生物炭和稻壳灰改良黏性土耕作性能的试验研究

钟建东

(华建集团上海申元岩土工程有限公司, 上海 200001)

我国沿海各地区广泛分布着黏粒含量高、砂粒含量低、黏性高、蓄水能力强的黏性土.当土壤缺水时,黏性土黏结干硬严重,农作物根系难以发达,影响农作物根系呼吸透气、吸收养分;当水分较多时,黏性土因黏结性强导致土壤黏稠、透气性差,不利于作物的生长发育.因此,有必要对黏性土进行改良来提高作物的生长和发育.

土壤的耕作性能包括土壤的松软度、含水率、容重等指标.文献[1]研究表明施加生物炭可增加黑土区土壤各土层土壤含水率、孔隙度,降低土壤容重；文献[2]研究发现生物炭作为宁南山区土壤改良剂可降低土壤容重和提高土壤持水性能；文献[3]研究表明秸秆还田可以显著改善土壤的性能,提高土壤孔隙度；文献[4]研究表明稻壳灰可以提高上海潮土水稳定性大团聚体的含量,有效改良土壤的机械生产力；文献[5]研究了不同土体构型土壤的持水性能,发现黏砂型土壤的保水、保肥性能最好,其他土体构型需进行改良来提高土壤的持水性能.土壤性能受土壤温度、黏粒含量、土壤孔隙度、水分和养分等因素的影响[6],国内外学者对于土壤性能提了不同的评价方法.文献[7]建议用稠度指标来评价土壤性能，稠度指标包含土壤的液限、塑限、液性指数和塑性指数,可反映细粒土吸附结合水的能力；土壤的击实性能可以反映土壤紧实度,了解土壤的物理机械性质可为合理设计农业机械行走系统、耕作部件提供参考；文献[8]建议用击实指标来评价土壤性能,并指出击实试验的最佳含水量为耕作最适含水量；文献[9]和文献[10]发现土壤最佳耕作性能时的最大含水量是塑限的0.6～0.9倍,或是在最大干密度时所对应的含水量.

本文将麦秸秆生物炭和稻壳灰作为土壤改良材料,将其按照相同的体积比分别加入上海黏性土中,通过室内试验分析比较两种混合土的稠度指数和击实性能,旨在将生物炭和稻壳灰用于改善上海黏性土的耕作性能,为资源的循环利用提供理论依据和数据支撑,对绿色农业的健康经济发展作出进一步探索.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用土来自上海崇明区某农田空地,土壤的物理指标见表1,粒径分布见图1.麦秸秆生物炭和稻壳灰均来自市场购买,麦秸秆生物炭和稻壳灰的粒径分布见图2,成分组成质量百分含量见表2.

表1 试验土的基本性能指标

图1 试验用土粒径分布图

图2 稻壳灰和麦秸秆生物炭粒径分布图

表2 麦秸杆生物炭和稻壳灰成分表 %

1.2 试验方法

首先将取来的土在自然条件下风干,再将风干的土碾碎过筛,分别与麦秸秆生物炭、稻壳灰按照体积比0%、10%、20%、30%进行混合；然后按照《公路土工试验规程》(JTGE 40—2020)[15]加入适量的水搅拌均匀,再将土壤混合物装入聚乙烯袋,在养护缸中养护24 h以确保水分平衡；最后制备土样并测定土壤的液限、塑限、塑性指数、稠度值、最大干密度和最优含水量.每组试验做3个平行试验，取平均值以减小试验误差.

液塑限联合测定仪采用浙江土工仪器制造有限公司生产的型号为STYS-1型数显液塑限联合测定仪;击实试验采用轻型Ⅰ-1类试验,所用的轻型击实仪为浙江土工仪器制造有限公司生产,型号为Ⅰ-Ⅰ.

2 试验结果与讨论

2.1 液塑限联合测定试验结果与分析

麦秸秆生物炭混合土(以下简称炭土)和稻壳灰混合土(以下简称灰土)液限、塑限联合测定试验结果如表3所示.

表3 两种混合土液限、塑限试验结果

由表3可见:随着麦秸秆生物炭含量的增加,混合土的塑限指标先增大后减小,液限指标和塑性指数逐渐增大，当炭土体积比为10%、20%、30%时,炭土的塑限较素土分别增长了7.00%、6.63%、3.21%,液限分别增长了4.95%、12.37%、27.04%,塑性指数分别增长了0.76%、24.18%、75.99%，由此可知,麦秸秆生物炭对上海黏性土的液限和塑性指数的影响显著；随着稻壳灰含量的增大,塑限指标呈现先减小后增大的趋势,液限和塑性指数呈现先增大后减小的规律，当灰土体积比为10%、20%、30%时,液限分别增加22.75%、66.40%、62.80%,塑限分别增加了-1.23%、3.79%、10.66%,塑性指数分别增加了72.02%、195.01%、169.91%，由此可知,稻壳灰对土体的液限和塑性指数影响显著,对塑限的影响较小.

由图3中可见,炭土和灰土的塑限变化均较为平缓,灰土的液限较炭土的液限增加幅度更大.

图3 混合土的液限、塑限变化图

由试验结果推断其作用机理为:麦秸秆生物炭和稻壳灰都可溶于水,可提高土壤的吸水能力,能吸附更多的水分子在土颗粒周围,土体中水化作用增强,结合水含量增大,使塑性指数增大；由表2可见,麦秸秆生物炭和稻壳灰中均含有矿物成分,这些矿物成分可以和土中水的高价阳离子发生反应,使水中高价阳离子浓度减小,土颗粒表面吸附的反离子层中阳离子数量增多,层厚增加,结合水含量相应增大,使土体的塑性指数增大.文献[11]指出塑限和塑性指数可表征土壤最佳含水量的变化范围,进而可反映土壤的持水能力.将生物炭和稻壳灰作为改良剂加入到土壤中,能增大土壤含水量变化范围,提高土壤持水能力,促进作物生长和发育.从试验数据对比可以看出,麦秸秆生物炭的改良效果要优于稻壳灰.

2.2 击实试验结果与分析

炭土和灰土击实试验结果如表4所示.

表4 两种混合土击实试验结果

图4为炭土和灰土含水量和干密度的关系曲线图.由图4(a)可见,随着炭土体积比的增大,土体的最优含水量呈逐渐增大的趋势,最大干密度则呈逐渐减小的规律,分析表4可见,当炭土体积比分别为10%、20%和30%时,土体的最优含水量分别增加了5.23%、9.10%和14.85%,最大干密度分别减小了0.60%、7.19%和8.38%；由图4(b)可见,灰土和炭土的击实性能有相似规律,当灰土体积比为10%、20%、30%时,最优含水量分别增加了5.94%、9.10%、21.92%,最大干密度分别减小了3.59%、6.59%、9.58%.由此可知,麦秸杆生物炭和稻壳灰对改善上海黏性土的击实性能都具有显著作用.

(a) 炭土

图5为两种混合土随体积比变化的最优含水量和最大干密度变化趋势.由图5可见,两种混合土的最优含水量差距不大,但炭土的最大干密度要比灰土大.

分析比较试验结果并参考前人研究成果[4],推断其作用机理为：1) 麦秸秆生物炭和稻壳灰都可溶于水,可提高土壤的吸水能力,吸附更多的水分子在土颗粒周围而生成更多、更稳定的水稳定性大团聚体,表现为土壤的最优含水量增大,而大团聚体的增多会增大土壤的孔隙,孔隙被吸附在水稳定性团聚体周围的水分子充满,使土壤的干密度减小，随着麦秸秆生物炭或稻壳灰含量的增大,土壤呈现出最佳含水量逐渐增大、最大干密度减小的规律；2) 灰土的最大干密度小于炭土的最大干密度,可能是因为稻壳灰的灼烧温度更高,燃烧得更充分,其粒径较麦秸秆生物炭的粒径更小,将其与上海黏性土混合后土体中细粒土的含量较麦秸秆生物炭更多,使土壤的击实曲线形态不变但朝右下方移动更多.麦秸秆生物炭和稻壳灰都可使土壤的最佳含水量逐渐增大,表明土壤的田间持水能力逐渐增强,土壤的生产力得到有效提高,同时土壤的最大干密度减小,说明土壤的疏松程度更高,改善了黏性土透气性差的缺点,有利于作物根系的呼吸、透气.因此,在改善土壤击实性能方面,麦秸秆生物炭和稻壳灰均有效,但麦秸杆生物炭的改善效果更好.

(a) 最优含水量

3 结论

将麦秸秆生物炭和稻壳灰作为改良剂加入上海黏性土中,通过液限、塑限联合测定试验和击实试验可以得出以下结论：

1) 麦秸秆生物炭和稻壳灰均能改善土壤的稠度指标,随着生物炭或稻壳灰含量的增加,土体的塑限指标先增大后减小,液限指标和塑性指数逐渐增大；

2) 麦秸秆生物炭和稻壳灰均能改善土壤的击实性能,随着麦秸秆生物炭或稻壳灰含量的增大,土体的最优含水量逐渐增大,最大干密度逐渐减小；

3) 麦秸秆生物炭和稻壳灰作为改良剂,用于改善上海黏性土,均能使土壤的塑限和塑性指数、最优含水量增大,最大干密度减小,麦秸秆生物炭对上海黏性土稠度指标和击实性能的改良效果均优于稻壳灰,且麦秸秆生物炭和稻壳灰施加体积比在20%时,改良效果最好.