游离氧化铁对崩岗不同土层土壤胀缩特性的影响

卢政铧, 陈文祥, 李灿娥, 章 智, 张 越, 蒋芳市, 葛宏力, 黄炎和, 林金石

(1.福建农林大学资源与环境学院,福建 福州 350002;2.福建省水利建设中心,福建 福州 350001)

我国南方地区高温多雨,崩壁土体在一系列不连续的高温、降雨等干湿胀缩作用下发生变形,产生裂隙,在水力和重力共同作用下发生剥落崩塌,进而发育成崩岗[1-3]。崩岗是我国南方红壤区常见的土壤侵蚀类型。近年来崩壁土壤胀缩性能及其影响因素方面的研究备受关注。研究[4-5]表明膨胀土是由强亲水性黏土矿物组成,胀缩性强[4-5]。黄丁俊等[6]对南方红土的胀缩特性与自身干密度、初始含水率[7]、干湿循环作用[8]的关系进行了深入研究。连彬彬[9]研究发现黏土矿物含量以及阳离子吸附会影响崩岗的膨胀特性。章智[10]研究发现,崩岗土壤初始含水率与无荷膨胀率和线性收缩率之间均呈指数关系。在土壤干湿交替过程中土壤电解质浓度的变化会使土壤胶体扩散层中滑动层厚度发生改变,进而改变颗粒间距离[11]。丁武泉等[12]推导出单一电解质体系下扩散双电层中滑动层厚度的计算公式,为研究土壤微观结构提供了一个新的视角。我国南方花岗岩区土壤富含的铁氧化物会影响土壤胶体颗粒表面的电荷性质[13]。本研究以福建省安溪县龙门镇洋坑村的典型崩岗土体为研究对象,通过无荷膨胀试验和线性收缩试验研究游离氧化铁对崩岗不同土层土壤胀缩特性的影响,并探讨游离氧化铁含量与无荷膨胀率和线性收缩率之间的相关性,为研究崩岗侵蚀的发生、发育机理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

研究区位于福建省安溪县龙门镇洋坑村(118°05′E,24°57′N)。在研究区内选择典型崩岗,崩岗自上而下为红土层、砂土层、碎屑层。采用5点混合法采样,将采集的土样作好标记,带回实验室,自然风干;将土样研磨至粒径小于2 mm,再装袋、密封保存。

1.2 典型崩岗土壤基本理化性质的测定

采用容重圈法[14]测定土壤容重;采用中性乙酸铵法[14]测定土壤阳离子交换量;采用原子吸收分光光度法[14]测定土壤游离氧化铁含量。典型崩岗土壤理化性质的检测结果如表1所示。

表1 典型崩岗土壤的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of typical collapsing hill soil

1.3 预处理土样特性的测定

根据土壤游离氧化铁含量设置土样处理组,其中红土层设置5个处理(H1、H2、H3、H4、H5),砂土层和碎屑层各4个处理(S1、S2、S3、S4和X1、X2、X3、X4)。去除游离氧化铁后的各土层土壤与自然风干原土按不同比例混合,结果见表2。

表2 崩岗各土层的预处理土样特性Table 2 Property of pretreated soil samples from each soil layer of collapsing hill

采用连二亚硫酸钠—柠檬酸钠—碳酸氢钠法[15]分别对各土层粒径小于2 mm的土壤进行去除游离氧化铁处理,再用去离子水清洗,重复3～5次,洗净残留的化学试剂和亚铁离子。

将去除游离氧化铁的土样与风干土样按不同比例放入烧杯中,加入超纯水并混合均匀,55 ℃下烘干土样并过2 mm筛[16],测定各处理的游离氧化铁含量,结果见表2。

1.4 土壤无荷膨胀试验

根据各土层容重(表1)和15%目标含水率配制土样,称取各土层土样制备环刀试样,环刀直径61.8 mm,高度20 mm,设置5个重复[17-18]。

每2 s采集1次数据,时长24 h,试验结束时记录膨胀变化曲线,并计算无荷膨胀率[10]。

1.5 土壤线性收缩试验

样品制备方法与1.3相同,每60 s采集1次数据,时长96 h;开启室内干燥机无间断吸湿;试验结束后绘制收缩变化曲线,并计算土壤无荷膨胀率和线性收缩率[10,17]。

(1)

式中:δt为土壤无荷膨胀率;z0为位移传感器初始读数(mm);zt为试验结束时位移传感器读数(mm);h0为试样初始高度(mm)。

(2)

式中:δst为土壤线性收缩率;x0为位移传感器初始读数(mm);xt为试验结束时位移传感器读数(mm);h0为试样初始高度(mm)。

无荷膨胀试验和线性收缩试验均在温度低于30 ℃下进行。TKA-PZY-1型膨胀仪、TKA-SSY-1型收缩仪、TKA-DAI-8D型数据采集盒、V2.1型数据采集软件和室内吸湿机均由南京泰克奥科技有限公司提供[10]。

1.6 土壤滑动层厚度的计算

采用静水沉降法提取各土层土壤中粒径小于1 000 nm的胶体颗粒,根据联合测定法[19]测定土壤胶体的表面电荷性质,设置3个重复,并计算滑动层厚度[12]。

1.7 土壤胶体颗粒Zeta电位的测定

NaNO3电解质体系:在土壤胶体颗粒中分别加入10 mL 0.000 2、0.000 5、0.001、0.005、0.010 mol·L-1NaNO3。Ca(NO3)2电解质体系:在土壤胶体颗粒中分别加入10 mL 0.000 2、0.000 5、0.001、0.005、0.010 mol·L-1Ca(NO3)2。使用NanoBrook Omni型Zeta电位仪测定NaNO3、Ca(NO3)2电解质体系的Zeta电位。

1.8 数据处理

采用Excel 2021对试验数据进行统计、作图;利用SPSS 21.0进行相关性分析与回归分析,使用Origin 21制图。

2 结果与分析

2.1 游离铁氧化物含量对崩岗土体膨胀特性的影响

由无荷膨胀试验得到的无荷膨胀率随时间的变化曲线如图1所示。在相同初始含水率下崩岗各处理土样的无荷膨胀率均随时间的延长而增大,且在0～0.5 h土样进入快速膨胀阶段,0.5～15.0 h土样进入缓慢膨胀阶段,15.0 h后土样进入稳定膨胀阶段,这与大多数研究[20-22]得到的结论一致。在试验结束时崩岗各处理土样的无荷膨胀率表现为红土层>砂土层>碎屑层。

图1 崩岗不同处理组各土层无荷膨胀率随时间的变化曲线Fig.1 Time variation curve of no-loading expansion rate of each soil layer in different treatments

对各处理土壤不同含量游离氧化铁与无荷膨胀率的关系进行回归分析,结果如图2所示。从图2可知:同一土层中无荷膨胀率随游离氧化铁含量的提高而增大,表现为红土层>碎屑层>砂土层。由拟合结果可知,游离氧化铁含量与各处理无荷膨胀率之间均存在线性关系,拟合方程决定系数(R2)均大于0.719。拟合方程为:

图2 各土层中游离氧化铁含量与无荷膨胀率的拟合曲线Fig.2 Fitting relationship curve between free iron oxide content and no-loading expansion rate in each soil layer

δt=ax+b

(3)

式中:δt为无荷膨胀率;a、b为回归方程参数(与土壤性质有关);x为游离氧化铁含量。

2.2 游离铁氧化物含量对崩岗土体收缩特性的影响

由线性收缩试验得到的线性收缩率随时间的变化曲线如图3所示。在相同初始含水率下崩岗各处理土样的线性收缩率均随时间的延长而增大,且在0～5 h土样进入快速收缩阶段,5～30 h土样进入缓慢收缩阶段,30 h后土样进入稳定收缩阶段,这与大多数研究[4,22-23]得出的结论一致。崩岗不同处理土壤的线性收缩率总体上表现为红土层>砂土层>碎屑层。

图3 崩岗不同处理组各土层线性收缩率随时间的变化曲线Fig.3 Time variation curve of linear shrinkage rate of each soil layer in different treatments

对各处理土壤不同游离氧化铁含量与线性收缩率的关系进行回归分析,结果如图4所示。同一土层中随着游离氧化铁含量的提高,线性收缩率整体呈下降趋势,下降幅度表现为红土层>砂土层>碎屑层。由拟合结果可知:游离氧化铁含量与红土层、砂土层的线性收缩率之间存在线性关系,R2均大于0.830;而游离氧化铁含量与碎屑层之间无明显相关性。拟合方程为:

图4 各土层中游离氧化铁含量与线性收缩率的拟合曲线Fig.4 Fitting relationship curve between free iron oxide content and linear shrinkage rate in each soil layer

δst=ax+b

(4)

式中:δst为线性收缩率;a、b为回归方程参数(与土壤性质有关);x为游离氧化铁含量。

2.3 游离铁氧化物含量对崩岗土体滑动层厚度的影响

崩岗不同处理组在NaNO3电解质体系下的滑动层厚度如表3所示。从表3可知:随着NaNO3浓度的升高,崩岗各土层土壤胶体颗粒的滑动层厚度呈减小趋势,与前人研究[12,24]结果一致。在相同电解质浓度下滑动层厚度表现为红土层﹥砂土层﹥碎屑层;红土层土壤的滑动层厚度随游离氧化铁含量的提高而增大;电解质浓度越低滑动层厚度的增大幅度越大,电解质浓度越高滑动层厚度的增大幅度越小。随着游离氧化铁含量的提高,最低与最高电解质浓度下滑动层厚度之间的差值呈增大趋势;在砂土层土壤中滑动层厚度与游离氧化铁含量之间的变化规律与红土层一致;而碎屑层土壤滑动层厚度呈先减小再增大的变化趋势,最低与最高电解质浓度下滑动层厚度之间的差值也呈先减小后增大的变化趋势。

表3 不同处理组NaNO3电解质体系中土壤胶体颗粒的滑动层厚度Table 3 Thickness of sliding layer of soil colloidal particles under NaNO3 electrolyte system in different treatments

Ca(NO3)2电解质体系下滑动层厚度如表4所示。崩岗崩壁各土层土壤胶体颗粒滑动层厚度的变化规律与NaNO3电解质体系一致。在Ca(NO3)2电解质浓度相同的情况下各土层土壤的滑动层厚度均远小于NaNO3电解质体系。这是因为二价阳离子对于滑动层的压缩能力远大于一价阳离子,这与相关研究[12]的结果一致。

表4 不同处理组Ca(NO3)2电解质体系中土壤胶体颗粒的滑动层厚度Table 4 Thickness of sliding layer of soil colloidal particles under Ca(NO3)2 electrolyte system in different treatments

2.4 崩岗土体胀缩性能与滑动层厚度的关系

由表5可知:红土层、砂土层土壤的游离氧化铁含量与无荷膨胀率和滑动层厚度间呈极显著正相关(P<0.01),与线性收缩率呈显著负相关(P<0.05);而碎屑层土壤游离氧化铁含量与无荷膨胀率、滑动层厚度和线性收缩率无显著相关性。由此可知,游离氧化铁含量是影响崩岗土壤胀缩性能和土壤胶体颗粒滑动层厚度的重要因素。

表5 各土层中游离氧化铁含量与土壤胀缩特性及NaNO3电解质体系下滑动层厚度的相关性1)Table 5 Correlation between free iron oxide content and swelling-shrinkage property of each soil layer and sliding layer thickness under NaNO3 electrolyte system

为探究土壤滑动层厚度对胀缩性能的影响,对红土层、砂土层各处理在NaNO3电解质浓度下土壤滑动层厚度与胀缩性能进行相关性分析,结果如表6所示。由表6可知:各处理滑动层厚度与无荷膨胀率之间均存在正相关关系(P<0.05),与收缩率之间存在负相关关系(P<0.05)。

表6 红土层、砂土层土壤胀缩性能与NaNO3电解质体系下滑动层厚度的相关性1)Table 6 Correlation between swelling-shrinkage property of red soil layer and sandy soil layer and sliding layer thickness under NaNO3 electrolyte system

对各处理在NaNO3电解质体系下的滑动层厚度与土壤胀缩性进行回归性分析,结果如图5所示。由表6、图5可知:红土层、砂土层各处理土壤胶体扩散层的滑动层厚度与无荷膨胀率之间均存在显著线性递增关系,R2均大于0.915;与线性收缩率之间均存在显著线性递减关系,R2均大于0.794;土壤胶体颗粒滑动层厚度随着游离氧化铁含量的提高而增大。土壤滑动层厚度增大可使无荷膨胀率增大,线性收缩率减小。

图5 NaNO3电解质体系下各土层滑动层厚度与胀缩性能的拟合关系Fig.5 Fitting relationship between sliding layer thickness and swelling-shrinkage property of each soil layer under NaNO3 electrolyte system

3 讨论与小结

本研究结果表明:土壤游离氧化铁含量与无荷膨胀率总体上呈线性正相关(P<0.05),土壤无荷膨胀率随游离氧化铁含量的提高而增大,这与张雪莲等[25]的研究结果一致,表明游离氧化铁能提高土壤膨胀性能。土壤游离氧化铁含量与线性收缩率总体上呈线性负相关(P<0.05),土壤线性收缩率随游离氧化铁含量的提高而减小,表明游离氧化铁能降低土壤收缩性能,这与牛庚等[26-27]的研究结果一致。在NaNO3和Ca(NO3)2电解质溶液中,土壤滑动层厚度均随着土壤游离氧化铁含量的提高而增大,表明游离氧化铁是影响滑动层厚度的重要因素之一。章智[10]研究表明减小土壤胶体颗粒滑动层厚度可使土壤收缩,增大滑动层厚度可使土壤膨胀。本研究结果表明,游离氧化铁含量与土壤胶体颗粒滑动层厚度间具有相关性(P<0.05),滑动层厚度与无荷膨胀率和线性收缩率之间也具有相关性(P<0.05),即土壤滑动层厚度随着游离氧化铁含量的提高而增大,增大滑动层厚度可使无荷膨胀率增大、线性收缩率减小。可见,游离氧化铁能影响崩岗土壤胶体颗粒的滑动层厚度,进而影响土壤胀缩性能。