寒旱环境植物根-土相互作用机理及其地质环境效应

本项研究以地处青藏高原东北部寒冷、干旱-半干旱的西宁盆地及其周边（含青藏铁路沱沱河铁路边坡试验区、青海湖北岸三角羊场试验区）作为研究区，选用适应当地气候且根系发达乡土草本和灌木植物，采用坡面种植方式，研究寒旱环境草本和灌木植物根-土相互作用机理及其地质环境效应，主要内容含草本、灌木根系增强土体抗剪强度影响因素；草本与灌木根系增强土体抗剪强度的群根效应及其年际间的变化；根系内聚力影响因素、建立由根系内聚力所产生的附加土体抗剪强度、根系周围土体附加内聚力产生的土体抗剪强度、非含根土体抗剪强度三部分所构成的根系加强土体抗剪强度关系；草本与灌木垂直根系与倾斜根系加强边坡土体抗剪强度模式与根系贡献评价。该项研究不仅有利于防治研究区滑坡、水土流失等坡面浅层灾害现象，且有助于青藏高原城市边坡工程建设与生态环境协调发展，同时对青藏高原东北部地区区域生态地质环境保护具有重要理论研究价值和现实意义。

本项研究以地处青藏高原东北部寒冷、干旱-半干旱的西宁盆地及周边为研究区，区内植被覆盖率低，夏季暴雨期间，水土流失、滑坡等灾害现象较为严重。该研究筛选出适应当地气候草本和灌木种，采用坡面种植方式，主要研究内容：（1）草本、灌木根系增强土体抗剪强度影响因素；（2）草本与灌木根系抗拔强度；（3）草本与灌木根系增强土体抗剪强度的群根效应；（4）草本与灌木根系内聚力增强土体抗剪强度效应；（5）草本与灌木根系加强土体抗剪强度模式与根系贡献评价。取得了以下重要结果：（1）在西宁盆地新建植物护坡试验区2处，且对青海湖北岸三角城种羊场试验区、青藏铁路沱沱河铁路边坡试验区等5个试验区，开展了试验样品采样。（2）种植在阳坡垂穗披碱草根系抗拔力为30.88N，阴坡抗拔力为23.52N；30°坡度时垂穗披碱草根系抗拔力较45°坡度大，即抗拔力分别为69.49N、61.87N。（3）芨芨草、柠条锦鸡儿干根的平均抗拉力、抗拉强度显著大于鲜根，且鲜根、干根的抗拉力与根径间呈幂函数关系。（4）垂穗披碱草和芨芨草（生长期为1a）根系抗拔力与作用时间之间由线性关系至非线性关系的过程。（5）柠条锦鸡儿、霸王根-土间最大摩擦力，随根系总表面积、根系总体积、根系总长等5个指标增大而呈递增趋势。（6）柠条锦鸡儿根系微结构为隆起脊槽相间状结构、网格状结构；霸王根系微结构为轻微脊槽相间状结构、片状结构。（7）垂穗披碱草、细茎冰草和柠条锦鸡儿、霸王、白刺其单根抗拉力由大至小依次为生长期为2a的灌木、生长期为1a的灌木、生长期为1a的草本。（8）原位剪切试验结果表明，素土的剪切力为3s左右即达到峰值，根-土复合体的剪切力峰值时间为69.8～168.2s。（9）柠条锦鸡儿与芨芨草组合，芨芨草、柠条锦鸡儿单种的根-土复合体较素土的粘聚力c值增长率依次为94.1%、66.6%、39.2%。（10）根系与剪切面夹角为45°、60°、75°、90°时，复合体粘聚力c值由大至小依次为90°根-土复合体、75°根-土复合体、60°根-土复合体、45°根-土复合体。（11）复合体中的根系与剪切面夹角α为45°、60°、75°时，柠条锦鸡儿根-土复合体的粘聚力c值增长率分别为54.45%、82.22%、102.34%。该研究有助于青藏高原东北部地区基础设施建设与生态环境保护间的协调发展，同时对区域生态环境保护具有重要理论价值和现实意义。