三种影响条件下黄河源区高寒草地土壤物理及力学性质

邢光延，申紫雁，刘昌义，胡夏嵩，李希来，付江涛，卢海静，赵吉美

三种影响条件下黄河源区高寒草地土壤物理及力学性质

邢光延1,4，申紫雁2，刘昌义2，胡夏嵩2※，李希来1，付江涛3，卢海静1，赵吉美1

（1. 青海大学农牧学院，西宁 810016；2. 青海大学地质工程系，西宁 810016；3. 青海大学农林科学院，西宁 810016；4. 青海大学土木工程学院，西宁 810016）

为探讨放牧和鼠害对黄河源区高寒退化草地土壤物理力学性质的影响，该研究选取位于黄河源区青海河南县高寒草地作为研究区，分别设置禁鼠、禁牧和自然3种影响条件，并将草地依次划分为未退化、轻度退化、中度退化、重度退化4种退化类型。通过测定3种影响条件下4种退化类型草地的土壤含水率、密度、含根量、黏聚力和内摩擦角，分析3种影响条件对不同退化类型草地土壤物理力学性质的影响；采用灰色关联分析法探讨不同退化类型草地土壤含水率、密度、含根量对土壤黏聚力的影响程度。结果表明：随着草地退化程度加剧，土壤含水率、含根量及黏聚力均呈逐渐降低的变化趋势，而土壤密度则呈逐渐增大的变化趋势。进一步研究表明，同一退化类型草地，土壤黏聚力由大至小依次为禁鼠、禁牧和自然条件，且禁鼠条件土壤黏聚力显著大于自然条件（<0.05）；未退化和轻度退化草地，土壤黏聚力与含根量间的关联度相对较高，关联度为0.706～0.778，而中度退化和重度退化草地，土壤黏聚力与密度和含水率间的关联度相对较大，关联度分别为0.586～0.785和0.622～0.779。研究结果对于科学有效防治黄河源区高寒草地退化及其所引起的水土流失、浅层滑坡等灾害现象的发生，具有实际指导意义。

物理力学性质；土壤；黏聚力；黄河源区；高寒草地；禁鼠；禁牧

0 引 言

黄河源区作为黄河主要水源补给区，其生态环境对整个流域生态健康和安全起到重要作用[1]。近年来，随着全球气候变化和人类工程活动日趋频繁，黄河源区高寒草地出现不同程度退化现象[2-3]。刘启兴等[4]对黄河源区2000—2016年植被覆盖时空变化的研究结果表明，黄河源区70.4%的区域归一化植被指数（NDVI）呈增加趋势，增加速率为0～0.004/a，但在扎陵湖、鄂陵湖西部和南部、黄河源区中南部以及若尔盖湿地北部等地区，植被NDVI减少0～0.2，这表明高寒草地退化趋势尚未得到有效遏制。相关研究结果表明，导致源区草地退化影响因子主要为气候、野生动物和人类活动等因素[5-6]。黄河源地处青藏高原，属于典型高原大陆性气候，区内降雨量稀少，蒸发量大，寒冷干燥，其中干旱、风害、雪灾等灾害严重影响区内草地植被正常生长，并导致土地裸露、沙化等不良现象的发生[7-9]。王金枝等[10]采用层次分析法对藏北那曲高寒草地退化影响因素进行了权重计算分析，指出过度放牧、鼠虫害对高寒草地退化的贡献率相对较高，分别为28.6%和17.1%。相关研究亦表明，源区家畜放牧和啮齿类动物扰动是影响草地生态系统的两大因素[11-12]。

国内外学者就源区放牧和啮齿类动物对草地土壤理化性质影响方面，已开展了较为广泛的研究[13-16]。肖翔等[17]在青藏高原东北缘选择3个高寒草甸牦牛夏季牧场，通过分析放牧强度对土壤物理性质的影响，指出随着放牧强度增加，土壤容重呈逐渐增大的变化趋势，而土壤孔隙度、含水率呈逐渐减小的变化趋势，土壤电导率则呈先增加后减小的变化趋势。冯峰等[18]在青藏高原东缘玛曲县境内高寒草地，开展高原鼠兔（）种群密度与植被和土壤理化性质之间的关系研究，指出高原鼠兔的种群密度与植被高度、植物物种丰富度之间均呈显著负相关关系，与土壤pH值和速效氮呈正相关关系。叶国辉等[19]在甘南藏族自治州玛曲县高寒草甸，选择3个不同干扰强度的高原鼠兔（）栖息区，研究鼠兔干扰与植物群落结构和土壤理化性质之间的关系，指出随着高原鼠兔干扰强度的增加，植物群落的平均高度增加而盖度降低，土壤有机质和全磷含量显著增加，pH值和土壤紧实度显著下降，并进一步通过冗余分析，发现高原鼠兔干扰下的高寒草甸植物功能群分布与土壤全磷和全钾含量显著相关。

相关研究表明，植物根系的存在影响土壤含水率、孔隙度和抗剪强度等性质指标，草本植物根系通过其加筋作用将土壤网结为整体形成根-土复合体，可有效提高土壤力学强度，从而起到减少水土流失和防治高寒草地退化的作用[20-21]。有关黄河源区高寒草地根-土复合体力学强度方面的研究已有相关报道[22-24]。刘昌义等[25]通过开展黄河源区高寒草地退化程度对根-土复合体抗剪强度的影响研究，认为随着草地退化程度加剧，原生植物种类及数量减少，次生植物逐渐取代原生植物并构成优势植物种类，其结果使得根-土复合体的根系含量下降，并导致根-土复合体抗剪强度减小。申紫雁等[26]通过研究黄河源区高寒草地不同深度土壤理化性质与抗剪强度关系，指出草地土壤黏聚力随土壤深度增加而降低，而裸地土壤黏聚力则随土壤深度的增加而增大；草地根-土复合体黏聚力与速效磷、含根量和有机质间的关联度相对较高，裸地土壤黏聚力则与密度、pH值和土壤颗粒限制粒径间的关联度相对较高。罗露瑶等[27]通过开展不同根长和含根量的重塑根-土复合体直剪试验，认为植被根系能显著提高土体抗剪强度，当含根量由3%增至24%时，根长为2、4、6 cm的根-土复合体其含根量分别为15%、18%和21%时达到抗剪强度峰值，且根-土复合体的黏聚力值较素土分别增加19.2、16.9、17.2 kPa。

综上所述，已有研究主要是探讨黄河源区鼠害、放牧对草地植被群落特征和土壤理化性质等方面的影响；而有关高寒草地土壤力学性质方面的相关研究则主要为源区草地退化程度、海拔、根参数、土壤深度和理化性质等对根-土复合体力学强度的影响，其中，涉及源区鼠害、放牧对草地土壤力学强度影响方面的相关研究成果则相对较少。基于此，本项研究选取位于黄河源区青海河南县高寒草地作为试验区，分别设置禁鼠、禁牧和自然3种影响条件，研究不同影响条件下土壤含水率、密度、含根量、黏聚力和内摩擦角变化特征，并进一步探讨土壤含水率、密度、含根量对土壤黏聚力的影响程度，拟为科学有效防治黄河源区因草地退化引起的水土流失和土壤侵蚀等灾害的发生提供理论依据和实际指导作用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选取位于黄河源区青海黄南藏族自治州河南蒙古族自治县境内高寒草地作为试验区，研究区地理坐标为北纬34°41'，东经101°46'，海拔为3 617 m。区内属典型高原大陆性气候，空气相对稀薄、辐射强烈且日照时间长，受西南季风影响较为明显；区内年降雨量为297.2 mm，年蒸发量为1 349.7 mm[25]。

1.2 影响条件设置

本项研究于2018年5月建立试验区，在区内分别设置禁鼠、禁牧和自然3种影响条件。其中，禁鼠条件采用家畜普通围栏及铁皮防鼠围栏和铁丝网联合防护，以有效防止牲畜和鼠类进入围栏内影响草地，该围栏区长×宽×高为200 m×200 m×1.4 m，采用铁皮围栏防止高原鼠类经地表进入试验区，采用埋入地下0.5 m深、孔径为0.8 cm的铁丝网防止高原鼠类由地下鼠洞进入试验区；禁牧条件使用家畜普通围栏进行防护，防止牲畜啃食和践踏草地，存在鼠类啃食和地表、地下活动，其围栏区规格和禁鼠条件一致；自然条件未采用围栏进行草地防护，草地中存在鼠类和放牧活动，其鼠类密度用堵洞法测得，有效洞口密度为300个/hm2[28]，放牧强度约为2.5羊单位/hm2[29]（1只羊等于1个羊单位，1头牛等于5个羊单位，1匹马等于5个羊单位），放牧时间为每年的5 —9月[29]。试验区设置的3种影响条件如图1所示。

图1 试验区3种影响条件设置方案示意图

1.3 试验材料

对试验区开展野外调查与取样发现草地呈现不同程度的退化现象。以青海省地方标准《高寒草原退化等级划分》（DB63/T 981—2011）[30]为依据，结合区内高寒草地退化特征、植物种类和植物种数量等方面的差异性，在3种影响条件下分别设置未退化、轻度退化、中度退化和重度退化4种退化类型草地，4种退化类型草地植被组成及其特征如表1所示。研究区野外采样于2019年7月进行，原位制取试样过程中，3种影响条件每种退化类型草地分别随机设置3个0.5 m×0.5 m的样方。另外，为了考虑禁鼠、禁牧对草地不同深度土壤物理力学性质的影响，每个样方分别在地表以下0～10 cm和10～20 cm深度处取样，其中土壤含水率试验每层平行取2个土样，土壤直剪试验每层平行取4个土样（同时作为密度试验的土样），4个土样取样位置设置在0.5 m×0.5 m样方对角线的1/4处，取样后及时带回实验室进行相关试验。

表1 研究区4种退化类型草地植被组成及其特征

1.4 试验仪器与方法

土壤含水率测定采用烘干法[31]，使用仪器为BZ-TR-1A型烘箱和乐祺LQ-c型电子秤，烘箱量程为室温～250 ℃，精度为±1 ℃，电子秤量程为0.05～3 000 g，精度为0.01 g。土壤密度测定采用环刀法[31]，使用的电子秤和含水率试验一致。土壤黏聚力和内摩擦角通过室内直剪试验获得，使用ZJ型应变控制式直剪仪在4种不同垂直压力（50、100、200、300 kPa）下以2.4 mm/min的剪切速度进行剪切试验，使试样在1～2 min内减损。

土壤含根量测试需待土壤直剪试验结束后，将一组4个复合体试样放置在孔径为0.05 mm筛网中进行冲洗，分离出的根系清洗干净后烘干，随即对干根质量进行称量，使用仪器为英衡YH-B型分析天平，量程为0.002～200 g，精度为0.001 g，并计算得到土壤含根量指标[32]。其计算式为

1.5 数据处理与分析

通过Excel 2019进行试验数据处理和灰色关联度计算，采用Origin 9.0进行图表绘制，采用SPSS 24.0进行One-way ANOVA分析，采用RStudio 4.0.5进行非参数Wilcoxon检验。

采用灰色关联分析法分析3种影响条件下，4种退化类型草地土壤含水率、密度、含根量对土壤黏聚力的影响程度。具体方法如下：

设参考数列为

比较数列为

式中参考数列0()为3种影响条件下4种退化类型草地土壤黏聚力，相对应的比较数列()为土壤含水率、密度、含根量，故=1,2,3；每种退化类型草地土壤密度、含水率、含根量和黏聚力在地表以下0～10 cm和10～20 cm各有3个重复，故=1,2,…,6。采用均值化转换对原始数据进行预处理，使其转换为数量级相近的无量纲数据。其计算式为

其中

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质

2.1.1 土壤含水率

如图2所示为土壤含水率测试结果。由该图可知，随着草地退化程度加剧，土壤含水率均表现为逐渐降低的变化趋势，表现在自然、禁鼠、禁牧条件下，重度退化草地地表以下0～10、10～20 cm土壤含水率较未退化草地下降幅度分别为30.31%、31.09%，29.67%、26.72%，24.46%、18.58%。造成不同退化类型草地土壤水分差异的植被因素主要有植被盖度和地上生物量。草地植被盖度愈高，地表根系分布愈密集，地表径流系数愈小，降水入渗量愈多，因此土壤水分补充量愈大，土壤含水率愈高，即土壤水分与植被覆盖度之间具有显著正相关关系[33-34]。此外，相关研究结果亦表明，草地的蒸散发会影响地表土壤含水率[34]，未退化草地植被繁茂，生长季植物蒸腾旺盛，土壤水分高，蒸散发受水分的限制较小，草地蒸散发较大；而重度退化草地植被盖度明显降低，地表蒸发强烈，土壤水分快速补给深层土壤，而持续的蒸散发导致表层土壤水分较低[34]。综合考虑表层土壤水分补给量和蒸散发，未退化草地植被盖度高，且根系生长较为发达，可起到有效改善草地土壤含水率的作用。进一步分析可知，所取试样地表以下10～20 cm土壤含水率均较地表以下0～10 cm土壤含水率小。主要原因为草地0～10 cm深度植物根系多于10～20 cm深度，植物根系愈多，其降水入渗量愈大，土壤含水率愈高。

同一退化类型草地，土壤含水率由大至小依次为禁牧、自然、禁鼠条件。同一退化类型草地，自然条件下土壤含水率较禁鼠高，主要归因于自然条件存在鼠类扰动等因素影响，促进草地表层积雪融水和降水储藏在地下土壤层中，使得地表以下土壤持水能力得到显著增加。同一退化类型草地，自然条件下土壤含水率较禁牧低，主要原因在于自然条件存在牛羊啃食和践踏影响，造成草地土壤表面硬度增大、土壤总孔隙度减小、土壤的渗透阻力加大，从而导致土壤保水和持水能力下降[35]。另外，随着放牧强度的增加，土壤通气透水性变差，导致降水多集中在土壤表层而不能向下渗透，土壤水分向下运动量少，所以水分蒸发快[35]。

未退化、轻度退化、中度退化草地，不同影响条件间地表以下0～10、10～20 cm土壤含水率差异均不显著。重度退化草地，禁牧条件地表以下0～10 cm土壤含水率显著大于禁鼠条件（<0.05），禁牧条件地表以下10～20 cm土壤含水率显著大于自然和禁鼠条件（<0.05）。这说明重度退化草地土壤含水率对放牧表现出敏感性。由于放牧使重度退化草地土壤被压实，土壤孔隙度减少，土壤保水和持水能力下降，因此，通过禁牧措施可以明显改善重度退化草地土壤的含水率。

注：不同小写字母表示同一影响条件不同退化类型之间在P<0.05水平上差异显著，不同大写字母表示同一退化类型不同影响条件之间在P<0.05水平上差异显著，n=3，下同。

2.1.2 土壤密度

如图3所示为土壤密度测试结果。由该图可知，随着草地退化程度加剧，土壤密度均呈现出逐渐增大的变化趋势，表现在自然、禁鼠、禁牧条件下，重度退化草地地表以下0～10、10～20 cm土壤密度较未退化草地增加幅度分别为13.01%、11.90%，11.47%、11.20%，17.31%、12.07%。这是由于随着草地退化程度加剧，植被盖度明显下降，土壤地下生物量减少，土壤孔隙度下降，土壤密度增大。本项研究中，中度退化和重度退化草地与未退化草地相比较，其土壤密度增长幅度显著小于陈奇乐等[36]对河北张北坝上高原区不同退化草地0～20 cm土壤容重的测试结果，其原因在于张北坝上草地退化程度相对更为严重，受到过牧和鼠害等因素对其影响程度更为强烈，使得退化程度相对较严重的草地土壤被压实[37]。因此，对于退化程度严重的草地，应采取防鼠、禁牧措施减少放牧和鼠害对其的影响，防止草地植被严重退化后土壤也随之退化。进一步分析可知，所取试样地表以下10～20 cm土壤密度均较地表以下0～10 cm土壤密度大。这是由于地表以下0～10 cm植物根系多于地表以下10～20 cm，植物根系愈多，土壤愈疏松，土壤密度愈小。

同一退化类型草地，土壤密度由大至小依次为自然、禁鼠、禁牧条件。同一退化类型草地，自然条件下土壤密度较禁鼠高，主要归因于自然条件存在鼠类觅食活动等因素的影响，使得草地土壤紧实度增加。该结果与杨晶等[11]有关高原鼢鼠干扰强度增加，土壤容重增加的结论相一致。同一退化类型草地，自然条件下土壤密度较禁牧高，主要原因在于自然条件存在牛羊啃食和践踏等因素影响，结果造成草地土壤不同程度压实，使得土壤密度较高。该结果与董全民等[35]、刘忆轩等[38]有关放牧强度增大，牲畜践踏作用不断增强，土壤总孔隙度减小，土壤容重和紧实度增加的结论基本一致。这说明通过采取禁鼠、禁牧措施，可有效减缓土壤孔隙度的降低和土壤密度的增加。

未退化草地，不同影响条件间地表以下0～10 cm土壤密度差异不显著；轻度退化、中度退化、重度退化草地，禁鼠和自然条件地表以下0～10 cm土壤密度显著大于禁牧条件（<0.05）。未退化和轻度退化草地，不同影响条件间地表以下10～20 cm土壤密度差异不显著；中度退化草地，禁鼠和自然条件地表以下10～20 cm土壤密度显著大于禁牧（<0.05）；重度退化草地，自然条件地表以下10～20 cm土壤密度显著大于禁牧条件（<0.05）。这反映出放牧对中度退化和重度退化草地土壤的密度影响较为显著，因此，通过禁牧措施可以明显减缓退化程度严重草地土壤密度的增加。

2.1.3 土壤含根量

如图4所示为土壤含根量测试结果。由该图可知，随着草地退化程度加剧，土壤含根量均呈逐渐减小的变化趋势，表现在自然、禁鼠、禁牧条件下，重度退化草地地表以下0～10、10～20 cm土壤含根量较未退化草地减小幅度分别为79.51%、81.28%，85.90%、86.29%，78.22%、78.70%。这是由于随着草地退化程度加剧，植被盖度明显下降，土壤地下生物量也随之减少。进一步分析可知，所取试样地表以下10～20 cm土壤含根量均较地表以下0～10 cm土壤含根量小。其归因于草本植物根系主要分布于土壤表层，且随着土壤深度的增加，地下生物量逐渐减小。

同一退化类型草地，土壤含根量由大至小依次为禁鼠、禁牧、自然条件。同一退化类型草地，自然条件下土壤含根量较禁鼠低，主要归因于自然条件存在鼠类活动等因素扰动，受到鼠类挖掘土壤和啃食草地根系影响，使得地下根系数量减少。该结果与杨子翰等[39]、杨晶等[11]有关随着高原鼢鼠种群密度或干扰强度的增加，土壤地下生物量逐渐减小的结论相一致。同一退化类型草地，自然条件下土壤含根量较禁牧小，主要原因在于自然条件存在牛羊啃食、践踏，对土壤的“压实”效应会对根系生长产生影响。一般来说，较高的土壤紧实度不利于土壤透气透水，降低根系向下的穿透能力，明显减少土壤表层根系[38]。这说明通过采取禁鼠、禁牧措施，可有效缓解土壤地下生物量的减少，起到有效防治高寒草地植被和土壤退化的作用。

同一退化类型草地，不同影响条件间地表以下0～10、10～20 cm土壤的含根量差异均不显著。这是由于本研究从建立试验区到采样仅间隔1年，土壤含根量对禁牧和禁鼠的反应表现出“滞后效应”。

2.2 土壤力学性质

2.2.1 土壤黏聚力

在含植被根系的土壤结构中，黏聚力反映了土壤内部之间的粘结能力[40]。如图5所示为草地土壤黏聚力的试验结果。由该图可知，随着草地退化程度加剧，土壤黏聚力均呈逐渐降低的变化趋势，表现在自然、禁鼠、禁牧条件下，重度退化草地地表以下0～10、10～20 cm土壤黏聚力较未退化草地降低幅度分别为83.50%、77.08%，78.13%、76.18%，82.36%、76.65%。这是由于随着草地退化程度的加剧，植物根系含量减少，草地土壤黏聚力亦呈现出逐渐降低的趋势。进一步分析可知，未退化和轻度退化草地，地表以下0～10 cm土壤黏聚力较地表以下10～20 cm大，而中度退化和重度退化草地，地表以下10～20 cm土壤黏聚力较地表以下0～10 cm大。这是由于土壤黏聚力受土壤含水率、密度、含根量的交互影响，未退化和轻度退化草地地表以下0～10 cm土壤含根量显著大于地表以下10～20 cm，而两层土壤的含水率和密度差异并不大，因此，地表以下0～10 cm土壤黏聚力较地表以下10～20 cm大；中度退化和重度退化草地，植被盖度明显下降，地表以下0～10 cm和10～20 cm的土壤含根量差异减小，而地表以下0～10 cm土壤含水率较地表以下10～20 cm大，地表以下0～10 cm土壤密度较地表以下10～20 cm小，因此，地表以下10～20 cm土壤黏聚力较地表以下0～10 cm大。

同一退化类型草地，土壤黏聚力由大至小依次为禁鼠、禁牧、自然条件。其原因在于禁牧条件存在鼠兔和高原鼢鼠对草地地上和地下部分觅食和掘穴等作用，导致地下土壤结构相对较疏松且根系含量低，而自然条件既存在高原鼢鼠和鼠兔对草地地下和地上部分觅食、掘穴活动等影响，还存在牛羊践踏导致草地土壤紧实度、密度增加，孔隙率降低，影响植物根系在土壤中的生长和分布，进一步使得土壤含根量降低，导致根系对土壤黏聚力的增强作用较其他2种影响条件小，故自然条件下土壤黏聚力相对最小。

未退化草地，3种影响条件间地表以下0～10 cm土壤黏聚力存在显著差异，土壤黏聚力由大至小依次为禁鼠、禁牧、自然条件（<0.05）；轻度退化和中度退化草地，禁鼠条件地表以下0～10 cm土壤黏聚力显著大于禁牧和自然条件（<0.05）；重度退化草地，禁鼠条件地表以下0～10 cm土壤黏聚力显著大于自然条件（<0.05）。同一退化类型草地，禁鼠条件地表以下10～20 cm土壤黏聚力显著大于禁牧和自然条件（<0.05）。综上，同一退化类型草地，禁鼠条件土壤黏聚力显著大于自然条件（<0.05），因此，禁鼠能有效提高草地土壤黏聚力。

2.2.2 土壤内摩擦角

在含植被根系的土壤结构中，内摩擦角反映了土壤内部之间的摩擦阻力[40]。如图6所示为草地土壤内摩擦角的试验结果。由该图可知，随着草地退化程度加剧，草地土壤内摩擦角未表现出明显的规律；3种影响条件对4种退化类型草地土壤内摩擦角影响的差异性亦未表现出明显的规律。进一步分析可知，同一退化类型草地，土壤内摩擦角由大至小依次为禁牧、禁鼠、自然条件。这是由于土壤含根量对土壤内摩擦角基本没有影响，土壤密度和含水率对土壤内摩擦角影响显著，随着含水率的增加，土壤内摩擦角呈减小的趋势，但其减小的幅度差别不大，而在高含水率条件下，土壤内摩擦角随密度的增加而减小[40]。

图5 不同取样深度的草地土壤黏聚力

不考虑草地退化类型，同一土壤深度，每种影响条件包含4种退化类型草地的土壤内摩擦角，样本数=12，基于非参数Wilcoxon检验分析3种影响条件对草地土壤内摩擦角的影响，结果表明禁牧条件地表以下0～10 cm土壤内摩擦角显著大于禁鼠（<0.05）和自然条件（<0.0001），禁鼠条件地表以下0～10 cm土壤内摩擦角显著大于自然条件（<0.01）；禁牧条件地表以下10～20 cm土壤内摩擦角显著大于禁鼠（<0.05）和自然条件（<0.05）。综上，不考虑草地退化类型，禁牧条件土壤内摩擦角显著大于自然条件（<0.05），由此可知，禁牧能有效提高草地土壤内摩擦角。

综合2.1和2.2的结果与分析，本项研究通过设置禁牧、禁鼠条件，可有效改善土壤物理性质和促进植物生长，能够有效提高草地土壤力学强度的降低和起到缓解区内草地退化的作用。

2.3 土壤黏聚力与土壤物理性质指标间关联度特征

如表2所示为土壤黏聚力与土壤物理性质指标间的关联度计算结果。由该表可知，随着草地退化程度的加剧，土壤黏聚力与含水率和密度间的关联度总体呈增加的变化趋势，土壤黏聚力与含根量间的关联度总体呈逐渐降低的变化趋势。

表2 土壤黏聚力与土壤物理性质指标间关联度

未退化和轻度退化草地，土壤黏聚力与含根量间的关联度相对较高，其关联度为0.706～0.778；土壤黏聚力与密度和含水率间的关联度相对较低，其关联度分别为0.564～0.692和0.545～0.603。该结果反映出未退化和轻度退化草地，土壤含根量对土壤黏聚力影响相对较大，且土壤含根量愈大，土壤黏聚力亦愈大。中度退化和重度退化草地，土壤黏聚力与含根量间的关联度相对较小，其关联度为0.553～0.675；而土壤黏聚力与密度和含水率之间的关联度则相对较大，其关联度分别增大至0.586～0.785和0.622～0.779。该结果反映出中度退化和重度退化草地，土壤含根量对土壤黏聚力的影响逐渐减小，而土壤密度和含水率对土壤黏聚力的影响逐渐增大。由此可知，中度退化和重度退化草地，影响土壤黏聚力的主要因素为含水率和密度。

该研究为基于禁鼠、禁牧一年的试验数据结果，后续研究需设置不同时空对照组，以便更加科学合理地比较分析禁鼠、禁牧对高寒草地土壤物理力学性质的影响。

3 结 论

1）3种影响条件下，随着草地退化程度的加剧，土壤含水率呈逐渐降低的变化趋势，土壤密度呈逐渐增大的变化趋势；同一退化类型草地，土壤含水率由大至小依次为禁牧、自然和禁鼠条件，土壤密度由大至小依次为自然、禁鼠和禁牧条件。

2）3种影响条件下，土壤含根量和黏聚力随草地退化程度的加剧，表现出逐渐降低的变化趋势；同一退化类型草地，土壤含根量和黏聚力由大至小依次为禁鼠、禁牧和自然条件。

3）同一退化类型草地，禁鼠条件土壤黏聚力显著大于自然条件（<0.05）；不考虑草地退化类型，禁牧条件土壤内摩擦角显著大于自然条件（<0.05），表明禁鼠、禁牧能有效提高草地土壤黏聚力和内摩擦角。

4）未退化和轻度退化草地，土壤黏聚力与含根量间的关联度相对较高，关联度为0.706～0.778，故含根量对土壤黏聚力的影响相对较大；中度退化和重度退化草地，土壤黏聚力与密度和含水率间的关联度相对较大，关联度分别为0.586～0.785和0.622～0.779，故影响土壤黏聚力的主要因素为含水率和密度。

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Soil physical and mechanical properties of alpine grassland in the source region of the Yellow River under three influence conditions

Xing Guangyan1,4, Shen Ziyan2, Liu Changyi2, Hu Xiasong2※, Li Xilai1, Fu Jiangtao3, Lu Haijing1, Zhao Jimei1

(1.,,810016,; 2.,,810016,; 3.,,810016,; 4.,,810016,)

This study aims to explore the effects of grazing and rodent damage on the soil physical and mechanical properties of alpine degraded grassland in the source region of the Yellow River. The alpine grassland in Henan County, Qinghai Province, China was selected as the study area. Three influence conditions were set, including the no-pika condition (Rodents, cattle and sheep were prohibited from eating and trampling), no-grazing condition (Cattle and sheep were forbidden to eat and trample, while rodents were allowed to eat and trample), and natural condition (Rodents, cattle and sheep were allowed to eat and trample) in this region. Four degradation types were divided into: the non-degraded, slightly, moderately, and heavily degraded grassland. Some parameters were measured, including the soil moisture content, density, root content, cohesion and internal friction angle of four degraded grasslands under three influence conditions. An analysis was made on the variation characteristics of soil physical and mechanical properties. The one-way analysis of variance (ANOVA) was utilized to evaluate the parameters under various influence conditions and degradation types. A nonparametric Wilcoxon test was carried out to determine the effects of three influence conditions on the internal friction angle of soil without considering degradation types. A grey correlation analysis was implemented to clarify the effects of soil moisture content, density and root content on the cohesion of soil in four degraded grasslands. The results showed that the soil moisture content, root content, and cohesion decreased gradually, whereas, the soil density increased gradually with the aggravation of grassland degradation. By contrast, there was less outstanding change in the internal friction angle of soil with the aggravation of grassland degradation. The cohesion of soil was ranked in the descending order under the same degradation type: no-pika, no-grazing, and natural condition. The internal friction angle of soil was ranked from large to small: no-grazing, no-pika, and natural condition. Among them, the cohesion of soil under no-pika condition was significantly higher than that under natural condition (<0.05). Regardless of grassland degradation types, the internal friction angle of soil under no-grazing condition was significantly higher than that under natural condition (<0.05). Therefore, the rodent and grazing prohibition can improve soil cohesion and internal friction angle of grassland. In addition, there was the relatively high correlation between the cohesion of soil and root content, ranging from 0.706 to 0.778 for the non-degraded and slightly degraded grasslands. There was the relatively high correlation between the cohesion of soil with the density and moisture content for the moderately and heavily degraded grasslands. Specifically, the correlation degrees were 0.586-0.785 and 0.622-0.779, respectively. The results can also provide the theoretical reference and practical guiding significance to effectively prevent the occurrence of natural disasters, such as the soil erosion and shallow landslide that caused by the degradation of alpine grassland in the source region of the Yellow River.

physical and mechanical properties; soils; cohesion; the source region of the Yellow River; alpine grassland; no-pika; no grazing

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.020

S157.2

A

1002-6819(2022)-16-0180-10

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Xing Guangyan, Shen Ziyan, Liu Changyi, et al. Soil physical and mechanical properties of alpine grassland in the source region of the Yellow River under three influence conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 180-189. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.020 http://www.tcsae.org

2021-12-12

2022-08-12

青海省自然科学基金资助项目（2020-ZJ-906，2020-ZJ-904）；国家自然科学基金资助项目（41572306，42041006）；第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0905-14）；地质资源与地质工程学科硕士点建设项目（41250103）

邢光延，博士研究生，研究方向为高原生态修复与环境模拟。Email：1241703033@qq.com

胡夏嵩，博士，教授，研究方向为环境地质与地质灾害防治。Email：huxiasong@tsinghua.org.cn