張露,韓霽昌,王歡元,馬增輝

(陜西省土地工程建設(shè)集團,國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室,710075,西安)

毛烏素沙地是一個典型的向斜式沉積式沙漠帶,是世界眾多沙漠化土地的縮影,位于內(nèi)蒙古的伊克昭盟、陜西榆林地區(qū)與寧夏東南鹽池地區(qū)的三角地帶,土壤貧瘠,水分缺乏,生態(tài)環(huán)境十分脆弱,是我國北方沙漠化最嚴重的地區(qū)之一,早在1934年程伯群在《科學》雜志上發(fā)表“中國沙漠之擴張”一文[1],談的就是毛烏素沙地南緣沙漠化過程及沙漠范圍不斷擴張的事實[2]。土地沙化的問題早就引起了人們的重視,用傳統(tǒng)的沙地飛播造林[3]、封沙育林育草[4]、生態(tài)水利修復[5-6]等水土保持措施成本巨大。對風沙土而言,最欠缺的是黏粒,其質(zhì)地均一,結(jié)構(gòu)松散,難以形成穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu),漏水漏肥,易風蝕水蝕,造成土壤貧瘠化,因而其改良措施常需要添加黏?；蛟黾佑袡C物質(zhì),其中黏粒作為“根系誘導劑”對改良風沙土的作用是國內(nèi)外很早就給予關(guān)注的[7-8];但同時毛烏素沙地也是我國太陽能最為豐富的地區(qū)之一,是我國馬鈴薯(Solanum tuberosum)和玉米(Zea mays)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū),所以對毛烏素沙地的整治及開發(fā)意義重大。對土壤風蝕水蝕發(fā)生機制的認知及其沙地治理的實踐表明,侵蝕發(fā)生與表土粒度組成特征存在緊密的相關(guān)性[9-11];所以筆者就地取材,因地制宜,以當?shù)貜V泛分布著的砒砂巖(一種成巖程度低,易風化,顆粒間膠結(jié)程度低,無水堅硬如石,遇水松軟如泥的巖石互層[12])為研究對象,分析其與風沙土按不同質(zhì)量比復配后的粒度組成變化,利用粒度指標去揭示砒砂巖與風沙土復配后具有固沙效應的可能性。目前有關(guān)砒砂巖與風沙土復配成土的持水性、養(yǎng)分情況、作物產(chǎn)量等研究已取得了一定進展[13-25],但單從粒度組成特性上去分析砒砂巖與風沙土復配土的優(yōu)勢還未見報道。筆者利用毛烏素沙地砒砂巖與風沙土在質(zhì)地結(jié)構(gòu)上“一緊一松”的特點,分析砒砂巖與風沙土在不同質(zhì)量比時的粒度組成特性及差異,為彌補風沙土在質(zhì)地結(jié)構(gòu)上的固有缺陷、使砒砂巖應用于毛烏素沙地的水土流失治理及發(fā)展農(nóng)業(yè)種植提供更充分的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)在陜北榆林市榆陽區(qū)小紀汗鄉(xiāng)大紀汗村,地理位置處于 E 109°28′58″～109°30′10″,N 38°27′53″～ 38°28′23″,位于陜西北部,毛烏素沙漠南緣,無定河中游,海拔1 206～1 215 m。屬于典型中溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū),降水時空分布不勻,氣候干燥,冬長夏短,四季分明,日照充足,春季多風干旱,秋季溫涼濕潤。年均氣溫8.1℃,≥10℃的積溫3 307.5℃,且持續(xù)時間為168 d。年平均無霜期154 d,年降水量250～440 mm,年平均降水量413.9 mm,60.9%的降水集中在7—9月,雨熱同期,年極端降水量最大695.4 mm,最小159.6 mm,日最大降水量141.7 mm。年平均日照時間2 879 h,日照比例65%,年總輻射量606.94 kJ/cm2,干燥度為1.0～2.5,風速大于5 m/s的起沙風每年有220～580次,沙丘高度在10 m以下[26]。

1.2 試驗設(shè)計與方法

2014年4月分別采集當?shù)刈霞t色的砒砂巖與風沙土,將所采集的砒砂巖和風沙土自然風干后,研磨過孔徑2 mm篩,然后將砒砂巖與風沙土按照5種不同質(zhì)量比(mf∶ms=1∶0,1∶1,1∶2,1∶5,0∶1)充分混合后備用,其中 mf為砒砂巖質(zhì)量,ms為風沙土質(zhì)量。

用馬爾文激光粒度分析儀Mastersizer 2000(英國)對各試樣粒度組成特征進行分析研究[27],用濕法手動測量。粒徑分布范圍依據(jù)中國粒級制分級,機械組成依據(jù)美國農(nóng)部制土壤質(zhì)地三角圖[28]。采用SigmaPlot 10.0對數(shù)據(jù)進行分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 復配后的質(zhì)地性狀

砒砂巖與風沙土復配土粒徑范圍分布見圖1。當全為砒砂巖時,粗粉粒(0.01～0.05 mm)質(zhì)量分數(shù)最大,其次為細粉粒(0.002～0.005 mm)和中粉粒(0.01～0.005 mm),質(zhì)量分數(shù)相當,粗黏粒(0.001～0.002 mm)和細黏粒(＜0.001 mm)質(zhì)量分數(shù)較小,＞0.25 mm的顆粒幾乎沒有。當全為風沙土時,粗砂粒(0.25～1 mm)質(zhì)量分數(shù)最大,其次是細砂粒(0.05～0.25 mm),粉粒(0.05～0.002 mm)非常小,僅為4.05%,黏粒(＜0.002 mm)不到1%,可以認為風沙土中幾乎沒有黏粒。砒砂巖與風沙土在3 種質(zhì)量比下(mf∶ms=1∶1,1∶2,1∶5)復配土均是粗砂粒(0.25～1 mm)質(zhì)量分數(shù)最大,其次為細砂粒(0.05～0.25 mm)和粗粉粒(0.01～0.05 mm)。以0.05 mm為界(美國質(zhì)土壤質(zhì)地中砂粒和粉粒的分界線),砒砂巖與風沙土復配土中當顆粒粒徑＜0.05 mm時,各復配質(zhì)量比的顆粒質(zhì)量分數(shù)大小為1∶0＞1∶1＞1∶2 ＞1∶5 ＞0∶1,當顆粒粒徑 ＞0.05 mm時,各復配質(zhì)量比的顆粒質(zhì)量分數(shù)大小為1∶0＜1∶1＜1∶2＜1∶5 ＜0∶1。 從圖1可清楚看出這是由風沙土粒度組成中＞0.05 mm粒徑的質(zhì)量分數(shù)和砒砂巖中＜0.05 mm粒徑的質(zhì)量分數(shù)很高而導致。

圖1 砒砂巖與風沙土復配土粒徑范圍分布Fig.1 Particle size distribution range of feldspathic sandstone and aeolian sandy soil compound soil

表1示出按美國農(nóng)部制土壤質(zhì)地分級標準下砒砂巖與風沙土在各質(zhì)量比時的機械組成與質(zhì)地情況。可以看出:隨著砒砂巖質(zhì)量分數(shù)的增加,復配土中結(jié)構(gòu)體賦存的關(guān)鍵粒級(粉粒和黏粒)質(zhì)量分數(shù)逐漸提高,均呈線性增長。粉粒關(guān)系式為y=69.04x+10.41,R2=0.963 0,黏粒關(guān)系式為y=13.37x+2.42,R2=0.887 3(其中:y為顆粒質(zhì)量分數(shù),%;x為砒砂巖質(zhì)量分數(shù),%),且質(zhì)地類型呈現(xiàn)出砂土—砂壤—壤土—粉壤的轉(zhuǎn)變,質(zhì)地條件變好,復配土逐步呈現(xiàn)出一定的結(jié)構(gòu)性質(zhì),砒砂巖的加入,使風沙土過粗的砂土質(zhì)地逐步得到改善,從質(zhì)地上來說砒砂巖具有一定固沙可能性。

2.2 復配后的級配特性

圖2是砒砂巖與風沙土復配后的顆粒組成累計曲線與其頻率分布曲線?？梢钥闯?砒砂巖的粒度分布范圍較廣,其粒度組成頻率分布沒有明顯高聳的峰,粒度組成累計曲線沒有明顯的陡坡,屬于多分散型累計曲線,說明砒砂巖的均質(zhì)性較差,沒有哪一個粒級占優(yōu)勢。毛烏素沙地風沙土的粒徑主要分布在0.05～1 mm之間,顆粒整體較粗,粒度組成頻率分布曲線具有很窄峰態(tài)的分布特征,粒度組成累計曲線有明顯的陡坡,屬于單分散型累計曲線,均質(zhì)性較好,分選性強。砒砂巖與風沙土 3 種不同質(zhì)量比(mf∶ms=1∶1,1∶2,1∶5)混合土樣中,其頻率分布曲線以粒徑度0.05 mm分為2部分,在顆粒粒徑＜0.05 mm的部分,隨著砒砂巖質(zhì)量分數(shù)的增加,較細粒徑的質(zhì)量分數(shù)逐漸增加;在顆粒粒徑＞0.05 mm的部分,隨著砒砂巖質(zhì)量分數(shù)的增加,較粗粒徑質(zhì)量分數(shù)逐漸降低。而復配土的粒度組成累積曲線均呈現(xiàn)出一個明顯的轉(zhuǎn)折趨勢,屬于多分散型累計曲線,但隨著砒砂巖質(zhì)量分數(shù)的增加,復配土與風沙土的累計曲線已開始呈現(xiàn)出一定的差別,逐步向類似于砒砂巖的多分散型累計曲線轉(zhuǎn)變,說明在風沙土中加入砒砂巖后,風沙土原來均質(zhì)性的粒度組成得到改善,復配土的粒度組成開始呈現(xiàn)出粗細混雜的狀況,粒度組成分布范圍擴大。

表1 砒砂巖和風沙土復配土機械組成與質(zhì)地Tab.1 Mechanical composition and texture of feldspathic sandstone and aeolian sandy soil compound soil

圖2 砒砂巖與風沙土復配土顆粒組成累計曲線與頻率分布曲線Fig.2 Particle accumulative curve and frequency distribution curve of feldspathic sandstone and aeolian sandy soil compound soil

選用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來評價復配土級配的好壞,Cu是限制粒徑d60與有效粒徑d10的比值(其中d60和d10分別為顆粒累積質(zhì)量分數(shù)為60%和10%時的粒徑,其余類推),是反映土壤顆粒均勻程度的重要指標。Cc是反映土壤粒徑級配累計曲線的斜率是否連續(xù)的指標,Cc=d30d30/(d60d10)。Cu一般＞1,愈接近1,表明土樣愈均勻,Cu＜5的土稱為勻粒土,級配不良;Cu越大,表示粒徑分布越廣,Cu＞10的土樣級配良好,但Cu過大(一般＞100,有數(shù)量級的差異),表示可能缺失中間粒徑,屬于不連續(xù)級配[29]:故需同時用Cc來評價砒砂巖與風沙土復配后的級配特性。

由激光粒度分析儀和圖2得出各質(zhì)量比時復配土的粒級參數(shù)(表2)可以看出:隨著砒砂巖質(zhì)量分數(shù)的增加,復配土的體積粒徑和各累計質(zhì)量分數(shù)下的土壤粒徑均呈減小趨勢,說明隨著風沙土中砒砂巖的加入,改善了原來風沙土粒徑較粗的狀況,復配土的粒度組成向較細的方向轉(zhuǎn)變。從表2砒砂巖的顆粒累計質(zhì)量分數(shù)為i時的粒徑di值同樣可以看出其粒徑較細,主要集中在粉粒和黏粒段,砒砂巖Cu為12.07,砒砂巖Cc為1.01,經(jīng)驗表明,當同時滿足Cu＞10和Cc為1～3時,試樣為級配良好的土[29];所以,從粒徑級配的角度來看,砒砂巖的粒徑分布范圍廣,粒徑級配具有連續(xù)性,使其具有作為固沙劑的可能性。從表2風沙土的di數(shù)值同樣可以看出,毛烏素沙地風沙土的粒徑較粗,主要集中在砂粒段,風沙土Cu為3.32,風沙土Cc為1.21,說明毛烏素沙地風沙土的粒徑級配累計曲線是連續(xù)的,其土粒大小分布范圍較小,屬勻粒土,土的級配不良。這和圖2的分析一致,風沙土沒有好的力學特性,工程性質(zhì)較差,所以毛烏素沙地風沙土的粒徑級配雖然連續(xù);但Cu過低,粒徑分布范圍較小,小粒級的顆粒缺乏,屬于級配不良的土。計算可知,當mf∶ms=1∶2時,Cu為 76.21,Cc為 1.12,當 mf∶ms=1∶5時,Cu為 54.71,Cc為2.54,Cu不僅 ＞10,而且Cc在1～3之間,能同時滿足以上 2個條件,所以當 mf∶ms為1∶2或1∶5時,復配土能表現(xiàn)出良好的顆粒級配特性,這樣的土樣其粗細顆粒組成較為混雜[30]。從表2還可以看出,不同質(zhì)量比砒砂巖與風沙土復配后的Cu均遠大于砒砂巖和風沙土的Cc,這說明砒砂巖的加入,改善了風沙土顆粒粒徑均質(zhì)性的缺陷,復配土的粒度組成及顆粒級配更加趨于良性化。

表2 不同質(zhì)量比下砒砂巖與風沙土的不均勻系數(shù)C u及曲率系數(shù)C cTab.2 Uniformity coefficient and curvature coefficient of feldspathic sandstone and sand under different mass ratios

3 結(jié)論與討論

通過對砒砂巖與風沙土在不同質(zhì)量比下復配后粒度組成情況的詳細分析,并結(jié)合不均勻系數(shù)與曲率系數(shù),可以看出:1)砒砂巖改變了風沙土顆粒粒徑較粗的問題,隨著砒砂巖與風沙土復配土中砒砂巖質(zhì)量的增加,砂粒質(zhì)量分數(shù)減少,粉粒、黏粒質(zhì)量分數(shù)增加,質(zhì)地類型呈現(xiàn)從砂土—砂壤—壤土—粉壤的轉(zhuǎn)變趨勢。2)在風沙土中加入砒砂巖后,彌補了風沙土顆粒分選性強的缺點,改變了風沙土顆粒級配不良,土質(zhì)均勻單一的特征,且這種效果以mf∶ms=1∶2或 1∶5時為好。

毛烏素沙地風沙土的粒徑較粗,主要集中在砂粒段。本研究所得到的風沙土平均粒徑的結(jié)果與李智佩等人的研究結(jié)果相近[31],砒砂巖富含粉粒和黏粒,有一定的持水保水效果[12]。在風沙土中加入砒砂巖,能有效阻止各種水分通過沙層影響土地深層的快速滲透,增加復配土的持水性能,并且隨著砒砂巖質(zhì)量的增加,質(zhì)地由砂變?nèi)?不僅滿足了作物根系通氣的需要,也改善了土壤的水分條件,達到一定的保水保肥效應,加速當?shù)刂脖坏幕謴蚚32],抗風蝕水蝕能力也逐步得到改善,指示著砒砂巖作為固沙劑的可能性。所以用“覆砒砂巖蓋風沙土”的模式來治理毛烏素沙地意義重大,不僅能達到治理沙化土地的效果,還能增加耕地。砒砂巖對風沙土有質(zhì)地改良的效果,反之風沙土對砒砂巖黏粒質(zhì)量分數(shù)過高易引起板結(jié)也有一定的改善效果[33]。在砒砂巖中加入風沙土后,復配土黏粒質(zhì)量分數(shù)降低,且隨復配土中風沙土質(zhì)量的增多,黏粒質(zhì)量分數(shù)越少,黏粒質(zhì)量分數(shù)下降對改善砒砂巖板結(jié)有一定的作用。說明砒砂巖與風沙土能互相彌補各自在成土中的缺陷,改善粒度組成。

以上的認識僅是從粒度組成特性上來分析的,還是初步的,對砒砂巖作為一種固沙新材料更準確的理解尚需更多的實驗數(shù)據(jù)來支持。本研究結(jié)果僅提出當 mf∶ms=1∶2或 1∶5時,復配土的顆粒級配特性良好;但是在砒砂巖與風沙土的復配質(zhì)量比在1∶2和1∶5之間時,是否仍然具有良好的顆粒級配性,有待更深入的研究。