張 凡， 冀曉東?， 馬媛媛， 李鑫媛

(1.北京林業(yè)大學水土保持國家林業(yè)局重點實驗室，100083，北京；2.碧桂園控股有限公司，100193，北京)

東北黑土區(qū)的糧食年產(chǎn)量約占全國的1/5，是中國重要的玉米、粳稻等商品糧供應地[1-2]。其糧食產(chǎn)量主要依賴于肥沃的黑土層，然而研究表明，截止到2011年底，東北黑土區(qū)的水土流失面積為25萬9 800 km2，占總土地面積的25.22%，并且將繼續(xù)惡化[3]。黑土作為典型的草原草甸土壤，具有肥力高、土質(zhì)疏松等特點，其中土壤侵蝕是導致黑土資源退化乃至徹底破壞的主要原因[4]，嚴重影響了黑土良好肥力的發(fā)揮；因此，提升黑土的抗侵蝕能力是緩解當前水土流失形勢的必要手段。

沸石具有良好的結(jié)構(gòu)特性和礦物性質(zhì)，是一種環(huán)境友好型材料，價格低廉且無毒無害[5-6]，在改良土壤的理化性質(zhì)，改善土壤的結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分情況和抗侵蝕能力方面發(fā)揮重要作用。馬媛媛等[7]將天然沸石按照不同比例摻入重塑黑鈣土中，通過擬合天然沸石改良黑鈣土的水分特征曲線，發(fā)現(xiàn)天然沸石能夠提高黑鈣土的保水能力。張薇[8]將沸石作為隔鹽層應用于濱海鹽堿地，發(fā)現(xiàn)可以有效降低土壤的全鹽量和pH值。戴顯慶[9]通過將天然沸石摻入到黑土中，有效提高了土壤團聚體的團聚度和黑土的抗剪強度，表明黑土團聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力得到增強。

抗剪強度是衡量土壤抗侵蝕能力的一個重要指標[10]，通常用黏聚力和內(nèi)摩擦角這2個力學性質(zhì)指標來評價。土壤密度和總孔隙度都是土壤的基本物理性質(zhì)，能夠反應土壤的密實程度和土壤結(jié)構(gòu)[11]，土壤結(jié)構(gòu)的改變會引起力學性質(zhì)的變化。土壤的微觀結(jié)構(gòu)影響土壤的宏觀性質(zhì)[12]，要研究土壤力學性質(zhì)發(fā)生變化的機理，還需深入研究土壤微觀結(jié)構(gòu)的差異。目前關(guān)于定性研究沸石對土壤性能改良的成果已有很多[6-9]，但是對于天然沸石改良土壤力學性能及微觀結(jié)構(gòu)方面的研究還不充分，尚不能科學地回答天然沸石對土壤的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的改良機制；因此，筆者通過測定不同沸石摻配量對于黑土力學性質(zhì)、物理性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)的影響，分析其力學性能發(fā)生變化的原因，進而研究天然沸石改良土壤力學性能的效果，為改良土壤的抗侵蝕能力提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

我國東北黑土區(qū)是世界3大黑土區(qū)之一[13]，主要集中在內(nèi)蒙古呼倫貝爾和興安盟、松嫩平原及三江平原。其中，吉林省的黑土區(qū)面積為110萬1 000 hm2。研究區(qū)位于吉林省中北部榆樹市(E 126°01′44″～127°05′09″，N 44°30′57″～45°15′02″)，處于松遼平原的中間地帶，屬于典型的黑土區(qū)。海拔為157～220 m，坡度范圍為1～5°。氣候類型為溫帶亞濕潤型氣候，氣溫多受季風影響，春季干旱多風，夏季濕潤多雨，秋季溫和涼爽，冬季漫長寒冷。年均降雨量500～700 mm，降雨主要集中在6—9月；凍土深度為1.5～2 m。年均溫度為4 ℃左右，平均無霜期為145 d。土層厚度35～60 cm，最厚超過100 cm，有機質(zhì)含量高。

2 材料與方法

2.1 材料與表征

1)天然沸石。采用的天然沸石主要為斜發(fā)沸石。沸石粒度100目，質(zhì)量密度0.879 g/cm3。分別采用X射線熒光光譜分析法(XRF，Siemens model D5000，德國)、X射線衍射分析法(XRD，Rikaku D/max-RB，日本)和掃描電子顯微鏡分析法(SEM，Regulus8100，Hitachi)測定天然沸石的主要化學組成、礦物組成和表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)。

本研究采用天然沸石的主要化學成分為二氧化硅、氧化鋁和氧化鐵，還存在少量的其他氧化物。由圖1可知，天然沸石的主要礦物組成為斜發(fā)沸石、高嶺石、石英以及其他硅鋁氧化物。由圖2可知，天然沸石是一種表面形態(tài)不規(guī)則、比表面積較大的晶體，粗糙的表面結(jié)構(gòu)能夠提供更多的吸附點位，有利于提高其吸附性能，進而促進其在土壤改良的過程中與土壤顆粒膠結(jié)。

圖1 天然沸石的X射線衍射圖譜Fig.1 XRD patterns of nature zeolite

圖2 天然沸石SEM圖Fig.2 SEM(scanning electron microscope)images of nature zeolite

2)黑土。黑土取自榆樹市耕地。采用蛇形布點法進行布點采樣，取樣深度15～30 cm，攪拌均勻、除去雜物并風干，然后過5 mm篩備用。根據(jù)NY/T 1121《土壤檢測》系列國家標準測定黑土基本理化性質(zhì)，結(jié)果見表1和表2。

表1 黑土各粒徑團聚體含量Tab.1 Percentage of aggregates size of black soil %

表2 黑土基本理化性質(zhì)Tab.2 Physical and chemical properties of black soil

2.2 試驗方法

1)土壤重塑。筆者采用重塑土進行試驗。土壤重塑過程如下：將風干后的黑土按照各級團聚體粒徑進行篩分(各粒徑團聚體所占比例如表1所示)后按照質(zhì)量比例重新?lián)脚?，充分攪拌，使其混合均勻，形成重塑黑土。再將天然沸石按照質(zhì)量比例：0、5%、10%、15%和20%的摻配量摻配到重塑后的黑土中充分攪拌，使其混合均勻，依次編號，以沸石摻配比例為0的土樣作為對照組。為使黑土與沸石充分接觸以及均勻混合，將各組土樣(每組2 kg)置于大花盆中培養(yǎng)，每隔3 d澆水1次，澆至土樣完全濕透為止，實現(xiàn)沸石與土壤的充分結(jié)合，培養(yǎng)期為60 d。培養(yǎng)后待用。

2)土壤力學性質(zhì)測定。土壤的黏聚力和內(nèi)摩擦角測定采用三軸壓縮實驗(ZS08-D3型全自動三軸壓縮儀，北京華勘科技有限責任公司)。具體方法如下：根據(jù)SL237-017—1999《土工試驗規(guī)程》規(guī)定，采用擊實法制備重塑土圓柱形土樣。采用灑水法配置每份土樣的含水率為22.5%，與取土時天然含水率一致。剪切試驗條件為不固結(jié)不排水(UU)，試樣類型為多樣剪，剪切速率為0.800%/min，圍壓分別設置為100、200、300和400 kPa。每組實驗重復2次，結(jié)果取平均值。土壤的抗剪強度主要由土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角表示，用摩爾-庫倫公式表達為

τf=c+σtanφ。

(1)

式中：τf為土壤抗剪強度，kPa；c為土壤黏聚力，kPa；σ為剪切面法向應力，kPa；φ為土壤內(nèi)摩擦角，(°)。

3) 土壤物理性質(zhì)測定。土壤密度采用環(huán)刀法測定。土壤總孔隙度測定采用經(jīng)驗公式[14](式2)計算：

Pt=93.947-32.995d。

(2)

式中d為土壤密度，g/cm3。

4)土壤微觀結(jié)構(gòu)測定。土壤的微觀結(jié)構(gòu)測定采用壓汞儀法。測定方法：首先使用真空冷凍干燥法(SCIENTZ-10N型冷凍干燥機)對壓汞試驗樣品進行真空脫水，然后使用壓汞儀(Autopore IV 9500型全自動孔徑分布壓汞儀)進行壓汞試驗。筆者采用低壓加高壓全范圍孔徑測試。具體步驟如下：稱量樣品，然后將樣品放入粉末膨脹劑中進行真空密封并稱其質(zhì)量，記錄。依次安裝到壓汞儀的低壓站和高壓站進行分析，具體步驟分為抽真空、進汞和加壓。記錄每次壓力增加時的進汞量，然后根據(jù)式(3)計算黑土樣品的孔隙半徑，得到黑土中孔隙直徑的大小和分布。實驗的具體操作步驟嚴格按照國家標準GB/T 21650.1—2008《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度 第1部分：壓汞法》。

壓力、材料進汞量和孔隙之間的關(guān)系可以采用圓柱型孔隙模型的公式[15]表示為

(3)

式中：F為施加的載荷,N；σ為汞表面的張力,N/m，純汞σ的范圍是0.410～0.515 N/m，根據(jù)文獻[15-16]本研究取σ=0.485 N/m；r為所測樣品的孔隙半徑, mm；θ為汞與所測樣品的接觸角度(°)，本研究取θ=130°。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同天然沸石摻配量對黑土力學性質(zhì)的影響

經(jīng)過三軸壓縮試驗，不同沸石摻配量下的黑土力學參數(shù)結(jié)果如表3所示。相對于對照組，經(jīng)沸石摻配改良后的黑土的土壤黏聚力均增大，分別增大1.3、14.1、15.8和32.8 kPa；內(nèi)摩擦角均增大，分別增大2.6°、0.2°、0.1°和0.6°。

表3 黑土不同天然沸石摻配量下的力學參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of black soil in different natural zeolite dosages

由圖3可知，黑土的黏聚力隨著天然沸石的摻配量增多而增大，呈正相關(guān)關(guān)系。天然沸石的摻配量從5%～10%和15%～20%時黑土的黏聚力增加幅度較大，0～5%和10%～15%之間黑土的黏聚力提升幅度相對不大?？梢钥闯觯诤谕林刑砑犹烊环惺梢杂行г鰪姾谕恋酿ぞ哿Α?/p>

圖3 黑土不同天然沸石摻配量下的黏聚力和內(nèi)摩擦角Fig.3 Cohesion and internal friction angle of black soil in different natural zeolite dosages

由圖3可知，黑土的內(nèi)摩擦角隨著天然沸石摻配量變化的規(guī)律不明顯，不同天然沸石摻配量的土壤內(nèi)摩擦角均高于對照組。當天然沸石的摻配量為5%時，黑土的內(nèi)摩擦角增大，為對照組的2倍以上，繼續(xù)增加天然沸石的摻配量到10%時，改良黑土的內(nèi)摩擦角有所下降，與對照組黑土內(nèi)摩擦角相差不大，再繼續(xù)增加天然沸石的摻配量，可以看出天然沸石的內(nèi)摩擦角變化不大。

3.2 不同天然沸石摻配量對黑土物理性質(zhì)的影響

經(jīng)過環(huán)刀試驗，不同天然沸石摻配量下的黑土物理性質(zhì)結(jié)果如表4所示。相對于對照組，經(jīng)天然沸石摻配改良后的黑土的密度均增大，分別增大0.01、0.011、0.014和0.003 g/cm3，總孔隙度均減小，分別減小0.330%、0.363%、0.462%和0.099%。

表4 不同天然沸石摻配量下黑土的物理性質(zhì)Tab.4 Physical properties of black soil in different natural zeolite dosages

由圖4可知，黑土的密度隨著天然沸石摻配量的增多而增大，呈正相關(guān)關(guān)系。當天然沸石的摻配量從0～10%時，土壤密度的增長接近線性關(guān)系，從10%～15%的天然沸石摻配量時，土壤密度的增長幅度最大，繼續(xù)增加天然沸石的摻配量，從15%～20%時，土壤密度依然增長，但是增長的幅度相對較小。

由圖4可知，黑土的總孔隙度隨著天然沸石摻配量增加而減小，呈負相關(guān)關(guān)系。當天然沸石摻配量從0～15%時，總孔隙度降低幅度較大。天然沸石摻配量繼續(xù)增大到20%，孔隙度變化幅度相對變小。

圖4 不同沸石摻配量下的土壤密度與土壤總孔隙度Fig.4 Soil density and total soil porosity of black soil in different natural zeolite dosages

隨著天然沸石摻配量的增加，黑土的密度變大，總孔隙度變小。這可能是因為天然沸石與小粒徑團聚體膠結(jié)，并附著在大粒徑團聚體表面，填充了土壤顆粒之間的大孔隙，使土壤密度增大，土壤更加密實。

3.3 天然沸石摻配量對黑土微觀結(jié)構(gòu)的影響

為了更加清晰的對比天然沸石摻配量對于黑土的力學性質(zhì)的影響效果及機理，筆者將相鄰2種天然沸石摻配量下的土壤微觀孔隙特征曲線繪制在一張圖內(nèi)，結(jié)果如圖5所示。其中，單位土體積進汞量曲線圖可以表示出土壤孔隙直徑的大小分布，而累計進汞量曲線的高低可以反映出土壤的總孔體積的大小。

由圖5(a)、(c)、(e)、(g)的孔隙分布曲線可以看出，各組黑土樣品均呈現(xiàn)出單峰狀態(tài)，孔隙直徑分布結(jié)構(gòu)大致相似。數(shù)量最多的孔隙主要集中在500～3 000 nm，該直徑范圍內(nèi)的孔隙主要是土壤顆粒與顆粒之間以及團粒內(nèi)部的小孔隙[16-17]。當天然沸石的摻配量逐漸增加時，其對土壤孔隙直徑分布曲線的影響規(guī)律不相同。當天然沸石摻配量從0～5%和10%～15%時，孔隙直徑分布曲線的峰值稍向上方變化，說明最可幾孔徑的數(shù)量有所增加；當天然沸石摻配量從5%～10%和15%～20%時，孔隙直徑分布曲線的峰值稍向下方變化，此時最可幾孔徑的數(shù)量有所降低。隨著天然沸石的摻配量逐漸增加，各組曲線兩端的變化均呈現(xiàn)微小孔隙稍有上升趨勢，大孔隙稍有下降趨勢，表明黑土中較小直徑孔隙所占比例稍有上升。

由圖5(b)、(d)、(f)、(h)的累計進汞曲線可以看出，各組黑土樣品的孔隙直徑分布趨勢相似。當天然沸石的摻配量逐漸增加，累計進汞曲線呈現(xiàn)出向下移動的趨勢，說明填充黑土中的孔體積需要比原來少的汞，即黑土的總孔體積呈減小趨勢。當天然沸石摻配量逐漸增大，曲線左端的變化較為明顯，表明各組孔隙的變化主要是大孔隙數(shù)量的變化，小孔隙只是稍有上升趨勢。

圖5 天然沸石摻配量對單位土體積進汞量及累計進汞量的影響Fig.5 Effect of natural zeolite dosage on the log differential intrusion and cumulative intrusion

因此，在黑土中添加天然沸石，能夠填充土壤內(nèi)部的較大孔隙，改變黑土的孔隙直徑分布和總孔隙體積。當天然沸石的摻配量不同時，對于土壤的孔隙直徑分布曲線的影響規(guī)律也不相同。總體來說，隨著沸石摻配量的增加，黑土的總孔體積逐漸降低，較小直徑的孔隙所占比例升高，這一趨勢說明天然沸石能夠增大黑土顆粒間的接觸面積。

4 討論

土壤黏聚力是土顆粒與顆粒之間的相互作用力。土壤黏聚力的大小是土壤顆粒之間物理作用和化學作用共同作用的結(jié)果，其中包括范德華力、靜電引力和土壤顆粒之間的膠結(jié)作用。土壤的內(nèi)摩擦角體現(xiàn)的是土壤顆粒之間的摩擦力，包括土壤的固體顆粒間的滑動摩擦和土壤顆粒與顆粒之間的咬合，其中固體表面之間的滑動摩擦是土壤摩擦強度的主要部分[18]。

實驗表明，黑土的黏聚力隨天然沸石摻配量增加而逐漸增大，與黑土密度逐漸增大、總孔隙度逐漸減小這一規(guī)律相符合，說明天然沸石能夠填充黑土中的較大孔隙，使土壤密度增大，黑土更加密實，進而影響黑土的結(jié)構(gòu)性，達到增強黑土黏聚力的效果。隨著天然沸石摻配量的增加，黑土的總孔體積呈減小趨勢，較小直徑的孔隙所占比例升高，這與宏觀物理性質(zhì)的變化相一致。與黑土的力學試驗結(jié)果相比較，可以看出天然沸石作為微小團聚體添加到黑土中，改變了黑土的機械組成，減小了黑土的總孔體積，使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使黑土的黏聚力逐漸增大。同時由于填充了土壤顆粒與顆粒之間的大孔隙，并附著在大粒徑團聚體表面，使土壤內(nèi)部的小孔隙所占比例呈上升趨勢，改變了土壤的顆粒間和團粒內(nèi)部的孔徑分布，能夠為顆粒之間提供更多的接觸點，并增加土壤團聚體表面的粗糙程度，有利于摩擦力的發(fā)揮[19]，從而增大了內(nèi)摩擦角。但隨著天然沸石摻配量的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律與微觀結(jié)構(gòu)的某一因素的變化規(guī)律并不一致，說明天然沸石改變了黑土的土壤顆粒與顆粒之間和團粒內(nèi)部的孔隙分布特征以及黑土的總孔體積，這2種因素共同作用導致黑土抗剪強度發(fā)生改變，不能只用孔隙度的變化或者內(nèi)部微觀孔隙的分布對黑土力學參數(shù)的變化進行單一的評價。

經(jīng)分析，添加天然沸石的黑土黏聚力和內(nèi)摩擦角發(fā)生改變可能是因為：1)當天然沸石添加到土壤中時，土壤的機械組成[20]和基本物理性質(zhì)都發(fā)生了改變，導致了黑土黏聚力的變化；2)天然沸石具有良好的吸附性能和膠結(jié)作用，可以作為微小的質(zhì)點吸附在其天然他團聚體的表面，同時將更多的膠體團聚體吸附到沸石的周圍，促進團聚體的形成，提升團聚體的穩(wěn)定性[21]和土壤顆粒之間的膠結(jié)力；3)土壤的黏聚力的增加表明土顆粒與顆粒之間的引力變得更大，這可能是因為天然沸石本身就具有比較強的靜電場[21]，增加土壤顆粒與顆粒之間的靜電引力；4) 天然沸石直徑微小，填充了土壤顆粒與顆粒之間的大孔隙，使小孔隙所占比例增多，能夠提供更多的接觸點，增加土壤團聚體的表面的粗糙程度，有利于摩擦力的發(fā)揮[19]。

總體來說，經(jīng)過培養(yǎng)的重塑黑土的團聚體與天然沸石充分接觸，團聚體分布更加均勻，黑土中小孔隙數(shù)量變多，黏聚力增加的同時黑土的顆粒更加均勻，顆粒之間的引力更強，黑土的抗剪強度也就更強，黑土的抗侵蝕性也隨之變強。這說明，黑土的宏觀物理性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)變化能夠引起力學性質(zhì)的變化，解釋力學指標變化的機理。其中，天然沸石的摻配量從5%～10%和15%～20%時黑土的黏聚力增加幅度較大，天然沸石的摻配量從5%～15%密度增加幅度較大，結(jié)合關(guān)于黑土的保水性能及抗侵蝕能力的研究成果[7,9]，考慮經(jīng)濟性，選取10%天然沸石摻配量改良黑土更為合適。

5 結(jié)論

1)在黑土中添加天然沸石可以影響黑土的力學性質(zhì)和宏觀物理性質(zhì)，隨著天然沸石摻配量的增加，黑土的黏聚力逐漸增大并與天然沸石摻配量呈正相關(guān)關(guān)系，內(nèi)摩擦角均較對照組增大但與天然沸石摻配量沒有明顯的規(guī)律，黑土土壤密度變大并與天然沸石摻配量呈正相關(guān)關(guān)系，總孔隙度減小并與天然沸石摻配量呈負相關(guān)關(guān)系。

2)在黑土中添加天然沸石可以改良黑土的微觀結(jié)構(gòu)，隨著天然沸石摻配量的增加，黑土的總孔隙體積呈減小趨勢，較小直徑的孔隙所占比例升高。

3)天然沸石能夠改善黑土的力學性質(zhì)、物理性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)與宏觀物理性質(zhì)的變化規(guī)律相一致，都會引起黑土力學性質(zhì)的變化，進而有效提升黑土的抗剪強度，并且這種變化從某種程度上來講可以通過黑土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化進行解釋，為天然沸石改良黑土及提升黑土的抗侵蝕能力提供理論依據(jù)。綜合考慮黑土黏聚力、密度以及改良成本，選取10%天然沸石摻配量改良黑土更為合適。