基于黏土沙障的复配土壤对土壤水分特征影响对比分析

潘加朋, 张克存, 安志山,2, 张宏雪, 薛承杰

(1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 敦煌戈壁荒漠生态与环境研究站, 甘肃 敦煌 736200;2.中国科学院 西北生态环境资源研究院 沙漠与沙漠化重点实验室, 兰州 730000; 3.中国科学院大学, 北京 100049)

风沙治理工程一直以来都是进行荒漠化防治的重要手段之一,通过合理设置各类防沙工程,旨在对风沙起到封、固、阻、输、改、消的作用,从而抑制风沙灾害的发展[1-3]。经过近两个世纪的发展与研究,当前,风沙治理工程主要由生物防沙工程、化学防沙工程及机械防沙工程3类组成,并在实践过程中发展出多种措施相结合的综合防沙措施,共同构成了完整的工程防沙体系[1,4-7]。近年来,随着大量风沙治理工程的布设及与之相关研究的不断深入,已对各类防沙工程措施的固沙原理、防风阻沙与土壤改良效益等方面有了清晰的认识,其中,对具体风沙治理工程布设后当地土壤水分的特征进行对比分析也成为了当前研究的热点[8-11]。

土壤水分是土壤理化性质的重要组成部分,同时也是判定风沙治理工程的土壤改良效益的重要指标,其变化特征直接影响了当地的土壤特性及植物生长,导致沙区植被系统格局发生改变,在一定程度上甚至能对当地气候产生显著影响[12-14]。由于其对受风沙灾害袭扰地区的生态恢复及重建意义重大,许多学者对草方格沙障、尼龙网格状沙障、柳条沙障等具体的风沙治理工程措施对土壤水分特征的影响进行了详尽的分析,并在其入渗特征、时空变化等方面进行了深入探究[15-19]。但目前为止,在与黏土沙障相关的研究多集中于其防风固沙原理及效益,未对其土壤改良效益进行深入研究,特别是在关于土壤水分特征的影响研究中仅关注于其布设后对土壤水分含量的影响,且多集中于布设初期,鲜有研究对基于黏土沙障的复配土壤进行完整的土壤水分特征分析[20-22]。据此,本文通过对基于黏土沙障复配土壤的容重、水分常数及特征进行对比分析,旨在揭示基于黏土沙障不同质量比复配土壤的土壤改良效益,同时为今后黏土沙障的设计与改良提供最佳复配比。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本次试验在中国科学院水利部水土保持研究所进行,试验所采用的沙子与黏土均来源于宁夏中卫沙坡头。在进行试验前对试验样品进行预处理,包括风干、研磨以及过2 mm筛,再依照20∶1,20∶3,10∶1,10∶3,5∶1,2∶1等不同质量比对沙子与黏土进行混匀后备用,并将其设置为试验组。另外,设置空白组与对照组,其中空白组样品为300 g沙子,对照组样品为300 g黏土,试验设计具体情况如表1所示。

表1 不同复配土壤的复配质量比设计Table 1 The compound mass ratio design of different compound soil

1.2 研究方法

本试验采用离心机测定各组样品的土壤饱和重,单位为克,其为土壤全部饱和后的重量,即湿土重。各组样品首先分别装填在环刀内,再将环刀放置于试管中,最后将其分别放入离心机转头中。进行试验时温度恒定在20℃,测定在各土壤水势下(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)各组样品的土壤饱和重,试验过程中,离心机的转速依次为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,测定时间分别为10,17,25,35,45,52,57,60,70,76,82,87,90,95 min。此外,本试验利用烘干法对各组样品的烘干土重进行了测定。为保证试验数据准确可靠,各样品均进行3次重复试验,取其均值进行后续指标的计算并对其对比分析,即对基于黏土沙障的复配土壤的土壤容重、水分常数及土壤水分特征曲线三指标进行计算并对比分析,从而准确反映其对土壤水分特征的影响。

土壤容重一般是指一定容积下的土壤质量,是衡量土壤物理性质的重要指标之一,对土壤质量及生产力具有良好的指示作用,同时也能很好地反映土壤入渗性能与持水能力,是研究土壤水分特征的重要参考[23-26]。本试验中,土壤容重采用环刀法进行测定,对现有研究中的公式进行推导,其计算式为[27]:

(1)

式中:ρ为土壤容重(g/cm3);Gs为土壤饱和重(环刀重+管重+湿土重)(g);Gt为管重(g);Gc为环刀重(g);V为环刀体积(cm3);W为对应样品的土壤重量含水率(%)。

土壤水分常数主要由土壤饱和含水率、田间持水率与凋萎系数组成,是反映土壤水分状况、评价植物能有效吸收利用土壤水分程度的重要指标,测定并分析其数值对研究区域水文状况及当地土壤水分特征具有重要的参考意义[28-30]。其中,土壤饱和含水率一般是指当土壤水势为0 MPa时的最大持水率,根据已有研究中的公式进行变换后计算,其计算式为[31]:

(2)

式中:ω为土壤饱和含水率(%);Gs为土壤饱和重(g);Gd为烘干土重(环刀重+干土重)(g);Gt为管重(g);Gc为环刀重(g)。

而田间持水率与凋萎系数则分别为有效含水量的上、下限,是估计植物水分需求量、评价土壤水分特征的重要参数[28,32-33]。田间持水率利用环刀法测量,首先通过人为干预使样品含水量达到饱和,再将其重力水排出,最后对其含水率进行测定,所得结果即为田间持水率;凋萎系数则采用离心机法进行测定,即当土壤水势达1.5 MPa时所测得的土壤含水率为凋萎系数。

土壤水分特征曲线则是准确反映土壤水势与土壤含水率间的关系、研究土壤水分及溶质运移的重要参数,但由于土壤水分特征曲线影响因子较多,故一般采用经验模型对其进行分析[34-35]。根据前人研究结合本研究特点,本试验的土壤水分特征曲线选取Gardner模型进行拟合,该模型能较好地反映复配土壤的土壤水分特征曲线,其公式如下[28,36]:

θ=aS-b

(3)

式中:θ为土壤含水率(%);S为土壤水势(MPa);a与b为非线性回归系数。

2 结果与分析

2.1 土壤容重变化特征

由图1可知,不同质量比复配土壤的土壤容重间存在着较小差异,其土壤容重均在1.32～1.55 g/cm3,其中,对照组土壤容重最小,为1.32 g/cm3。相较于对照组,试验组样品复配土壤的土壤容重下降幅度明显减小,但依旧表现为随复配土壤质量比(下文简称为复配比)增加而递减的趋势,并在样品6,即复配比为5∶1时降低至1.45 g/cm3,低于平均值,相较于空白组其土壤容重仍大幅降低。

图1 不同质量比复配土壤的土壤容重

一般来说,土壤容重越小表明土壤疏松、水热状况良好,由此可知复配土壤中黏土的质量对土壤容重影响深刻,试验组所添加的黏土质量与土壤改良效益呈正相关关系,土壤持水力与导水性也得到了有效提升[26,37-38]。

2.2 土壤水分常数

不同质量比复配土壤深刻影响了其土壤水分常数的变化趋势(图2),试验组与空白组样品间差异显著。分析图2A可知,当试验组样品中黏土添加的质量较少时,对复配土壤的土壤饱和含水率影响较小,整体上相较于空白组样品的土壤饱和含水率间的差异均小于1.5%,且当复配比为20∶1～10∶3时,试验组土壤饱和含水率均小于空白组。但当黏土添加的质量超过一定阈值后,其土壤饱和含水率明显升高,相较于空白组,试验组复配比为2∶1时升高了0.97%,对照组升高了9.2%,土壤持水量显著提升。

图2 不同质量比复配土壤的土壤水分常数

图2B、C表示不同质量比复配土壤的田间持水率与凋萎系数变化情况,由图可知,当添加的黏土质量逐渐升高时,试验组样品的田间持水率与凋萎系数均表现为明显的上升趋势。具体来看,空白组样品田间持水率仅为5.120%,而试验组样品随着复配比的增加其田间持水率也随之上升,相较于空白组整体升高了1.518%,当复配比为2∶1时达到了最大值8.512%;同时,相较于空白组,试验组凋萎系数也整体升高了1.543%,复配比为20∶1～2∶1间其凋萎系数达到了1.278%～4.084%,而空白组样品仅为0.932%。进一步分析发现,对照组样品的田间持水率与凋萎系数相较于空白组升高幅度均高于10%,结合试验组复配比与两者的变化可知,黏土添加的比例直接影响了复配土壤的保水与蓄水能力与有效含水量,使其均明显提升。

综上分析,复配土壤的复配比越大,对土壤水分常数的影响就越为显著。这主要是由于黏土粒径一般为0.005～0.05 mm,其粒径明显小于沙子,黏土的添加极大地改变了复配土壤的孔隙度,使得其土壤饱和含水率、有效含水量等显著增加,土壤改良效益明显[32,39]。

2.3 土壤水分特征曲线

图3为不同质量比复配土壤在Gardner模型下拟合的土壤水分特征曲线,拟合后空白组、对照组与试验组拟合系数均高于0.9,拟合效果较佳。对其进行分析可知,空白组、对照组及试验组均表现为土壤含水率随土壤水势的增加而减小的趋势,其在土壤水势低于0.1 MPa时减小幅度较大,曲线较陡,随后随着土壤水势的增加逐渐变缓,试验中各组样品土壤水分特征曲线形状及变化趋势大致相似,但其土壤含水率在同一土壤水势下存在着明显差异。

图3 不同质量比复配土壤的土壤水分特征曲线

随着试验组复配土壤质量比的增大,相同土壤水势下其土壤含水率明显增加。当土壤水势为0.001 MPa、复配比为2∶1时,其土壤含水率达到了24.35%,相较于复配比为20∶1时增加了3.22%;当土壤水势为1.5 MPa时,复配比为2∶1时其土壤含水率相较于其质量比20∶1也增加了2.8%,这表明当土壤水势一定时试验组样品中黏土质量的增加能有效提高复配土壤的含水率,使其保水能力显著提高。同时,相较于空白组,试验组样品除了复配比在20∶1～10∶1,土壤水势低于0.005 MPa时其土壤含水率降低,其余均明显升高,在土壤水势为0.01～1.5 MPa间不同质量比复配土壤平均增加了1.32%～1.72%,对照组则在土壤水势为0.001～1.5 MPa间平均升高达11.34%。由此可知,黏土的持水、保水能力均显著强于沙子,随着复配土壤质量比的升高,其土壤含水量明显提高、土壤改良效益显著。

3 讨 论

黏土沙障是一种以黏土与麦草为主要材料的机械防沙工程,主要通过增大地表粗糙度以实现防风固沙及土壤改良效益,在实际工程建设中,需土、用土量等是影响其效益的主要因素之一,故对基于黏土沙障复配土壤进行研究对其实际应用有着深远的意义[20]。本研究通过试验设计分别对3组样品的土壤容重、水分常数及土壤水分特征曲线进行对比分析后发现,试验组的复配土壤随着复配比的增加其各项指标均与空白组表现出显著差异,而对照组数据进一步印证了复配土壤中黏土质量的增加能有效提高土壤的持水、保水及导水能力,土壤改良效益显著。张海欧等[40]利用砒砂岩与风沙土进行复配后发现不同复配比的复配土壤结构差异较大,从而导致WMD值、有机质含量等变化,而本研究中,试验组复配土壤中黏土的添加也极大地改变了其原有的土壤结构,使得其土壤孔隙增大,从而导致其土壤水分与空白组差异明显,有效含水量显著提高。任健等[41]学者在基于离心机法获取对定体积质量下的土壤水分特征曲线的研究中发现,由于离心机的转速有限,难以测得土壤水势较高的土壤含水率,从而导致土壤水分特征曲线的准确度受到影响,这与本试验中不同质量比复配土壤的土壤含水率随离心机测定时间与转速变化而变化且转速变化影响幅度较大相吻合。进一步研究发现,其复配比的增加还能有效抑制离心机转速对其土壤含水率的影响,印证了黏土质量的增加能有效提高土壤的保水能力、改良效益显著。

通过对基于黏土沙障复配土壤对土壤水分特征影响的研究是今后该类工程设计的重要参考,如何调控其复配比以达到最佳土壤改良效益也是当今研究的热点问题之一,而本研究在各类指标相结合的基础上对基于黏土沙障的复配土壤进行对比分析能有效的促进该问题的研究与发展。由于黏土沙障为我国独创的机械防沙措施,国外对其研究较少而国内研究则多集中于其防风固沙原理、效益,鲜有以其材料为研究对象、探究其对土壤水分特征的影响[20,42]。故本研究在对比分析基于黏土沙障不同质量比复配土壤对土壤水分特征影响的基础上,对其最适复配比进行探究,不仅为黏土沙障的设计与改良提供了指导,同时也为今后黏土沙障布设后的生态恢复予以参考。

4 结 论

(1) 试验组样品随着复配比的增加其土壤容重相较于空白组大幅下降,当复配比为5∶1时便下降至1.45 g/cm3,低于平均值,对照组土壤容重更是降低至1.32 g/cm3,复配土壤中黏土的比例深刻影响了土壤容重变化,使其持水力与导水性明显提升;同时,当试验组黏土所添加的质量超过一定阈值后,其土壤饱和含水率相较于空白组也明显上升,当试验组复配比为2∶1时升高了0.97%,田间持水率及凋萎系数也表现为随复配比升高而上升的趋势,相较于空白组其整体分别升高1.518%,1.543%,对照组也明显升高,两者上升幅度均超过10%,黏土质量的增加使得复配土壤有效含水量、保水持水能力显著上升;此外,Gardner模型很好地模拟了空白组、对照组及试验组的土壤水分特征曲线,三者土壤含水率均呈随土壤水势减小的趋势,且在土壤水势低时变化幅度大,随后逐渐变缓,同时,当土壤水势一定时,试验组样品中黏土质量的增加能有效提高复配土壤的含水率,在土壤水势为0.01～1.5 MPa间不同质量比复配土壤平均增加了1.32%～1.72%,对照组则在土壤水势为0.001～1.5 MPa间平均升高达11.34%,土壤含水量显著提高、改良效益明显。

(2) 本试验发现,基于黏土沙障的复配土壤其复配比的增加能有效提升土壤的持水力与保水性,其有效含水量也明显上升,对土壤改良明显。但在具体的工程实践中,应根据当地的现有条件选取适宜的复配比,在保证工程可操作性与经济性的前提下尽可能增大其黏土添加的比例,以达到最佳的土壤改良效益。