2018, Vol. 55
2. 中国科学院大学，北京 100049
我国是世界上土地沙化最严重的国家之一[1]。第五次全国荒漠化和沙化监测结果[2]显示, 截至2014年, 我国沙化土地面积占国土总面积的17.93%。随着西部大开发战略的持续推进及"一带一路"倡议的实施, 沙漠化成为中国特别是西北地区亟待解决的核心生态环境问题之一[3]。生物固沙措施是当前最有效的沙漠化防治措施, 但风沙土颗粒细小[4], 结构松散, 保水保肥能力差[5-6], 植物根系着生的沙土极易风蚀[7]。添加土壤改良剂, 可固定风沙土[8], 更有利于植物生长, 将会极大提高生物固沙作用。已有研究表明, 在风沙土中添加土壤改良剂能够降低容重及pH, 而孔隙度、团聚体数量、饱和含水量及持水能力均增加, 也能提高有机质及养分含量, 增加微生物数量及土壤酶活性等[9-11]。关于风沙土改良的研究目前多集中于土壤理化及生物性质方面, 而关于添加土壤改良剂改变土壤力学性质, 以固定流沙, 进而促进植物生长繁殖的研究, 尚鲜有报道。
外力作用可导致土体发生剪切形变, 而土体抵抗剪切形变的极限值即为土壤抗剪强度[12]。在土木工程领域, 广泛使用固沙材料来提高沙土强度[13-18]。李驰和于浩[13]在风沙土中添加固化剂, 发现在最优含水率条件下8%掺量固化剂能显著提高风沙土的抗压强度和抗剪强度, 提高了风沙土的稳定性。Guo等[14]使用水泥基材料稳定风沙土, 沙土抗剪强度随水泥填量增大而提高。Liu和Su[16]研究表明10%固化剂对土壤强度增加效果最好。抗剪强度反映了土体抵抗外力剪切的能力, 抗剪强度越小的土体在外界因素影响下越容易被破坏, 因此提高土壤抗剪强度对减少风蚀和稳固表土具有重要作用。Yi和Zhao[19]在沙土中添加改良剂, 使沙土拥有了土壤的生态-力学属性, 称为"沙子土壤化", 相关报道引起社会广泛关注和热议。但该研究缺乏常规的力学指标的支撑, 与传统土壤学知识体系没有很好衔接。基于此, 本文以新疆沙漠边缘的风沙土作为研究对象, 进行了添加土壤改良剂的盆栽棉花实验, 通过直接剪切试验, 分析土壤内聚力和内摩擦角的变化, 探讨土壤改良剂类型、添加量及土壤含水量对风沙土抗剪强度指标的影响, 以期为沙区流沙固定和退化生态恢复提供理论依据和技术途径。
1 材料与方法 1.1 供试材料实验用风沙土取自库木塔格沙漠边缘(90°24´77″E, 42°85´52″N)。用四分法随机采集0~40 cm的风沙土, 去除杂质, 放阴凉处自然风干, 用于盆栽实验; 用体积为100 cm3的环刀采取原状土, 3次重复, 用于测定风沙土的初始容重。磷石膏、秸秆生物炭、羧甲基纤维素钠分别从长沙兆宇建材公司、泰然有机肥有限公司、天津润圣纤维素科技有限公司获得。
用雷磁pH计测定沙土pH, 用硫酸-重铬酸钾外加热法测定有机质, 用K1100全自动凯氏定氮仪测定全氮含量, 用环刀烘干称重法测容重, 用Bettersizea激光粒度仪(湿法)测定土壤机械组成。供试土样及改良剂基本性质见表 1。供试棉花品种为新陆早50号, 为新疆常见经济作物。
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表 1 试样的基本性质 Table 1 Properties of the tested soil and soil amendments |
2017年5月至10月在新疆乌鲁木齐市进行实验。乌鲁木齐属中温带大陆性干旱气候, 夏季昼长夜短, 昼夜温差大, 年均气温9.2℃, 月均最高温26℃, 最低温-14℃。
试验设置两个含水量处理(表 2):高水处理(含水量20%), 低水处理(含水量10%); 三个土壤改良剂用量:羧甲基纤维素钠(0.5、2.0、3.5 g·kg-1), 磷石膏(5、15、25 g·kg-1), 生物炭(15、30、45 g·kg-1); 并设置1组无改良剂添加的对照, 共计20个处理, 每个处理3个重复。
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表 2 试验处理 Table 2 Treatment of the experiment |
塑料花盆高35 cm, 上口径30 cm, 下口径28 cm, 每盆装干土17.5 kg。盆底铺细纱布, 将称好的土壤改良剂与风沙土充分混合, 装入盆中。2017年5月6日播种棉花, 每盆播种10颗, 两到三片真叶后, 每盆定苗3颗, 管理方式与大田管理一致。10月待实验结束后, 拣出盆中的棉花根系(剔除棉花根系对沙土抗剪强度的影响), 将盆中的风沙土混合均匀, 随机取足量风沙土, 风干后过孔径为2 mm筛, 用于直剪试验。
1.3 测定方法直剪试验:用EDJ-1型二速电动等应变直剪仪(南京土壤仪器厂生产)进行快剪试验, 土样试件的制备和直剪试验严格按照土工试验方法标准[20](GB/T 50123-1999)进行。根据剪切环刀容积和由环刀法测定的干密度换算得出各处理应称取的土样质量。各试验处理均设置20%和10%两个含水量水平, 根据风干土含水率、设计的含水量和供试土样质量计算出相应添加水量, 含水量调控采用喷壶均匀喷洒的方式, 将试样充分搅拌后放置24 h以保证其均匀性。然后将试样放入剪切盒内, 用千斤顶静压制样, 分别采用100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa四种垂直压力进行剪切, 剪切速率为0.8 mm·min-1, 直到试样剪切破坏。通常在3~5 min内完成测试, 记录峰值读数, 剪应力(τ)根据式(1)计算:
| $ \tau = C \times R \times 10/{A_0} $ | (1) |
式中, C为测力计率定系数(0.01 mm), R为测量表峰值读数(0.01 mm), A0为剪切盒横截面积(cm2), 10为单位换算系数。
以垂直压力σ(kPa)为横坐标, 剪应力τ(kPa)为纵坐标, 绘制土壤抗剪强度包线, 依据库仑式(2)计算抗剪强度:
| $ \tau = C + \sigma \times (\tan \varphi ) $ | (2) |
式中, C(kPa)为内聚力, 为抗剪强度包线的截距, 包线的倾角为内摩擦角φ(°)。
1.4 数据处理数据整理和计算使用Excel, 用SPSS statistics 19.0进行统计分析, 采用Origin Pro 2016进行线性拟合及作图, 用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan法多重比较来检验实验处理之间的差异显著性(P > 0.05), 用Pearson法进行各变量间的相关分析, 用多因素方差分析法表征土壤改良剂种类、添加量和含水量及其交互作用对风沙土内聚力和内摩擦角的影响。
2 结果 2.1 不同处理的风沙土内聚力变化不同处理风沙土的内聚力变化及差异性检验结果见图 1。在低水条件下, 不同处理风沙土的内聚力处于12.15 kPa~24.47 kPa之间, 在高水条件下, 介于10.43 kPa~21.93 kPa之间。
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注：不同小写字母代表相同含水量条件下，土壤改良剂不同添加量之间差异达到5%显著水平，下同 Note: Different lowercase letters represent significant difference(< 5%) between treatments at the same soil water content. The same below 图 1 不同处理下风沙土内聚力的变化 Fig. 1 Change in soil cohesion of the aeolian soil as affected by treatment |
无论含水量高低, 三种改良剂处理风沙土的内聚力均显著大于对照, 增长率为羧甲基纤维素钠大于磷石膏大于生物炭, 羧甲基纤维素钠的改良效果最好, 在低水处理下内聚力可达到24.47 kPa。改良剂处理间大多数差异不显著(P > 0.05)。
内聚力随土壤改良剂添加量增加而增大, 但三个梯度之间显著性水平不尽相同。在低水条件下, 与对照相比, 羧甲基纤维素钠处理的风沙土内聚力增加156.15%~246.18%, 三个梯度间仅AD2与AD3差异不显著(P > 0.05)。磷石膏处理使内聚力发生显著变化, 增幅达81.06%~229.26%;生物炭处理的内聚力增幅最小, 增大了71.91%~145.87%。在高水条件下, 与对照相比, 羧甲基纤维素钠处理的内聚力增大了126.3%~231.77%, 但仅高、低添加量处理差异达显著水平(P < 0.05);磷石膏处理的内聚力增加了75.52%~209.94%, 仅高含量处理显著增加; 而生物炭处理内聚力的增幅为57.79%~124.82%, 各添加量处理间差异均未达到显著水平(P > 0.05)。
在同一添加量情况下, 低水处理的内聚力均大于高水处理, 但均未达显著水平(P > 0.05)。与高水处理相比, 随添加量增加, 羧甲基纤维素钠低水处理风沙土的内聚力增加了21.02%、24.69%、11.57%, 磷石膏低水处理风沙土内聚力分别增加了10.3%、19.05%、13.59%, 生物炭低水处理风沙土内聚力分别增加了16.49%、9.48%、16.93%。
2.2 不同处理风沙土内摩擦角的变化不同处理下风沙土内摩擦角的变化及差异性检验结果见图 2。低水条件下, 各改良剂处理的内摩擦角变化范围为17.22 °~31.02 °, 高水条件下变化范围为19.79 °~25.86 °。
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图 2 不同处理下风沙土内摩擦角的变化 Fig. 2 Change in internal friction angle under in the aeolian soil as affected by treatment |
同一含水量条件下, 三种土壤改良剂处理对沙土内摩擦角的影响较为复杂。在低水处理下, 随羧甲基纤维素钠和生物炭添加量的增大, 风沙土内摩擦角先减小后增加, 但与对照相比, AD3处理和各生物炭处理差异未达显著水平(P > 0.05);随磷石膏添加量增大, 内摩擦角先增加后减小, 且各处理与对照相比差异均显著(P < 0.05)。在高水处理下, 随羧甲基纤维素钠和磷石膏添加量增大, 风沙土内摩擦角变化同低水处理, 但与对照相比差异不显著(P > 0.05);生物炭处理组的内摩擦角变化则与低水条件下相反, 且与对照相比差异均未达到显著水平(P > 0.05)。
在同一改良剂添加量时, 低水处理的内摩擦角总体上大于高水处理, 但变化幅度较小, 大多数含水量处理间差异不显著(P > 0.05), 仅AD2与AG2、BD1与BG1处理之间差异显著。总体而言土壤改良剂及含水量对内摩擦角的影响较小。
2.3 不同处理的抗剪强度指标统计特征土壤改良剂与沙土内聚力、内摩擦角的相关分析及回归分析结果见表 3。内聚力与三种土壤改良剂的添加量均具有极显著的正相关关系(P < 0.01), 改良剂不同程度地影响着风沙土内聚力, 且相关关系不受含水量的影响, 即在低水和高水条件下, 随着土壤改良剂添加量的增加, 土壤内聚力均随之增大, 回归拟合效果较好。而含水量对各改良处理的内摩擦角有一定程度的影响, 其中在低水条件下, 内摩擦角均与各改良剂添加量呈负相关关系, 但仅磷石膏含量与内摩擦角相关关系达到显著水平(P < 0.05);在高水条件下, 内摩擦角与羧甲基纤维素钠及生物炭的添加量呈正相关关系, 内摩擦角与磷石膏添加量则呈负相关关系, 但内摩擦角与三种土壤改良剂添加量的相关性均不显著(P > 0.05)。
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表 3 土壤改良剂含量与风沙土内聚力、内摩擦角的相关分析及回归分析 Table 3 Correlation and regression analyses of amendment application rate with soil cohesion(C) and soil internal friction angle(φ) in the aeolian soil |
土壤含水量、土壤改良剂种类和添加量及其交互作用对风沙土内聚力和内摩擦角影响的方差分析结果见表 4。土壤改良剂种类、添加量和含水量均能极显著地影响沙土内聚力(P < 0.01), 但两两因素间或三因素间的交互作用均对内聚力无显著影响(P > 0.05)。土壤改良剂种类及改良剂种类和添加量的交互作用对内摩擦角有极显著影响(P < 0.01), 含水量、含水量和改良剂种类间交互作用、含水量和改良剂添加量间交互作用及三因素间的交互作用均对内摩擦角有显著影响(P < 0.05), 而改良剂添加量对内摩擦角影响不大(P > 0.05)。
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表 4 不同处理及其交互作用与风沙土内聚力和内摩擦角的方差分析 Table 4 Variance analysis of soil cohesion and internal friction angle as affected by treatments and their interaction in the aeolian soil |
内聚力由原始内聚力和固化内聚力组成, 原始内聚力是指水分子膜与周围颗粒间的静电引力及毛细管水压力等, 固化内聚力是指土壤中化合物形成的使土体胶结黏聚的作用力[21]。一般而言, 自然条件下的风沙土内聚力很小[22-23](基本为零), 但本实验所用风沙土经过植物稳定改良, 且控制含水量, 使风沙土性质发生变化, 因此具有较小内聚力(低水7.07 kPa、高水6.61 kPa)。
添加改良剂的处理内聚力大小为羧甲基纤维素钠 > 磷石膏 > 生物炭。可能是因为羧甲基纤维素钠具有高黏性, 可大幅提高土壤颗粒的胶结能力, 并促进颗粒的团聚, 使沙土孔隙被具有黏性的CMC占据, 土壤颗粒骨架更牢固, 增加了沙土固化内聚力, 从而抵抗剪切和变形的能力加强, 王德银等[24]在黏土中添加纤维的研究也得到了相似的结论。磷石膏具有较大的比表面和较强静电场[25], 能将细颗粒吸附到其周围, 同时磷石膏遇水溶解后能向土壤溶液中释放电解质, 增加土壤溶液中阳离子的交换, 从而防止土壤颗粒的分散, 促使颗粒相互结合。相比而言, 生物炭在提高土壤内聚力方面能力较弱, 可能是因为生物炭颗粒细小, 可包裹在土壤颗粒表面, 增加了改良物料与土壤颗粒间的吸附和黏聚作用, 且生物炭颗粒能填充土壤空隙, 使沙土更密实, 但与羧甲基纤维素钠的高黏性和磷石膏的吸附特性相似, 生物炭仅能小幅提高风沙土内聚力。本研究发现内聚力随改良剂添加量增加而增大, 可能是因为在添加量较低时, 改良剂对土壤颗粒的影响还未发挥出来, 内聚力主要由毛细管内聚力提供, 在剪切面上占主导地位的还是沙粒; 而随着改良剂添加量的增加, 改良剂填充了沙土颗粒的间隙, 并紧紧包裹在沙土颗粒表面, 从而提高了土壤颗粒间的胶结作用, 改变了风沙土松散的结构, 使内聚力增大。但随着改良剂的添加量进一步增大, 内聚力是否持续增大, 还需进一步研究。
低水条件下风沙土内聚力更大。可能是因为随着土壤含水量的增加, 一方面通过改良剂的溶解增加土壤颗粒间的胶结作用, 另一方面由于土壤表面的水分子膜逐渐形成, 由毛细管水压力组成的内聚力逐渐增加, 在最优含水量条件下, 内聚力达到顶峰值; 但当含水量继续增加时, 过高的水分相当于对土壤中改良剂产生了稀释作用, 导致土壤表面的离子浓度降低, 扩散层变厚, 土壤颗粒间的静电引力削弱, 降低了土壤颗粒间的粘聚能力; 高水处理可能会提高沙土的液化程度, 使沙土更易流动。因此, 在一定改良剂添加量条件下, 过高的土壤水分使风沙土抵抗外力的能力降低, 这与许多研究结果一致[26-28]。
3.2 内摩擦角变化的原因内摩擦角是由土壤颗粒间发生相对滑动、滚动而产生的摩擦阻力和土体颗粒由于接触挤压与其他颗粒镶嵌结合而产生的咬合力[29]组成的, 它主要与土壤颗粒性质、密实度、土壤团聚体稳定性、颗粒形状及含水率等有关[30]。
土壤改良剂对风沙土的内摩擦角影响较小, 可能是因为改良剂添加短期内只表现为外在影响, 只增加了沙土颗粒与改良剂的接触, 未改变沙土内在性质及颗粒表面接触特征, 也未改变土壤颗粒咬合被破坏时颗粒顺序发生重新排列而做的功, 因此对风沙土抗磨擦性能影响不大, 这与林琳等[31]、金佳旭等[32]研究结果一致。
低水条件下内摩擦角较大, 可能是因为过高的土壤水分使沙土颗粒间空隙几乎被填满, 包裹在沙土颗粒周围的水分子膜变厚, 增加了沙土间的润滑[33], 颗粒之间的接触点减少, 使沙土颗粒更容易发生滑动; 也使得相互嵌合的土壤颗粒更容易被拔出或破坏, 发生移动时所爬坡的角度与距离均降低, 抗摩擦能力降低, 从而导致内摩擦角减小, 但减小幅度不大。
3.3 抗剪强度的变化对沙土的影响土体抗剪切的能力越弱, 土体越容易受风蚀等外力的影响, 稳定性越差[13]。添加改良物质后, 一定程度上提高了沙土的抗剪强度, 则土壤抵抗外部破坏的能力增强, 进而可以减少风蚀。另一方面, 固化内聚力的增加促使原本松散无黏性的沙土颗粒结合, 提高了沙土对植物根系的支撑保持作用, 改善了植物的立地条件, 从而促进植物生长。因此沙土力学性能的优化对植物生长会产生一定的促进作用, 其主要是通过固定流沙和提供根系稳固基质等实现的。
生物固沙前期, 植物较为脆弱, 固沙效果不理想。若将土壤改良剂与生物固沙技术相结合, 在种植固沙植物之前, 在沙土中施入适量土壤改良剂, 达到改善沙土力学性质的目的, 进而优化植物的生长环境, 为植物种植提供基础, 可提高固沙效率。同时改良措施也会一定程度地改善土壤理化性质, 促进土壤的形成发育[34], 使植物长势得以改善。因此, 添加土壤改良剂后, 风沙土力学性质得以优化, 植物生长变好, 两者相互促进、良性循环, 能加速沙漠区域生态恢复, 有望成为一种新的沙漠治理技术措施。同时通过添加土壤改良剂和种植植物能改善沙漠边缘生态脆弱区域的沙土质量, 种植高抗旱经济作物, 可促进沙漠地区沙产业[35]的繁荣发展, 增加沙区人民经济收入。
4 结论本文采用控制试验, 测试分析了两种含水量条件下, 三种土壤改良剂(羧甲基纤维素钠、磷石膏和生物炭)的三个添加量梯度下, 风沙土的内聚力和内摩擦角的变化规律。主要结论如下:改良剂的添加能显著提高沙土的内聚力, 改良效果排序为羧甲基纤维素钠 > 磷石膏 > 生物炭, 且随添加量的增加, 内聚力逐渐增大, 其中AD3处理的内聚力最大, 为24.47 KPa, 较CKD增幅高达246.2%, 但土壤改良剂对内摩擦角影响不明显。过高含水量使土壤内聚力及内摩擦角值均有所下降, 较低含水量更有利于提高风沙土抗剪强度。不同土壤改良剂及含水量主要是通过增大内聚力来提高沙土抗剪强度, 抗剪强度的提高可减少风蚀破坏及改善沙土松散结构。通过研究发现添加改良剂确实可使沙土力学属性发生改变, 在沙漠区域可以通过添加土壤改良剂及控制含水量来稳定沙土及促进沙漠区域生态恢复。本研究结果对沙化土地占国土面积近五分之一的中国具有重大意义。但本研究仅开展了风沙土盆栽模拟试验, 与沙漠自然条件下风沙土的抗剪性能还有一定差异, 在实际应用中还需进一步确定最优的改良剂。
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