青藏高原东北部黄土区植物降盐效应及其增强边坡稳定性研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院青海盐湖研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuhan78001
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本项研究选取位于青藏高原东北部的西宁盆地作为研究区,筛选出紫花苜蓿(Medicago sativa L.)、垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)、细茎冰草(Agropyron trachycaulum Linn.Gaertn.)、芨芨草(Achnatherum splendens(Trin.)Nevski)、草地早熟禾(Poa pratensis L.)、碱茅(Puccinellia distanx(L.))6种优势草本植物和柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii Kom.)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon Bunge Maxim.)、白刺(Nitraria sphaerocarpa Maxim.)、中宁枸杞(Lycium barbarum L.)4种优势灌木植物作为试验供试种。通过室内盐胁迫试验分析和评价了Na2SO4胁迫对草本和灌木植物生长量指标和生理指标的影响及其耐盐性;并通过单根拉伸试验分析了Na2SO4胁迫对植物根系力学特性的影响及其作用机理。通过在研究区自建试验区开展种植试验,评价了草本和灌木植物及其组合降盐效应。在试验区种植试验基础上,开展了草本和灌木组合根-土复合体原状试样直剪试验和重塑试样三轴压缩试验,评价了含盐量、含水量、含根量和草本与灌木根系质量比与复合体抗剪强度指标之间的关系和相互作用机理。通过开展试验区原位模拟降雨试验,并采用数值模拟的方法对试验区种植草本和灌木组合边坡及未种植植物裸坡在降雨前后的稳定性进行了分析。通过以上研究,得到以下主要结论:(1)在Na2SO4胁迫条件下,垂穗披碱草、细茎冰草和紫花苜蓿3种草本,以及柠条锦鸡儿、霸王和中宁枸杞3种灌木株高、地径(茎)、根长和干质量4个生长量指标表现出随着Na2SO4胁迫浓度增加而降低的变化趋势。3种草本和3种灌木叶绿素含量随着Na2SO4胁迫浓度增加呈先增大后减小的变化趋势;叶片相对电导率、丙二醛、脯氨酸、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶6个生理指标均随着Na2SO4胁迫浓度增加呈增大的变化趋势。隶属函数综合评价结果表明,细茎冰草和中宁枸杞为区内耐盐性相对较强的草本和灌木植物。(2)生长期为1 a的垂穗披碱草、细茎冰草、紫花苜蓿和芨芨草4种草本,以及柠条锦鸡儿、霸王、中宁枸杞和白刺4种灌木对边坡地表以下0~20 cm深度土体全盐量具有显著降低作用,其中紫花苜蓿和柠条锦鸡儿降盐效果相对较为显著。草本和灌木组合对边坡地表以下0~40 cm深度土体全盐量具有降低作用,其中组合1(紫花苜蓿+细茎冰草+芨芨草+柠条锦鸡儿)和组合5(紫花苜蓿+垂穗披碱草+碱茅+草地早熟禾+柠条锦鸡儿)降盐效果相对较为显著。(3)Na2SO4胁迫条件下,垂穗披碱草、细茎冰草和紫花苜蓿3种草本,以及柠条锦鸡儿、霸王和中宁枸杞3种灌木单根抗拉力和单根抗拉强度随着Na2SO4胁迫浓度增加分别表现出降低和增大的变化趋势。3种草本和3种灌木单根抗拉力和单根抗拉强度随着根径增加,分别呈指数函数增大和幂函数减小的变化趋势。不同草本和灌木根系纤维素含量与Na2SO4溶液浓度、根径和单根抗拉力学特性均表现出较为显著的相关关系,根系木质素含量次之。(4)6种草本和灌木组合根系对试验区边坡地表以下0~30 cm深度土体黏聚力起到了相对显著的增强作用。三轴压缩试验结果表明,在其他3个因素一定情况下,素土和根-土复合体黏聚力表现出随着含盐量增加先增大后减小的变化趋势,而内摩擦角则表现出逐渐减小的变化趋势;随着含水量增加,素土和根-土复合体黏聚力和内摩擦角均表现出逐渐降低的变化趋势;随着含根量增加,根-土复合体黏聚力呈逐渐增大的变化趋势,而内摩擦角呈先增大后降低的变化趋势;随着草本与灌木根系质量比的增加,根-土复合体黏聚力呈先增大后减小的变化趋势,而内摩擦角呈逐渐增大的变化趋势。(5)模拟降雨试验结束后,种植草本和灌木组合边坡和裸坡土体含水量分别在边坡地表以下0~50 cm和0~20 cm深度表现出显著升高的现象,随着模拟降雨后时间增长,种植植物边坡和裸坡土体含水量逐渐降低。在模拟降雨试验结束后,种植草本和灌木组合边坡和裸坡土体含盐量分别在边坡地表以下0~50 cm和0~20 cm深度表现出呈降低的变化趋势,随着时间的增加,种植植物边坡和裸坡土体含盐量逐渐增大。(6)模拟降雨试验前后,裸坡较种植植物边坡具有相对较为显著的水平方向和垂直方向位移变化。模拟降雨试验前在裸坡坡面附近出现显著的剪应变增量和剪切塑性区,模拟降雨试验结束后,裸坡剪应变增量和剪切塑性区分布区域增大;模拟降雨试验前后,种植植物边坡坡面附近均未出现明显的剪应变增量和剪切塑性区。模拟降雨试验前至试验结束后26 h,种植植物边坡和裸坡边坡安全系数呈先降低后逐渐增大的变化规律,且在不同时间,种植植物边坡安全系数均相对高于裸坡。种植植物具有显著提高边坡浅层土体稳定性的作用。该研究成果为进一步探讨干旱-半干旱环境下草本和灌木植物耐盐机理和降盐效应,以及草本和灌木组合根系增强边坡土体抗剪强度和提高边坡稳定性等方面的研究提供了理论依据;同时,本项研究成果对于科学有效地防治研究区以及与区内自然条件相似地区,土地盐渍化、水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有指导意义和实际应用价值。
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