宁夏中部干旱带粗颗粒土裂化过程研究

穆 敏， 李王成, ，王 洁， 刘巧玲，董亚萍，安文举

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021；3.省部共建西北土地退化与生态恢复国家重点实验室，银川 750021）

表土覆砂是具有西北特色的一种抗旱耕作模式[1]，具有增温保墒，抑蒸抗旱等作用[2]。随压砂地种植年限增加，粗颗粒砾石受自然风化和不合理耕作方式影响，砂土混合比例失调[3]，面临土壤质地粗化、肥力下降等问题[4-5]。因此，提升土壤肥力对于压砂地改善具有现实意义。贺婧等研究多次倒茬种植可改善土壤酶活性[6]。李王成等和王洁等通过砾石淋溶试验研究压砂砾石淋溶元素释放，发现小粒径砾石释放的有益元素含量更多[7-8]。目前对压砂地粗颗粒砾石裂化研究相对较少。如何加速粗颗粒裂化进程，使更多矿质元素释放进入土壤，对提升土壤肥力具有重要意义。

在自然风化作用下，土壤中粗颗粒砾石产生可溶性矿物和成土母质[9]，影响土壤结构[10-11]、理化性质[12]。王展等研究成土过程中，冻融作用对土壤理化性质的影响，研究表明随冻融循环次数增加，土壤中氧化铁含量呈先降后增趋势，土壤活化度和晶胶比呈波动趋势[13]。李丽等研究表明冻融干湿交替作用比单一冻融或干湿作用对岩土体的破坏力更强[14-15]。李迎新等研究发现冻融干湿交替作用降低粗颗粒砾石中胶结物的黏结性，土壤颗粒团聚体骨架松散，降低土壤团聚体的稳定性[16]。袁野等研究干湿循环作用下泥岩颗粒的破碎机理，结果表明，粒径在2~5 mm的颗粒破碎程度更大，随干湿次数增加，颗粒崩解速率缓慢[17]。李阳等研究发现干湿交替作用增加土壤粗颗粒矿化氮的释放，诱导微生物的分解，为土壤粗颗粒的风化成土过程创造有利环境[18]。国内外对土壤中粗颗粒研究，主要集中在粗颗粒对土壤肥力、盐分变化、水力传导率等影响[19]。针对宁夏中部生态脆弱区，压砂地退化过程中，土壤粗颗粒裂化进程研究较少。

因此，本研究通过模拟粗颗粒砾石冻融干湿循环试验，分析不同粒径、盐分条件下粗颗粒砾石质量变化，碎屑脱落、矿物质释放和微观形貌等理化性质，探讨冻融干湿循环作用下粗颗粒砾石裂化过程，从宏观和微观角度分析变化规律，探明粗颗粒裂化机理，为进一步研究土壤粗颗粒成壤化提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

取样地位于宁夏回族自治区中卫市香山乡（105°13′44″E，36°56′24″N），香山乡位于宁夏中部干旱带核心区，地处荒漠化地区，平均海拔1 740 m，日照充足，干旱少雨，年平均降水量180 mm，蒸发量达2 100~2 400 mm，昼夜温差大，日照充足，7、8月份地表最高温度可达50~60 ℃，降雨大且集中，蒸发强烈，属于极度干旱地区。

1.2 供试材料

粗颗粒土是大于0.1 mm 颗粒含量较多土壤，主要由砂石土、积碎石和风化岩石碴组成[20]，供试样品取自宁夏回族自治区中卫市香山乡地区，地处香山-大罗山变质分区，主要为灰绿板岩（泥质变质板岩），外部呈板状结构、内部呈显微鳞片变晶结构，主要矿物组分为石英、钠长石、绿泥石、白云母及方解石。

1.3 试验设计

采用室内模拟试验，根据宁夏压砂地覆砂粒径设置2 mm（A1）、10 mm（A2）、30 mm（A3）3个粒径；依据宁夏土壤盐渍化等级划分标准设置3 种NaCl 浓度，取3 g·L-1（B2）、6 g·L-1（B3）、蒸馏水（B1）作为对照组。模拟当地自然条件下粗颗粒砾石风化及裂化环境，设置两因素随机试验，利用烘箱和冰箱完成冻融干湿交替循环试验，设置9个处理，每个处理重复3 次，共27 次试验。每个处理后测定、分析试样质量、粒度、矿物组分并扫描电镜，测定淋溶液pH和电导率（EC值），初步分析粗颗粒砾石在冻融干湿交替作用下裂化过程。

在自然饱水状态下，根据中卫近30 年累年月平均气温气象数据，冬、春季冻融循环破坏和夏秋季干湿破坏及国内外冻融循试验参数设定[21]作参考（见图1），设置冻结温度（-20±2） ℃，冷冻17 h，融化温度为（25±2）℃，融化时长7 h；干燥温度为（30±2）℃，烘干时间22 h，泡水时长2 h。一个冻融干湿交替循环试验48 h，总循环次数为80 次，试验持续总时长为160 d。

表1 试验设计处理工况Table 1 Experimental design treatment conditions

图1 冻融干湿循环温度设定Fig.1 Freeze-thaw dry and wet cycle temperature settings

1.4 观测项目及数据处理

试验开始前，根据《水利水电工程岩石试验规程》（SL264-2020）[22]测定粗颗粒基本物理性质：天然含水率0.05%、饱和含水率0.55%、自然吸水率0.44%、干密度2.5 g·cm-3。试验中，每循环20次，利用烘干法称量试样质量。循环第0、20、80次时，用扫描电子显微镜（Zeiss EVO18）和X 射线粉末衍射仪（Bruker D8）测定微观结构和矿物组成。利用pH 计（雷磁PHS-3E）和电导率仪（雷磁DDBJ-350）分别测定淋溶液pH和电导率（EC），EC值反映溶液中电解质浓度，间接反映淋溶液各离子元素含量。

利用Origin 2019b 软件处理试验数据；Photoshop 图像处理软件对扫描电镜图进行二值化处理；SPSS 26 进行皮尔逊显著性分析；Jade 6.0 处理X射线衍射试验粗颗粒砾石衍射图谱，提取矿物成分含量。

2 结果与分析

2.1 不同处理下粗颗粒砾石质量变化

质量损失量是衡量粗颗粒砾石破碎指标之一，对冻融干湿循环的粗颗粒砾石试样进行质量测定，每循环20 次，利用烘干法称量试样质量，分析9种处理下粗颗粒砾石质量变化，结果取平均值（3个重复组）。

由图2可见，在冻融干湿循环条件下，不同粗颗粒砾石质量均明显减少。小粒径粗颗粒砾石质量损失幅度较大，质量损失量随粒径增大而较小，说明粒径越小，冻融干湿循环作用对其质量损失影响越大。由图可知2 mm 粒径粗颗粒砾石质量损失量最大，可能是小粒径在冻融循环初期，粗颗粒砾石表面孔隙中冰晶的冻胀力超过孔隙壁基质抗拉强度后，破坏孔隙壁，孔隙发育至联通[23]，造成表面颗粒剥落，质量损失量较大；同一粒径下，盐分浓度越高，对粗颗粒砾石的质量损伤越严重。

图2 不同处理下试样质量变化Fig.2 Variation of specimen quality under different treatments

2.2 不同处理下粗颗粒砾石矿物成分分析

将粗颗粒砾石粉末进行XRD 衍射测试，矿物成分分析结果表明，石英44.4%，云母18.2%，斜长石18.1%，绿泥石15.3%以及方解石4%。粗颗粒砾石中石英占比最高，黏土矿物以绿泥石为主，绿泥石是变质岩的造岩产物。

如图3 矿物成分含量可知，经80 次冻融干湿循环之后，由于石英结构稳定，其含量无变化，而白云母和钠长石含量有较小幅度的增加，绿泥石和方解石明显减少，因为在干湿过程中，绿泥石和方解石与水交换离子发生反应。白云母质量占比由18.2%增至19.2%，钠长石质量占比由18.1%增加至24.2%，绿泥石质量占比由15.3%降低至11.4%，方解石质量占比由4%降低至0.9%。在矿物溶解过程中，粗颗粒砾石表面产生孔隙，为水与颗粒内部矿物发生反应提供通道。粗颗粒砾石表面孔隙增大同时，其内部自由水含量增多，经反复冻融干湿循环，使得微裂隙不断扩展，裂纹沿层理方向联通，微观结构沿层理方向被破坏。

图3 冻融干湿循环前后粗颗粒砾石矿物成分Fig.3 Mineral composition of compacted sand and gravel before and after freeze-thaw wet and dry cycles

2.3 粗颗粒砾石碎屑粒度变化

为进一步明确粗颗粒砾石破裂程度，经过80 次冻融干湿循环后，对试样进行颗粒筛分试验，粒度分级为20~30 mm、10~20 mm、2~10 mm、＜2 mm。9 个处理下粗颗粒砾石粒度变化情况见图4。

图4 冻融干湿循环后粗颗粒砾石岩屑筛分结果Fig.4 Sieving results for pressed sand and gravel rock chips after freeze-thaw dry and wet cycles

图4展示粗颗粒砾石遭受80 次冻融干湿循环试验后粒度变化情况，在9组不同粒度及盐分处理下，3 种粒径均有一定程度减小，并产生碎屑。2 mm 粗颗粒砾石试验后筛分的碎屑粒度主要集中在小于2 mm，其含量占总质量百分比分别为22.26%、22.99%、23.40%；10 mm 粗颗粒砾石试验后筛分的碎屑粒度主要集中在2~10 mm，其含量占总质量百分比分别为10.82%、12.94%、12.81%，小于2 mm岩屑含量不足1%。

30 mm压粗颗粒砾石试验后筛分的碎屑粒度主要集中在10~30 mm，含量占总质量百分比分别为2.96%、3.62%、4.92%，小于10 mm碎屑含量不足1%。说明冻融干湿循环加速粗颗粒砾石破裂过程，粗颗粒砾石逐渐破碎，产生更小的碎屑，粒径越小的粗颗粒砾石，其破碎程度更大，产生碎屑更多。从粒度变化量情况看，小粒径粗颗粒砾石经历冻融干湿循环后更易遭受结构破坏，同时，粗颗粒砾石属于变质板岩，层理结构清晰，其裂化模式为片状脱落。

2.4 淋溶液水化学特征

粗颗粒砾石在水溶液中发生水解电离和化学溶蚀是一个双向耦合作用，不仅对其造成腐蚀，同时也改变淋溶液性质[24]。粗颗粒中矿物离子析出，均造成淋溶液pH变化。溶液pH变化可反应溶液与岩石间水岩作用反应的剧烈程度。

图5显示经历80 次冻融干湿循环过程中不同粒度及盐度处理粗颗粒砾石淋溶液pH 随循环次数变化规律。淋溶液pH在7.4~8.7之间波动，说明砾石与水溶液发生反应，溶液中H+离子和OH-离子被消耗，淋溶液呈弱碱性。由于水溶液中盐分存在，最终趋于中性，可称之“溶液的中性化效应”[25]。

图5 不同处理下淋溶液pH分析Fig.5 Analysis of pH of drench solution under different treat

图6为不同处理下淋溶液EC 值分析。结果表明粗颗粒砾石淋溶液EC 值随冻融干湿循环次数增加呈递增趋势，蒸馏水处理下的淋溶液经20 次循环后，EC 值随粒度增大而较小，但有盐分参与的淋溶液EC值，随粒度增大先增后减，与pH趋势一致。因为随冻融循环增加，粗颗粒砾石产生孔隙、裂纹，增大淋溶液与粗颗粒砾石接触面，同时也产生碎屑，粗颗粒砾石（灰绿板岩）属于碱性岩石，其碎屑溶于水溶液，淋溶液EC 值增大。且冻融循环过程中，冻结温度较低，未冻结水溶解盐能力减弱[26]，离子浓度增大，引起EC值增大。

图6 不同处理下淋溶液EC值分析Fig.6 Analysis of EC values of drench solutions under different treatments

通过皮尔逊相关性检验，淋溶液pH、电导率与循环次数、盐分、粒径相关性分析见表2。淋溶液pH与循环次数呈显著正相关，显著性小于0.05，与盐分呈负相关，显著性水平为0.028；电导率EC 与循环次数和盐分呈显著正相关，盐分与电导率的相关性较循环次数较强，与盐分的显著性水平为0.01。pH 和电导率与粒径显著性较差。

表2 粒径、盐分、循环次数与pH、电导率EC的相关性Table 2 Correlation of particle size,salt content,number of cycles with pH and conductivity

2.5 粗颗粒砾石电镜扫描微观结构分析

选取循环20、80 次粗颗粒砾石进行电镜扫描（5000×）如图7 所示，因篇幅有限，仅展示（2 mm和30 mm 图像），由图像可见，第20 次循环后粗颗粒砾石矿物颗粒逐渐凸显，且排列紧密；孔隙类型有粒间孔、微孔洞，且分布均匀，部分孔隙扩展连通，形成微裂隙、微孔洞，粒径大粗颗粒砾石板理层状结构清晰，岩屑碎片成鳞片状，边缘棱角分明，裂纹沿板理或层理面扩展，遭受冻融和盐分破坏更大，裂化模式为片状脱落。

图7 第20、80次部分样品微观结构Fig.7 Microstructure of some samples of 20th and 80th

第80 次循环后粗颗粒砾石胶结物溶蚀，大片颗粒脱落，矿物颗粒数量增多；岩屑边缘更光滑、破坏面积更大，微裂隙沿层理方向扩展，孔洞增大，裂纹数量增加；孔隙发育更明显，颗粒胶结度降低，碎屑更小更薄，有更多盐结晶析出，产生结晶压力，对孔隙产生有效压力，孔隙联通扩展。对粗颗粒砾石的破坏程度也更大，部分区域产生层间孔隙、大粒径粗颗粒砾石，沿板理或层理面更易被破坏，裂纹扩展，沿层理方向延伸。

3 讨论与结论

3.1 宏观质量变化

粗颗粒在冻融干湿循环作用下，质量均发生明显减少，伴随碎屑脱落。在冻结过程中，粗颗粒内部孔隙经历冰水相变转化引起的体积膨胀收缩对孔隙结构造成破坏，引起内部裂隙或孔隙扩张[27-28]。粒径小，孔隙率大，结构较为松散，相较于其他粒径，2 mm 粗颗粒砾石破碎程度更大产生岩屑更多，与陈福榜等研究结果相似[29]，因小粒径内部孔隙多且易溶解等特征，碎屑更易脱落。冻融干湿交替加剧对粗颗粒结构的破坏，降低内部稳定性[30]，对粗颗粒砾石成土化有促进作用。

3.2 微观裂化机理分析

在冻融干湿循环中，矿物质溶蚀和黏土矿物绿泥石膨胀，导致粗颗粒砾石中孔隙和微裂隙扩展和连通，为水溶液进入提供通道。粗颗粒砾石内部胶结物溶蚀，黏土矿物绿泥石和方解石含量降低，因黏土矿物质稳定性差，在干湿循环中，易与水盐溶液发生反应。而钠长石含量却增加6.1%，与吴国鹏等研究结果有异[31]，原因为盐溶液中Na+加入，使其含量增加。粗颗粒中碎屑与盐溶液发生发应，消耗溶液的H+和OH-离子，淋溶液pH 在7.4~8.7 之间波动，EC 值随循环次数增加呈递增趋势，说明粗颗粒中矿物离子释放，溶解于淋溶液中，可见盐分促进粗颗粒砾石进一步裂化进程。

随循环次数增加，砾石内部不断经历膨胀收缩，局部变形增加，粗颗粒砾石中的孔隙和微裂隙扩展联通，片状脱落，粗颗粒砾石内部胶结物溶蚀，黏土矿物绿泥石含量由15.3%降至11.4%，方解石含量由4%降至0.9%，钠长石含量增加6.1%，碎屑大片颗粒脱落，矿物颗粒数量增多，加速粗颗粒砾石裂化过程，粗颗粒在冻融干湿作用下，砾石质量、矿物质含量内部裂隙、孔隙等指标以及SEM试验均提供有利佐证。

本试验以2、10、30 mm 单一粒径粗颗粒砾石作为研究对象，未考虑混合粒径水平，因此，不同粒径间是否互相影响还需进一步研究。后续应进行野外试验补充，全面探讨粗颗粒土成壤化进程。