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干旱区研究 >

2025 , Vol. 42 >Issue 10: 1841 - 1850

DOI: https://doi.org/10.13866/j.azr.2025.10.08

水土资源

冻融循环对河岸带高寒草甸土体抗剪特性及微观结构的影响

  • 徐鹏凯 , 1 ,
  • 朱海丽 , 1, 2 ,
  • 李本锋 3 ,
  • 张海龙 1 ,
  • 吴悦辰 1 ,
  • 洪晨泽 1 ,
  • 刘亚斌 1, 2 ,
  • 李国荣 1, 2
展开
  • 1.青海大学地质工程学院，青海 西宁 810016
  • 2.青藏高原北缘新生代资源环境重点实验室，青海 西宁 810016
  • 3.青海省交通工程咨询有限公司，青海 西宁 810016
朱海丽. E-mail:

徐鹏凯（1999-），男，硕士研究生，主要从事生态工程地质研究. E-mail:

收稿日期: 2025-03-01

  修回日期: 2025-05-31

  网络出版日期: 2026-03-12

基金资助

国家自然科学基金项目(42062019)

国家自然科学基金项目(40022283)

青海省科技厅项目(2021-ZJ-927)

收起

Effects of freeze-thaw cycles on shear characteristics and microstructure of alpine meadow soil in riparian zone

  • XU Pengkai , 1 ,
  • ZHU Haili , 1, 2 ,
  • LI Benfeng 3 ,
  • ZHANG Hailong 1 ,
  • WU Yuechen 1 ,
  • HONG Chenze 1 ,
  • LIU Yabin 1, 2 ,
  • LI Guorong 1, 2
Expand
  • 1. Department of Geological Engineering, Qinghai University, Xining 810016, Qinghai, China
  • 2. Laboratory of Cenozoic Resources and Environment on the Northern Margin of the Qinghai-Tibet Plateau, Xining 810016, Qinghai, China
  • 3. Qinghai Traffic Engineering Consulting Co., Ltd., Xining 810016, Qinghai, China

Received date: 2025-03-01

  Revised date: 2025-05-31

  Online published: 2026-03-12

Fold

摘要

黄河源区曲流河岸有根土在冻融作用下的力学特性直接影响其稳定性与横向演变。通过开展含根量为7%的有根土在冻融条件下的三轴剪切试验，结合微观结构分析，研究了黄河源区高寒草甸河岸带土体在冻融作用下的抗剪特性演变规律，并探讨了草甸根系的调控机制。结果表明：冻融循环15次后土体力学性能显著劣化，无根土主应力差下降30.67%，黏聚力下降25.47%，孔隙率增加20.02%，而有根土主应力差下降仅28%，黏聚力下降5.8%，孔隙率增幅不足10%。微观分析表明，根系通过加筋作用约束颗粒破碎与迁移，并通过锚固效应抑制孔隙扩张，从而减缓冻融损伤。研究揭示了植物根系对土体抗冻融能力的增强机制，为寒区河岸带生态修复与稳定性维护提供了理论依据。

关键词： 黄河源区; 冻融循环; 抗剪强度; 有根土; 微观结构

本文引用格式

徐鹏凯 , 朱海丽 , 李本锋 , 张海龙 , 吴悦辰 , 洪晨泽 , 刘亚斌 , 李国荣 . 冻融循环对河岸带高寒草甸土体抗剪特性及微观结构的影响[J]. 干旱区研究, 2025 , 42(10) : 1841 -1850 . DOI: 10.13866/j.azr.2025.10.08

Abstract

The mechanical properties of root-influenced soil on the meandering riverbank in the source region of the Yellow River under freeze-thaw cycles directly affect its stability and lateral evolution. Using triaxial shear tests performed on root-influenced soil with a root content of 7% under freeze-thaw cycles, in combination with microstructural analysis, this study investigated the evolution law of the shear resistance characteristics of the soil in the alpine meadow riverbank zone in the source region of the Yellow River under freeze-thaw cycles and explored the regulatory mechanism of the meadow root system. The results showed that after 15 freeze-thaw cycles, the soil mechanical properties deteriorated significantly. In root-free soil, the difference of principal stress decreased by 30.67%, cohesion decreased by 25.47%, and porosity increased by 20.02%. In contrast, in root-influenced soil, the difference of principal stress decreased by only 28%, cohesion decreased by 5.8%, and porosity increased by<10%. Microscopic analysis showed that the root system constrains the fragmentation and migration of particles through reinforcement and inhibits the expansion of pores through the anchoring effect, thereby reducing freeze-thaw damage. The findings reveal the mechanism by which plant roots enhance the freeze-thaw resistance of soil, thus providing a theoretical basis for the ecological restoration and stability maintenance of riverbank zones in cold regions.

Key words： source region of the Yellow River; freeze-thaw cycle; shear strength; rooted soil; microstructure

黄河源区山间沟谷纵横，高寒草甸型弯曲河流十分发育。近几十年来，全球气候暖湿化和人为因素共同作用下，黄河源区冻土环境发生变化[1-2]，高寒草甸呈现不同程度的退化[3]，区内高寒草甸生态屏障功能减弱，稳定性下降，河岸崩塌现象频繁发生[4-5]。冻融循环作为高寒地区一种常见现象，在一定程度上会影响土体结构，改变土体抗剪特性[6-7]，导致河岸崩塌，威胁区域生态安全。因此，揭示冻融循环对黄河源区河岸带高寒草甸土体结构和抗剪特性的影响，对于评估河岸稳定性、预测河岸崩塌及曲流横向演化具有重要意义。
现有研究表明，冻融循环能够降低土体强度，主要表现为黏聚力和内摩擦角的衰减[8]。张江浩等[9]进一步对土体开展冻融循环试验，发现冻融循环降低砂质壤土的抗剪强度，抗剪强度平均损失率在15次冻融循环后达到24.06%，3~5次冻融循环后土体的黏聚力降幅均为22%左右；穆彦虎等[10]发现，冻融作用对黏聚力影响较显著，随着冻融循环次数的增加，黏聚力逐渐减小，最大衰减幅度可达65%，但其微观结构演化机制尚不明确。尽管Konrad[11]提出冻融循环导致土体颗粒重排组，Gao等[12]发现冻融循环过程中孔隙细化现象，但颗粒粒径分布、分形维数与抗剪性能的定量关联仍缺乏系统研究。此外，植物根系对冻融损伤的调控作用多停留在宏观描述，微观特征尚未明晰。
为此，本研究通过室内模拟冻融试验，探讨黄河源区高寒草甸河岸带土体在不同冻融循环条件下的微观结构和抗剪特性演变规律。研究采用扫描电子显微镜（SEM）结合图像分析技术（Image Pro-plus 6.0），定量分析颗粒粒径分布、孔隙率及分形维数的变化，并通过三轴剪切试验测定土体的黏聚力与内摩擦角，揭示冻融循环对土体微观结构和抗剪性能的作用机理。同时，通过有根土与无根土对比，探讨植物根系在提高土体抗冻融能力和增强结构稳定性方面的调控作用。研究结果可为寒区河岸土体的稳定性评估、水土保持提供科学依据，并为高寒区植被修复策略的优化提供理论支持。

1 研究区概况及试验方法

1.1 研究区概况

选取青海省河南蒙古族自治县兰木措曲（34°20′~34°40′N，101°10′~101°40′E）为研究区（图1），区内河流为典型的高寒草甸型弯曲河流，其径流范围广水力蕴藏量十分丰富，河岸以悬臂式崩岸为主[13]。研究区河岸带植被以高寒草甸为主，其中未退化草甸群落以华扁穗草（Blysmus sinocompressus）、线叶嵩草（Kobresia capillifolia）和垂穗披碱草（Elymus nutans）等草本植物为优势植物种，植被根系主要分布于地面以下0~30 cm范围内且根系发达。该区年降水量约为597.1~615.5 mm，年平均蒸发量高达1349 mm。气温最低月为1月（平均-11.9 ℃），气温最高月为7月（平均11.0 ℃），每年的10月下旬至次年4月上旬为季节性冰冻期，4月下旬至10月上旬为非冰冻期，年平均冻土层深度达137.8 cm[14]。
图1 研究区地理位置示意图

Fig. 1 Geographical location map of the study area

1.2 试验材料

选取弯曲河流凹岸0~30 cm的土体作为试验材料。根据《土工试验方法标准》[15]，测得土体物理特性参数如表1所示。制备重塑土过程中，先将部分原状土体放置于105 ℃烘箱中干燥8 h、将烘干后的土样碾碎过2 mm筛并挑出根系，按设定比例将水与土体混合并静置24 h备用；另一部分原状土体浸泡24 h后用清水冲洗，挑选出具有活性且直径在2 mm左右的禾本科与莎草科须状根系，用纸吸水后剪至2~3 cm备用，为防止失活及形态变异，根系处理全过程在低温阴凉（约15 ℃）环境下完成，并在采集后24 h内使用；制备含水率45%、无根土及含根量7%的有根土，按设定比例将称量后的根系与土逐层放入，采用分层击实法制作直径39.1 mm、高80 mm的重塑三轴试样，并设置3组重复；将试样用保鲜膜包裹并静置24 h，静置完成后置于恒温恒湿试验箱（ATS-WS-408T；温度范围-70~150 ℃）进行冻融试验，结合2015—2024年研究区月平均气温，参照研究区冻胀期（每年11月至次年4月）、消融期（5—6月）平均气温及课题组前期数据积累[14]，设定冻融循环次数为0、3、9、15次，以0次冻融为对照组；设定冻结温度-20 ℃、融化温度12 ℃，冻结/融化时间分别为16 h和8 h。
表1 土体基本物理特性

Tab. 1 Basic physical properties of soil

天然含水率/% 湿密度
/（g·cm-3）		 含根量/% 液限
(wL) /%		 塑限
(wp) /%		 液限指数
（IL）		 比重（ds） 粒径占比/% 土质类别
d≤0.075 mm 0.005 mm<d≤0.075 mm
45.46 1.552 6.98 24.77 17.6 3.93 2.65 61.63 48.87 粉土

1.3 试验方法

1.3.1 三轴剪切试验

应用南京土壤仪公司生产的SLB-1型应力应变试验仪（轴向力0~20 kN、围压0~1.99 MPa、反压力0~0.99 MPa）开展试验，由于岸坡崩塌过程较短，水分不发生运移，故对冻融循环后试样进行不固结不排水（UU）三轴剪切试验。选用逐级加压方式进行试验，设定10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa共4个加载梯度，剪切速率为0.08 mm·min-1，当变形量达到10%或主应力差出现峰值时，停止剪切。

1.3.2 SEM与图像处理

将冻融循环不同次数的试样自然晾干，分别在试样上、中、下三处取暴露新鲜和平整的土体结构面用手掰成小立方块将其作为扫描观察面（1 cm×1 cm），进行除尘喷金。利用中国科学院青海盐湖研究所日立超高分辨发射扫描电子显微镜（JSM-6610LV、放大倍数为5~300000倍、单次扫描最高支持40960×30720像素），对冻融循环0、3、9、15次的土体样品进行扫描。扫描电压为15 kV，放大倍数300倍，最后生成分辨率为1280 mm×960 mm的像素图片。将扫描完成后的图片导入Image Pro-plus 6.0（IPP）图像软件分析系统进行处理，首先设置测量尺寸，按图片比例尺进行空间向导校准。其次对图像预处理，采用背景平滑、背景弱化、背景校正及增强对比度等方法。另外，采取二值化分割的方法，通过手动目视分割，对比目标图像的背景和灰度差，经过多次调整，并实时观察原图像和改变阈值后图像的差距，直到最佳分割效果，并通过形态学处理，去除孤立的黑点。再选定参数对象，通过二值化处理可以根据颜色深浅分别选择孔隙及土体颗粒。最后将试验的孔隙、颗粒微观等参数导出。

1.3.3 颗粒及孔隙参数分析方法

土体颗粒及孔隙分析利用IPP软件中的Select ranges模块获取。统计信息包括颗粒平均粒径（D）、圆度（θ）、孔隙平均孔径（Dd）、孔隙率（N）以及分形维数（Df）。各参数具体含义及计算如下：
（1） 平均粒径（D）、平均孔径（Dd）颗粒与孔隙存在不规则性，平均粒径（孔径）D（Dd）为所有颗粒（孔隙）直径之和与参与计算颗粒（孔隙）数量的比值。即：
D = ∑ i = 1 n u m p D i n u m p
D i = ∑ j = 8 180 d j 180
式中： D i是以2°为间隔测量的通过颗粒（孔隙）形心的直径的平均长度（μm）； d j为通过颗粒（孔隙）形心测量的直径（μm）；nump为参与计算的总颗粒（孔隙）数量。
（2） 圆度（θ）是描述颗粒形貌特征的一个重要参数，它量化了颗粒接近标准圆形的程度。在这一参数下，当颗粒的形状越接近理想圆形时，圆形度值越接近于1；相反，如果颗粒形状偏离圆形，或者其边界轮廓起伏较大、包含明显的突出棱角，圆形度值则会相应减小[16]。即：
θ = 2 π A E
式中：E为颗粒投影轮廓线周长（μm）；A为颗粒面积（μm2）。
（3） 孔隙率（N）在一定程度上可以反映土体孔隙（空隙）的含量，表示二值化SEM图像中孔隙的面积与照片总面积的比值。即：
N = S 0 S × 100 %
式中： S 0为图像中孔隙的面积（μm2）；S为照片总面积（μm2）。
（4） 分形维数（ D f）是描述土体结构复杂性的一个参数，它反映了土体孔隙和固体颗粒的分布模式[10]。即：
D f = l i m ε → 0 l n N ( ε ) l n 1 ε
式中： ε为小立方体一边的长度（μm）； N ( ε )为用该小立方体覆盖被测形体所得的数目。
参照Beven等[17]的孔隙划分依据，设定颗粒平均粒径D<5 μm为微粒、5 μm≤D<10 μm为细粒、10 μm≤D<20 μm为中粒、D≥20 μm为粗粒；划分孔隙平均孔径Dd<5 μm为微孔、5 μm≤Dd<10 μm为小孔、10 μm≤Dd<20 μm为中孔、Dd≥20 μm为大孔。

2 结果与分析

2.1 冻融作用下土体抗剪强度指标

2.1.1 主应力差与轴向应变关系

图2与图3展示了有根土和无根土在不同冻融循环次数（0、3、9、15次）下UU三轴剪切试验中的主应力差与轴向应变关系。主应力差是试验中轴向应力与围压的差值，反映了土样在剪切过程中的应力状态。由图可知，随着冻融循环次数的增加，土体主应力差逐渐减小，当轴向应变达到15%时，有根土与无根土的主应力差逐渐降低，有根土的主应力差大于无根土。对于无根土，围压为30 kPa时，初始0次冻融循环试样的主应力差达到38.8 kPa，应变约12%，表现出较强的应力承载能力。随着冻融次数的增加，主应力差逐渐下降，15次冻融后的最大强度仅为26.9 kPa，下降幅度达30.67%，且主应力差出现位置前移，应变峰值降至10%左右，反映出土体结构在剪切初期即发生破坏，剪切脆性增强；其曲线呈“突升-突降”特征，剪切后期残余强度较低。相较之下，有根土在各冻融工况下均表现出更好的韧性与变形适应性。围压为40 kPa时，0次冻融试样的主应力差为43.2 kPa，略高于无根土，且峰值应变保持在13%~15%之间，表明植物根系在一定程度上限制了早期破坏的发展，尽管冻融循环也导致其主应力差下降（至31.1 kPa，降幅28%），但曲线后期仍保留一定残余强度，且下降斜率平缓，显示出更优异的结构持续性与抗剪残余性能。对比不同冻融循环下的9次与15次结果发现，9次冻融试样在两组数据中均处于过渡状态，无根土在该循环次数下已出现明显软化，而有根土仍维持一定强度水平，说明植物根系可有效延缓结构劣化的临界点，提升其冻融循环承受阈值。
图2 有根土主应力差与轴向应变关系

Fig. 2 Relationship curve between the difference of the principal stress of soil and the axial strain

图3 无根土主应力差与轴向应变关系

Fig. 3 Relationship curve between the principal stress difference and axial strain of rootless soil

2.1.2 土体抗剪强度指标

有根土和无根土在不同冻融循环次数（0、3、9、15次）后黏聚力（c）和内摩擦角（φ）变化如图4所示。从图4可以看出，冻融循环15次后，有根土和无根土黏聚力均呈下降趋势，无根土黏聚力从5.27 kPa降低至4.2 kPa，有根土黏聚力从6.57 kPa降低至6.21 kPa，表明冻融作用导致土体结构的弱化。其中，无根土的黏聚力降幅显著，达到25.47%，而有根土的降幅较小，仅为5.8%。特别是在9次冻融循环后，无根土的黏聚力下降幅度最大（8.89%），有根土在同一阶段的降幅仅为3.19%。这表明植物根系的存在有效缓解了冻融循环对土体结构的破坏。无根土的内摩擦角随着冻融循环次数的增加呈现上升趋势，在15次冻融循环后，内摩擦角从10.55°增加到12.49°，增加1.94°。相比之下，有根土的内摩擦角变化表现出“先升后降”的趋势，内摩擦角从最初的19.24°（0次）增加到20.41°（9次），最后降低为19.77°（15次），在3次冻融循环后增加1.13°，但在15次冻融循环后相比9次时下降0.64°，最终整体变化幅度仅为0.53°。这与根系对土体结构的约束作用有关，根系抑制土体颗粒的重新排列和大幅度变形，使土体整体稳定性较高。
图4 黏聚力及内摩擦角变化

Fig. 4 Graph of cohesive force and internal friction angle variation

2.2 冻融作用下土体微观结构变化

2.2.1 颗粒及圆度

图5和图6分别展示了不同冻融循环次数下无根土和有根土的微观结构SEM图像，其中黑色部分代表孔隙，灰色部分代表颗粒。冻融循环前两种土颗粒结构紧密、边界模糊，颗粒之间界面粘连性较强，颗粒形状不规则且边缘锐利。无根土经历冻融循环15次后颗粒边界清晰，团聚体松散，颗粒间缝隙明显增大，说明冻融破坏了原有的颗粒结合结构。有根土在冻融循环15次后仍保持较好的结构完整性，颗粒排列不紊乱。此外，有根土的颗粒变化较无根土颗粒变化复杂，图6中部分颗粒团聚体呈现“链式”或“缠绕状”结构，说明根系可能残留或调控颗粒排列方式。
图5 无根土电镜扫描图像

Fig. 5 Electron microscope scanning image of rootless soil

图6 有根土电镜扫描图像

Fig. 6 Electron microscope scanning images of root soil

利用IPP图像软件对土体颗粒变化进行分析，变化特征如图7所示。由图7可知，冻融循环开始前有根土颗粒主要为中粒和粗粒，无根土颗粒主要为微粒和粗粒，随着冻融循环次数的增加有根土与无根土的粗粒占比下降。冻融循环15次后，有根土粗粒与中粒占比分别下降10.39%和8.37%，微粒与细粒含量分别增加12.84%和5.92%。冻融循环15次后，无根土粗粒和中粒占比分别减少19.13%和7.65%，微粒与细粒含量分别增加14.89%和11.88%。整体来说，随着冻融循环次数从0次增加到15次，有根土与无根土的粗粒和中粒向细粒与微粒转变。有根土与无根土的中粒占比在冻融循环3次时分别增加1.25%和2.06%。当有限空间内压力增加时颗粒与颗粒之间会形成新的连接，从而会形成新的颗粒团聚体。而当融化以后，这种新的颗粒团聚体会在一定程度上保留，因而发生该团聚作用的颗粒会向上一个颗粒级别变化。此外，颗粒不仅会发生团聚作用也会发生碎裂情况，随着冻融次数的逐渐增加，破碎产生的粒径范围大于团聚所消耗的粒径范围[18]，所以细粒与微粒数量逐渐上升。
图7 颗粒粒径占比变化

Fig. 7 Change diagram of particle size ratio

图8为冻融循环前后有根土与无根土颗粒圆度变化图。由图8可知，随着冻融循环次数的增加，颗粒圆度变化不明显，变化幅度较小。有根土在冻融循环0、3、9、15次圆度分别为1.677、1.625、1.605、1.563，无根土在冻融循环0、3、9、15次圆度分别为1.695、1.603、1.571、1.509。有根土和无根土的颗粒圆度随着冻融循环次数的增加而缓慢降低，土体颗粒不规则边界逐渐趋于圆润。
图8 圆度变化

Fig. 8 Grain roundness variation diagram

2.2.2 孔隙及分形维数

图9为不同冻融循环次数下各孔径占比图。如图所示，有根土经过15次冻融循环后大孔和中孔分别减少12.48%和5.4%，小孔和微孔增加7.08%和10.8%。无根土经过15次冻融循环后大孔和中孔分别减少18.44%和8.68%，小孔和微孔增加了10.37%和16.81%。无根土孔隙变化幅度大于有根土。在冻结过程中，植物根系与土体颗粒会形成新的连接方式，使得根系会承担部分水体积膨胀而释放的应力，从而减缓土体孔隙的变化。
图9 孔隙孔径占比变化

Fig. 9 Variation of pore size ratio

图10为不同冻融循环次数下有根土与无根土孔隙率变化图。随着冻融循环次数的增加，有根土与无根土孔隙率均呈现出增加的趋势。在经历冻融循环3次时，有根土和无根土的孔隙率分别为23.18%和21.66%，冻融循环15次后，无根土的孔隙率增长20.02%，而有根土的孔隙率增长相对较小，仅为9.74%。冻融循环9次时孔隙率为27.61%和33.22%，增加幅度高于3次及15次冻融循环。
图10 孔隙率变化

Fig. 10 Porosity variation diagram

图11为不同冻融循环次数下有根土与无根土分形维数变化图。由图11可知，随着冻融循环次数的增加有根土和无根土的分形维数逐渐上升，有根土分形维数增加了0.029，无根土增加了0.03。当土体中的孔隙结构变得更加复杂时，其分形维数也随之增大[19]。冻融循环从0次增加到15次，土体内部不规则孔隙数量也在变多。土体孔隙率随着不规则孔隙的增加也呈现出上升趋势，土体的整体结构稳定性随之降低。
图11 分形维数变化

Fig. 11 Variation of fractal dimension

冻融次数从0次增加到15次，土体孔隙率也发生变化。土体孔隙率的提高说明颗粒与颗粒间的孔隙变大，抗剪角度上体现为土体黏聚力降低，这与前面试验结果相吻合。在冻融过程中冰晶填充土体孔隙，导致土体颗粒间的推力作用增强，进而引起孔隙结构的形变。当冰晶融化时，土体的固有胶结和黏聚力促使孔隙结构恢复至接近冻结前的状态。然而，随着冻融循环的反复发生，土体的胶结作用逐渐减弱，黏聚力降低，孔隙率逐渐升高[20]。当土体中存在一定根系时，反复的冻融循环会使根系承担部分冻胀推力，从而减缓黏聚力的变化过程。

3 讨论

冻融循环对土体微观结构与抗剪性能破坏机制归结于水分相变引发的力学变化及颗粒重组过程。在冻结阶段，土中水分结冰体积膨胀约9%，产生高达数百千帕的冻胀应力[21-22]，促使土颗粒间接触面受压破裂。冰晶生长过程中，未冻结水向冻结锋面迁移，形成冷生组织并挤压孔隙壁[23]，引起颗粒破碎及微裂隙扩展。融化阶段，冰体相变释放的水分渗入新生裂隙，弱化颗粒间胶结作用及力学性能，加剧土体结构离散化[24]。冻融循环15次后，土体经历“破碎-重组-分离”的动态过程，宏观表现为主应力差降低（无根土降幅30.67%）、黏聚力下降（无根土降幅达25.47%）、孔隙率上升（无根土增幅20.02%）及分形维数增加（无根土增加0.03），印证了冻融作用导致土体微观结构的破坏，颗粒间的接触界面逐渐松散，土体的抗剪能力下降以及结构复杂性与无序性的累积[25]。
此外，根系的加筋作用可以减缓土体结构的破坏过程提高土体稳定性[26]，土体中掺入一定比例的根系实则是一种加筋作用[27]，在一定程度上重构了土体微观结构，促使其稳定性增加。有根土的颗粒变化较无根土颗粒变化复杂，须状根系的存在会影响土体颗粒的迁移和重组过程。土体颗粒随着冻融循环次数的增加而发生变化，该现象与冰晶形成过程中的体积膨胀有关，引起土体颗粒变迁和重组。在冻融循环过程中，无根土经过反复冻融变形，导致微观结构受到很大影响，而有根土内部存在一定比例的须状根系，在其内部起到了柔性约束。其次，须状根系的锚固效应限制了土颗粒迁移和重组，减缓了冻融循环对土体微观结构的破坏与力学性能的劣化[28]。尽管有根土也受到冻融循环的影响，其主应力差依然较高。0次冻融循环时，有根土的主应力差为43.2 kPa，高于无根土，并且应变在15%以内时，土体仍能维持较高的剪切强度。即使经过15次冻融循环后，有根土的主应力差降至31.1 kPa，降幅为28%，远低于无根土的30.67%。这表明，植物根系对土体结构具有增强作用，有效减缓了冻融循环对土体强度的破坏。另外，有根土孔隙率增长速率（9.74%）低于无根土（20.02%），表明根系在一定程度上抑制了孔隙扩张和土颗粒的离散化。值得注意的是，根系调控效果受其形态特征影响，须状根系比表面积较大，可更广泛渗透土体，提高颗粒间结合力，减少孔隙扩展；粗根则依靠深层锚固效应提高土体整体稳定性[29]，根系与土体颗粒的复合结构形成了更稳定的力学骨架，延缓了冻融循环对土体的破坏。具体来说，根系通过物理约束限制了土颗粒的迁移与重组，减少了冻融过程中因冰晶膨胀所带来的结构破坏，从而提高了土体的抗剪强度[30-31]。因此，植物根系不仅在宏观上增强了土体抗冻融能力，还在微观层面改善了土体的结构均匀性和稳定性，为土体抗剪性能和微观结构的协同优化提供了基础支持。黄河源河岸带优势植物以禾本科和莎草科植物为主，根系主要为须状细根，更利于提高土体加筋强度、丰富的根系在一定程度可发挥阻隔温度变化的作用，减缓冻胀效应。
室内试验在控制变量和环境因素方面具有优势，但与实际野外环境仍存在差异。例如，在自然环境下，冻融循环受到降水、风力、温度梯度及地下水位波动等影响，导致土体的冻融强度和水分迁移模式可能不同。此外，本文已揭示冻融作用对土体力学性能与微观结构的显著影响，但有根土与无根土之间抗剪强度与微观指标之间的定量关系仍有待进一步建立。因此，后续将通过统计模型或回归分析方法，探讨如孔隙率、分形维数等微观结构参数与黏聚力、内摩擦角的耦合关系。开展原位观测和长期监测实验，进一步验证研究结论的适用性，并优化相应的生态修复措施。

4 结论

（1） 冻融循环影响高寒草甸土体的主应力差与轴向应变关系，冻融循环15次后无根土主应力差下降30.67%，而含根量为7%的有根土仅为28%。有根土在各冻融阶段始终维持较高的应力承载水平，峰值应变保持在13%~15%之间。
（2） 冻融循环导致土体黏聚力显著下降，无根土黏聚力下降25.47%，有根土黏聚力仅降低5.8%；内摩擦角呈现差异变化，无根土内摩擦角持续性增长而有根土表现为先增后减，无根土因缺乏根系约束作用内摩擦角持续性增长（增幅达1.94°），抗剪劣化程度高于有根土（增幅仅0.53°）。
（3） 微观结构分析表明，冻融作用促使高寒草甸颗粒细化、孔隙率上升，而根系通过加筋效应抑制颗粒破碎，锚固作用减少孔隙扩张，有根土增幅仅9.74%，而无根土增幅达20.02%，分形维数上升进一步印证结构复杂性增加。
（4） 高寒草甸优势植物根系通过物理约束与结构重组双重机制增强土体抵抗冻融破坏能力，建议在高寒河岸带生态修复中优先选择须状细根植物，以提升岸坡稳定性并延缓崩岸灾害。

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