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摘 要：河岸带土体的抗剪力学特性是评判河岸稳定的关键因素。为了研究黄河源区河岸带的根系参数对土体抗剪力学特性的影响，以华扁穗草为试验材料，通过开展不同根长和含根量的重塑根-土复合体直剪试验，分析根长和含根量对抗剪强度指标的影响。试验结果表明：植被根系能够显著提高土体的抗剪强度，当含根量从3%增至24%时，根长为2、4、6 cm的根-土复合体分别在含根量为15%、18%和21%时达到抗剪强度峰值，分别为23.78、21.44、21.75 kPa;根土复合体的黏聚力值较素土分别增加了19.2、16.9、17.2 kPa;根-土复合体内摩擦角的最大值对应的含根量分别为15%、12%和15%;当根-土复合体中含根量小于9%时，根长越长，根系增强土体黏聚力的效应越强。
关键词：河岸;根-土复合体;含根量;根长;重塑直剪试验;黄河源区
中图分类号：TV861;TV882.1 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.009
Influence of Root Paramenters to the Shear Resistance of Soil-Root Composite
LUO Luyao， SONG Lu， ZHU Haili， LI Benfeng， ZHANG Ke， LIU Yabin， LI Guorong， ZHANG Yu
（Department of Geological Engineering， Qinghai University， Xining 810016， China）
Abstract：The shearing mechanical properties of the riparian soil are the key factors for evaluating the bank stability. In order to investigate the influencing of root parameters to the shear behavior of the soil-root composite in the riverbank in the source region of the Yellow River， the direct remolding shear test was carried out and took Blysmus sinocompressus as the experimental material. Different root lengths and root contents were designed to analyze the influence of root length and root content to the shear strength index. The results show that the root system can significantly improve the shear strength of soil. When the root content is increased from 3% to 24%， the root-soil composite with root length of 2， 4 and 6 cm reaches the shear peak at the root content of 15%， 18% and 21% respectively， and the shear peak is 23.78， 21.44 and 21.75 kPa. Comparing with pure soil， the cohesion of root-soil composite is increased by 19.2， 16.9 and 17.2 kPa respectively. When the root length is 2， 4 and 6 cm， the maximum value of the Angle of internal friction is 15%， 12% and 15% respectively. When the root content in the root-soil complex is less than 9%， the longer the root length， the stronger the effect of the root to enhance the cohesion of the soil.
Key words： riverbank; soil-root composite; root content; root length; direct remolding shear test; source region of Yellow River
黃河源区地处我国青藏高原东北部，区内高寒草甸植被分布广泛，在地形宽阔平坦处发育草甸型弯曲河流，在弯道水流作用下，常产生悬臂式崩岸[1-2]。穿插缠绕在土层内的植被根系作为一种活性加筋材料，对增强河岸带土体强度、阻止河岸拉张裂隙的发育和增强河岸稳定性具有重要作用[1-6]。滨河植被的良好发育有利于曲流河岸的稳定横向迁移，保持曲流两岸冲淤平衡，对保护源区内的生态环境具有深远的意义[1，4]。近年来，受全球气候变暖、过度放牧及人为干扰等影响，黄河源区脆弱的生态环境遭受一定程度的影响，高寒草甸出现不同程度的退化[7-9]。分析在弯曲河岸植被变化背景条件下二元结构河岸根土复合体抗剪切强度的影响因素，对评价河岸稳定性、筛选优势护岸植物具有重要意义。
在根系固土研究中，根系被普遍认为是一种纤维加筋材料，植物根系的加筋作用可提高土体抗剪强度[10-12]。刘宝生等[13]认为纤维加筋效果取决于纤维-土界面的力学作用，包括黏聚力和摩擦力。唐朝生等[14]在研究聚丙烯纤维加固软土强度时，发现不同的纤维掺量和纤维长度加筋效果不同，且纤维掺量一定时纤维的加筋效果受纤维长度的影响。近年来，国内外学者在植物根系影响土体抗剪强度变化方面开展了大量研究。Waldron等[15]通过直剪试验发现根-土复合体的抗剪强度与穿过剪切面的含根量有直接关系，土的抗剪强度随根的数量增加而呈增大趋势。胡其志等[16]、杨悦舒等[17]、栗岳洲等[18]、王元战等[19]通过试验研究发现，植物根系对土体抗剪强度的增强作用存在最优含根量。此外，Schwarz等[20]利用RBM模型计算根系对土体抗剪强度的增强作用，认为根系长度对根土间拉拔摩擦力的发挥将产生影响。综合国内外研究，发现在根系提高土体抗剪强度研究方面，以滨河植被为研究对象的相对较少[3-4]，其中同时考虑根长和根量对土体抗剪强度参数影响及其最大增强作用方面缺乏深入研究。 黄河源区河岸带在不同季节、不同覆被及不同物质组成条件下的稳定性具有明显差异，在同一剖面、不同深度的植物根系含量不同，土体的抗剪强度亦存在差异。为了研究黄河源区河岸带在不同深度处的根-土复合体抗剪力学特性，深入分析根量及根系长度的变化对土体抗剪特性的影响，本研究采用室内重塑直剪试验的方法，开展不同梯度根系含量和根系长度影响因素的直剪试验，分析二者对根-土复合体抗剪强度的影响，进而比较根量和根长对抗剪强度参数的影响程度。此项研究对深入分析黄河源区河岸崩塌机制、筛选优势护岸植物具有重要意义，可为黄河源区河岸带草地恢复种植方案优化提供科学依据。
1 研究区概况
研究区位于青海省黄南藏族自治州河南县境内的弯曲河流兰木措曲，其地理坐标为北纬34°26′—35°02′，东经101°23′—101°35′。区内海拔高度3 400～4 200 m，年均气温在-4 ℃以下，为高原大陆性气候，属高寒亚寒带湿润气候区，多年平均降水量为329～505 mm[21]。区内植被类型简单，以高寒草甸为主，以寒冷中生、湿中生多年草本植物密丛短根茎嵩草为建群种或优势种，草丛低矮，层次结构简单，群落覆盖度大，物种组成丰富，且具有较厚的草结皮层[22]。区内河流蜿蜒曲折，河岸带植被类型丰富，其中以华扁穗草、西藏嵩草、金露梅和线叶嵩草为优势植物种。区内河岸二元结构发育典型，上细下粗，上层根-土復合体层为粉土，下层砂砾石层为粉土质砂或级配不良砾，下层为河岸水流淘刷最为严重的部分[23]。
2 试验材料与试验方法
2.1 试验材料
为了使试验具有代表性，选取兰木措曲6个河湾凹岸作为土体和根系的取样点。通过对研究区河岸带植被进行调查发现，滨河植物中优势植物华扁穗草分布广泛，且在垂直剖面方向根量变化较明显，因此以该种植物根系为研究对象。在野外，首先在各取样点水平距河岸1.5～2.0 m处，原位挖取一定的土体，并用塑料花盆装好以便带回实验室使用。其次，在原位选择生长正常的华扁穗草植被区域，采用现场挖掘法，挖取直径约为25 cm、高为30 cm的圆柱形根-土复合体土柱（见图1），同时注意尽量保持植被根系完整、不受损。将圆柱形根土试样移置塑料花盆内带回实验室以备使用。回实验室后，将根-土复合体试样置于塑料大桶内浸泡2～3 h，以便土体与根系分解，同时在尽量不破坏根系的条件下，将试样置于水池内冲洗，获得干净的植物根系（见图2），并用干净毛巾吸掉根系表面水分，挑选出试验所需的根系，并用密封袋封装好放入LRHS-150-Ⅲ型恒温箱4 ℃保存待用。
2.2 研究区土体基本物理性质
在研究区6个河湾凹岸分别选择生长正常的华扁穗草地点位，每个点位均进行含水率、密度和颗粒级配的取样工作。含水率样品采用小铝盒进行取样，带回实验室利用烘干法测定;密度样品采用小环刀进行取样，带回实验室利用环刀法测定;颗粒级配样品采用筛分法处理。经测定，土体密度为1.59 g/cm3，含水率为48.7%，土体类别为粉土。
2.3 试验方法
2.3.1 含根量及根系长度的测定
野外调查发现研究区河岸带根系在纵剖面表现为上部根系多、下部根系少。试验根系长度根据小环刀直径规格（内径6.18 cm，高2 cm）设定为2、4、6 cm三个梯度。含根量的设置以研究区自然条件下土体含根量为标准，采用环刀内根系质量与干土质量的比值作为根-土复合体试样中含根量的确定方法。测定研究区自然条件下的土体含根量的方法：在研究区6个河湾凹岸分别选择生长正常的华扁穗草地点位，每个点位取3层，即从地表由上而下0～15 cm作为第1层，15～30 cm作为第2层，30～45 cm作为第3层，每层均利用大环刀（内径10 cm，高6.37 cm）取原状根-土复合体试样，每层取2组带回实验室。将每个环刀内的根系与土体分开，尽量保证根系表面不带土体，用清水清洗根系，待用毛巾吸掉根系表层水分后称重，将收集好的土体进行烘干称重，计算出每个大环刀取样的含根量，结果显示第1层土体的含根量为21%～22%，第2层土体含根量为10%～14%，第3层土体含根量为2%～5%。根据研究区河岸带土体中含根量的情况，本试验按等差的方式，依次设定0%、3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%、24%九个含根量。试验中分别制备3种根系长度、9个含根量水平的根-土复合体试样，将制备好的试样直接进行直剪试验。具体试验设计见表1。
2.3.2 重塑直剪试验
试样制备和直剪试验依照《土工试验规程》[24] 进行。根-土复合体试样制备的步骤：①将野外带回的土体进行植物根系的挑选，挑选后称取土体12 kg，经自然风干碾碎，过2 mm筛子;②在清洗干净的华扁穗草根系中挑选出根径范围为0.5～0.6 mm的根系，将其剪为长约2、4、6 cm的根段;③按照试验设计的根-土复合体试样含水率（45%）、密度（1.55 g/cm3）和含根量，计算出所需干土、水和根系的质量并称量，同时记录配置每个试样所需的根的数量，先将干土和根系充分搅拌均匀，再加水配置成一定比例的根-土复合体，充分搅拌均匀后，静置24 h（见图3）;④充分浸泡后，再次搅拌均匀，按照三瓣模的规格（内径61.8 mm，高125 mm），每次称取相应质量的土体，均分4份后，分4次装入三瓣膜中，采用分层击实法分4层击实，在击实过程中，每层间的接触面均需用小刀刮毛;⑤将制备好的试样进行直剪试验。
直剪试验使用ZJ型应变控制式直剪仪，每组试验由4个试样组成，每组试样施加的法向压强依次为50、100、200、300 kPa。每组试验结束后，经电脑分析得出黏聚力c值和内摩擦角φ值。
3 结果与分析
3.1 根-土复合体抗剪强度指标的变化 不同根系长度、根系含量条件下根-土复合体抗剪强度指标结果统计见表2。由表2可知，素土的抗剪强度指标黏聚力值最小，为4.58 kPa。在3种根系长度条件下，随着根-土复合体中的根系含量的增加，根-土复合体的黏聚力值均大于素土的黏聚力值。当根长为2 cm、含根量为3%～15%时，根-土复合体的黏聚力值随着含根量的增加而持续增大，最大可达23.78 kPa，增长幅度为364.45%;当含根量大于15%时，黏聚力值随着含根量的增加而减小;当根长为4 cm和6 cm时，根-土复合体的黏聚力值同样表现为随着含根量的增加呈先增大后减小的变化趋势，其最大值分别为21.44 kPa和21.75 kPa，增长幅度分别为232.4%和154.39%。可以发现，随着试样中根长的增加，根系作用产生的抗剪强度增长幅度呈降低趋势。
目前，大多数学者认为根系增强土体的强度主要体现在其对黏聚力的影响上[10-12，19]，对于重塑试样和实际根土复合体黏聚力值的差异，相关试验研究还比较缺乏。李本锋等[23]、李光莹等[25]和刘昌义等[26]在研究区及其周边地区进行了高寒草甸植物根土复合体的原位取样及其抗剪强度测定，其中：李本锋等[23]以华扁穗草和垂穗披碱草为优势植物种的草地为研究对象，通过进行原位制取含根土体直剪试样，测定根土复合体黏聚力为21.43～29.45 kPa;而李光莹等[25]、刘昌义等[26]采用相同试验方法，測定以小嵩草、紫花针茅为优势植物种草地的黏聚力分别为16.01～20.42 kPa和36.97 kPa。对比本试验结果可知，重塑直剪试验测定的黏聚力值相对偏低，且降低幅度在38.69%～76.11%范围内，这与王元战等[19]人提出的原状根土体剪切强度较重塑草根加筋土强度要高的结论类似。其主要原因与重塑试样土体与根系接触相对不牢固，且土体自身胶结结构被破坏有关。
由表2可知，根长为2 cm时，根-土复合体的内摩擦角φ随着含根量的增加总体呈增大趋势，且在含根量为15%时，内摩擦角最大，为24.43°;根长为4 cm时，根-土复合体的内摩擦角在含根量为3%～12%时呈波动上升趋势，并达到最大值24.40°，随后呈波动下降趋势;根长为6 cm时，根-土复合体的内摩擦角随含根量的增加总体呈波动变化趋势，在含根量为15%处最大，为22.00°。由此可见，在含根量为12%～15%时，研究区土体与根系间的内摩擦角达到最大。
由图4可知，在同一根系长度条件下，根-土复合体的黏聚力随着含根量的增加呈先增大后减小的趋势，这说明根-土复合体中存在最优含根量使其抗剪强度达到峰值。根长为2 cm时，根-土复合体在含根量为15%时黏聚力最大，为23.78 kPa，这说明根长为2 cm时最优含根量为15%;根长为4 cm时，根-土复合体在含根量为18%时黏聚力最大，为21.44 kPa;而根长为6 cm时，根-土复合体在含根量为21%时黏聚力最大，为21.75 kPa。这表明随着根系长度由2 cm增加为4、6 cm时，最优含根量由15%增加至18%和21%，呈现最优含根量增大的趋势。在最优含根量条件下，根长为2 cm时根土复合体黏聚力值最大，其次为根长6 cm时， 最小为根长4 cm时。最优含根量的确定，有助于优化黄河源区河堤和路堑边坡植被护坡及草地人工生态恢复的建设方案，确定优势植物种和种植密度，促使地下根系含量等于或接近最优含根量，从而使根系增强土体的能力最强。图4 不同根系长度下土体黏聚力c与根系含量的关系
根-土复合体抗剪强度随含根量增大出现峰值，其原因是随着土体中根系的增多，根系与土体间接触的总面积增大，根土相互作用增强，从而使抗剪强度指标增大，而当含根量达到一个极值后，土体中根系数量明显增多，根系不能全部与土体充分接触，根系与土体的黏结作用力减弱，从而表现为黏聚力下降。当根-土复合体试样中含根量相同时，根长越短，根系数量越多。因此，根长为2 cm试样的土体与根系表面之间的界面作用力最先达到最佳状态，其次是根长为4 cm的试样，最后为根长为6 cm的试样。
3.2 根长和含根量对根-土复合体黏聚力的影响
为了对比根长、含根量变化对根-土复合体抗剪强度指标的影响，绘制了含根量、根长与黏聚力关系的气泡图（见图5）。本试验选择的根径大小差异较小（0.5～0.6 mm），假设当根长增长一倍时，相同体积试样内含根量增加一倍，但其根数保持不变;而当剪切试样内根长不变、含根量增加一倍时，可视为其根数增加了一倍。图5为2组根数不变、根长增加与根长不变、根数增加两种情况下的黏聚力变化情况。其中：水平方向气泡表示根长不变、根数增加时的黏聚力值变化，斜方向表示根数不变、根长增长条件下的黏聚力值变化情况。第1组中，当根土复合体中根长为2 cm、含根量为3%改变为根长为4 cm、含根量为6%时，试样的根数不变，根长增加1倍;同理，根长为6 cm、含根量为9%时，根长增加至2倍。由图5可知，随着根长增加1倍和2倍，黏聚力值分别增加了8.15 kPa和12.36 kPa;而当根长不变，根数相应增加1倍和2倍时（即根长均为2 cm，根量由3%增加至6%和9%），黏聚力分别增加了7.40 kPa和9.43 kPa。对比二者的黏聚力值变化可知，根长和根量增加同等倍数时，根数不变，根长增加1倍和2倍时的黏聚力值更高，由此说明在含根量为3%、6%和9%时，根土复合体中根长对复合体黏聚力的增强效应更显著。对于第2组数据（含根量分别为6%、12%和18%），可以发现当根数不变，根长分别由2 cm增加至4 cm和6 cm时，其黏聚力值较根量由6%增加至12%和18%时，表现为先减小后增大的变化特点。产生这种变化的原因主要是当复合体中的根长为2 cm，其含根量从9%增加至15%时，其黏聚力值出现激增的现象（见图4），从而表现为根量较根长对土体的增强效应明显。综合以上2组数据的对比，说明当复合体中含根量相对较少时（小于9%），根长越长，根系增强土体黏聚力的效应越强。 含根量相对较小时，若根-土复合体发生变形或剪切破坏，则土体中的根系处于受拉状态。对于较短的根系，土体与根系表面之间的界面作用力相对较小，根系更容易发生相对滑动或在受剪切面上被拔出;根系较长时，根系锚固长度亦较长，土体与根系表面之间的界面作用力相对较大，根系发生相对滑动或在受剪切面上被拔出越不易[14]，由此发挥的抗拉增强作用越明显。结合研究区实际，对于河岸下部土体，由于其根土复合体的平均含根量小于9%，因此根长越长的植物对河岸的抗剪能力增强越强。
4 结 论
（1）研究区根-土复合体在根长为2、4、6 cm，含根量由3%增加至24%时，分别在含根量为15%、18%、21%时达到剪切峰值23.78、21.44、21.75 kPa，表明复合体中根长不同时，其最优含根量存在差异，并随根长的增加而增大。
（2）植被根系可增强土体的黏聚力，当达到最优含根量时，根长为2 cm的复合体黏聚力值较素土增加19.2 kPa，增幅为419.21%;而当根长为4 cm和6 cm时，根系产生的黏聚力增强值分别达到16.9 kPa和17.2 kPa，较素土增幅分别为368.12%和374.89%;当根土复合体的根长为2、4、6 cm时，其内摩擦角分别在含根量为15%、12%、15%时达到最大。
（3）当根-土复合体中含根量小于9%时，根长越长，根长增强土体黏聚力的效应较根量的影响效应越强。研究区河岸下部根土层平均含根量小于9%，在根数不变的条件下，根长越长的植物对河岸的抗剪能力增强效应越强。
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【责任编辑 许立新】
关键词：河岸;根-土复合体;含根量;根长;重塑直剪试验;黄河源区
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Abstract：The shearing mechanical properties of the riparian soil are the key factors for evaluating the bank stability. In order to investigate the influencing of root parameters to the shear behavior of the soil-root composite in the riverbank in the source region of the Yellow River， the direct remolding shear test was carried out and took Blysmus sinocompressus as the experimental material. Different root lengths and root contents were designed to analyze the influence of root length and root content to the shear strength index. The results show that the root system can significantly improve the shear strength of soil. When the root content is increased from 3% to 24%， the root-soil composite with root length of 2， 4 and 6 cm reaches the shear peak at the root content of 15%， 18% and 21% respectively， and the shear peak is 23.78， 21.44 and 21.75 kPa. Comparing with pure soil， the cohesion of root-soil composite is increased by 19.2， 16.9 and 17.2 kPa respectively. When the root length is 2， 4 and 6 cm， the maximum value of the Angle of internal friction is 15%， 12% and 15% respectively. When the root content in the root-soil complex is less than 9%， the longer the root length， the stronger the effect of the root to enhance the cohesion of the soil.
Key words： riverbank; soil-root composite; root content; root length; direct remolding shear test; source region of Yellow River
黃河源区地处我国青藏高原东北部，区内高寒草甸植被分布广泛，在地形宽阔平坦处发育草甸型弯曲河流，在弯道水流作用下，常产生悬臂式崩岸[1-2]。穿插缠绕在土层内的植被根系作为一种活性加筋材料，对增强河岸带土体强度、阻止河岸拉张裂隙的发育和增强河岸稳定性具有重要作用[1-6]。滨河植被的良好发育有利于曲流河岸的稳定横向迁移，保持曲流两岸冲淤平衡，对保护源区内的生态环境具有深远的意义[1，4]。近年来，受全球气候变暖、过度放牧及人为干扰等影响，黄河源区脆弱的生态环境遭受一定程度的影响，高寒草甸出现不同程度的退化[7-9]。分析在弯曲河岸植被变化背景条件下二元结构河岸根土复合体抗剪切强度的影响因素，对评价河岸稳定性、筛选优势护岸植物具有重要意义。
在根系固土研究中，根系被普遍认为是一种纤维加筋材料，植物根系的加筋作用可提高土体抗剪强度[10-12]。刘宝生等[13]认为纤维加筋效果取决于纤维-土界面的力学作用，包括黏聚力和摩擦力。唐朝生等[14]在研究聚丙烯纤维加固软土强度时，发现不同的纤维掺量和纤维长度加筋效果不同，且纤维掺量一定时纤维的加筋效果受纤维长度的影响。近年来，国内外学者在植物根系影响土体抗剪强度变化方面开展了大量研究。Waldron等[15]通过直剪试验发现根-土复合体的抗剪强度与穿过剪切面的含根量有直接关系，土的抗剪强度随根的数量增加而呈增大趋势。胡其志等[16]、杨悦舒等[17]、栗岳洲等[18]、王元战等[19]通过试验研究发现，植物根系对土体抗剪强度的增强作用存在最优含根量。此外，Schwarz等[20]利用RBM模型计算根系对土体抗剪强度的增强作用，认为根系长度对根土间拉拔摩擦力的发挥将产生影响。综合国内外研究，发现在根系提高土体抗剪强度研究方面，以滨河植被为研究对象的相对较少[3-4]，其中同时考虑根长和根量对土体抗剪强度参数影响及其最大增强作用方面缺乏深入研究。 黄河源区河岸带在不同季节、不同覆被及不同物质组成条件下的稳定性具有明显差异，在同一剖面、不同深度的植物根系含量不同，土体的抗剪强度亦存在差异。为了研究黄河源区河岸带在不同深度处的根-土复合体抗剪力学特性，深入分析根量及根系长度的变化对土体抗剪特性的影响，本研究采用室内重塑直剪试验的方法，开展不同梯度根系含量和根系长度影响因素的直剪试验，分析二者对根-土复合体抗剪强度的影响，进而比较根量和根长对抗剪强度参数的影响程度。此项研究对深入分析黄河源区河岸崩塌机制、筛选优势护岸植物具有重要意义，可为黄河源区河岸带草地恢复种植方案优化提供科学依据。
1 研究区概况
研究区位于青海省黄南藏族自治州河南县境内的弯曲河流兰木措曲，其地理坐标为北纬34°26′—35°02′，东经101°23′—101°35′。区内海拔高度3 400～4 200 m，年均气温在-4 ℃以下，为高原大陆性气候，属高寒亚寒带湿润气候区，多年平均降水量为329～505 mm[21]。区内植被类型简单，以高寒草甸为主，以寒冷中生、湿中生多年草本植物密丛短根茎嵩草为建群种或优势种，草丛低矮，层次结构简单，群落覆盖度大，物种组成丰富，且具有较厚的草结皮层[22]。区内河流蜿蜒曲折，河岸带植被类型丰富，其中以华扁穗草、西藏嵩草、金露梅和线叶嵩草为优势植物种。区内河岸二元结构发育典型，上细下粗，上层根-土復合体层为粉土，下层砂砾石层为粉土质砂或级配不良砾，下层为河岸水流淘刷最为严重的部分[23]。
2 试验材料与试验方法
2.1 试验材料
为了使试验具有代表性，选取兰木措曲6个河湾凹岸作为土体和根系的取样点。通过对研究区河岸带植被进行调查发现，滨河植物中优势植物华扁穗草分布广泛，且在垂直剖面方向根量变化较明显，因此以该种植物根系为研究对象。在野外，首先在各取样点水平距河岸1.5～2.0 m处，原位挖取一定的土体，并用塑料花盆装好以便带回实验室使用。其次，在原位选择生长正常的华扁穗草植被区域，采用现场挖掘法，挖取直径约为25 cm、高为30 cm的圆柱形根-土复合体土柱（见图1），同时注意尽量保持植被根系完整、不受损。将圆柱形根土试样移置塑料花盆内带回实验室以备使用。回实验室后，将根-土复合体试样置于塑料大桶内浸泡2～3 h，以便土体与根系分解，同时在尽量不破坏根系的条件下，将试样置于水池内冲洗，获得干净的植物根系（见图2），并用干净毛巾吸掉根系表面水分，挑选出试验所需的根系，并用密封袋封装好放入LRHS-150-Ⅲ型恒温箱4 ℃保存待用。
2.2 研究区土体基本物理性质
在研究区6个河湾凹岸分别选择生长正常的华扁穗草地点位，每个点位均进行含水率、密度和颗粒级配的取样工作。含水率样品采用小铝盒进行取样，带回实验室利用烘干法测定;密度样品采用小环刀进行取样，带回实验室利用环刀法测定;颗粒级配样品采用筛分法处理。经测定，土体密度为1.59 g/cm3，含水率为48.7%，土体类别为粉土。
2.3 试验方法
2.3.1 含根量及根系长度的测定
野外调查发现研究区河岸带根系在纵剖面表现为上部根系多、下部根系少。试验根系长度根据小环刀直径规格（内径6.18 cm，高2 cm）设定为2、4、6 cm三个梯度。含根量的设置以研究区自然条件下土体含根量为标准，采用环刀内根系质量与干土质量的比值作为根-土复合体试样中含根量的确定方法。测定研究区自然条件下的土体含根量的方法：在研究区6个河湾凹岸分别选择生长正常的华扁穗草地点位，每个点位取3层，即从地表由上而下0～15 cm作为第1层，15～30 cm作为第2层，30～45 cm作为第3层，每层均利用大环刀（内径10 cm，高6.37 cm）取原状根-土复合体试样，每层取2组带回实验室。将每个环刀内的根系与土体分开，尽量保证根系表面不带土体，用清水清洗根系，待用毛巾吸掉根系表层水分后称重，将收集好的土体进行烘干称重，计算出每个大环刀取样的含根量，结果显示第1层土体的含根量为21%～22%，第2层土体含根量为10%～14%，第3层土体含根量为2%～5%。根据研究区河岸带土体中含根量的情况，本试验按等差的方式，依次设定0%、3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%、24%九个含根量。试验中分别制备3种根系长度、9个含根量水平的根-土复合体试样，将制备好的试样直接进行直剪试验。具体试验设计见表1。
2.3.2 重塑直剪试验
试样制备和直剪试验依照《土工试验规程》[24] 进行。根-土复合体试样制备的步骤：①将野外带回的土体进行植物根系的挑选，挑选后称取土体12 kg，经自然风干碾碎，过2 mm筛子;②在清洗干净的华扁穗草根系中挑选出根径范围为0.5～0.6 mm的根系，将其剪为长约2、4、6 cm的根段;③按照试验设计的根-土复合体试样含水率（45%）、密度（1.55 g/cm3）和含根量，计算出所需干土、水和根系的质量并称量，同时记录配置每个试样所需的根的数量，先将干土和根系充分搅拌均匀，再加水配置成一定比例的根-土复合体，充分搅拌均匀后，静置24 h（见图3）;④充分浸泡后，再次搅拌均匀，按照三瓣模的规格（内径61.8 mm，高125 mm），每次称取相应质量的土体，均分4份后，分4次装入三瓣膜中，采用分层击实法分4层击实，在击实过程中，每层间的接触面均需用小刀刮毛;⑤将制备好的试样进行直剪试验。
直剪试验使用ZJ型应变控制式直剪仪，每组试验由4个试样组成，每组试样施加的法向压强依次为50、100、200、300 kPa。每组试验结束后，经电脑分析得出黏聚力c值和内摩擦角φ值。
3 结果与分析
3.1 根-土复合体抗剪强度指标的变化 不同根系长度、根系含量条件下根-土复合体抗剪强度指标结果统计见表2。由表2可知，素土的抗剪强度指标黏聚力值最小，为4.58 kPa。在3种根系长度条件下，随着根-土复合体中的根系含量的增加，根-土复合体的黏聚力值均大于素土的黏聚力值。当根长为2 cm、含根量为3%～15%时，根-土复合体的黏聚力值随着含根量的增加而持续增大，最大可达23.78 kPa，增长幅度为364.45%;当含根量大于15%时，黏聚力值随着含根量的增加而减小;当根长为4 cm和6 cm时，根-土复合体的黏聚力值同样表现为随着含根量的增加呈先增大后减小的变化趋势，其最大值分别为21.44 kPa和21.75 kPa，增长幅度分别为232.4%和154.39%。可以发现，随着试样中根长的增加，根系作用产生的抗剪强度增长幅度呈降低趋势。
目前，大多数学者认为根系增强土体的强度主要体现在其对黏聚力的影响上[10-12，19]，对于重塑试样和实际根土复合体黏聚力值的差异，相关试验研究还比较缺乏。李本锋等[23]、李光莹等[25]和刘昌义等[26]在研究区及其周边地区进行了高寒草甸植物根土复合体的原位取样及其抗剪强度测定，其中：李本锋等[23]以华扁穗草和垂穗披碱草为优势植物种的草地为研究对象，通过进行原位制取含根土体直剪试样，测定根土复合体黏聚力为21.43～29.45 kPa;而李光莹等[25]、刘昌义等[26]采用相同试验方法，測定以小嵩草、紫花针茅为优势植物种草地的黏聚力分别为16.01～20.42 kPa和36.97 kPa。对比本试验结果可知，重塑直剪试验测定的黏聚力值相对偏低，且降低幅度在38.69%～76.11%范围内，这与王元战等[19]人提出的原状根土体剪切强度较重塑草根加筋土强度要高的结论类似。其主要原因与重塑试样土体与根系接触相对不牢固，且土体自身胶结结构被破坏有关。
由表2可知，根长为2 cm时，根-土复合体的内摩擦角φ随着含根量的增加总体呈增大趋势，且在含根量为15%时，内摩擦角最大，为24.43°;根长为4 cm时，根-土复合体的内摩擦角在含根量为3%～12%时呈波动上升趋势，并达到最大值24.40°，随后呈波动下降趋势;根长为6 cm时，根-土复合体的内摩擦角随含根量的增加总体呈波动变化趋势，在含根量为15%处最大，为22.00°。由此可见，在含根量为12%～15%时，研究区土体与根系间的内摩擦角达到最大。
由图4可知，在同一根系长度条件下，根-土复合体的黏聚力随着含根量的增加呈先增大后减小的趋势，这说明根-土复合体中存在最优含根量使其抗剪强度达到峰值。根长为2 cm时，根-土复合体在含根量为15%时黏聚力最大，为23.78 kPa，这说明根长为2 cm时最优含根量为15%;根长为4 cm时，根-土复合体在含根量为18%时黏聚力最大，为21.44 kPa;而根长为6 cm时，根-土复合体在含根量为21%时黏聚力最大，为21.75 kPa。这表明随着根系长度由2 cm增加为4、6 cm时，最优含根量由15%增加至18%和21%，呈现最优含根量增大的趋势。在最优含根量条件下，根长为2 cm时根土复合体黏聚力值最大，其次为根长6 cm时， 最小为根长4 cm时。最优含根量的确定，有助于优化黄河源区河堤和路堑边坡植被护坡及草地人工生态恢复的建设方案，确定优势植物种和种植密度，促使地下根系含量等于或接近最优含根量，从而使根系增强土体的能力最强。图4 不同根系长度下土体黏聚力c与根系含量的关系
根-土复合体抗剪强度随含根量增大出现峰值，其原因是随着土体中根系的增多，根系与土体间接触的总面积增大，根土相互作用增强，从而使抗剪强度指标增大，而当含根量达到一个极值后，土体中根系数量明显增多，根系不能全部与土体充分接触，根系与土体的黏结作用力减弱，从而表现为黏聚力下降。当根-土复合体试样中含根量相同时，根长越短，根系数量越多。因此，根长为2 cm试样的土体与根系表面之间的界面作用力最先达到最佳状态，其次是根长为4 cm的试样，最后为根长为6 cm的试样。
3.2 根长和含根量对根-土复合体黏聚力的影响
为了对比根长、含根量变化对根-土复合体抗剪强度指标的影响，绘制了含根量、根长与黏聚力关系的气泡图（见图5）。本试验选择的根径大小差异较小（0.5～0.6 mm），假设当根长增长一倍时，相同体积试样内含根量增加一倍，但其根数保持不变;而当剪切试样内根长不变、含根量增加一倍时，可视为其根数增加了一倍。图5为2组根数不变、根长增加与根长不变、根数增加两种情况下的黏聚力变化情况。其中：水平方向气泡表示根长不变、根数增加时的黏聚力值变化，斜方向表示根数不变、根长增长条件下的黏聚力值变化情况。第1组中，当根土复合体中根长为2 cm、含根量为3%改变为根长为4 cm、含根量为6%时，试样的根数不变，根长增加1倍;同理，根长为6 cm、含根量为9%时，根长增加至2倍。由图5可知，随着根长增加1倍和2倍，黏聚力值分别增加了8.15 kPa和12.36 kPa;而当根长不变，根数相应增加1倍和2倍时（即根长均为2 cm，根量由3%增加至6%和9%），黏聚力分别增加了7.40 kPa和9.43 kPa。对比二者的黏聚力值变化可知，根长和根量增加同等倍数时，根数不变，根长增加1倍和2倍时的黏聚力值更高，由此说明在含根量为3%、6%和9%时，根土复合体中根长对复合体黏聚力的增强效应更显著。对于第2组数据（含根量分别为6%、12%和18%），可以发现当根数不变，根长分别由2 cm增加至4 cm和6 cm时，其黏聚力值较根量由6%增加至12%和18%时，表现为先减小后增大的变化特点。产生这种变化的原因主要是当复合体中的根长为2 cm，其含根量从9%增加至15%时，其黏聚力值出现激增的现象（见图4），从而表现为根量较根长对土体的增强效应明显。综合以上2组数据的对比，说明当复合体中含根量相对较少时（小于9%），根长越长，根系增强土体黏聚力的效应越强。 含根量相对较小时，若根-土复合体发生变形或剪切破坏，则土体中的根系处于受拉状态。对于较短的根系，土体与根系表面之间的界面作用力相对较小，根系更容易发生相对滑动或在受剪切面上被拔出;根系较长时，根系锚固长度亦较长，土体与根系表面之间的界面作用力相对较大，根系发生相对滑动或在受剪切面上被拔出越不易[14]，由此发挥的抗拉增强作用越明显。结合研究区实际，对于河岸下部土体，由于其根土复合体的平均含根量小于9%，因此根长越长的植物对河岸的抗剪能力增强越强。
4 结 论
（1）研究区根-土复合体在根长为2、4、6 cm，含根量由3%增加至24%时，分别在含根量为15%、18%、21%时达到剪切峰值23.78、21.44、21.75 kPa，表明复合体中根长不同时，其最优含根量存在差异，并随根长的增加而增大。
（2）植被根系可增强土体的黏聚力，当达到最优含根量时，根长为2 cm的复合体黏聚力值较素土增加19.2 kPa，增幅为419.21%;而当根长为4 cm和6 cm时，根系产生的黏聚力增强值分别达到16.9 kPa和17.2 kPa，较素土增幅分别为368.12%和374.89%;当根土复合体的根长为2、4、6 cm时，其内摩擦角分别在含根量为15%、12%、15%时达到最大。
（3）当根-土复合体中含根量小于9%时，根长越长，根长增强土体黏聚力的效应较根量的影响效应越强。研究区河岸下部根土层平均含根量小于9%，在根数不变的条件下，根长越长的植物对河岸的抗剪能力增强效应越强。
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【责任编辑 许立新】