耿雨晗，劉傳孝，李克升，李全新

(山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院，山東 泰安 271000)

我國是受土壤鹽堿化危害最嚴重的國家之一，鹽漬土總面積達0.36 億hm2，主要分布在西北、華北、東北及濱海等干旱、半干旱及半濕潤地區(qū)[1-6]。其中，主要靠引黃河水發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)的黃河三角洲地區(qū)，由于地勢低平、排水不暢和海水浸潤頂托作用，土地鹽堿化現(xiàn)象非常嚴重[7]。鹽堿化會導致土壤結(jié)構(gòu)黏滯，通氣性差，抑制土壤微生物活動，并且土壤中的鹽分超過植物正常所需濃度，阻礙作物正常生長，導致其死亡。近年來，該地區(qū)鹽堿退化土地的面積逐年上升，嚴重阻礙了黃河三角洲地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和土地可持續(xù)利用[8,9]。因此，研究黃河三角洲鹽堿土土壤結(jié)構(gòu)特征與滲透性之間的關系，尋求更為有效的洗鹽方式，對治理該區(qū)域鹽堿地，推動經(jīng)濟發(fā)展有重要意義。

土壤中孔隙的大小、連通性以及曲折性等特征是影響滲透特性的重要因素，國內(nèi)外學者對微觀孔隙特征進行了深入研究[10,11]。張先偉[12]研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合掃描電鏡、壓汞法和氮氣吸附法能夠準確地對土壤孔隙特征進行定性與定量的評價。張雁[13]對摻入煤矸石粉的膨脹土進行干濕循環(huán)后通過壓汞試驗測得孔隙特征值發(fā)現(xiàn)，摻加煤矸石粉可限制大孔形成。Yao[14]通過掃描電鏡試驗發(fā)現(xiàn)，納米氧化鎂的添加改善了軟土的微觀結(jié)構(gòu)。郭玉良[15]對黏土進行不同基質(zhì)吸力下加壓和減壓兩種應力路徑的三軸試驗，通過掃描電鏡觀測微觀結(jié)構(gòu)的變化特征發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)吸力由小變大時，黏土孔隙尺寸逐漸減小。Aly Ahmed[16]利用掃描電鏡和X射線衍射分別確定軟黏土的微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分。Jia[17]分別對原狀土和擾動土進行微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，原狀土中黏土顆粒黏結(jié)成集聚體，集聚體進一步膠結(jié)形成土壤骨架，可抵抗大的變形，擾動導致土壤中膠結(jié)失效，應力重分布。項國圣[18]將膨潤土浸泡在不同濃度鹽溶液中并進行微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，隨著浸泡溶液濃度增加，膨潤土孔隙體積逐漸減小，比表面積先增大后減小。閆小慶[10]向土中加入不同比例膨潤土后進行微觀孔隙特征分析發(fā)現(xiàn)，土體中加入少量膨潤土可使大孔隙數(shù)量急劇減少。

現(xiàn)有研究成果大多為外界各種因素對土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響，對于黃河三角洲鹽堿土土壤結(jié)構(gòu)特征與滲透性之間的關系研究甚少。本文通過掃描電鏡試驗與壓汞試驗對黃河三角洲鹽堿土進行微觀結(jié)構(gòu)分析，并結(jié)合滲透試驗分析土壤滲透性，研究土壤結(jié)構(gòu)特征與滲透性之間的關系，為改良該地區(qū)鹽堿土提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤采自山東省東營市西馬樓村，取樣深度為40 cm，用于掃描電鏡試驗、壓汞試驗、變水頭滲透試驗以及室內(nèi)土柱滲透試驗，其物理性質(zhì)如表1所示，礦物組成如表2所示。

表1 土樣的物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of soil

表2 土樣的礦物組成成分占比Tab.2 The proportion of mineral components in soil

1.2 試驗方法

1.2.1 掃描電鏡試驗

從原狀土樣中切取尺寸為10 mm×10 mm×15 mm的長方體，放置在裝有異戊烷的離心管中，將其用液氮冷凍20 min后，取出離心管放入真空冷凍干燥機進行冷凍干燥。將冷凍干燥后的土樣沿中間位置斷開，得到新鮮斷面，將其用導電炭膠黏貼在掃描電鏡樣品臺上噴金后，用FEI公司生產(chǎn)的Quanta250掃描電子顯微鏡在高真空狀態(tài)下對斷面進行觀測。

1.2.2 壓汞試驗

將原狀土樣切割成尺寸為5 mm×5 mm×10 mm的長方體進行冷凍干燥，采用美國康塔公司生產(chǎn)的PM-33-18全自動壓汞孔率儀對冷凍干燥后的土樣進行壓汞試驗，監(jiān)測累積進汞體積與注入壓力，并根據(jù)Washburn[20]公式繪制累積進汞量與孔徑關系曲線：

(1)

式中：p為施加壓力，Pa；σ為浸入液體的表面張力系數(shù)，N/m；θ為導入液體與固體材料的接觸角，°；r為圓柱形孔隙半徑，m。

1.2.3 變水頭滲透試驗

試驗按《土工試驗規(guī)程》[19]規(guī)定進行。用環(huán)刀切取土樣進行飽和后，將其推入套筒內(nèi)，壓入止水墊圈，裝好帶有透水板的上下蓋，與水頭裝置聯(lián)通，使水通過進水管注入滲透容器，如圖1所示。在一定水頭作用下靜置一段時間，待出水管口有水溢出時，進行試驗測定。將水頭管充水至一定高度后，關閉止水夾，開動秒表，測記一定時間內(nèi)的起止水頭。連續(xù)測記3次后，再使水頭管水位回升至開始高度，重復上述操作3次，試驗終止。

圖1 變水頭滲透試驗裝置圖Fig.1 Diagram of falling head permeation test device

1.2.4 室內(nèi)土柱滲透試驗

試驗所用土柱由壁厚5 mm，外徑20 cm，高50 cm的有機玻璃圓筒制成，底部均勻設置排水孔。試驗用土經(jīng)風干、破碎、過2 mm篩后，混合均勻，按照原始容重分層填裝到玻璃土柱中，每層壓實到5 cm，并在層與層之間進行拋毛處理，填土高度為30 cm。在土柱底部鋪設15 cm砂石作為反濾層，管底用紗網(wǎng)封住，防止砂石掉落，如圖2所示。

圖2 室內(nèi)土柱滲透試驗示意圖Fig.2 Diagram of indoor soil column permeability test

在試驗過程中，土柱水頭控制在5 cm不變，觀察濕潤鋒推進深度，每推進2 cm記錄一次時間，到30 cm處為止。滲水量穩(wěn)定后，每3 h記錄一次水量，24 h后停止。設置3組平行試驗，編號分別為A、B、C。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿土結(jié)構(gòu)特征的定性分析

為深入認識黃河三角洲鹽堿土的土壤結(jié)構(gòu)特征，對所取鹽堿土進行掃描電鏡試驗，得到鹽堿土微觀結(jié)構(gòu)圖片，如圖3所示。當放大500倍和1 000倍時，可以看出構(gòu)成該鹽堿土的土顆粒以片狀為主，排列較為緊密，孔隙分布均勻，多呈長條縫隙狀；當放大2 000 倍與3 000 倍時看到，顆粒間主要以面—面、面—邊接觸為主，孔隙之間的連通性較差。

圖3 鹽堿土微觀結(jié)構(gòu)圖片F(xiàn)ig.3 Microstructure of saline-alkali soil

2.2 鹽堿土結(jié)構(gòu)特征的定量分析

將制備好的土樣放入壓汞儀中進行壓汞試驗，得到累積進汞曲線以及孔隙分布曲線，如圖4所示。本文根據(jù)Shear[20]的孔徑劃分理論以及進汞曲線斜率變化將孔隙分為5類：①大孔隙，孔徑D>20 μm；②中孔隙，孔徑10≤D<20 μm；③小孔隙，孔徑2≤D<10 μm；④微孔隙，孔徑0.1≤D<2 μm；⑤超微孔隙，孔徑D<0.1 μm。根據(jù)進汞試驗結(jié)果得到土樣的各類孔隙百分含量如表3所示。

圖4 壓汞試驗結(jié)果Fig.4 Mercury intrusion test results

表3 土樣的不同孔隙含量Tab.3 Different pore contents of soil

孔徑/μmD>20(大孔隙)10≤D<20(中孔隙)2≤D<10(小孔隙)0.1≤D<2(微孔隙)D<0.1(超微孔隙)含量/%8.433.1930.5149.348.53

由圖4及表3可知，鹽堿土的孔徑分布范圍集中在0.1～10 μm之間且呈單峰分布，小孔隙和微孔隙的體積平均占總孔隙體積的79.85%，這說明該區(qū)域鹽堿土大孔隙較少，孔隙類別主要為小孔隙和微孔隙，孔徑較小。

2.3 原狀土變水頭滲透試驗結(jié)果

為準確描述黃河三角洲鹽堿土的滲透性，對該區(qū)域原狀鹽堿土進行變水頭滲透試驗，得到每5 min內(nèi)的起始水頭h1與終止水頭h2，如表4所示，結(jié)合下列公式計算可得原狀鹽堿土的滲透系數(shù)：

(2)

(3)

式中：kT為水溫T℃時試樣的滲透系數(shù)，cm/s；a為變水頭管截面積，cm2；L為滲徑，等于試樣高度，cm；h1為起始水頭，cm；h2為終止水頭，cm；A為試樣斷面積，cm2；t為經(jīng)過時間，s；k20為標準溫度(20 ℃)時試樣的滲透系數(shù)，cm/s；ηT為T℃時水的動力黏滯系數(shù)，10-6kPa·s；η20為20 ℃時水的動力黏滯系數(shù)，10-6kPa · s。

表4 原狀土變水頭滲透試驗結(jié)果表Tab.4 Undisturbed soil falling head permeability test results

由表4可知，對黃河三角洲地區(qū)原狀鹽堿土進行變水頭滲透試驗，得到其滲透系數(shù)為6.46×10-5cm/s，滲透能力在相對不透水的范圍內(nèi)，滲透性較差，不利于洗鹽排鹽。

2.4 重塑土滲透試驗結(jié)果分析

2.4.1 土柱試驗中濕潤鋒運移與時間關系分析

室內(nèi)土柱常水頭滲透試驗中，A、B、C 3組試驗土柱濕潤鋒運移距離隨時間變化曲線如圖5所示。

圖5 濕潤鋒運移距離與時間關系圖Fig.5 Wetting front travel distance versus time

由圖5可知，在0～40 min內(nèi)曲線的斜率較大，入滲較快，濕潤鋒平均推進深度為10 cm。隨著時間增加，曲線斜率減小，濕潤鋒到達20 cm和30 cm深度處所用平均時間分別為265、770 min，呈現(xiàn)出濕潤鋒運移速度隨時間增加逐漸減小的規(guī)律。這是因為土柱在入滲初期上層土壤與下層土壤吸力梯度較大，土壤中的水分在重力勢和基質(zhì)勢的作用下迅速向下推進。但隨著時間的增加，上層土壤不斷吸收水分，部分轉(zhuǎn)化為毛管水，多余的重力水下滲，使得上層土壤平均含水量減少，與下層土壤的吸力梯度減小，運移速度也隨之減小。

2.4.2 均質(zhì)重塑土滲透性分析

對該區(qū)域重塑土進行室內(nèi)土柱滲透試驗，待土柱底部滲水量穩(wěn)定后，每3 h測得的滲水量如表5所示。

表5 每3 h土柱的滲水量Tab.5 Water seepage of soil column every 3 hours

注：表中QA、QB、QC分別表示A、B、C 3個試驗土柱的滲水量。

由表5可知，A、B、C 3組試驗每3 h滲水量相近，平均每3 h滲水量為29.4 cm3，平均滲透速率為0.035 cm/h，滲透速率較慢。取均質(zhì)重塑土進行變水頭滲透試驗分析其滲透系數(shù)，結(jié)果如表6所示。

通過對重塑土進行變水頭滲透試驗得到的滲透系數(shù)為2.40×10-5cm/s，滲透能力較差，與室內(nèi)土柱常水頭滲透試驗的研究結(jié)論一致。

2.5 鹽堿土結(jié)構(gòu)特征與滲透性關系分析

土中孔隙為水分下滲提供滲流通道，孔隙的大小以及連通性等因素直接影響土體的滲透性。通過對原狀鹽堿土進行微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，鹽堿土的顆粒緊密鑲嵌，孔隙狹窄且不連通，孔隙主要為小孔隙和微孔隙，孔徑較小；對原狀土進行滲透試驗得到鹽堿土滲透系數(shù)為6.46×10-5cm/s，滲透能力在相對不透水的范圍內(nèi)，進一步驗證了黃河三角洲鹽堿土結(jié)構(gòu)致密，孔隙狹小不連通，導致土壤不透水，滲透性較差。

表6 重塑土土變水頭試驗結(jié)果表Tab.6 Remolded soil falling head permeability test results

3 討 論

鹽堿土洗鹽時，土壤的滲透性是影響洗鹽效果的重要因素。通過對原狀鹽堿土進行掃描電鏡試驗、壓汞試驗和滲透試驗可知，黃河三角洲粉質(zhì)鹽堿土土壤結(jié)構(gòu)致密，孔徑較小，滲透性較差。通過室內(nèi)土柱滲透試驗以及重塑土變水頭滲透試驗可知，重塑土滲透系數(shù)為2.40×10-5cm/s，滲透性降低，這是因為將土壤重塑后，破壞了絮凝集聚體，且該地區(qū)鹽堿土中粉粒含量較多，顆粒小，孔隙變小，導致滲透性降低。為了增強該區(qū)域鹽堿土的滲透能力，達到良好的洗鹽效果，需改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土體內(nèi)部滲流通道，使其形成相互連通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖6所示。例如，向土壤中摻雜一定比例的砂石可使土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)達到圖6所示效果，增大滲透能力，使土中鹽分隨水分快速排出，達到理想的洗鹽效果。為達到最優(yōu)排鹽效果，摻雜砂石的比例和粒徑還需進一步研究優(yōu)化。

圖6 網(wǎng)狀裂隙示意圖Fig.6 Schematic diagram of the network crack

4 結(jié) 論

(1)通過對土壤進行微觀結(jié)構(gòu)分析得到，鹽堿土內(nèi)部顆粒緊密鑲嵌，孔隙長條縫隙狀且不連通，孔隙主要為小孔隙和微孔隙。

(2)通過對黃河三角洲地區(qū)原狀鹽堿土進行變水頭滲透試驗，得到其滲透系數(shù)為6.46×10-5cm/s，滲透性能在相對不透水的范圍內(nèi)，滲透性較差。

(3)通過重塑土室內(nèi)土柱滲透試驗和變水頭滲透試驗得到，土柱平均滲透速率為0.035 cm/h，滲透系數(shù)為2.40×10-5cm/s，滲透性差。

(4)黃河三角洲粉質(zhì)鹽堿土結(jié)構(gòu)致密，孔隙狹小不連通，阻礙水分流通，導致該地區(qū)土壤不透水，滲透性較差。

(5)對于黃河三角洲粉質(zhì)鹽堿土的改良，建議向土中摻雜一定砂石，形成相互連通的網(wǎng)狀滲流通道，增加滲透能力進而改善洗鹽效果。