劉昌義，胡夏嵩,2*，竇增寧，李希來(lái)，徐志聞

(1.青海大學(xué)地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016；2.中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008；3.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016)

黃河源區(qū)高寒草地植被根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)及退化程度閾值確定

劉昌義1，胡夏嵩1,2*，竇增寧1，李希來(lái)3，徐志聞1

(1.青海大學(xué)地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016；2.中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008；3.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016)

為研究黃河源區(qū)高寒草地不同退化程度的植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特征，以青海河南縣境內(nèi)的黃河源區(qū)高寒草地作為研究區(qū)，進(jìn)行了根-土復(fù)合體試樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究，系統(tǒng)分析了區(qū)內(nèi)草地不同退化類(lèi)型的根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特征及其不同退化程度之間的閾值。結(jié)果表明,區(qū)內(nèi)草地其平面形態(tài)呈現(xiàn)不規(guī)則狀橢圓形退化形態(tài)，且愈近于圓心部位草地退化相對(duì)愈嚴(yán)重，其退化程度表現(xiàn)出由外至內(nèi)可依次劃分為未退化區(qū)、輕度退化區(qū)、中度退化區(qū)、重度退化區(qū)；隨著退化程度的加劇，原生植物種類(lèi)及數(shù)量呈減少的趨勢(shì)，次生植物則逐漸取代原生植物并構(gòu)成優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)，其結(jié)果使得根-土復(fù)合體的根系含量表現(xiàn)出逐漸減少的特征，根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度亦逐漸減??；同時(shí)，根據(jù)4種類(lèi)型退化區(qū)草地根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特征，分別確定出各退化區(qū)交替界限之間的根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度閾值，即表現(xiàn)在未退化區(qū)與輕度退化區(qū)之間植物根-土復(fù)合體的黏聚力閾值為28.07 kPa，輕度退化區(qū)與中度退化區(qū)復(fù)合體的黏聚力閾值為20.46 kPa，中度退化區(qū)與重度退化區(qū)復(fù)合體的黏聚力閾值為9.21 kPa。該項(xiàng)研究成果通過(guò)由力學(xué)強(qiáng)度角度出發(fā)定量研究草地不同退化程度的根-土復(fù)合體強(qiáng)度變化規(guī)律，從而對(duì)科學(xué)有效地防治該區(qū)草地退化具有重要理論研究?jī)r(jià)值和實(shí)際指導(dǎo)意義。

黃河源區(qū)；草地退化；根-土復(fù)合體；抗剪強(qiáng)度；閾值

近30多年來(lái)，位于黃河源區(qū)的青海省境內(nèi)的天然草地受全球氣候暖干化及日趨頻繁的人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等因素的共同影響和作用下，區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了加速退化的變化趨勢(shì)，在一定程度上威脅黃河源區(qū)的生態(tài)安全，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者和環(huán)境保護(hù)部門(mén)的普遍關(guān)注[1]。李旭謙等(2015)[2]對(duì)青海省草地退化類(lèi)型的調(diào)查結(jié)果表明，青海省內(nèi)高寒草甸類(lèi)草地的退化面積為1994.58×104hm2，占全省退化草地總面積的63.70%，其中輕度退化草地的面積為771.67×104hm2，中度和重度退化草地面積為1222.91×104hm2，由此可見(jiàn)，科學(xué)有效地防治青海省境內(nèi)草地退化以及保護(hù)草地生態(tài)和環(huán)境亦刻不容緩，因此，加強(qiáng)對(duì)黃河源區(qū)退化草地的研究和投入，促使退化草地逐步恢復(fù)則是一項(xiàng)非常重要的工作。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)黃河源區(qū)草地退化的成因和機(jī)理等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)性的研究，且已取得了大量的研究成果，從而為黃河源區(qū)科學(xué)有效地防治草地退化及其引發(fā)的水土流失等災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生提供了理論依據(jù)并具有重要的指導(dǎo)意義[3-9]。盧虎等(2015)[10]對(duì)青藏高原東北緣天祝地區(qū)草地退化現(xiàn)狀野外調(diào)查表明，區(qū)內(nèi)草地隨著退化程度的不斷加重，表現(xiàn)出植被種類(lèi)減少和優(yōu)勢(shì)種改變，植物群落高度、蓋度、地上生物量等均呈顯著降低的變化特征。孫磊等(2016)[11]對(duì)西藏那曲地區(qū)不同退化程度高寒草地的研究結(jié)果表明，隨著退化程度的加劇，藏北地區(qū)退化草地群落地上生物量(植物地上部分干重)和土壤養(yǎng)分(全氮、全磷、有機(jī)質(zhì))總體上表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，而且降低步調(diào)基本一致。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于草地退化的成因等方面的研究較為深入，相比較而言，對(duì)于草地退化的力學(xué)機(jī)理領(lǐng)域的研究則相對(duì)較少。張思毅等(2016)[12]以香附子(Cyperusrotundus)作為研究對(duì)象，對(duì)南方紅壤土坡面的減沙效應(yīng)及其水動(dòng)力學(xué)機(jī)理的研究結(jié)果表明，香附子對(duì)抵抗土壤侵蝕起到了重要作用，蓋度為33%的香附子平均能夠減少72%的土壤侵蝕，且隨著植被蓋度的增加，土壤侵蝕量逐漸減少。胡夏嵩等(2009)[13]對(duì)寒旱環(huán)境下檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、白刺(Nitrariatangutorum)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、四翅濱藜(Atriplexcanescens)4種灌木根系的護(hù)坡力學(xué)貢獻(xiàn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，指出灌木植物根系能顯著提高根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，該研究方法為從力學(xué)角度進(jìn)一步研究草地退化的機(jī)理提供了新的思路。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外的諸多學(xué)者將根-土復(fù)合體視為一種復(fù)合材料，并進(jìn)行了大量的單根拉伸試驗(yàn)、根-土復(fù)合體直剪試驗(yàn)等力學(xué)試驗(yàn)研究，且均表明植物根系對(duì)增強(qiáng)根-土復(fù)合體力學(xué)強(qiáng)度方面效果顯著[14-22]。通過(guò)對(duì)已有研究結(jié)果分析，表現(xiàn)出有關(guān)高寒草原區(qū)草地退化類(lèi)型的劃分，主要是通過(guò)采用植被覆蓋度變化、植物群落演替等方式進(jìn)行；鑒于以上實(shí)際情況，本研究通過(guò)開(kāi)展根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度剪切試驗(yàn)，一方面分析不同植物根系其增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的能力，從而有助于評(píng)價(jià)植物根系本身所具有的固持土體能力和貢獻(xiàn)；另一方面，有關(guān)黃河源區(qū)高寒草地開(kāi)展植物的根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度方面的研究，已有的相關(guān)研究成果較為有限，因此通過(guò)本項(xiàng)研究將有助于該地區(qū)進(jìn)一步豐富和完善有關(guān)高寒草地退化類(lèi)型的劃分依據(jù)；同時(shí)，對(duì)于進(jìn)一步開(kāi)展該區(qū)域草地退化過(guò)程的力學(xué)強(qiáng)度機(jī)理方面的研究，可提供重要的理論參考依據(jù)。

Robert(1977)[23]首次提出了生態(tài)閾值的概念，指出生態(tài)系統(tǒng)的特性、功能等具有多個(gè)穩(wěn)定態(tài)，穩(wěn)定態(tài)之間存在“閾值和斷點(diǎn)”。隨后李和平等(2005)[24]、王永杰等(2010)[25]諸多學(xué)者對(duì)生態(tài)閾值進(jìn)行了深入研究，并指出當(dāng)生態(tài)因子擾動(dòng)接近生態(tài)閾值時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)或過(guò)程會(huì)發(fā)生不同狀態(tài)間的躍變。王永杰等(2010)[25]提出生態(tài)閾值主要有生態(tài)閾值帶和生態(tài)閾值點(diǎn)2種類(lèi)型，生態(tài)閾值帶暗含了生態(tài)系統(tǒng)從一種穩(wěn)定狀態(tài)到另一穩(wěn)定狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換的過(guò)程，而生態(tài)閾值點(diǎn)則表示生態(tài)系統(tǒng)的特性功能或過(guò)程發(fā)生迅速的改變。生態(tài)閾值問(wèn)題普遍存在于不同生態(tài)系統(tǒng)中，隨著生態(tài)閾值理論研究的不斷發(fā)展，在生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面，生態(tài)閾值的作用越來(lái)越受到人們的重視[26-27]。

由上述研究可知，位于青藏高原的黃河源區(qū)內(nèi)草地退化較為顯著，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)黃河源區(qū)草地退化進(jìn)行了不同程度的研究，這些研究主要集中在草地退化成因、演替過(guò)程及防治等方面，而對(duì)于草地退化的力學(xué)機(jī)理方面研究相對(duì)較少。針對(duì)黃河源區(qū)草地退化及其機(jī)理研究方面所存在的不足，本研究針對(duì)黃河源區(qū)高寒草地植被退化的根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度機(jī)理及其閾值進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以實(shí)現(xiàn)從根-土復(fù)合體力學(xué)強(qiáng)度變化方面探討草地退化機(jī)理和規(guī)律，對(duì)科學(xué)有效地防治黃河源區(qū)草地退化具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和實(shí)際意義。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于青海黃南藏族自治州河南縣南旗村境內(nèi)(東經(jīng)101°28′，北緯34°51′)，區(qū)內(nèi)平均海拔為3580 m。研究區(qū)地處青藏高原的黃河源區(qū)，區(qū)內(nèi)海拔高，地形較為平坦，為高寒草原區(qū)，研究區(qū)概況(本研究在試驗(yàn)區(qū)建立了小型氣象觀測(cè)站)以及植物生長(zhǎng)情況如圖1所示。研究區(qū)河南縣屬高原亞寒帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，由于海拔較高，地形復(fù)雜并受季風(fēng)影響，高原大陸性氣候特點(diǎn)較為顯著[28]。通過(guò)分析研究區(qū)南旗村試驗(yàn)區(qū)內(nèi)由課題組自行建設(shè)完成的氣象觀測(cè)站每天所監(jiān)測(cè)得到的該地區(qū)氣象數(shù)據(jù)結(jié)果可知，南旗村試驗(yàn)區(qū)在2015年間的平均氣溫為0.74 ℃，年降雨量為297.2 mm，相對(duì)濕度為62%。近幾年，在全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)綜合影響下，青藏高原冰川退縮、土地退化、水土流失、生物多樣性受威脅等生態(tài)問(wèn)題也日益突出[29-30]。此外，區(qū)內(nèi)由于氣候惡劣和過(guò)度放牧等因素的影響，使得高寒草地呈現(xiàn)出不同程度的退化現(xiàn)象。自2005年三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程實(shí)施以來(lái)，三江源草地生態(tài)保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)狀況得到了顯著性改善；盡管如此，該地區(qū)草地生態(tài)環(huán)境和恢復(fù)成果的鞏固和對(duì)該區(qū)域內(nèi)已有退化草地的治理，則仍為一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)[31]。

1.2試驗(yàn)材料

2015年8月本課題組前往研究區(qū)開(kāi)展了野外調(diào)查與取樣工作。研究區(qū)內(nèi)草地呈現(xiàn)不同程度的退化現(xiàn)象，且整體表現(xiàn)為呈不規(guī)則狀橢圓形退化現(xiàn)象，如圖2所示。根據(jù)劉興波等(2014)[32]研究草地退化程度與草地植物群落養(yǎng)分之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，所采用的草地退化分級(jí)及其劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。本研究野外取樣時(shí)根據(jù)區(qū)內(nèi)草地植被覆蓋度及植物類(lèi)型等變化情況，將區(qū)內(nèi)草地分別劃分為未退化區(qū)、輕度退化區(qū)、中度退化區(qū)和重度退化區(qū)，并分別選取各退化區(qū)具有代表性的地段制取根-土復(fù)合體直接剪切試樣。未退化類(lèi)型的劃分依據(jù)為原生群落組成，蓋度為80%～100%，輕度退化區(qū)、中度退化區(qū)和重度退化區(qū)的劃分依據(jù)如表1所示。取樣時(shí)選取了6個(gè)不規(guī)則狀橢圓形退化草地，樣地面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，每個(gè)不規(guī)則狀的橢圓形草地取樣時(shí)對(duì)4種不同退化區(qū)分別取2組根-土復(fù)合體試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

根-土復(fù)合體試樣的制?。涸谖赐嘶筒煌?lèi)型的退化草地上分別挖取直徑為30 cm，深度為30 cm的含根系試樣柱，取樣過(guò)程中保持植物根系及其地上莖葉部分的完整性，然后將含根系試樣柱放置于試驗(yàn)樣盆中及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，并隨即進(jìn)行室內(nèi)根-土復(fù)合體直接剪切試驗(yàn)。野外制取根-土復(fù)合體試樣工作在1～2 d內(nèi)及時(shí)完成，以便減小復(fù)合體試樣受環(huán)境影響的誤差，從而有效確保試驗(yàn)結(jié)果的合理性和正確性。在制取根-土復(fù)合體試樣過(guò)程中同時(shí)完成各試樣的含水率、密度試樣的取樣工作。

圖1 研究區(qū)概況及植物生長(zhǎng)情況Fig.1 The general situation and the plant growth situation in the studying area a: 研究區(qū)概況The general situation in the studying area; b: 植物生長(zhǎng)情況Plant growth situation.

圖2 研究區(qū)不規(guī)則狀橢圓形草地不同退化類(lèi)型分布情況Fig.2 The distribution of different degradation types of grassland in irregular oval shape in the studying area ND： Non-degraded； SD： Slightly degraded； MD： Medium degraded； HD： Heavily degraded； 下同 The same below.

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1根-土復(fù)合體密度與含水率測(cè)試 野外開(kāi)展制取不同退化類(lèi)型的根—土復(fù)合體試樣時(shí)，按照草地退化程度分別取4種退化區(qū)草地根-土復(fù)合體的密度和含水率試樣，取樣深度為地表以下10 cm處，將取得的根-土復(fù)合體的密度和含水率試樣立即密封并及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行密度和含水率測(cè)試。區(qū)內(nèi)根-土復(fù)合體密度測(cè)試采用環(huán)刀法，含水率測(cè)試采用烘干法。

表1 北方草地退化分級(jí)及其劃分標(biāo)準(zhǔn)Table1 The degradation grading and classification stundard ofgrassland in northern China

注：該表?yè)?jù)劉興波等[32]，本研究略有改動(dòng)。

Note:This table is on the basis of Liu X B(2014)[32]and is slightly changed in this resoarch.

表2 研究區(qū)6個(gè)樣地內(nèi)4種不同退化區(qū)草地面積Table 2 The areas of six plots of four different degradation grasslands in the studying area

1.3.2根-土復(fù)合體原狀試樣制取 在進(jìn)行室內(nèi)根—土復(fù)合體試樣直剪試驗(yàn)時(shí)，需事先從野外制取的根-土復(fù)合體試樣柱中制取內(nèi)徑為6.18 cm，高為2.00 cm的直剪試驗(yàn)試樣。其中未退化區(qū)、輕度退化區(qū)、中度退化區(qū)的根-土復(fù)合體試樣中根系分布相對(duì)較為均勻，根與土的結(jié)合程度能保持未擾動(dòng)的原狀情況。制取原狀試樣時(shí)先將試樣柱地表植物剪掉，將表面修剪平整，然后將內(nèi)徑為6.18 cm，高為2.00 cm的環(huán)刀垂直向下壓入根-土復(fù)合體原狀試樣柱中，直至試樣伸出環(huán)刀為止，并用削土刀和剪刀將環(huán)刀兩端修平后立即進(jìn)行根-土復(fù)合體原狀試樣直接剪切試驗(yàn)。每個(gè)根-土復(fù)合體原狀試樣按以上制樣方法依次制取4個(gè)環(huán)刀試樣作為1組進(jìn)行根-土復(fù)合體原狀試樣直接剪切試驗(yàn)。

1.3.3根-土復(fù)合體重塑試樣制取 由于區(qū)內(nèi)的重度退化區(qū)內(nèi)植被相對(duì)稀少，植物生長(zhǎng)區(qū)的土體較為松散且在野外原位制取復(fù)合體原狀試樣時(shí)存在一定的困難，故采用制取重塑復(fù)合體試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)。具體制樣步驟和方法如下：

1)野外原位制取重度退化區(qū)植物根-土復(fù)合體試樣時(shí)，采用體積為500 cm3的環(huán)刀對(duì)重度退化區(qū)草地復(fù)合體進(jìn)行取樣，重塑樣制取前首先對(duì)野外所制取的體積為500 cm3的環(huán)刀內(nèi)的試樣采用水洗法洗出其中的植物根系，且稱(chēng)其鮮重，并將其中的植物根系種類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)，并分別統(tǒng)計(jì)其根數(shù)、根長(zhǎng)和根徑等生長(zhǎng)量指標(biāo)。

2)將從野外研究區(qū)內(nèi)取回的重度退化區(qū)原狀土烘干，碾碎后經(jīng)過(guò)2 mm土工篩，然后再收集粒徑<2 mm的烘干土用以制備重塑試樣。

3)根據(jù)野外研究區(qū)土體密度和含水率試驗(yàn)所得的土體密度和含水率，計(jì)算制取重塑試樣所需的干土和水的比例，并根據(jù)通過(guò)對(duì)復(fù)合體洗根所得到的植物根系的數(shù)量和根長(zhǎng)、根徑等數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的根面積比，并計(jì)算制取重塑試樣所需的每種植物根系的數(shù)量，具體計(jì)算步驟和結(jié)果如表3所示。

表3 研究區(qū)重度退化區(qū)重塑復(fù)合體試樣布設(shè)根系計(jì)算結(jié)果Table 3 Root preparation calculation result of remolded soil in severe degradation area in the study area

4)制取重塑試樣時(shí)稱(chēng)取所需干土，將所取土樣平鋪于不吸水的托盤(pán)內(nèi)，采用噴霧設(shè)備噴灑所需的加水量，并充分?jǐn)嚢?，裝入水桶中密封，浸潤(rùn)一晝夜備用。

5)重塑試樣制取時(shí)將所需根系及土樣充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，然后采用擊?shí)法制備直剪試樣。每次試驗(yàn)制取4個(gè)根-土復(fù)合體直剪試樣為一組進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

1.3.4直接剪切試驗(yàn)步驟 研究區(qū)根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度采用直接剪切試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，每組試驗(yàn)取4個(gè)試樣，分別在50，100，200，300 kPa 4級(jí)垂直壓力(P)下進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，得到根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)。試驗(yàn)步驟如下：將制備完成的原狀試樣和重塑試樣放置于剪切盒內(nèi)上、下兩塊透水石之間，并由杠桿系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行分級(jí)施加垂直壓力；試驗(yàn)時(shí)電動(dòng)機(jī)控制下的驅(qū)動(dòng)手輪以2.4 mm/min的轉(zhuǎn)速對(duì)下剪切盒施加水平方向推力，使試樣在上、下剪切盒的接觸面上產(chǎn)生剪切變形，直至試樣剪破為止；試驗(yàn)過(guò)程中由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，且自動(dòng)采集試驗(yàn)中的位移和剪應(yīng)力大小，并自動(dòng)繪制剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線，每個(gè)試樣剪切結(jié)束時(shí)求得該級(jí)垂直壓力下的最大剪應(yīng)力(τ)；當(dāng)每組4個(gè)試樣分別在4級(jí)垂直壓力下完成剪切試驗(yàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制出抗剪強(qiáng)度-垂直壓力關(guān)系曲線，并計(jì)算出該組根-土復(fù)合體試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)。

2 結(jié)果與分析

2.1不同退化區(qū)優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)及其群落特征

2.1.1未退化區(qū)優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)及其群落特征 研究區(qū)草地以未退化草地為主，局部地段分布著一些不規(guī)則狀橢圓形退化草地，如圖2(Ⅰ)所示。未退化區(qū)原生植物生長(zhǎng)較為茂盛，且草地完全被植物覆蓋。該區(qū)內(nèi)優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)為小嵩草(Kobresiapygmaea)、紫花針茅(Stipapurpurea)和垂穗披堿草(Elymusnutans)。未退化區(qū)內(nèi)植物生長(zhǎng)較好，且在區(qū)內(nèi)廣泛分布，其植物根系發(fā)達(dá)且根系相互交錯(cuò)形成網(wǎng)狀，起到較好的抵抗草地退化和由退化所引起的水土流失的作用。

2.1.2輕度退化區(qū)優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)及其群落特征 輕度退化區(qū)主要分布于不規(guī)則狀橢圓形退化草地外圍地帶，如圖2(Ⅱ)所示，該區(qū)域內(nèi)草地呈現(xiàn)出輕度退化現(xiàn)象，其總體植被覆蓋度較高，為65%以上。在該區(qū)域內(nèi)其優(yōu)勢(shì)植物類(lèi)型逐漸演替為小嵩草和鵝絨委陵菜(Potentillachinensis)，而紫花針茅和垂穗披堿草則相對(duì)逐漸減少，同時(shí)，麻花艽(Gentianastraminea)、青海風(fēng)毛菊(Saussureapulchra)等次生植物數(shù)量呈相對(duì)增多的趨勢(shì)。輕度退化區(qū)內(nèi)植物根系較發(fā)達(dá)，根系與土體顆粒間的相互作用較強(qiáng)，整體性較好。

2.1.3中度退化區(qū)優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)及其群落特征 中度退化區(qū)草地主要分布于不規(guī)則狀橢圓形退化草地的中部區(qū)域位置，如圖2(Ⅲ)所示，區(qū)內(nèi)的草地退化程度表現(xiàn)出加劇現(xiàn)象，該區(qū)植被覆蓋度相對(duì)于未退化區(qū)和輕度退化區(qū)顯著降低至約為50%；同時(shí)，優(yōu)勢(shì)植物類(lèi)型小嵩草數(shù)量呈明顯減少趨勢(shì)，而鵝絨委陵菜和密花香薷(Elsholtziadensa)成為了優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)。中度退化區(qū)草地植物根系較少，且根系較淺，多分布于地表以下10 cm內(nèi)，其抵抗草地退化作用相對(duì)不及上述的輕度和未退化區(qū)的植物顯著。

2.1.4重度退化區(qū)優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)及其群落特征 重度退化區(qū)分布于不規(guī)則狀橢圓形退化草地的中心區(qū)域位置，如圖2(Ⅳ)所示，該區(qū)內(nèi)草地退化現(xiàn)象嚴(yán)重，多數(shù)情況為僅存在零星分布的少量密花香薷，而且該退化類(lèi)型在區(qū)內(nèi)主要表現(xiàn)為呈裸露狀態(tài)，且在地表多已構(gòu)成禿斑狀。重度退化區(qū)其土體呈緊密狀態(tài)，且土體密度相對(duì)較大，不利于植物在該區(qū)域內(nèi)生長(zhǎng)。

2.2不同退化區(qū)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特征及其影響因素分析

研究區(qū)不同退化程度的草地其根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，隨著區(qū)內(nèi)草地退化程度的加劇，草地的平均密度和平均含水率均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中未退化區(qū)與輕度退化區(qū)的密度和含水率相對(duì)較小，而中度和重度退化區(qū)則相對(duì)較大，重度退化區(qū)其平均密度和含水率分別達(dá)到1.371 g/cm3和21.4%。同時(shí)，該區(qū)域的草地優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)則逐漸演替為其他次生植物，且根-土復(fù)合體中植物根系含量逐漸減少。隨著優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)的以上這種變化，區(qū)域內(nèi)的不同退化區(qū)草地植物的根系數(shù)量亦呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢(shì)，即具體表現(xiàn)為由未退化區(qū)的18.86%降低至重度退化區(qū)的0.74%。此外，由表4還可知，區(qū)內(nèi)草地隨著退化程度的不斷加強(qiáng)，其復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度亦呈現(xiàn)出降低的變化趨勢(shì)，其中復(fù)合體的平均黏聚力值降低顯著，而其平均內(nèi)摩擦角則無(wú)明顯的變化規(guī)律。未退化區(qū)根-土復(fù)合體平均黏聚力為36.97 kPa，輕度退化區(qū)和中度退化區(qū)其平均黏聚力逐漸減小，重度退化區(qū)平均黏聚力則最小，為9.79 kPa。區(qū)內(nèi)4種類(lèi)型的退化區(qū)根-土復(fù)合體平均內(nèi)摩擦角為24.01°～25.11°，體現(xiàn)出了變化幅度相對(duì)較小的特征。

表4 研究區(qū)4種不同退化程度草地根-土復(fù)合體基本物理特征及其抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The basic physical characteristics and shear strength for grassland root-soil composite systems of four different degradation degrees in the studying area

注：表中根系含量指的是野外取樣時(shí)環(huán)刀內(nèi)根系鮮重與根-土復(fù)合體試樣質(zhì)量比值，其計(jì)算方法為根系鮮重/根-土復(fù)合體質(zhì)量。

Note：The root content in the table refers to the quality ratio of fresh root in the ring knife and the root-soil composite system samples, and the calculation method is root fresh weight/quality of root-soil composite system.

圖3為研究區(qū)4種不同退化程度草地根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線，由該圖可知，4種不同退化程度草地根-土復(fù)合體的最大剪應(yīng)力隨著垂直壓力的增加而呈增大趨勢(shì)，且在相同垂直壓力(50，100，200，300 kPa)作用下，根-土復(fù)合體最大剪應(yīng)力表現(xiàn)為未退化區(qū)>輕度退化區(qū)>中度退化區(qū)>重度退化區(qū)。同時(shí)，由圖3還可知，在相同垂直壓力(如200 kPa)和相同剪應(yīng)力條件下(如80 kPa)，4種不同退化程度草地根-土復(fù)合體的剪切位移呈現(xiàn)出未退化區(qū)(剪切位移為1.45 mm)<輕度退化區(qū)(剪切位移為1.72 mm)<中度退化區(qū)(剪切位移為2.11 mm)<重度退化區(qū)(剪切位移為2.33 mm)，表明隨著區(qū)內(nèi)退化程度的不斷增強(qiáng)，根-土復(fù)合體抗剪切變形的能力呈逐漸減弱的變化趨勢(shì)。

栗岳洲等(2015)[33]通過(guò)對(duì)海韭菜(Triglochinmaritimum)、賴(lài)草(Leymussecalinus)、毛穗賴(lài)草(Leymuspaboanus)、無(wú)脈苔草(Carexenervis)4種草本植物根-土復(fù)合體直接剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，草本植物根系能顯著提高土體的抗剪強(qiáng)度，且存在最優(yōu)含根量，表現(xiàn)為在未達(dá)到最優(yōu)含根量時(shí)，根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨含根量增加而增大。胡其志等(2010)[34]通過(guò)對(duì)加入草本植物狗牙根(Cynodondactylon)根系的根-土復(fù)合體進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明，根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度隨著含根量的增加而增大，但當(dāng)含根量達(dá)到一定量時(shí)根-土復(fù)合體強(qiáng)度則不再繼續(xù)增加，即反映出存在最優(yōu)含根量。本研究結(jié)果表明，隨著區(qū)內(nèi)草地退化程度的增強(qiáng)，根-土復(fù)合體中的根系含量呈逐漸減小的變化規(guī)律，其相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度也隨著退化程度的增強(qiáng)而減小，體現(xiàn)出根系含量的減小為根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度減小的主要因素，該研究結(jié)論與上述學(xué)者的研究結(jié)論一致。

圖3 研究區(qū)4種不同退化程度草地根-土復(fù)合體剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線Fig.3 Shear stress and displacement relationship curves of root-soil composite systems of four different grassland degradation degrees in the studying area a: 未退化區(qū)Non-degraded area; b: 輕度退化區(qū)Slightly degraded area; c: 中度退化區(qū)Medium degraded area; d: 重度退化區(qū)Heavily degraded area. 圖中“P1”、“P2”、“P3”、“P4”分別對(duì)應(yīng)垂直壓力為50、100、200、300 kPa時(shí)，試樣在該級(jí)垂直壓力下達(dá)到的最大剪應(yīng)力，例如，“P1=54.7”表示在垂直壓力為50 kPa時(shí)該試樣在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到的最大剪應(yīng)力為54.7 kPa。P1, P2, P3, P4 represent the maximum shear stress under the vertical pressure of 50, 100, 200, 300 kPa respectively. For example, “P1=54.7” means that the maximum shear stress of the shear sample is 54.7 kPa when shear test ended under the vertical pressure of 50 kPa.

2.3區(qū)內(nèi)不同退化類(lèi)型之間抗剪強(qiáng)度閾值的初步確定

通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)4種不同退化程度草地根-土復(fù)合體試樣的直接剪切試驗(yàn)以及根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度值的統(tǒng)計(jì)與分析，分別計(jì)算得到4種不同退化類(lèi)型草地根-土復(fù)合體黏聚力c值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；同時(shí)，將黏聚力平均值-標(biāo)準(zhǔn)差作為對(duì)應(yīng)退化類(lèi)型草地復(fù)合體黏聚力c值的下限，將黏聚力平均值+標(biāo)準(zhǔn)差作為對(duì)應(yīng)退化類(lèi)型草地復(fù)合體黏聚力c值的上限，計(jì)算結(jié)果如表5所示。將同一退化類(lèi)型草地復(fù)合體黏聚力下限和上限之間所構(gòu)成的區(qū)間作為該退化程度草地植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的穩(wěn)定區(qū)間，草地在該區(qū)間內(nèi)處于退化的穩(wěn)定狀態(tài)，不發(fā)生不同退化程度間的演替。同時(shí)，將相鄰不同退化程度草地的抗剪強(qiáng)度穩(wěn)定區(qū)間相交的區(qū)間作為不同草地類(lèi)型發(fā)生向相鄰?fù)嘶?lèi)型顯著演替的過(guò)度范圍，即為相鄰?fù)嘶?lèi)型之間草地植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的閾值變化區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度達(dá)到相鄰?fù)嘶潭戎g發(fā)生顯著演替的閾值，若草地退化程度加劇則該草地退化為下一個(gè)退化程度。由表5可知，該區(qū)內(nèi)未退化區(qū)與輕度退化區(qū)之間，發(fā)生草地退化程度改變的根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的閾值變化區(qū)間為26.54～29.60 kPa，相應(yīng)地，輕度退化區(qū)與中度退化區(qū)之間的抗剪強(qiáng)度閾值變化區(qū)間為17.14～23.77 kPa，中度退化區(qū)與重度退化區(qū)之間為6.33～12.09 kPa。

同時(shí)，為了對(duì)相鄰不同退化區(qū)之間的根-土復(fù)合體黏聚力閾值變化區(qū)間均值進(jìn)行計(jì)算，選取區(qū)內(nèi)未退化區(qū)與輕度退化區(qū)之間的根-土復(fù)合體的黏聚力閾值變化區(qū)間下限26.54 kPa和上限29.60 kPa，計(jì)算得出根-土復(fù)合體的黏聚力c值平均值為28.07 kPa，并將該值作為未退化區(qū)與輕度退化區(qū)之間的草地根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的閾值變化區(qū)間均值，即當(dāng)區(qū)內(nèi)草地根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度大于或等于該值時(shí)認(rèn)為該草地為未退化，小于該值時(shí)為輕度退化。同理，依次計(jì)算得到的輕度退化與中度退化、中度退化與重度退化之間根-土復(fù)合體的黏聚力c值閾值變化區(qū)間均值分別為20.46和9.21 kPa。由區(qū)內(nèi)4種退化區(qū)草地根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度閾值所確定出的4種草地退化類(lèi)型界限分布范圍如圖4所示。

表5 研究區(qū)4種不同退化區(qū)植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度閾值計(jì)算結(jié)果Table 5 Shear strength threshold calculation results for plant root-soil composite systems of four different degradation areas in the studying area

圖4 研究區(qū)植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度閾值與4種退化類(lèi)型界限演替模式Fig. 4 Shear strength thresholds for plant root-soil composite systems and succession model for boundaries values of four types of degradation in the studying area

3 討論

目前，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)草地退化的研究多集中在不同退化等級(jí)草地的植被覆蓋度、植物生物量變化、土壤化學(xué)成分變化等方面[7,10]，而對(duì)于不同退化程度草地的力學(xué)特性方面的研究相對(duì)較少。因此，本研究對(duì)不同退化程度草地的植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特征的研究體現(xiàn)出了一定的創(chuàng)新性。周華坤等(2012)[9]對(duì)黃河源區(qū)紫花針茅高寒草原在不同退化程度下植物群落、生物量和土壤特征的研究指出，隨著高寒草原退化程度加大，植被蓋度、草地質(zhì)量指數(shù)和優(yōu)良牧草地上生物量比例逐漸下降，并指出隨著退化程度加劇，禾草地上生物量減少顯著，雜草類(lèi)植物地上生物量呈先增加后減少的變化規(guī)律。該研究結(jié)論與本研究中不同退化程度草地優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)演替規(guī)律基本一致。諸多研究結(jié)果表明，植物根系能顯著提高植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度，且在一定含根量范圍內(nèi)隨著含根量的增加而呈逐漸增大的變化規(guī)律[13-14,20]。本研究中，隨著研究區(qū)草地退化程度的加劇，草地植物根系含量顯著降低，其復(fù)合體抗剪強(qiáng)度值亦逐漸降低，體現(xiàn)出了植物根系含量降低對(duì)其復(fù)合體抗剪強(qiáng)度值降低程度的顯著影響，因此，本研究結(jié)論與以上的關(guān)于根系含量與復(fù)合體抗剪強(qiáng)度之間關(guān)系的研究結(jié)論基本一致。

在閾值研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在生態(tài)閾值研究上多集中在氣候變化、放牧強(qiáng)度等方面對(duì)草地退化程度的影響，而對(duì)于草地退化中的有關(guān)力學(xué)強(qiáng)度閾值的研究則較少[25,27]。因此，本研究通過(guò)對(duì)研究區(qū)不同退化程度草地的根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特征及其變化閾值進(jìn)行了探討。本研究所得到的區(qū)內(nèi)4種不同退化區(qū)之間的抗剪強(qiáng)度閾值，對(duì)進(jìn)一步分析草地退化區(qū)的演替過(guò)程具有指示作用，并可作為劃分草地退化等級(jí)的其中一項(xiàng)指標(biāo)。以研究區(qū)未退化草地為例，該區(qū)內(nèi)草地植物生長(zhǎng)茂盛且根系發(fā)達(dá)，植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度相對(duì)較大，即均大于退化閾值28.07 kPa。當(dāng)區(qū)內(nèi)草地開(kāi)始出現(xiàn)退化現(xiàn)象時(shí)，草地優(yōu)勢(shì)植物由小嵩草和紫花針茅開(kāi)始向小嵩草和鵝絨委陵菜進(jìn)行演替。相應(yīng)地，其植物根系含量亦逐漸減小，使得根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度亦相應(yīng)減小，但仍大于28.07 kPa。而當(dāng)草地根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨著草地退化程度加劇而逐漸降低，并達(dá)到未退化區(qū)與輕度退化區(qū)之間的抗剪強(qiáng)度閾值28.07 kPa時(shí)，草地優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)和根系數(shù)量亦相應(yīng)發(fā)生顯著變化，并迅速演替為以小嵩草和鵝絨委陵菜等輕度退化草地優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)為主，草地退化至輕度退化類(lèi)型；此時(shí)，根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度則降低至輕度退化區(qū)抗剪強(qiáng)度的穩(wěn)定范圍內(nèi)，即為20.46～28.07 kPa。相應(yīng)地，區(qū)內(nèi)草地由輕度退化演替為中度退化及重度退化時(shí)，其演替過(guò)程亦與未退化向輕度退化演替過(guò)程類(lèi)似。由上述可知，研究區(qū)不同退化區(qū)植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度均具有各自的閾值，且隨著退化程度的增強(qiáng)，其閾值亦相應(yīng)地隨之發(fā)生改變，即其閾值可作為劃分草地退化等級(jí)的指標(biāo)之一。因此，通過(guò)對(duì)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度閾值的分析，對(duì)于進(jìn)一步研究草地退化過(guò)程具有重要的理論價(jià)值，同時(shí)對(duì)劃分草地退化等級(jí)具有重要的指導(dǎo)作用。

此外，諸多學(xué)者的研究結(jié)果表明，草地退化影響因素較多，其中受氣候條件及地理位置等影響則相對(duì)較為顯著，使得草地退化過(guò)程在不同年限和不同地理位置處表現(xiàn)出不同的變化特征，因此，生態(tài)安全閾值的確定和預(yù)測(cè)能力還相對(duì)較為有限，且存在較大不確定性[35]?；谝陨线@些因素，在后續(xù)研究中應(yīng)逐漸加強(qiáng)對(duì)不同地區(qū)草地退化的抗剪強(qiáng)度閾值確定方法的研究以及其隨退化年限的變化規(guī)律等方面的系統(tǒng)研究。

4 結(jié)論

研究區(qū)草地呈現(xiàn)出不同程度的退化現(xiàn)象，并呈現(xiàn)出不規(guī)則狀橢圓形退化模式，且愈接近于中心區(qū)域，其退化程度相對(duì)愈為嚴(yán)重，并可依次將區(qū)內(nèi)草地劃分為未退化區(qū)、輕度退化區(qū)、中度退化區(qū)、重度退化區(qū)。

隨著區(qū)內(nèi)草地退化程度的增強(qiáng)，草地優(yōu)勢(shì)植物種類(lèi)則發(fā)生顯著性改變，即由未退化區(qū)的小嵩草和紫花針茅，逐漸退化為輕度退化區(qū)的小嵩草和鵝絨委陵菜，至中度退化區(qū)的鵝絨委陵菜和密花香薷，直至演變?yōu)槁愕?，成為重度退化區(qū)。

隨著區(qū)內(nèi)草地退化程度的進(jìn)一步增強(qiáng)，植物生長(zhǎng)區(qū)土體的平均密度和平均含水率均呈增加趨勢(shì)，植物根系含量則呈逐漸降低的變化規(guī)律；同時(shí)，隨著植物根系含量逐漸減少，根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度亦呈現(xiàn)出依次降低的趨勢(shì)。

根據(jù)區(qū)內(nèi)4種類(lèi)型的退化區(qū)草地根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，分別得到了區(qū)內(nèi)4種類(lèi)型的退化區(qū)之間的根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度閾值，即由未退化區(qū)演變?yōu)檩p度退化區(qū)時(shí)，根-土復(fù)合體黏聚力的閾值為28.07 kPa，即當(dāng)草地生長(zhǎng)區(qū)根-土復(fù)合體的黏聚力c值大于28.07 kPa時(shí)為未退化區(qū)，而當(dāng)其復(fù)合體黏聚力c值小于28.07 kPa時(shí)為輕度退化區(qū)；同理，區(qū)內(nèi)草地由輕度退化區(qū)演變?yōu)橹卸韧嘶瘏^(qū)時(shí)，復(fù)合體黏聚力的閾值為20.46 kPa；由中度退化區(qū)演變?yōu)橹囟韧嘶瘏^(qū)時(shí)，復(fù)合體黏聚力的閾值為9.21 kPa。

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Shearstrengthtestsoftheroot-soilcompositesystemofalpinegrasslandvegetationatdifferentstagesofdegradationandthedeterminationofthresholdsintheYellowRiversourceregion

LIU Chang-Yi1, HU Xia-Song1,2*, DOU Zeng-Ning1, LI Xi-Lai3, XU Zhi-Wen1

1.DepartmentofGeologicalEngineering,QinghaiUniversity,Xining810016,China; 2.QinghaiInstituteofSaltLakes,ChineseAcademyofSciences,Xining810008,China; 3.CollegeofAgricultureandAnimalHusbandry,QinghaiUniversity,Xining810016,China

The aim of this study was to determine the shear strength of the root-soil composite system from sites with vegetation at different stages of degradation. The selected study area was the alpine grassland in Henan County, Qinghai Province, in the source region of the Yellow River. Shear strength tests were conducted to systematically analyze the characteristics of root-soil composite samples from sites with vegetation at different stages of degradation. The results showed that the grassland in the study area had an irregular oval-shaped pattern of degradation, with more severe degradation close to the center of the oval. From the outside to inside of the irregular oval, the grassland could be divided into a non-degraded (ND) area, a slightly degraded (SD) area, a moderately degraded (MD) area, and a heavily degraded (HD) area. As the degree of degradation increased, the diversity and abundance of local plants decreased, and introduced plants gradually replaced local plants and became dominant. The proportion of roots in soil and the shear strength of the root-soil composite system decreased with increasing degradation. The shear-strength thresholds of the root-soil composite system between neighboring degradation areas were also determined. The threshold of the cohesion of the root-soil composite system between ND and SD was 28.07 kPa, that between SD and MD was 20.46 kPa, and that between MD and HD was 9.21 kPa. This research to quantify differences in the strength of the root-soil composite system among grasslands with vegetation at different stages of degradation has theoretical value for further scientific studies, and will be useful for developing strategies to prevent and manage grassland degradation.

the Yellow River source region; grassland degradation; root-soil composite system; shear strength; threshold

10.11686/cyxb2017005

http://cyxb.lzu.edu.cn

劉昌義, 胡夏嵩, 竇增寧, 李希來(lái), 徐志聞. 黃河源區(qū)高寒草地植被根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)及退化程度閾值確定. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(9): 14-26.

LIU Chang-Yi, HU Xia-Song, DOU Zeng-Ning, LI Xi-Lai, XU Zhi-Wen. Shear strength tests of the root-soil composite system of alpine grassland vegetation at different stages of degradation and the determination of thresholds in the Yellow River source region. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(9): 14-26.

2017-01-09；改回日期：2017-05-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41572306，41162010)，國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2015DFG31870)，教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT_17R62)和青海省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014-ZJ-906)資助。

劉昌義(1991-)，男，四川宜賓人，在讀碩士。E-mail:1358128151@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail: hxs@mail.tsinghua.edu.cn