全发挥，因此落水期河岸带根-土复合体的抗拉性能较弱，河岸崩塌现象相对频繁。在枯水期，土壤含水率相对较小，根系自身含水率亦相对较小，土颗粒间胶结、咬合作用变强，根系与土壤之间的摩擦力较大，因此单根抗拔力变大，而拔出位移相对较小；在涨水期和落水期，降雨量明显增大，土体含水率增大，土颗粒表面结合的水膜慢慢变厚，致使胶结作用减弱，根系与土壤之间摩擦力减小、黏聚力降低［13］，从而使得根系更容易被拔出，拔出位移相对增大。当植物单根的抗拔强度减弱时，单位面积内根系对土体的增强作用相应减小，河岸稳定性降低。此外，不同水文期植物根系的木质化程度与其抗拉特性变化也可能存在一定的关系，对此有待深入研究。

3.3 同一水文期不同植物根系抗拔特性

由图3（a）和表2可知，在同一水文期3种优势护岸植物单根平均抗拔力大小顺序为金露梅＞华扁穗草＞线叶嵩草。由图3（b）和表2可知:在落水期，3种优势护岸植物单根平均抗拔强度大小顺序为金露梅＞线叶嵩草＞华扁穗草；在枯水期和涨水期，3种优势护岸植物单根平均抗拔强度大小顺序为线叶嵩草＞金露梅＞华扁穗草。试验结果表明，金露梅和线叶嵩草根系的力学强度较华扁穗草的高。