黄河源区不同禁牧年限对垂穗披碱草单根及其根-土复合体力学强度特征的影响

doi:10.11686/cyxb2022351

草业学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (5): 106-117.DOI: 10.11686/cyxb2022351

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黄河源区不同禁牧年限对垂穗披碱草单根及其根-土复合体力学强度特征的影响

何伟鹏¹(), 胡夏嵩¹, 刘昌义¹(), 李璇¹, 李希来², 付江涛³, 卢海静², 杨馥铖¹, 李国荣¹

^1.青海大学地质工程系，青海西宁 810016
^2.青海大学农牧学院，青海西宁 810016
^3.青海大学农林科学院，青海西宁 810016

收稿日期:2022-08-31 修回日期:2022-10-07 出版日期:2023-05-20 发布日期:2023-03-20
通讯作者: 刘昌义
作者简介:E-mail： 1358128151@qq.com
何伟鹏（1994-），女，甘肃会宁人，在读硕士。E-mail： 1036762123@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(42041006);青海省自然科学基金资助项目(2020-ZJ-906);第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0905);青海大学地质资源与地质工程学科硕士点建设项目(41250103)

Impact of the different duration years of grazing prohibition on the mechanical strength characteristics of Elymus nutans roots and its composite systems in the Yellow River source region

Wei-peng HE¹(), Xia-song HU¹, Chang-yi LIU¹(), Xuan LI¹, Xi-lai LI², Jiang-tao FU³, Hai-jing LU², Fu-cheng YANG¹, Guo-rong LI¹

^1.Department of Geological Engineering，Qinghai University，Xining 810016，China
^2.College of Agriculture and Animal Husbandry，Qinghai University，Xining 810016，China
^3.Academy of Agriculture and Forestry，Qinghai University，Xining 810016，China

Received:2022-08-31 Revised:2022-10-07 Online:2023-05-20 Published:2023-03-20
Contact: Chang-yi LIU

摘要/Abstract

摘要：

为研究黄河源区不同禁牧年限高寒草地植物根系力学特性及根系增强土体抗剪强度贡献特征，本研究以黄河源区河南县地区未禁牧、1 a禁牧、4 a禁牧、10 a禁牧4种工况下的高寒草地植物垂穗披碱草为研究对象，在野外调查、取样及室内单根拉伸试验和根-土复合体直剪试验的基础上，探讨了垂穗披碱草在不同禁牧年限下，单根抗拉力和根-土复合体抗剪强度指标变化特征及其影响因素。结果表明：1~4 a短期禁牧增加了垂穗披碱草生长量指标，而10 a长期禁牧其生长量指标则呈降低的变化特征。随着禁牧年限增加，垂穗披碱草单根抗拉力呈先增大后降低的变化规律，1和4 a禁牧单根抗拉力较未禁牧增幅分别为15.9%、14.8%；垂穗披碱草单根抗拉强度、根-土复合体黏聚力均呈降低趋势，其中10 a禁牧垂穗披碱草单根抗拉强度、根-土复合体黏聚力相对于未禁牧降低幅度最大，分别为57.3%、63.5%。进一步研究表明，根-土复合体黏聚力c值与根径、土体密度之间呈显著正相关关系，与含水率之间则呈显著负相关关系，且黏聚力c值随含根量的增加呈先增大后减小的变化规律。研究结果可为高寒地区开展草地退化、水土流失等灾害的有效防治提供理论支撑和实际指导。

关键词: 黄河源区, 不同禁牧年限, 垂穗披碱草, 单根抗拉强度, 根-土复合体, 抗剪强度

Abstract:

The aim of this research was to investigate how the duration years of grazing prohibition affects the mechanical properties of Elymus nutans roots and its root-soil composite systems. The study sites were the grassland with no grazing prohibition （CK） and the grasslands with 1， 4， or 10 years of grazing prohibition in Henan County， which is located in the Yellow River source region. The researchers conducted a set of laboratory-based tests on the tensile properties of roots of E. nutans and direct shear tests on the root-soil composite systemsto quantify the effect of the duration years of grazing prohibition on the mechanical properties of soil. The results showed that a shorter period of grazing prohibition positively affected the growth of E. nutans with the increased growth index， but a longer period had the negative effect with the decreased growth index. With prolonged grazing prohibition， the tensile resistance of the roots initially increased and then decreased， with root tensile resistance increased by 15.9% after 1 year and 14.8% after 4 years of grazing prohibition. Meanwhile， the tensile strength of single roots and the cohesion of root-soil composite systems decreased gradually with prolonged grazing inhibition. The tensile strength and cohesion decreased by 57.3% and 63.5%， respectively， after 10 years of grazing prohibition compared with CK. The cohesion of root-soil composite systems was positively correlated with root diameter and soil natural density and negatively correlated with the soil moisture content. The relationship between cohesion and root content initially became stronger and then weakened with prolonged prohibition of grazing. These results provide theoretical support and practical guidance for the effective prevention and control of grassland degradation， soil erosion， and other forms of environment damage in alpine regions.

Key words: the Yellow River source region, different duration years of grazing prohibition, Elymus nutans, tensile strength of single root, root-soil composite systems, shear strength

何伟鹏, 胡夏嵩, 刘昌义, 李璇, 李希来, 付江涛, 卢海静, 杨馥铖, 李国荣. 黄河源区不同禁牧年限对垂穗披碱草单根及其根-土复合体力学强度特征的影响[J]. 草业学报, 2023, 32(5): 106-117.

Wei-peng HE, Xia-song HU, Chang-yi LIU, Xuan LI, Xi-lai LI, Jiang-tao FU, Hai-jing LU, Fu-cheng YANG, Guo-rong LI. Impact of the different duration years of grazing prohibition on the mechanical strength characteristics of Elymus nutans roots and its composite systems in the Yellow River source region[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(5): 106-117.

图/表 11

参考文献 34

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工况类型 Working conditions	平均株高 Average plant height （cm）	平均地径 Average plant diameter at ground surface （mm）
未禁牧No grazing prohibition	50.99±9.86c	1.45±0.37ab
1 a禁牧1 a grazing prohibition	52.67±10.84b	1.64±0.40a
4 a禁牧4 a grazing prohibition	66.65±18.23a	1.68±0.60a
10 a禁牧10 a grazing prohibition	34.65±9.62d	1.18±0.42b

工况类型 Working conditions	平均株高 Average plant height （cm）	平均地径 Average plant diameter at ground surface （mm）
未禁牧No grazing prohibition	50.99±9.86c	1.45±0.37ab
1 a禁牧1 a grazing prohibition	52.67±10.84b	1.64±0.40a
4 a禁牧4 a grazing prohibition	66.65±18.23a	1.68±0.60a
10 a禁牧10 a grazing prohibition	34.65±9.62d	1.18±0.42b

工况类型 Working conditions	平均根数Average root number （No.）		平均含根量Average root content （mg·cm^-3）
工况类型 Working conditions	0~10 cm	10~20 cm	0~10 cm	10~20 cm
未禁牧No grazing prohibition	942±538c	476±311b	11.70±6.98b	4.90±1.19b
1 a禁牧1 a grazing prohibition	1428±778a	996±581a	18.51±7.91a	11.71±5.16a
4 a禁牧4 a grazing prohibition	1199±974ab	861±392a	11.41±6.12b	9.10±5.93ab
10 a禁牧10 a grazing prohibition	900±251c	435±151b	6.10±2.00c	4.30±2.10b

工况类型 Working conditions	平均根数Average root number （No.）		平均含根量Average root content （mg·cm^-3）
工况类型 Working conditions	0~10 cm	10~20 cm	0~10 cm	10~20 cm
未禁牧No grazing prohibition	942±538c	476±311b	11.70±6.98b	4.90±1.19b
1 a禁牧1 a grazing prohibition	1428±778a	996±581a	18.51±7.91a	11.71±5.16a
4 a禁牧4 a grazing prohibition	1199±974ab	861±392a	11.41±6.12b	9.10±5.93ab
10 a禁牧10 a grazing prohibition	900±251c	435±151b	6.10±2.00c	4.30±2.10b

工况类型 Working conditions	平均根径 Average root diameter （D， mm）	单根抗拉力Tensile resistance of single root			单根抗拉强度Tensile strength of single root
工况类型 Working conditions	平均根径 Average root diameter （D， mm）	平均抗拉力 Average tensile resistance （F， N）	回归方程 Regression equation	拟合优度R² Goodness of fit R²	平均抗拉强度 Average tensile strength （T_N， MPa）	回归方程 Regression equation	拟合优度R² Goodness of fit R²
未禁牧No grazing prohibition	0.19±0.05	2.63±1.20ab	F=38.238D^1.646	0.9707	88.21±11.06a	T_N=48.684D^-0.354	0.6049
1 a禁牧1 a grazing prohibition	0.23±0.04	3.05±1.32a	F=19.388D^1.768	0.8740	78.36±23.59a	T_N=24.280D^-0.740	0.7016
4 a禁牧4 a grazing prohibition	0.26±0.11	3.02±1.74a	F=14.107D^1.564	0.8768	63.91±24.18b	T_N=17.963D^-0.836	0.7862
10 a禁牧10 a grazing prohibition	0.28±0.09	2.26±1.06b	F=14.152D^1.463	0.9566	37.63±7.71c	T_N=18.020D^-0.537	0.7478

黄河源区不同禁牧年限对垂穗披碱草单根及其根-土复合体力学强度特征的影响

Impact of the different duration years of grazing prohibition on the mechanical strength characteristics of Elymus nutans roots and its composite systems in the Yellow River source region

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[11]	李铁, 王润泽, 谌芸, 何丙辉, 周涛, 吴晨, 刘枭宏. PAM和草类根系对荒坡紫色土物理性质与抗剪性能的影响[J]. 草业学报, 2018, 27(2): 69-78.
[12]	刘昌义, 胡夏嵩, 窦增宁, 李希来, 徐志闻. 黄河源区高寒草地植被根-土复合体抗剪强度试验及退化程度阈值确定[J]. 草业学报, 2017, 26(9): 14-26.
[13]	葛静, 孟宝平, 杨淑霞, 高金龙, 殷建鹏, 张仁平, 冯琦胜, 梁天刚. 基于ADC和MODIS遥感数据的高寒草地地上生物量监测研究——以黄河源区为例[J]. 草业学报, 2017, 26(7): 23-34.
[14]	丁文斌, 何文健, 史东梅, 蒋光毅, 蒋平, 常松果. 干湿作用对紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪强度衰减-恢复效应[J]. 草业学报, 2017, 26(6): 56-67.
[15]	葛静, 孟宝平, 杨淑霞, 高金龙, 冯琦胜, 梁天刚, 黄晓东, 高新华, 李文龙, 张仁平, 王云龙. 基于UAV技术和MODIS遥感数据的高寒草地盖度动态变化监测研究—以黄河源东部地区为例[J]. 草业学报, 2017, 26(3): 1-12.

工况类型 Working conditions	平均黏聚力c值Average cohesion c value （kPa）		平均内摩擦角值Average internal friction angle φ value （°）
工况类型 Working conditions	0~10 cm	10~20 cm	0~10 cm	10~20 cm
未禁牧No grazing prohibition	26.58±5.86a	22.91±5.00a	19.53±2.48	20.48±2.48
1 a禁牧1 a grazing prohibition	16.02±1.99ab	15.37±1.76ab	19.96±2.69	22.07±2.69
4 a禁牧4 a grazing prohibition	13.15±6.78b	7.45±3.91b	20.39±2.92	21.25±3.54
10 a禁牧10 a grazing prohibition	9.70±1.90b	6.91±3.24b	18.95±3.99	19.25±2.24

工况类型 Working conditions	平均黏聚力c值Average cohesion c value （kPa）		平均内摩擦角值Average internal friction angle φ value （°）
工况类型 Working conditions	0~10 cm	10~20 cm	0~10 cm	10~20 cm
未禁牧No grazing prohibition	26.58±5.86a	22.91±5.00a	19.53±2.48	20.48±2.48
1 a禁牧1 a grazing prohibition	16.02±1.99ab	15.37±1.76ab	19.96±2.69	22.07±2.69
4 a禁牧4 a grazing prohibition	13.15±6.78b	7.45±3.91b	20.39±2.92	21.25±3.54
10 a禁牧10 a grazing prohibition	9.70±1.90b	6.91±3.24b	18.95±3.99	19.25±2.24