尹建道,靳 聰,田 苗, 許 暉

天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384

海泥吹填土是海灣泥經(jīng)吹填造陸后自然疏干而形成的高粘性高鹽度沉積土[1]，近年來填海造陸的面積迅速擴(kuò)大，人居生態(tài)環(huán)境建設(shè)面臨著巨大挑戰(zhàn)。盡管我國吹填造陸歷史悠久，但有關(guān)吹填土的科學(xué)研究多集中在工程力學(xué)、地基沉降、巖土承載力等領(lǐng)域[2-6]，而在土壤改良、環(huán)境綠化方面的研究甚少。因此，必須系統(tǒng)研究海泥吹填土的理化性質(zhì)，為建立改土綠化技術(shù)體系提供理論依據(jù)。

土壤是由固體組分、水分和空氣三相物質(zhì)組成的多孔介質(zhì)，土壤顆粒是構(gòu)成固相骨架的基本顆粒，具有相對(duì)穩(wěn)定性，是土壤的基本內(nèi)在屬性之一。其數(shù)目、大小、形狀、礦物組成及其結(jié)合方式等決定著土壤的結(jié)構(gòu)與質(zhì)地，直接影響著土壤的理化性質(zhì)、通透性能和肥力狀況。因此，土壤顆粒組成的測(cè)定分析在土壤調(diào)查研究中具有重要意義。

測(cè)定土壤顆粒組成的方法很多，包括篩分法、沉降法(比重計(jì)法及吸管法)、激光法等。目前常采用沉降法及激光法，有關(guān)這兩種測(cè)定方法的對(duì)比研究很多，所得結(jié)論表明：激光法測(cè)定的粘粒含量偏低，粉粒含量偏高，且兩種方法可以進(jìn)行換算[7-11]。但由于研究對(duì)象不同[12]、激光粒度儀型號(hào)不同[13-14]、采用的顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不同，使得換算模型有較大差異。本文以天津海泥吹填土為研究對(duì)象，以美國農(nóng)業(yè)部分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為質(zhì)地劃分標(biāo)準(zhǔn)，首先對(duì)前處理方法進(jìn)行了探索，并采用楊金玲等人[10]的轉(zhuǎn)換模型對(duì)激光法的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行換算，最終確定了天津海泥吹填土的顆粒組成及質(zhì)地類型；在此基礎(chǔ)上，以分形原理為理論依據(jù)，計(jì)算了天津海泥吹填土顆粒粒徑分布(particle size distribution,簡(jiǎn)稱PSD)的質(zhì)量分形維數(shù)(Dm)。本文的研究結(jié)論將對(duì)今后因地制宜的改良海泥吹填土結(jié)構(gòu)、建設(shè)良好的綠地生態(tài)系統(tǒng)具有重要的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

本試驗(yàn)中樣品采自天津?yàn)I海新區(qū)圍海造陸所形成的吹填土區(qū)域，共選取了5個(gè)地區(qū)，8個(gè)采樣點(diǎn)。其中，中新生態(tài)城1個(gè)、東疆港區(qū)3個(gè)、南疆港區(qū)1個(gè)、臨港工業(yè)區(qū)2個(gè)、南港工業(yè)區(qū)1個(gè)，采樣點(diǎn)代表了天津海岸線自北向南延伸60余km的所有吹填造陸區(qū)域，各土樣編號(hào)及地理位置見表1。每個(gè)地區(qū)均用土鉆法采集0～80 cm的混合土樣，樣品采集后置于室內(nèi)陰干、粉碎、過篩(2 mm)后混勻備用。

表1 采樣點(diǎn)地理位置及野外記錄

1.2 樣品的測(cè)定

1.2.1 前處理方法的確定 為了探索前處理方法對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，首先選取土壤有機(jī)質(zhì)含量較高的樣品(采樣點(diǎn)1、4、5)用激光法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn)設(shè)置了兩組處理[15]，處理1稱取0.1 g土樣，然后分別用1:4 H2O2、 0.2 mol/L鹽酸、0.05 mol/L鹽酸去除土樣中的有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽和鈣離子(化學(xué)分散作用)，再用蒸餾水洗去氯化物及鹽酸，最后加入0.5 mol/L NaOH 1.5 mL攪拌均勻，靜置(不少于12 h)后超聲上機(jī)；處理2根據(jù)土壤樣品的pH值>7，加入0.5 mol/L偏磷酸鈉攪拌均勻，靜置后(不少于12 h)超聲上機(jī)。對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較后確定天津海泥吹填土顆粒組成測(cè)定的前處理方法。

1.2.2 樣品測(cè)定 對(duì)8個(gè)采樣點(diǎn)土樣經(jīng)前處理后分別用激光粒度儀法和比重計(jì)法進(jìn)行測(cè)定；比重計(jì)法與激光法的前處理步驟相同，取樣量增加為50 g，相應(yīng)的分散劑用量為60 mL，定容體積為250 mL。詳細(xì)測(cè)定方法見土壤物理性質(zhì)測(cè)定法(南土所)[16]。

2 測(cè)定結(jié)果分析

2.1 前處理方法對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

土壤中的有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽、鈣離子等對(duì)土壤顆粒具有膠結(jié)作用，能使土壤中的單粒相互聚集成復(fù)粒[15]。而土壤顆粒組成測(cè)定時(shí)，土粒是指礦質(zhì)土粒的單粒而言，因此，一般需要對(duì)土樣進(jìn)行分散處理。在傳統(tǒng)的分散處理中，以H2O2去除有機(jī)質(zhì)，稀HCl溶解并淋洗CaCO3和其他的膠結(jié)劑，用Na+代換H+。這些處理不僅手續(xù)繁雜費(fèi)時(shí)，且在淋洗過程中可能淋出一部分粘粒組分，導(dǎo)致粘粒含量減少[16]。因此，本試驗(yàn)采用LS230激光粒度儀對(duì)顆粒組成測(cè)定的前處理方法進(jìn)行了對(duì)比分析(見表2)。結(jié)果表明：不同的處理方法對(duì)砂粒影響較小，對(duì)粘粒有一定影響，但兩種方法的平均狀況比較接近；通過方差分析進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，僅采樣點(diǎn)1的粘粒含量在F0.05條件下差異顯著，其他各試樣的粘粒、粉粒、砂粒之間均無顯著差異，在F0.01條件下各測(cè)定結(jié)果的平均值均無顯著差異，表明是否去除土壤有機(jī)質(zhì)等膠結(jié)劑對(duì)測(cè)定結(jié)果沒有顯著影響。這是由于天津?yàn)I海地區(qū)的海泥吹填土經(jīng)海水長期浸泡，有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽含量不高、膠結(jié)作用不強(qiáng)所致。因此，在測(cè)定該土壤顆粒組成時(shí)可以簡(jiǎn)化前處理程序。

表2 不同前處理方法對(duì)土壤顆粒體積百分含量(%)的影響

2.2 天津海泥吹填土顆粒組成的確定

根據(jù)上述分析結(jié)果，采用處理2的測(cè)定方法，直接根據(jù)土壤樣品的pH值,加入0.5 mol/L偏磷酸鈉，攪拌后過夜、次日超聲分散，然后分別采用激光法和比重計(jì)法對(duì)8個(gè)采樣點(diǎn)的顆粒組成進(jìn)行測(cè)定分析。結(jié)果見表3。

表3 天津海泥吹填土的顆粒組成(%)

從表3中可以看出，激光法測(cè)定值的粘粒含量顯著低于比重計(jì)法測(cè)定的粘粒含量，粉粒反之，沙粒含量則互有高低，兩種方法測(cè)得的砂粒、粉粒和粘粒差異較大，與前人的研究結(jié)果一致[7-11]。應(yīng)用楊金玲等人的轉(zhuǎn)換模型換算后縮小了兩者之間的差距，使換算結(jié)果更接近于真值。采樣點(diǎn)3、采樣點(diǎn)7和采樣點(diǎn)8用比重計(jì)法測(cè)出的沙粒含量較高，這與野外調(diào)查中該處均有厚度不一的砂層相佐證(見表1)。比重計(jì)法雖然測(cè)定步驟繁雜、速度慢、不適合大量樣品的測(cè)定分析，但測(cè)定結(jié)果更真實(shí)可靠。由于激光法測(cè)定速度快、精度高、方法簡(jiǎn)單，雖然其原始數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用，但采用合適的換算關(guān)系校正后可以作為大量樣品的測(cè)定方法。圖1為采樣點(diǎn)4號(hào)三個(gè)平行樣品且3次重復(fù)測(cè)定的粒度頻率分布曲線圖，表明激光粒度儀法測(cè)量精度高、重現(xiàn)性好，而且得到的是一個(gè)連續(xù)的圖譜,能測(cè)量粒徑為0.04 μm至2000 μm的117個(gè)粒級(jí)的顆粒體積含量。因此，從表達(dá)方式上來看明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的測(cè)定方法,為土壤學(xué)的研究拓展了空間。

圖1 激光法測(cè)定土壤顆粒粒徑的體積分布曲線

綜合兩種方法的測(cè)定結(jié)果可知，天津海泥吹填土中粒徑為0.05～2 mm的砂粒含量很少，僅占總質(zhì)量的10%左右；粒徑為0.002～0.05 mm的粉粒含量最多，占總質(zhì)量的50～60%；小于0.002 mm的粘粒含量次之，占總質(zhì)量的35%左右。因此，天津的海泥吹填土總體表現(xiàn)為粉粒最多、粘粒次之、砂粒很少的規(guī)律性，而且在砂粒組中大于0.2 mm的粗顆?；緵]有，屬于不良級(jí)配土。這是海泥吹填土通透性差的主要內(nèi)在原因之一。

2.3 天津海泥吹填土的質(zhì)地分類

不同顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的土壤質(zhì)地分類不同，質(zhì)地名稱也有差異；即使質(zhì)地類型相同，它的各級(jí)粒徑及其含量也不同[15]。本文土壤顆粒分級(jí)及土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)均采用美國農(nóng)業(yè)部的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。表4是對(duì)比重計(jì)法與激光法所得數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)地分類的結(jié)果。從表4可以看出：天津海泥吹填土的土壤類型以粉質(zhì)粘壤土居多，個(gè)別是粘壤土和粉質(zhì)粘土，這與吹填土的來源有關(guān)，它是在疏通航道時(shí)用泥漿泵把海底泥砂通過水力吹填而形成的一種特殊沉積物。據(jù)古地質(zhì)研究，天津海岸帶埋深大約在4～14 m處中全新統(tǒng)時(shí)期形成的沉積物多為粘土質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)粘土，埋深在4 m以上的沉積物為上全新統(tǒng)時(shí)期形成的，該層沉積物多為灰褐色粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)粘土和古土壤層等[17]。因而海泥吹填土中的粉粒和粘粒含量較高。

表4 海泥吹填土質(zhì)地分類

圖2標(biāo)明了各采樣點(diǎn)在美國制土壤質(zhì)地三角坐標(biāo)系中的位置，可以看出8個(gè)采樣點(diǎn)都集中分布在同一個(gè)區(qū)域，均位于右側(cè)中間部位(粉質(zhì)粘壤土及其附近)，但不同吹填土地區(qū)的粒級(jí)含量仍有所不同，這是由于以下原因：(1)吹填土的來源不同。天津俗有“九河下梢”之稱，各河流沖積母質(zhì)的粗細(xì)和組成不同，年代分異明顯，且河流沉積規(guī)律遵循“緊砂慢淤”特點(diǎn)，因此在不同區(qū)域和不同地層中的海底淤泥的顆粒粗細(xì)自然不同。(2)吹填施工工藝及處理階段的影響。如有的地區(qū)吹填后未達(dá)到規(guī)定標(biāo)高，常采用吹砂的方法補(bǔ)充至標(biāo)高；且海泥吹填土屬于軟地基，必須進(jìn)行真空預(yù)壓，而真空預(yù)壓前不可缺少的工藝就是鋪設(shè)砂墊層，因而大大增加了砂粒的含量。采樣點(diǎn)7號(hào)和8號(hào)的砂粒含量較高，就證實(shí)了這一點(diǎn)(見表1)。

圖2 美國制土壤質(zhì)地三角坐標(biāo)系

2.4 土壤顆粒粒徑分布質(zhì)量分形維數(shù)特征

表5 天津海泥吹填土的質(zhì)量分形維數(shù)

從表5可以看出：8個(gè)采樣點(diǎn)的土壤PSD質(zhì)量分形維數(shù)均在2.893～2.898之間，該結(jié)果與楊培玲等人測(cè)定的粘壤土分形維數(shù)(2.82～2.85)比較接近[19]。土壤PSD分形維數(shù)表示土壤顆粒占有空間的有效性，因此，單位體積內(nèi)土壤細(xì)顆粒越多，級(jí)配越差，土壤PSD的分形維數(shù)就越高。天津海泥吹填土的粘、粉粒含量占絕大多數(shù)(76%～98%)，級(jí)配差，因而土壤PSD的分形維數(shù)很大，表明通氣透水性很差。通過土壤PSD質(zhì)量分形維數(shù)對(duì)8個(gè)采樣點(diǎn)的土壤質(zhì)地進(jìn)行定量分析(見圖3)，可以看出土壤PSD質(zhì)量分形維數(shù)與砂粒含量(0.05～2 mm)呈顯著的線性負(fù)相關(guān)，與粘、粉粒含量(<0.05 mm)呈顯著的線性正相關(guān)。

圖3 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤質(zhì)地之間的關(guān)系

綜上所述，天津海泥吹填土的質(zhì)地類型大多屬于粉質(zhì)粘壤土，分形維數(shù)介于2.893～2.898之間，總體偏高。土壤PSD分形維數(shù)與土壤砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與粘、粉粒含量呈顯著正相關(guān)，分形維數(shù)可以作為判斷土壤質(zhì)地差異性的輔助性指標(biāo)。

3 結(jié)論

前處理方法的對(duì)比分析結(jié)果表明：對(duì)于天津海泥吹填土的顆粒組成測(cè)定分析來講，可以簡(jiǎn)化前處理程序，兩種處理方法之間沒有顯著差異。

兩種方法測(cè)得的各粒級(jí)含量差異較大，但應(yīng)用楊金玲等人的研究成果將激光法測(cè)定結(jié)果進(jìn)行換算后，并與比重計(jì)法相對(duì)比，則所得結(jié)果比較接近。因此，對(duì)于大量樣品的測(cè)定分析，可以應(yīng)用激光法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沉降法。綜合兩種方法的分析結(jié)果表明，天津海泥吹填土的砂粒(0.05～2 mm)含量很少，僅占總質(zhì)量的10%左右；粉粒(0.002～0.05 mm)含量最多，占總質(zhì)量的50～60%；粘粒(﹤0.002 mm)含量次之，占總質(zhì)量的35%左右。因此，海泥吹填土屬于不良級(jí)配土。

天津海泥吹填土的質(zhì)地類型大多屬于粉質(zhì)粘壤土，個(gè)別是粘壤土和粉質(zhì)粘土，與吹填土的來源和吹填工藝有關(guān)；土壤分形維數(shù)介于2.893～2.898之間，總體偏高。土壤PSD分形維數(shù)與砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與粘、粉粒含量呈顯著正相關(guān)，分形維數(shù)可以作為判斷土壤質(zhì)地差異性的輔助性指標(biāo)。

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