寒旱区4种草本根系力学特性试验研究

㊀收稿日期：２０１８－０８－１７㊀基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１５７２３０６）；中国科学院 百人计划 资助项目（Ｙ１１００９１０２５）；青海省自然科学基金资助项目（２０１４－ＺＪ－９０６）；教育部 长江学者和创新团队 资助项目（ＩＲＴ＿１７Ｒ６２）㊀作者简介：周林虎（１９９５ ），男，青海民和人，硕士研究生，研究方向为地质灾害及其防治㊀通信作者：胡夏嵩（１９６５ ），男，河南开封人，教授，主要从事环境岩土工程与地质工程等方面的教学与研究工作㊀Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｕｘｉａｓｏｎｇ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｏｒｇ．ｃｎʌ水土保持ɔ寒旱区４种草本根系力学特性试验研究周林虎１，刘昌义１，胡夏嵩１，２，徐志闻１，李希来３，朱海丽１，李燕婷１，李国荣１（１．青海大学地质工程系，青海西宁８１００１６；２．中国科学院青海盐湖研究所中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室，青海西宁８１０００８；３．青海大学农牧学院，青海西宁８１００１６）摘㊀要：为研究青藏高原东北部地区草本植物根系力学特性及其根系固土护坡力学机制，以青海省刚察县三角城种羊场地区为研究区，将赖草㊁扁穗冰草㊁早熟禾和紫花针茅４种优势草本植物作为供试种，开展室内单根拉伸和剪切试验，系统分析了４种草本植物的单根力学特性㊂结果表明：４种草本植物平均单根抗拉力大小顺序为赖草（３．３３６Ｎ）＞扁穗冰草（２．６７７Ｎ）＞早熟禾（１．９８８Ｎ）＞紫花针茅（１．５８８Ｎ），单根抗拉力与根径之间成指数函数关系；平均单根抗拉强度大小顺序为早熟禾（６８．１６６ＭＰａ）＞扁穗冰草（６７．０４９ＭＰａ）＞赖草（３９．４１１ＭＰａ）＞紫花针茅（３２．２０７ＭＰａ），单根抗拉强度与根径之间成幂函数关系；平均单根抗剪力大小顺序为赖草（７．０８６Ｎ）＞扁穗冰草（６．６２８Ｎ）＞早熟禾（５．２１５Ｎ）＞紫花针茅（３．９３８Ｎ），单根抗剪力与根径之间成指数函数关系；平均单根抗剪强度大小顺序为扁穗冰草（６７．２１７ＭＰａ）＞早熟禾（５６．０５１ＭＰａ）＞紫花针茅（４１．９９８ＭＰａ）＞赖草（３５．４９４ＭＰａ），单根抗剪强度与根径之间成幂函数关系㊂关键词：草本植物；抗拉强度；抗剪强度；根系力学强度试验；寒旱区中图分类号：Ｓ１５７．１㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０１９．０５．０２０㊀ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＦｏｕｒＨｅｒｂｓＲｏｏｔｓｉｎＣｏｌｄ⁃ＡｒｉｄＡｒｅａＺＨＯＵＬｉｎｈｕ１，ＬＩＵＣｈａｎｇｙｉ１，ＨＵＸｉａｓｏｎｇ１，２，ＸＵＺｈｉｗｅｎ１，ＬＩＸｉｌａｉ３，ＺＨＵＨａｉｌｉ１，ＬＩＹａｎｔｉｎｇ１，ＬＩＧｕｏｒｏｎｇ１（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＱｉｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｉｎｇ８１００１６，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｎｄＨｉｇｈｌｙＥｆｆｉｃｉｅｎｔＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＳａｌｔＬａｋｅＲｅｓｏｕｒｃｅｓｏｆＣＡＳ，ＱｉｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳａｌｔＬａｋｅｓ，ＣＡＳ，Ｘｉｎｉｎｇ８１０００８，Ｃｈｉｎａ；３．ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅａｎｄＡｎｉｍａｌＨｕｓｂａｎｄｒｙ，ＱｉｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｉｎｇ８１００１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｅｒｂｓｒｏｏｔｓａｎｄｔｈｅｉｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｒｏｏｔｓｙｓｔｅｍｓｉｎｓｏｉｌｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｓｌｏｐｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅＮｏｒｔｈｅａｓｔＱｉｎｇｈａｉ⁃ＴｉｂｅｔＰｌａｔｅａｕ，ｔｈｅＳａｎｊｉａｏｃｈｅｎｇｓｈｅｅｐｂｒｅｅｄｉｎｇｆａｒｍｉｎＧａｎｇｃｈａＣｏｕｎｔｙ，ｌｏｃａｔｅｄｉｎｔｈｅＮｏｒｔｈ⁃ｅａｓｔｏｆＱｉｎｇｈａｉ⁃ＴｉｂｅｔＰｌａｔｅａｕ，ｗａｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ．Ｆｏｕｒｄｏｍｉｎａｎｔｈｅｒｂｓ（Ｌｅｙｍｕｓｓｅｃａｌｉｎｕｓ（Ｇｅｏｒｇｉ）Ｔｚｖｅｌ．，Ａｇｒｏｐｙｒｏｎｃｒｉｓｔａｔｕｍ（Ｌ．）Ｇａｅｒｔｎ．，ＰｏａａｎｎｕａＬ．，ａｎｄＳｔｉｐａｐｕｒｐｕｒｅａＧｒｉｓｅｂ．）ｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｔｅｓｔｅｄｐｌａｎｔｓ，ａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｉｎｇｌｅｒｏｏｔｏｆｆｏｕｒｈｅｒｂｓｗｅｒｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙａｎａｌｙｚｅｄｂｙｓｉｎｇｌｅｒｏｏｔｔｅｎｓｉｌｅａｎｄｓｈｅａｒｔｅｓｔｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｃｅｎｄｉｎｇｏｒｄｅｒｏｆａｖｅｒａｇｅｓｉｎｇｌｅｒｏｏｔｔｅｎｓｉｌｅｆｏｒｃｅｉｓＬｅｙｍｕｓｓｅｃａｌｉｎｕｓ（Ｇｅｏｒｇｉ）Ｔｚｖｅｌ．（３．３３６Ｎ）＞Ａｇｒｏｐｙｒｏｎｃｒｉｓｔａｔｕｍ（Ｌ．）Ｇａｅｒｔｎ．（２．６７７Ｎ）＞ＰｏａａｎｎｕａＬ．（１．９８８Ｎ）＞ＳｔｉｐａｐｕｒｐｕｒｅａＧｒｉｓｅｂ．（１．５８８Ｎ），ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｉｎｇｌｅｒｏｏｔｔｅｎｓｉｌｅｆｏｒｃｅａｎｄｒｏｏｔｄｉａｍｅｔｅｒａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ．ＴｈｅｄｅｃｅｎｄｉｎｇｏｒｄｅｒｏｆａｖｅｒａｇｅｓｉｎｇｌｅｒｏｏｔｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓＰｏａａｎｎｕａＬ．（６８．１６６ＭＰａ）＞Ａｇｒｏｐｙｒｏｎｃｒｉｓｔａｔｕｍ（Ｌ．）Ｇａｅｒｔｎ．（６７．０４９ＭＰａ）＞Ｌｅｙ⁃ｍｕｓｓｅｃａｌｉｎｕｓ（Ｇｅｏｒｇｉ）Ｔｚｖｅｌ．（３９．４１１ＭＰａ）＞ＳｔｉｐａｐｕｒｐｕｒｅａＧｒｉｓｅｂ．（３２．２０７ＭＰａ），ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｉｎｇｌｅｒｏｏｔｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｒｏｏｔｄｉａｍｅｔｅｒａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｐｏｗｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ．ＴｈｅｄｅｃｅｎｄｉｎｇｏｒｄｅｒｏｆａｖｅｒａｇｅｓｉｎｇｌｅｒｏｏｔｓｈｅａｒｆｏｒｃｅｉｓＬｅｙｍｕｓｓｅｃａｌｉｎｕｓ（Ｇｅｏｒｇｉ）Ｔｚｖｅｌ．（７．０８６Ｎ）＞Ａｇｒｏｐｙｒｏｎｃｒｉｓｔａｔｕｍ（Ｌ．）Ｇａｅｒｔｎ．（６．６２８Ｎ）＞ＰｏａａｎｎｕａＬ．（５．２１５Ｎ）＞ＳｔｉｐａｐｕｒｐｕｒｅａＧｒｉｓｅｂ．（３．９３８Ｎ），ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｉｎｇｌｅｒｏｏｔｓｈｅａｒｆｏｒｃｅａｎｄｒｏｏｔｄｉａｍｅｔｅｒａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ．ＴｈｅｄｅｃｅｎｄｉｎｇｏｒｄｅｒｏｆａｖｅｒａｇｅｓｉｎｇｌｅｒｏｏｔｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓＡｇｒｏｐｙｒｏｎｃｒｉｓｔａｔｕｍ（Ｌ．）Ｇａｅｒｔｎ．（６７．２１７ＭＰａ）＞ＰｏａａｎｎｕａＬ．（５６．０５１ＭＰａ）＞ＳｔｉｐａｐｕｒｐｕｒｅａＧｒｉｓｅｂ．（４１．９９８ＭＰａ）＞Ｌｅｙｍｕｓｓｅｃａｌｉｎｕｓ（Ｇｅｏｒｇｉ）Ｔｚｖｅｌ．（３５．４９４ＭＰａ），ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｉｎｇｌｅｒｏｏｔｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｒｏｏｔｄｉａｍｅｔｅｒａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｐｏｗｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｅｒｂｓ；ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｒｏｏｔｓｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｃｏｌｄ⁃ａｒｉｄａｒｅａ㊀㊀近年来，随着基础工程建设力度和规模进一步加大，形成了大量裸露岩土边坡㊂传统的边坡防护多采用砌石挡墙及喷混凝土等工程措施，其造价昂贵㊁景观效应相对不显著，且存在影响和破坏生态环境的现象［１］㊂植被护坡方法在发挥植物固土护坡作用的同时，还能充分表现出植物的景观效应和环境效应，起到恢复区域生态㊁保护环境和美化景观的积极作用［２］㊂随着城镇居民生态环保意识不断提高，植被护坡技术㊃０９㊃第４１卷第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀人㊀民㊀黄㊀河㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．５㊀㊀２０１９年５月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＹＥＬＬＯＷ㊀ＲＩＶＥＲ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｍａｙ，２０１９㊀㊀在公路边坡㊁河岸边坡等基础设施工程建设中得到了较为广泛的应用㊂国内外学者对植物护坡理论及其应用开展了大量研究，并取得了丰富成果㊂植物根系作用于边坡浅层土体的力学效应主要表现为浅层根系的加筋作用㊁垂直深根的锚固作用以及侧根的斜向牵引作用［３－６］㊂王晓梅等［７］通过对华中地区瑜伽山边坡栾树和木子树２种生长期为３ａ的乔木根系进行单根拉伸试验，结果表明栾树和木子树的单根抗拉强度分别为６６．１２㊁７９．０３ＭＰａ，且单根抗拉强度与根径之间均成幂函数关系㊂李光莹等［８］通过对黄河源玛沁地区小嵩草㊁矮火绒草㊁细叶亚菊和盐地风毛菊４种高寒草地植物进行单根拉伸试验，结果表明４种草本植物单根抗拉力与根径之间成指数函数关系，且单根抗拉强度与根径之间均成幂函数关系㊂Ｆ．Ｐｒｅｔｉ等［９］对生长于意大利佛罗伦萨南部豆科灌木鹰爪豆的根系进行单根拉伸试验，结果表明单根抗拉力随着根径增大而增大，且单根抗拉力与根径之间符合幂函数关系㊂ＬｉｕＸ．Ｍ．等［１０］对生长于内蒙古鄂尔多斯高原的小叶锦鸡儿㊁沙棘㊁白沙蒿３种灌木进行单根拉伸试验，结果表明单根抗拉强度大小顺序为小叶锦鸡儿（３３．６７３ＭＰａ）＞沙棘（２１．７９２ＭＰａ）＞白沙蒿（１２．９７５ＭＰａ），且这３种灌木单根抗拉强度和根径之间符合幂函数关系㊂朱海丽等［１１］通过对生长于青藏高原东北部黄土区的霸王㊁白刺㊁柠条锦鸡儿和四翅滨藜４种生长期为１８个月的灌木根系进行室内剪切试验，发现其单根抗剪力随着根径增大而增大，而单根抗剪强度则随着根径增大而减小㊂贺振昭等［１２］对生长于青海湖地区的醉马草㊁紫花针茅等７种草本植物进行单根剪切试验，结果表明单根抗剪强度与根径之间成幂函数或指数函数关系㊂上述对植物根系力学特性的研究主要集中在植物单根力学指标与根径之间的关系上，而对于植物单根力学指标的变化幅度与根径之间的关系（如单根抗拉力增长幅度与根径之间的关系），尤其对于青藏高原东北部地区草本植物根系力学强度试验研究较少㊂笔者选取位于青藏高原东北部的青海省刚察县三角城种羊场地区作为研究区，通过对该区４种优势草本植物进行室内单根拉伸和剪切试验，分别测定其单根抗拉力和单根抗剪力，并在此基础上得出４种草本植物单根抗拉强度和单根抗剪强度，探讨其力学强度变化幅度和根径之间的关系，以期为研究区及其周边地区有效防治水土流失㊁浅层滑坡等地质灾害提供参考㊂１㊀研究区概况研究区北面为祁连山脉，南临青海湖，区内高山连绵，地势自北向南倾斜，地貌由滩地㊁丘陵和山地构成㊂该区海拔为３２００ ３８００ｍ［１３］，属典型大陆性气候区，冬春干旱多风寒冷，夏季凉爽，年平均气温为－０．６ħ，年平均降水量为３７０．３ｍｍ，年平均蒸发能力为１６０７．４ｍｍ［１４］㊂区内土地类型主要以高寒山地和干旱草原为主，适宜于当地生长的优势草种主要有紫花针茅㊁扁穗冰草㊁披碱草㊁赖草㊁早熟禾等［１５］㊂２㊀试验材料与方法２．１㊀试验材料选取适宜于研究区气候条件的赖草㊁扁穗冰草㊁早熟禾和紫花针茅４种优势草本植物，这４种草本植物具有耐寒㊁耐旱㊁耐贫瘠等特性，且具有较好的水保特性和生态价值［１６－２０］㊂２．２㊀试验仪器采用由上海衡翼精密仪器有限公司生产的ＨＹ－０５８０型电子万能材料试验机㊂２．３㊀试验方法在野外原位挖掘采集根系试样㊂为确保根系完整性，将原位挖掘出的植株移放至试样盆内编号，并及时带回实验室㊂先将根－土复合体用清水冲洗干净，选取顺直且表面完好的根系，截取长度为５ １０ｃｍ的根段，然后选取３个不同部位用游标卡尺测量其根径，取其平均值作为该根段的根径㊂当一组单根拉伸或剪切试验结束后，利用ＡｎｙＴｅｓｔＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ软件绘制出抗拉力－变形关系曲线㊂在单根拉伸试验过程中，为避免根系在夹具中发生滑动，采用在夹具夹头两端粘贴胶片㊁缠绕和增加柔性物质的方法增大根系与夹具之间的摩擦力［２１］㊂选取断裂破坏发生在根系中部或接近中部的情况作为有效试验结果，若根系在两端发生断裂，则不计入有效数据㊂根据试验得到的单根最大抗拉力和实测得到的根径，可算出４种草本植物的单根抗拉强度，计算公式［１１］为Ｐ＝４ＦπＤ２（１）式中：Ｐ为单根抗拉强度，ＭＰａ；Ｆ为单根最大抗拉力，Ｎ；Ｄ为根径，ｍｍ㊂在开展室内单根剪切试验时，将根系平顺地穿过剪切小孔进行剪切，并将根系完全剪断的情况作为有效试验结果，若根系未被完全剪断，则不计入有效数据㊂根据试验得到的单根最大抗剪力和实测得到的根径，可算出４种草本植物的单根抗剪强度，计算公式［１１］为τ＝Ｆｂ２Ａ＝２ＦｂπＤ２（２）㊃１９㊃式中：τ为单根抗剪强度，ＭＰａ；Ｆｂ为单根最大抗剪力，Ｎ；Ａ为根系的原始截面积，ｍｍ２；Ｄ为根径，ｍｍ㊂３㊀结果分析３．１㊀单根抗拉力和抗拉强度与根径之间的关系研究区４种草本植物单根抗拉试验结果见表１㊂由表１可知，区内４种草本植物平均根径大小顺序为赖草＞紫花针茅＞扁穗冰草＞早熟禾，平均单根抗拉力大小顺序为赖草＞扁穗冰草＞早熟禾＞紫花针茅㊂赖草单根抗拉力表现出显著大于其他３种草本植物的特性，其平均单根抗拉力分别为扁穗冰草㊁早熟禾和紫花针茅的１．２５倍㊁１．６８倍㊁２．１０倍㊂单根抗拉强度可作为评价根系固土护坡能力大小的一个有效指标［２２］，区内４种草本植物平均单根抗拉强度大小顺序为早熟禾＞扁穗冰草＞赖草＞紫花针茅，其中：早熟禾和扁穗冰草单根抗拉强度差异性不显著（早熟禾单根抗拉强度为扁穗冰草的１．０２倍），而与赖草和紫花针茅的差异性较为显著（早熟禾单根抗拉强度分别为赖草和紫花针茅的１．７３倍㊁２．１２倍）㊂区内４种草本植物根径分别为０．２㊁０．４㊁０．６ｍｍ时，其单根抗拉力和单根抗拉强度见表２㊂由表２可知，根径由０．２ｍｍ增大至０．６ｍｍ时，４种草本植物单根抗拉力增幅为２４４．０６％ ８５７．２２％，其中：扁穗冰草单根抗拉力增幅最大，分别为早熟禾㊁赖草和紫花针茅的１．５９倍㊁２．０４倍㊁３．５１倍，表明扁穗冰草单根抗拉力受根径影响最大，其次为早熟禾㊁赖草和紫花针茅㊂根径由０．２ｍｍ增大至０．６ｍｍ时，４种草本植物单根抗拉强度降幅为５９．０６％ ７０．７２％，与单根抗拉力增幅相比，变化幅度较小，说明单根抗拉力比单根抗拉强度受根径影响大㊂表１㊀研究区４种草本植物单根抗拉试验结果植物名称平均根径／ｍｍ平均单根抗拉力／Ｎ平均单根抗拉强度／ＭＰａ根径与抗拉力关系式根径与抗拉强度关系式赖草０．３６１ʃ０．１６１３．３３６ʃ２．０５８３９．４１１ʃ２８．３７０ｙ＝０．６１２ｅ４．１２１ｘ㊀（Ｒ２＝０．９３４）ｙ＝１３．４０９ｘ－０．８１３㊀（Ｒ２＝０．８１７）扁穗冰草０．２９９ʃ０．１７９２．６７７ʃ２．９０３６７．０４９ʃ１０６．０７２ｙ＝０．２９８ｅ５．６４８ｘ㊀（Ｒ２＝０．８９８）ｙ＝１０．８５９ｘ－０．８６１㊀（Ｒ２＝０．７０８）早熟禾０．２４０ʃ０．１４８１．９８８ʃ１．５３２６８．１６６ʃ６４．７０８ｙ＝０．５０４ｅ４．６３６ｘ㊀（Ｒ２＝０．９０２）ｙ＝１０．１２８ｘ－０．９９８㊀（Ｒ２＝０．８８６）紫花针茅０．３４１ʃ０．２０８１．５８８ʃ１．１４２３２．２０７ʃ４０．００６ｙ＝０．４４０ｅ３．０９０ｘ㊀（Ｒ２＝０．８９７）ｙ＝５．０１８ｘ－１．１１８㊀（Ｒ２＝０．９０１）㊀注：２㊁３㊁４列数据为平均值ʃ标准差表２㊀研究区４种草本植物单根抗拉力和抗拉强度植物名称抗拉力／Ｎ０．２ｍｍ０．４ｍｍ０．６ｍｍ抗拉强度／ＭＰａ０．２ｍｍ０．４ｍｍ０．６ｍｍ赖草１．３９６３．１８２７．２５５４９．６２０２８．２４４２０．３１２扁穗冰草０．９２１２．８４９８．８１６４３．４１１２３．９０１１６．８５８早熟禾１．２７３３．２１７８．１３２５０．４７７２５．２７４１６．８６３紫花针茅０．８１７１．５１５２．８１１３０．３３９１３．９７８８．８８３㊀注：表中０．２㊁０．４㊁０．６ｍｍ为根径㊀㊀图１㊁图２分别为研究区４种草本植物单根抗拉力和单根抗拉强度与根径之间的关系㊂由图１可知，４种草本植物单根抗拉力随着根径增大而增大，且单根抗拉力与根径之间符合指数函数关系㊂由图２可知，４种草本植物单根抗拉强度随着根径的增大而减小，且单根抗拉强度与根径之间符合幂函数关系㊂该结果与蒋坤云［２３］㊁欧阳前超［２４］㊁Ｅ．Ａｂｄｉ等［２５］的研究结果一致㊂３．２㊀单根抗剪力和抗剪强度与根径的关系研究区４种草本植物单根抗剪试验结果见表３㊂由表３可知，４种草本植物平均根径大小顺序为赖草＞紫花针茅＞扁穗冰草＞早熟禾，其平均单根抗剪力大小顺序为赖草＞扁穗冰草＞早熟禾＞紫花针茅，与４种草本植物平均抗拉力表现出一致的变化规律㊂同种草本植物单根抗剪力均大于其单根抗拉力，赖草㊁扁穗冰草㊁早熟禾和紫花针茅平均单根抗剪力为其各自平均单根抗拉力的２．１２倍㊁２．４８倍㊁２．６２倍和２．４８倍㊂４种草本植物平均单根抗剪强度大小顺序为扁穗冰草＞早熟禾＞赖草＞紫花针茅，扁穗冰草单根抗剪强度分别为早熟禾㊁赖草和紫花针茅的１．２０倍㊁１．６０倍和１．８９倍，表明扁穗冰草单根抗剪强度与早熟禾的差异较小，而与赖草和紫花针茅的差异较大㊂４种草本植物根径分别为０．２㊁０．４㊁０．６ｍｍ时，其单根抗剪力和抗剪强度见表４㊂由表４可知，４种草本植物单根抗剪力随着根径的增大而增大，增幅大小顺序为赖草＞紫花针茅＞早熟禾＞扁穗冰草㊂根径由０．２ｍｍ增大至０．６ｍｍ时，４种草本植物单根抗剪力增幅为２０２．９１％ ４１４．０２％，紫花针茅单根抗剪力增幅分别为赖草㊁早熟禾和扁穗冰草的１．２４倍㊁１．３８倍和２．０４倍，表明４种草本植物单根抗剪力增幅存在较为显著的差异，其中紫花针茅单根抗剪力受根径变化影响最大㊂４种草本植物单根抗剪强度随着根径增大而降低，其降幅大小顺序为扁穗冰草＞早熟禾＞紫花针茅＞赖草㊂根径由０．２ｍｍ增大至０．６ｍｍ时，４种草本植㊃２９㊃物单根抗剪强度降幅为５６．５１％ ７４．６２％，表明单根抗剪强度受根径变化的影响比单根抗剪力的小㊂图１㊀研究区４种草本植物单根抗拉力与根径之间的关系图２㊀研究区４种草本植物单根抗拉强度与根径之间的关系表３㊀研究区４种草本植物单根抗剪试验结果植物名称平均根径／ｍｍ平均单根抗剪力／Ｎ平均单根抗剪强度／ＭＰａ根径与抗剪力关系式根径与抗剪强度关系式赖草０．３４９ʃ０．１７３７．０８６ʃ４．８２９４１．９９８ʃ２０．７１４ｙ＝１．５７８ｅ３．６７５ｘ㊀（Ｒ２＝０．９０４）ｙ＝１５．６００ｘ－０．７５８㊀（Ｒ２＝０．７８３）扁穗冰草０．３０５ʃ０．１３８６．６２８ʃ２．６９８６７．２１７ʃ５５．１７７ｙ＝２．６０２ｅ２．７７ｘ㊀（Ｒ２＝０．７４６）ｙ＝１０．２９４ｘ－１．２４８㊀（Ｒ２＝０．９０７）早熟禾０．２７０ʃ０．１２１５．２１５ʃ２．６０８５６．０５１ʃ２９．７０７ｙ＝１．８５１ｅ３．４５９ｘ㊀（Ｒ２＝０．８５２）ｙ＝１１．５０１ｘ－１．０４２㊀（Ｒ２＝０．８９３）紫花针茅０．３２０ʃ０．２３５３．９３８ʃ４．０６７３５．４９４ʃ２５．４３０ｙ＝０．６５１ｅ４．０９３ｘ㊀（Ｒ２＝０．９２４）ｙ＝８．３８５ｘ－０．８２４㊀（Ｒ２＝０．８５０）表４㊀研究区４种草本植物单根抗剪力和抗剪强度植物名称抗剪力／Ｎ０．２ｍｍ０．４ｍｍ０．６ｍｍ抗剪强度／ＭＰａ０．２ｍｍ０．４ｍｍ０．６ｍｍ赖草３．２９０６．８６１１４．３０８５２．８３８３１．２４４２２．９７７扁穗冰草４．５３０７．８８４１３．７２２７６．７１８３２．３０１１９．４７４早熟禾３．６９６７．３８３１４．７４５６１．５２７２９．８８１１９．５８４紫花针茅１．４７６３．３４６７．５８７３１．５８１１７．８３９１２．７７３㊃３９㊃㊀㊀图３㊁图４分别为４种草本植物单根抗剪力和单根抗剪强度与根径之间的关系㊂由图３可知，４种草本植物的单根抗剪力随着根径增大而增大，且单根抗剪力与根径之间符合指数函数关系㊂由图４可知，４种草本植物的单根抗剪强度随根径增大而减小，且单根抗剪强度与根径之间符合幂函数关系㊂该结果与朱海丽等［１１］㊁贺振昭等［１２］的研究结果一致㊂图３㊀研究区４种草本植物单根抗剪力与根径之间的关系图４㊀研究区４种草本植物单根抗剪强度与根径之间的关系㊀㊀综合分析４种草本植物单根抗拉和单根抗剪强度可知，区内早熟禾和扁穗冰草２种草本植物根系力学强度相对较高，赖草次之，紫花针茅相对最小㊂４㊀结㊀论（１）研究区４种草本植物平均单根抗拉力大小顺序为赖草（３．３３６Ｎ）＞扁穗冰草（２．６７７Ｎ）＞早熟禾（１．９８８Ｎ）＞紫花针茅（１．５８８Ｎ），其单根抗拉力随着根径增大而增大，且二者之间成指数函数关系㊂区内４种草本植物平均单根抗拉强度大小顺序为早熟禾（６８．１６６ＭＰａ）＞扁穗冰草（６７．０４９ＭＰａ）＞赖草（３９．４１１ＭＰａ）＞紫花针茅（３２．２０７ＭＰａ），其单根抗拉强度随着根径增大而减小，且二者之间成幂函数关系㊂（２）区内４种草本植物平均单根抗剪力大小顺序㊃４９㊃为赖草（７．０８６Ｎ）＞扁穗冰草（６．６２８Ｎ）＞早熟禾（５．２１５Ｎ）＞紫花针茅（３．９３８Ｎ），其单根抗剪力随着根径增大而增大，且二者之间成指数函数关系㊂４种草本植物平均单根抗剪强度大小顺序为扁穗冰草（６７．２１７ＭＰａ）＞早熟禾（５６．０５１ＭＰａ）＞赖草（４１．９９８ＭＰａ）＞紫花针茅（３５．４９４ＭＰａ），其单根抗剪强度随着根径增大而减小，且二者之间成幂函数关系㊂（３）根据４种草本植物单根抗拉和单根抗剪强度可知，区内早熟禾和扁穗冰草相对于其他２种草本植物，可起到更为显著的固土护坡作用，有助于提高研究区及其周边地区边坡土体抗剪强度，可作为研究区及其周边地区优势护坡草种㊂参考文献：［１］㊀杨淑梅，齐永志，王志强．传统护坡与生态护坡在护岸设计中的组合应用［Ｊ］．山东国土资源，２０１２，２８（３）：２７－２８．［２］㊀周云艳．植物根系固土机理与护坡技术研究［Ｄ］．武汉：中国地质大学，２０１０：５－６．［３］㊀ＴＯＳＩＭ．ＲｏｏｔＴｅｎｓｉｌｅＳｔｒｅｎｇｔｈＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓａｎｄＴｈｅｉｒＳｌｏｐｅＳｔａｂｉｌｉｔｙＩｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＴｈｒｅｅＳｈｒｕｂＳｐｅｃｉｅｓｉｎｔｈｅＮｏｒｔｈｅｒｎＡｐｅｎｎｉｎｅｓ（Ｉｔａｌｙ）［Ｊ］．Ｇｅｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，２００７，８４（４）：２６８－２８３．［４］㊀段晓明，苗增健，刘连新，等．生态护坡应用及护坡植物群落的选择［Ｊ］．安徽农业科学，２００９，３７（３１）：１５３２７－１５３２９．［５］㊀张兴玲，胡夏嵩，毛小青，等．植物根系固土护坡力学机理研究现状与进展［Ｊ］．人民黄河，２００９，３１（６）：８７－９３．［６］㊀余芹芹，乔娜，胡夏嵩，等．植物根－土复合体固坡力学效应及模型研究现状与进展［Ｊ］．中国水土保持，２０１１（７）：５１－５４．［７］㊀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．［８］㊀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．［９］㊀ＰＲＥＴＩＦ，ＧＩＡＤＲＯＳＳＩＣＨＦ．ＲｏｏｔＲｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔａｎｄＳｌｏｐｅＢｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｂｙＳｐａｎｉｓｈＢｒｏｏｍ（ＳｐａｒｔｉｕｍｊｕｎｃｅｕｍＬ．）［Ｊ］．ＨｙｄｒｏｌｏｇｙａｎｄＥａｒｔｈＳｙｓｔｅｍＳｃｉｅｎｃｅｓＤｉｓ⁃ｃｕｓｓｉｏｎｓ，２００９，６（３）：１７１３－１７２６．［１０］㊀ＬＩＵＸＭ，ＬＩＵＪ，ＳＵＮＸ，ｅｔａｌ．ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＬａｔｅｒａｌＲｏｏｔＢｒａｎｃｈＴｅｎｓｉｌｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＴｈｒｅｅＫｉｎｄｓｏｆＰｌａｎｔｓａｔＥｘｕｂｅｒａｎｔＧｒｏｗｔｈＰｅｒｉｏｄ［Ｃ］／／ＣＢＥＥＳ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ４ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅａｎｄＡｎｉｍａｌＳｃｉｅｎｃｅ．Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ：ＩＡＣＳＩＴＰｒｅｓｓ，２０１２：４７－５１．［１１］㊀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．［１２］㊀贺振昭，党生，刘昌义，等．青海湖地区草本植物根系力学特性试验研究［Ｊ］．中国水土保持，２０１７（４）：４４－４８．［１３］㊀来桂林．基于能值分析的青海省三角城种羊场生态系统可持续发展评价［Ｄ］．兰州：甘肃农业大学，２００７：９－１１．［１４］㊀杨予海．高寒地区国家级牧场草地农业生态系统特征研究：以青海省三角城种羊场为例［Ｄ］．兰州：甘肃农业大学，２００５：１９－２１．［１５］㊀祁彪，张德罡，丁玲玲，等．退化高寒干旱草地植物群落多样性特征［Ｊ］．甘肃农业大学学报，２００５，４０（５）：６２６－６３１．［１６］㊀刘玉萍，刘涛，吕婷，等．赖草属的地理分布及其起源散布［Ｊ］．植物科学学报，２０１７，３５（３）：３０５－３１７．［１７］㊀周学丽，杨路存，李桂全，等．扁穗冰草ｒＤＮＡ－ＩＴＳ序列测定及分析［Ｊ］．干旱区资源与环境，２０１６，３０（９）：１７８－１８２．［１８］㊀姚璇．早熟禾栽培技术［Ｊ］．现代化农业，２０１５（１１）：３３－３４．［１９］㊀ＹＵＥＰＰ，ＬＵＸＦ，ＹＥＲＲ，ｅｔａｌ．ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＳｔｉｐａｐｕｒ⁃ｐｕｒｅａＳｔｅｐｐｅｉｎｔｈｅＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＱｉｎｇｈａｉ⁃ＴｉｂｅｔＰｌａｔｅａｕ（Ｃｈｉｎａ）［Ｊ］．ＲｕｓｓｉａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｃｏｌｏｇｙ，２０１１，４２（１）：５０－５６．［２０］㊀ＬＩＸＪ，ＺＨＡＮＧＸＺ，ＷＵＪＳ，ｅｔａｌ．ＲｏｏｔＢｉｏｍａｓｓＤｉｓｔｒｉ⁃ｂｕｔｉｏｎｉｎＡｌｐｉｎｅＥｃｏｓｙｓｔｅｍｓｏｆｔｈｅＮｏｒｔｈｅｒｎＴｉｂｅｔａｎＰｌａｔｅａｕ［Ｊ］．ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅｓ，２０１１，６４（７）：１９１１－１９１９．［２１］㊀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．［２２］㊀ＹＡＮＺ，ＳＯＮＧＹ，ＪＩＡＮＧＰ，ｅｔａｌ．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎＢｅｔｗｅｅｎＰｌａｎｔＲｏｏｔｓａｎｄＲｏｃｋａｎｄＳｏｉｌＭａｓｓｉｎＳｌｏｐｅＶｅｇｅｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，２０１０，３１（５）：６１７－６２２．［２３］㊀蒋坤云．植物根系抗拉特性的单根微观结构作用机制［Ｄ］．北京：北京林业大学，２０１３：６４－６９．［２４］㊀欧阳前超．山西土石山区草本植物固土力学性能研究［Ｄ］．太原：太原理工大学，２０１７：５４－５６．［２５］㊀ＡＢＤＩＥ，ＭＡＪＮＯＵＮＩＡＮＢ，ＲＡＨＩＭＩＨ，ｅｔａｌ．ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄＴｅｎｓｉｌｅＳｔｒｅｎｇｔｈｏｆＨｏｒｎｂｅａｍ（Ｃａｒｐｉｎｕｓｂｅｔｕｌｕｓ）ＲｏｏｔｓＧｒｏｗｉｎｇｏｎＳｌｏｐｅｓｏｆＣａｓｐｉａｎＦｏｒｅｓｔｓ，Ｉｒａｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＲｅｓｅａｒｃｈ，２００９，２０（２）：１０５－１１０．ʌ责任编辑㊀张华兴ɔ㊃５９㊃。