基于黏土沙障的復配土壤對土壤水分特征影響對比分析

潘加朋, 張克存, 安志山,2, 張宏雪, 薛承杰

(1.中國科學院 西北生態環境資源研究院 敦煌戈壁荒漠生態與環境研究站, 甘肅 敦煌 736200;2.中國科學院 西北生態環境資源研究院 沙漠與沙漠化重點實驗室, 蘭州 730000; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

風沙治理工程一直以來都是進行荒漠化防治的重要手段之一,通過合理設置各類防沙工程,旨在對風沙起到封、固、阻、輸、改、消的作用,從而抑制風沙災害的發展[1-3]。經過近兩個世紀的發展與研究,當前,風沙治理工程主要由生物防沙工程、化學防沙工程及機械防沙工程3類組成,并在實踐過程中發展出多種措施相結合的綜合防沙措施,共同構成了完整的工程防沙體系[1,4-7]。近年來,隨著大量風沙治理工程的布設及與之相關研究的不斷深入,已對各類防沙工程措施的固沙原理、防風阻沙與土壤改良效益等方面有了清晰的認識,其中,對具體風沙治理工程布設后當地土壤水分的特征進行對比分析也成為了當前研究的熱點[8-11]。

土壤水分是土壤理化性質的重要組成部分,同時也是判定風沙治理工程的土壤改良效益的重要指標,其變化特征直接影響了當地的土壤特性及植物生長,導致沙區植被系統格局發生改變,在一定程度上甚至能對當地氣候產生顯著影響[12-14]。由于其對受風沙災害襲擾地區的生態恢復及重建意義重大,許多學者對草方格沙障、尼龍網格狀沙障、柳條沙障等具體的風沙治理工程措施對土壤水分特征的影響進行了詳盡的分析,并在其入滲特征、時空變化等方面進行了深入探究[15-19]。但目前為止,在與黏土沙障相關的研究多集中于其防風固沙原理及效益,未對其土壤改良效益進行深入研究,特別是在關于土壤水分特征的影響研究中僅關注于其布設后對土壤水分含量的影響,且多集中于布設初期,鮮有研究對基于黏土沙障的復配土壤進行完整的土壤水分特征分析[20-22]。據此,本文通過對基于黏土沙障復配土壤的容重、水分常數及特征進行對比分析,旨在揭示基于黏土沙障不同質量比復配土壤的土壤改良效益,同時為今后黏土沙障的設計與改良提供最佳復配比。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗在中國科學院水利部水土保持研究所進行,試驗所采用的沙子與黏土均來源于寧夏中衛沙坡頭。在進行試驗前對試驗樣品進行預處理,包括風干、研磨以及過2 mm篩,再依照20∶1,20∶3,10∶1,10∶3,5∶1,2∶1等不同質量比對沙子與黏土進行混勻后備用,并將其設置為試驗組。另外,設置空白組與對照組,其中空白組樣品為300 g沙子,對照組樣品為300 g黏土,試驗設計具體情況如表1所示。

表1 不同復配土壤的復配質量比設計Table 1 The compound mass ratio design of different compound soil

1.2 研究方法

本試驗采用離心機測定各組樣品的土壤飽和重,單位為克,其為土壤全部飽和后的重量,即濕土重。各組樣品首先分別裝填在環刀內,再將環刀放置于試管中,最后將其分別放入離心機轉頭中。進行試驗時溫度恒定在20℃,測定在各土壤水勢下(0.001,0.005,0.01,0.02,0.04,0.06,0.08,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.5 MPa)各組樣品的土壤飽和重,試驗過程中,離心機的轉速依次為310,693,980,1 386,1 961,2 405,2 774,3 101,4 385,6 202,7 596,8 771,9 806,12 009 r/min,測定時間分別為10,17,25,35,45,52,57,60,70,76,82,87,90,95 min。此外,本試驗利用烘干法對各組樣品的烘干土重進行了測定。為保證試驗數據準確可靠,各樣品均進行3次重復試驗,取其均值進行后續指標的計算并對其對比分析,即對基于黏土沙障的復配土壤的土壤容重、水分常數及土壤水分特征曲線三指標進行計算并對比分析,從而準確反映其對土壤水分特征的影響。

土壤容重一般是指一定容積下的土壤質量,是衡量土壤物理性質的重要指標之一,對土壤質量及生產力具有良好的指示作用,同時也能很好地反映土壤入滲性能與持水能力,是研究土壤水分特征的重要參考[23-26]。本試驗中,土壤容重采用環刀法進行測定,對現有研究中的公式進行推導,其計算式為[27]:

(1)

式中:ρ為土壤容重(g/cm3);Gs為土壤飽和重(環刀重+管重+濕土重)(g);Gt為管重(g);Gc為環刀重(g);V為環刀體積(cm3);W為對應樣品的土壤重量含水率(%)。

土壤水分常數主要由土壤飽和含水率、田間持水率與凋萎系數組成,是反映土壤水分狀況、評價植物能有效吸收利用土壤水分程度的重要指標,測定并分析其數值對研究區域水文狀況及當地土壤水分特征具有重要的參考意義[28-30]。其中,土壤飽和含水率一般是指當土壤水勢為0 MPa時的最大持水率,根據已有研究中的公式進行變換后計算,其計算式為[31]:

(2)

式中:ω為土壤飽和含水率(%);Gs為土壤飽和重(g);Gd為烘干土重(環刀重+干土重)(g);Gt為管重(g);Gc為環刀重(g)。

而田間持水率與凋萎系數則分別為有效含水量的上、下限,是估計植物水分需求量、評價土壤水分特征的重要參數[28,32-33]。田間持水率利用環刀法測量,首先通過人為干預使樣品含水量達到飽和,再將其重力水排出,最后對其含水率進行測定,所得結果即為田間持水率;凋萎系數則采用離心機法進行測定,即當土壤水勢達1.5 MPa時所測得的土壤含水率為凋萎系數。

土壤水分特征曲線則是準確反映土壤水勢與土壤含水率間的關系、研究土壤水分及溶質運移的重要參數,但由于土壤水分特征曲線影響因子較多,故一般采用經驗模型對其進行分析[34-35]。根據前人研究結合本研究特點,本試驗的土壤水分特征曲線選取Gardner模型進行擬合,該模型能較好地反映復配土壤的土壤水分特征曲線,其公式如下[28,36]:

θ=aS-b

(3)

式中:θ為土壤含水率(%);S為土壤水勢(MPa);a與b為非線性回歸系數。

2 結果與分析

2.1 土壤容重變化特征

由圖1可知,不同質量比復配土壤的土壤容重間存在著較小差異,其土壤容重均在1.32～1.55 g/cm3,其中,對照組土壤容重最小,為1.32 g/cm3。相較于對照組,試驗組樣品復配土壤的土壤容重下降幅度明顯減小,但依舊表現為隨復配土壤質量比(下文簡稱為復配比)增加而遞減的趨勢,并在樣品6,即復配比為5∶1時降低至1.45 g/cm3,低于平均值,相較于空白組其土壤容重仍大幅降低。

圖1 不同質量比復配土壤的土壤容重

一般來說,土壤容重越小表明土壤疏松、水熱狀況良好,由此可知復配土壤中黏土的質量對土壤容重影響深刻,試驗組所添加的黏土質量與土壤改良效益呈正相關關系,土壤持水力與導水性也得到了有效提升[26,37-38]。

2.2 土壤水分常數

不同質量比復配土壤深刻影響了其土壤水分常數的變化趨勢(圖2),試驗組與空白組樣品間差異顯著。分析圖2A可知,當試驗組樣品中黏土添加的質量較少時,對復配土壤的土壤飽和含水率影響較小,整體上相較于空白組樣品的土壤飽和含水率間的差異均小于1.5%,且當復配比為20∶1～10∶3時,試驗組土壤飽和含水率均小于空白組。但當黏土添加的質量超過一定閾值后,其土壤飽和含水率明顯升高,相較于空白組,試驗組復配比為2∶1時升高了0.97%,對照組升高了9.2%,土壤持水量顯著提升。

圖2 不同質量比復配土壤的土壤水分常數

圖2B、C表示不同質量比復配土壤的田間持水率與凋萎系數變化情況,由圖可知,當添加的黏土質量逐漸升高時,試驗組樣品的田間持水率與凋萎系數均表現為明顯的上升趨勢。具體來看,空白組樣品田間持水率僅為5.120%,而試驗組樣品隨著復配比的增加其田間持水率也隨之上升,相較于空白組整體升高了1.518%,當復配比為2∶1時達到了最大值8.512%;同時,相較于空白組,試驗組凋萎系數也整體升高了1.543%,復配比為20∶1～2∶1間其凋萎系數達到了1.278%～4.084%,而空白組樣品僅為0.932%。進一步分析發現,對照組樣品的田間持水率與凋萎系數相較于空白組升高幅度均高于10%,結合試驗組復配比與兩者的變化可知,黏土添加的比例直接影響了復配土壤的保水與蓄水能力與有效含水量,使其均明顯提升。

綜上分析,復配土壤的復配比越大,對土壤水分常數的影響就越為顯著。這主要是由于黏土粒徑一般為0.005～0.05 mm,其粒徑明顯小于沙子,黏土的添加極大地改變了復配土壤的孔隙度,使得其土壤飽和含水率、有效含水量等顯著增加,土壤改良效益明顯[32,39]。

2.3 土壤水分特征曲線

圖3為不同質量比復配土壤在Gardner模型下擬合的土壤水分特征曲線,擬合后空白組、對照組與試驗組擬合系數均高于0.9,擬合效果較佳。對其進行分析可知,空白組、對照組及試驗組均表現為土壤含水率隨土壤水勢的增加而減小的趨勢,其在土壤水勢低于0.1 MPa時減小幅度較大,曲線較陡,隨后隨著土壤水勢的增加逐漸變緩,試驗中各組樣品土壤水分特征曲線形狀及變化趨勢大致相似,但其土壤含水率在同一土壤水勢下存在著明顯差異。

圖3 不同質量比復配土壤的土壤水分特征曲線

隨著試驗組復配土壤質量比的增大,相同土壤水勢下其土壤含水率明顯增加。當土壤水勢為0.001 MPa、復配比為2∶1時,其土壤含水率達到了24.35%,相較于復配比為20∶1時增加了3.22%;當土壤水勢為1.5 MPa時,復配比為2∶1時其土壤含水率相較于其質量比20∶1也增加了2.8%,這表明當土壤水勢一定時試驗組樣品中黏土質量的增加能有效提高復配土壤的含水率,使其保水能力顯著提高。同時,相較于空白組,試驗組樣品除了復配比在20∶1～10∶1,土壤水勢低于0.005 MPa時其土壤含水率降低,其余均明顯升高,在土壤水勢為0.01～1.5 MPa間不同質量比復配土壤平均增加了1.32%～1.72%,對照組則在土壤水勢為0.001～1.5 MPa間平均升高達11.34%。由此可知,黏土的持水、保水能力均顯著強于沙子,隨著復配土壤質量比的升高,其土壤含水量明顯提高、土壤改良效益顯著。

3 討 論

黏土沙障是一種以黏土與麥草為主要材料的機械防沙工程,主要通過增大地表粗糙度以實現防風固沙及土壤改良效益,在實際工程建設中,需土、用土量等是影響其效益的主要因素之一,故對基于黏土沙障復配土壤進行研究對其實際應用有著深遠的意義[20]。本研究通過試驗設計分別對3組樣品的土壤容重、水分常數及土壤水分特征曲線進行對比分析后發現,試驗組的復配土壤隨著復配比的增加其各項指標均與空白組表現出顯著差異,而對照組數據進一步印證了復配土壤中黏土質量的增加能有效提高土壤的持水、保水及導水能力,土壤改良效益顯著。張海歐等[40]利用砒砂巖與風沙土進行復配后發現不同復配比的復配土壤結構差異較大,從而導致WMD值、有機質含量等變化,而本研究中,試驗組復配土壤中黏土的添加也極大地改變了其原有的土壤結構,使得其土壤孔隙增大,從而導致其土壤水分與空白組差異明顯,有效含水量顯著提高。任健等[41]學者在基于離心機法獲取對定體積質量下的土壤水分特征曲線的研究中發現,由于離心機的轉速有限,難以測得土壤水勢較高的土壤含水率,從而導致土壤水分特征曲線的準確度受到影響,這與本試驗中不同質量比復配土壤的土壤含水率隨離心機測定時間與轉速變化而變化且轉速變化影響幅度較大相吻合。進一步研究發現,其復配比的增加還能有效抑制離心機轉速對其土壤含水率的影響,印證了黏土質量的增加能有效提高土壤的保水能力、改良效益顯著。

通過對基于黏土沙障復配土壤對土壤水分特征影響的研究是今后該類工程設計的重要參考,如何調控其復配比以達到最佳土壤改良效益也是當今研究的熱點問題之一,而本研究在各類指標相結合的基礎上對基于黏土沙障的復配土壤進行對比分析能有效的促進該問題的研究與發展。由于黏土沙障為我國獨創的機械防沙措施,國外對其研究較少而國內研究則多集中于其防風固沙原理、效益,鮮有以其材料為研究對象、探究其對土壤水分特征的影響[20,42]。故本研究在對比分析基于黏土沙障不同質量比復配土壤對土壤水分特征影響的基礎上,對其最適復配比進行探究,不僅為黏土沙障的設計與改良提供了指導,同時也為今后黏土沙障布設后的生態恢復予以參考。

4 結 論

(1) 試驗組樣品隨著復配比的增加其土壤容重相較于空白組大幅下降,當復配比為5∶1時便下降至1.45 g/cm3,低于平均值,對照組土壤容重更是降低至1.32 g/cm3,復配土壤中黏土的比例深刻影響了土壤容重變化,使其持水力與導水性明顯提升;同時,當試驗組黏土所添加的質量超過一定閾值后,其土壤飽和含水率相較于空白組也明顯上升,當試驗組復配比為2∶1時升高了0.97%,田間持水率及凋萎系數也表現為隨復配比升高而上升的趨勢,相較于空白組其整體分別升高1.518%,1.543%,對照組也明顯升高,兩者上升幅度均超過10%,黏土質量的增加使得復配土壤有效含水量、保水持水能力顯著上升;此外,Gardner模型很好地模擬了空白組、對照組及試驗組的土壤水分特征曲線,三者土壤含水率均呈隨土壤水勢減小的趨勢,且在土壤水勢低時變化幅度大,隨后逐漸變緩,同時,當土壤水勢一定時,試驗組樣品中黏土質量的增加能有效提高復配土壤的含水率,在土壤水勢為0.01～1.5 MPa間不同質量比復配土壤平均增加了1.32%～1.72%,對照組則在土壤水勢為0.001～1.5 MPa間平均升高達11.34%,土壤含水量顯著提高、改良效益明顯。

(2) 本試驗發現,基于黏土沙障的復配土壤其復配比的增加能有效提升土壤的持水力與保水性,其有效含水量也明顯上升,對土壤改良明顯。但在具體的工程實踐中,應根據當地的現有條件選取適宜的復配比,在保證工程可操作性與經濟性的前提下盡可能增大其黏土添加的比例,以達到最佳的土壤改良效益。