热水河小流域香薷根系力学性能分析

王昊宇, 薛雷*, 丁昊, 魏潇, 李龙飞, 步丰畅

(1.中国科学院地质与地球物理研究所， 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室， 北京 100029；2.中国科学院地球科学研究院， 北京 100029； 3.中国科学院大学地球与行星科学学院， 北京 100049；4.中国地质大学(北京)工程技术学院， 北京 100083； 5.华北水利水电大学地球科学与工程学院， 郑州 450046)

中国脱贫攻坚成果举世瞩目，但如何防止因灾返贫需引起重视，特别是对于地质灾害易发的地区。例如，四川省凉山彝族自治州国家级贫困县喜德县，于2020年成功摘帽脱贫[见四川省人民政府印发《关于批准普格县等7个县退出贫困县的通知》(川府函〔2020〕227号)]，但其所处区域地质灾害较为发育，如安宁河冕宁至西昌段发育有415处滑坡，滑坡密度为17.6处/100 km2，滑坡最密集的区域密度达87处/100 km2，中高危险性滑坡约占90%[1]，当外界激发条件足够时(如地震、降雨、人工扰动等)，极易诱发山体滑坡等地质灾害，给当地居民的生命财产带来威胁。在这种背景下，针对山体滑坡等地质灾害的防护加固，除了常规的岩土措施外，如何最大限度挖掘山区植被自身的生态护坡性能近年来已受到越来越多的关注。

诸多研究表明：植被在提高边坡稳定性方面可发挥一定作用[2]，其力学效应主要表现为植被根系的抗拔力和抗拉力两方面。

就植被根系抗拔力而言，研究表明根径[3]、根长[4-5]、根系形态[6]、土壤含水率[4-5]、根-土接触面积[7]、上覆载荷[7]等因素对植被根系的抗拔力有一定影响，如Ji等[3]对河北省北沟林场的油松进行了原位拉拔试验，结果表明根系最大锚固力与根径呈线性正相关关系，随根系埋置长度增加而增大，随加载速率增加而增大；Zhang等[5]对山西太原附近的沙棘进行了原位拉拔试验，结果表明根-土界面最大拔出力与土壤含水量和根径均呈幂函数关系，与总根长呈线性关系；常婧美等[6]对湖南长沙理工生态防护试验区的红叶石楠进行根系抗拔力研究，结果表明根系形态与含水率是影响根系抗拔力的关键因素；张文豪等[7]对长沙市的薄叶山矾进行根土作用力影响规律研究，结果表明根系有须根时的最大抗拔力大于无须根时的最大抗拔力，根土间摩擦力随上覆荷载的增加而增加。不难看出，以往研究多聚焦于植被根系抗拔力，而鲜有研究将原位抗拔力与地上生长量指标建立联系。

就植被根系抗拉力而言，研究表明植物种类[8]、根吸力[9]、株距[10]、根径[8,11-12]、根系化学成分和微观结构[13-14]、相同横截面积下的根数[15]、根系含水率[9, 16-17]、根长[18]、试验加载速度[18]等因素对植被根系的抗拉力有一定影响，如Ni等[10]研究了株距对鹅掌藤根系抗拉强度的影响，结果表明株距较小的植株具有较高的根系面积比和较低的根系抗拉强度；李长暄[14]研究发现白桦、蒙古栎、油松的根系极限抗拉力均随木纤比(木质素与纤维素含量的比值)增大而减小；Melese等[18]研究发现根径与根系抗拉强度呈幂函数负相关，根系含水率与根系抗拉强度呈轻度负相关关系，根长与根系抗拉强度呈显著线性负相关关系，而试验加载速率对根系抗拉强度影响并不显著；嵇晓雷等[19]对夹竹桃进行根系力学性能研究，发现夹竹桃单根极限抗拉力随根径增大而增大，根系抗拉强度随根径增大而减小。不难看出，以往研究大多针对植被单根抗拉力的某个影响因素开展研究，而系统探究各项影响因素的研究较少。

综上所述，前人已针对植被根系力学性能做了不少研究，丰富了人们的认识。然而，鲜有研究同时针对植被根系原位抗拔力与室内单根抗拉力开展系统研究，且鲜有学者将草本植物根系原位抗拔力与其各项生长量指标建立联系。鉴于此，现以四川省凉山彝族自治州喜德县境内的热水河流域常见植被香薷为研究对象，旨在通过对其根系力学性能和生长量指标等进行系统测试分析，查明香薷原位抗拔力与各项生长量指标之间的相关性，揭示香薷根径、根长和根系含水条件对香薷室内单根抗拉力的影响规律，以期为山区小流域植被生态护坡和水土保持研究提供科技支撑。

1 研究区概况

研究区位于四川省凉山彝族自治州喜德县热水河小流域，地理坐标为102°9′E～102°23′E，28°3′N～28°13′N，海拔高度1 552～3 432 m，地形以中山为主，地势具有北高南低的特点，区内四面环山，群山矗立，沟壑纵横[图1(a)]，流域内主要出露有第四系、新近系、白垩系、侏罗系、三叠系和震旦系的地层[图1(b)][20]，年平均气温为17.1 ℃，年平均降雨量为1 006 mm，且大雨、暴雨及其引发的地质灾害主要集中在6—9月，年平均降雨量大于年平均蒸发量，属于亚热带高原季风性气候，具有冬季干旱、夏秋多雨等特点[21-23]，流域内乔木、灌木及草本均有发育[图1(c)]，其中乔木主要为松树和桉树，灌木以花椒树为主，草本包括香薷、艾、紫茎泽兰、马尼拉草、苣荬菜、鸡眼草和积雪草等。

以热水河小流域常见的香薷为研究对象，具体试验区位于热水河小流域分叉沟的右沟沟头(地理坐标为102°16′21″ E，28°7′1″ N，如图1(a)所示。

图1 热水河小流域卫星影像图、地质图与地表覆盖类型图Fig.1 Satellite image map,geological map and land cover type map in the small watershed of Reshui River

2 试验方法

2.1 野外原位拉拔试验方法

野外原位拉拔试验采用艾德堡HP-500型高精度数显推拉力计(图2)，其量程为0～500 N，精度为0.1 N，可直接记录存储拉拔过程中的拉力数据变化。具体测试过程如下：首先随机选择试验区生长正常的香薷，将拉力计夹具夹持在其地径附近位置，固定牢靠，然后通过拉力计手柄对植株施加竖直向上的力，当植物根系被全部拔出地面时，该组试验完成。为避免夹具脱落及根系断裂，整个试验过程所施加拉力尽可能缓慢增大，同时为减少干扰、最大可能确保植株被顺利拔出，可在试验前将植株茎部以上部分剪除以方便试验。

2.2 室内单根拉伸试验方法

本次室内测试仪器采用前述艾德堡HP-500型高精度数显推拉力计，测试时使用两个夹具：第一个夹具的一端与拉力计相连，以传输拉伸过程中的拉力值，另一端夹住根系的一端；第二个夹具的一端夹住根系的另一端，夹具另一端固定(图3)。具体测试过程如下：首先，选取剪切好的固定长度和含水条件的根系，测量根系两端及中部根径，取平均值作为该根系的平均根径；其次，用夹具将根系两端夹紧，初始状态要保证根系不受拉力亦不弯曲；之后启动拉力计的数据记录系统，将拉力计沿根系延伸方向匀速缓慢拉离，保证试验过程中根系不发生滑动；最后，当根系被拉断时，观察根系断裂位置，若其临近夹具，则根系的断裂可能受到夹具影响，不符合试验要求，重复上述操作；若其位于根系中部位置，则储存试验数据与拉力-位移变化曲线。

图2 野外原位拉拔试验示意图Fig.2 Schematic diagram of in-situ pull-out test

图3 室内单根拉伸试验示意图Fig.3 Schematic diagram of indoor single root tensile test

3 结果与分析

3.1 香薷原位抗拔力测试结果与分析

在使用艾德堡HP-500型高精度数显推拉力计对香薷进行原位拉拔试验前后，采用激光测距仪、卷尺和游标卡尺，先后测量了香薷的株高、冠幅、地径和根长、根幅5项生长量指标，其中株高为植株地径至植物最高点的垂直距离，冠幅指同一水平面上冠丛所组成椭圆长轴与短轴的平均值，地径为植物在与地面交界处的直径，根长指植物最长根系至地径的距离，根幅指植物根系在地下同一水平面上最大延伸范围所组成椭圆长轴与短轴的平均值。

图4 香薷原位抗拔力与不同生长量指标关系图Fig.4 Relationship between in-situ pull-out resistance and different growth indexes of Elsholtzia

对15株香薷进行了有效测试，采用多种拟合方法(线性、多项式、指数、对数和乘幂)对香薷原位抗拔力与其不同生长量之间的相关性进行统计(图4)，结果表明无论采用何种拟合方法，其相关性均不高，推测可能主要是由于样本数量过小所致，亦或是香薷原位抗拔力与其不同生长量之间相关性原本就不显著。

为进一步探究该问题，揭示香薷株高、冠幅、地径、根长和根幅对其原位抗拔力的影响程度，引入灰色关联分析法开展分析，该方法仅需要少量代表性样本，根据因素间发展趋势的相似程度即可衡量其关联程度[24-26]。

根据关联度计算方法知，系统行为特征序列和相关因素序列可分别表示为

X0={x0(1),x0(2),…,x0(n)}

(1)

Xi={xi(1),xi(2),…,xi(n)}，i=1,2,…,m

(2)

式中：n为每个序列包含的数据个数；m为相关因素序列的个数。

以香薷原位抗拔力作为系统行为特征序列，则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、地径、根长和根幅5项生长量指标作为相关因素序列，则Xi可表示为如表1所示。

根据关联度计算方法知，在进行关联度计算时需首先通过均值化处理方法对相关数据列进行无量纲化处理，即

k=1,2,…,n;i=1,2,…,m

(3)

根据关联度计算方法知，系统行为特征序列X0与相关因素序列Xi之间关联度γ0i的计算公式为

ρmin|x′0(k)-x′i(k)|max]，

k=1,2,…,n;i=1,2,…,m

(4)

式(4)中：ξ0i为关联系数；ρ为分辨系数，通常取0.5。

如此，可计算出香薷原位抗拔力与株高、冠幅、地径、根长、根幅之间的关联度(表3)，结果表明：香薷原位抗拔力与根幅关联度最大，与根长关联度次之，地径、冠幅和株高再次之。

综上可知，香薷原位抗拔力与其地下部分生长量指标(根幅与根长)之间具有较强相关性，通过后者表征根系抗拔力更具可信度。考虑到根幅与根长均位于地下，测量不便，亦可采用灰色关联分析法探明香薷地上部分(株高、冠幅、地径)与地下部分(根长、根幅)生长量指标的相关性，即分别以香薷的根长和根幅作为系统行为特征序列，求其他参数与之关联度。结果表明：香薷根长与株高、冠幅、地径、根幅之间关联度依次为0.759、0.636、0.622和0.712，即根长与株高关联性最强；香薷根幅与株高、冠幅、地径、根长之间关联度依次为0.757、0.763、0.658和0.756，即根幅与冠幅关联性最强。换言之，可通过香薷地上部分株高和冠幅分别表征其地下部分根长和根幅(图5)，进而间接估算其原位抗拔力。

表1 影响香薷原位抗拔力的相关生长量指标实测原始数据

表2 香薷生长量指标实测原始数据的无量纲化处理结果

表3 香薷原位抗拔力与不同生长量指标之间的关联度

图5 香薷冠幅与根幅、株高与根长关系图Fig.5 Relationships of crown breadth versus root breadth and plant height versus root length of Elsholtzia

3.2 香薷室内单根抗拉力测试结果与分析

对不同根径、不同长度和不同含水条件的香薷根系共进行了125组室内单根抗拉力测试，旨在分析这3个因素对香薷室内单根抗拉力的影响程度。其中，根径未进行人为分级；根系长度设置了5、10、15 cm 3个等级，分别测试了44、45、36组；根系含水条件设置了浸泡根系、自然根系和干燥根系3种类型，分别测试了36、45、44组。浸泡根系是指将野外采集的根系，完全浸泡到纯净水中，待试验时取用；自然根系是指将野外采集的根系，直接装入密封袋，保持其天然含水率，待试验时取用；干燥根系是指将野外采集的根系，静置一定时间使其根系内水分自然蒸发，待试验时取用。

3.2.1 香薷室内单根抗拉力与其根径关系

图6为香薷室内单根抗拉力与其根径之间的关系，可以看出：在根长和含水条件固定时，香薷室内单根抗拉力与根径呈现正相关关系，且总体可采用f(x)=axk乘幂函数刻画。上述认识与前人研究结果类似，如吕春娟等[27]研究指出油松、蒙古栎、白桦、落叶松和榆树5种乔木根系的单根抗拉力和根径之间关系均符合乘幂关系；Zhang等[17]研究表明阿尔泰狗娃花和早熟禾两种草本植物的单根抗拉力和根径之间关系亦均可采用乘幂关系刻画。

3.2.2 香薷室内单根抗拉强度与其根长关系

研究根长对香薷根系抗拉力影响时，为消除根径不同造成的影响，故将香薷室内单根抗拉力除以根系横截面积，转化为分析香薷室内单根抗拉强度与根长关系。由图7可知：全部根系(不区分含水条件)、浸泡根系、自然根系的室内单根平均抗拉强度总体均随根长增长而降低，这与前人研究一致，如姚环等[28]研究指出香根草根系抗拉强度随根长增长而降低；苑淑娟[15]研究表明柠条、沙柳、沙地柏和白沙蒿4种植物的抗拉强度均呈现随根长增长而减小的趋势。造成上述这种规律的原因容易理解，即在进行室内单根抗拉力测试时，根系任意横截面受力大小相同，但由于根系任意截面的形状和面积大小存在一定差异，使得根系任意截面所承受的拉伸应力并非一致，截面积小的位置往往由于所承受拉伸应力较大，从而易于超过其拉伸强度而发生断裂，根系越长其截面积出现差异的概率越大，从而在拉伸过程中更易发生断裂，这点与Zhang等[29]的研究观点一致。值得注意的是，干燥根系的室内单根平均抗拉强度随根长增长呈现增大趋势，与上述规律恰好相反，推测可能是由于根系脱水导致木质素、纤维素等物质的成分、含量、微观结构等发生变化，进而引起干燥根系的力学性能发生改变。

图6 香薷室内单根抗拉力与其根径关系Fig.6 Relationship between indoor single root tensile force and root diameter of Elsholtzia

图7 香薷室内单根抗拉强度与其根长关系Fig.7 Relationship between indoor single root tensile strength and root length of Elsholtzia

3.2.3 香薷室内单根抗拉强度与其根系含水条件关系

研究含水条件对香薷根系抗拉力影响时，亦转化为分析香薷室内单根抗拉强度与含水条件之间的关系。由图8可知：全部根系(不区分根长)、5、10与15 cm根长的室内单根平均抗拉强度总体均呈现干燥根系>自然根系>浸泡根系，即香薷室内单根平均抗拉强度随根系含水率的降低而增大，该结果与前人研究一致，如李会科等[16]研究指出地梗花椒根系抗拉强度表现为干根>带土根>湿根；Zhang等[17]研究表明阿尔泰狗娃花和早熟禾两种草本植物的根系抗拉强度与根系含水量呈线性负相关关系；Yang等[30]研究发现白桦、蒙古栎、油松和落叶松4个树种的根系含水量损失至一定程度时，其抗拉强度会提高4.59%～48.18%。造成上述这种规律的原因，参考Hales等[31]的观点，其认为是由于随着根系含水率的上升，积累于细胞壁中的结合水会增多，从而降低细胞壁有机聚合物之间的键强度，由此导致根系抗拉强度随之降低。综上分析，推测在满足植被正常生长所需水分前提下，适当降低植被根系赋存环境土体含水率不仅可使土体强度增加，还能使植被根系抗拉强度适当得以提高，从而更有利于山区斜坡的稳定。

图8 香薷室内单根抗拉强度与其根系含水条件关系Fig.8 Relationship between indoor single root tensile strength and root water condition of Elsholtzia

4 结论

以热水河小流域常见植物香薷为研究对象，分析了香薷原位抗拔力与其不同生长量指标的关联性，研究了香薷单根根径、根长、根系含水条件对香薷室内单根抗拉力的影响规律，得出如下结论。

(1)香薷不同生长量指标与其原位抗拔力的关联度由大到小依次为：根幅、根长、地径、冠幅和株高，故通过香薷地下生长量指标(根幅与根长)表征其原位抗拔力更具可信度。进一步研究表明：香薷根幅与冠幅关联性最强，香薷根长与株高关联性最强，故当难以获取地下生长量指标时，可通过香薷地上生长量指标(冠幅与株高)对其原位抗拔力进行间接估算。

(2)香薷室内单根抗拉力与根径之间关系呈现正相关，且总体可采用f(x) =axk乘幂函数刻画；香薷自然根系和浸泡根系的平均抗拉强度随根长增长总体呈现降低趋势，而干燥根系情况正好相反，推测可能是由于根系中木质素与纤维素的成分、含量、微观结构等在脱水过程中发生变化而导致干燥根系的力学性能发生改变；香薷根系平均抗拉强度随根系含水率降低总体呈现增大趋势，换言之，降低根系赋存环境土体含水率有利于提高山坡稳定性。