溫鵬飛

(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司/自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075)

1 引言

在土地整治工程實(shí)施過程中，項(xiàng)目經(jīng)常處于土石混合山地。當(dāng)?shù)赝翆右话爿^薄，含有大量泥質(zhì)頁(yè)巖風(fēng)化物。土壤的物理特性決定了土壤的水肥氣熱運(yùn)移規(guī)律，是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要因素，也是決定土地整治工程效益的關(guān)鍵，因此研究泥質(zhì)頁(yè)巖與黃土復(fù)配土壤的物理特性具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)需求。

Aldaood A[1]研究了土壤類型對(duì)土壤水分特征曲線的影響。來劍斌等[2]分析了土壤質(zhì)地、土層深度、種植條件等對(duì)土壤水分特征曲線的影響。趙雅瓊等[3]研究了不同粒徑下土壤水分特征曲線的變化規(guī)律并得到描述曲線的最佳模型。孫迪等[4]對(duì)長(zhǎng)白山闊葉紅松林不同深度土壤水分特征曲線進(jìn)行研究。吳煜禾等[5]研究了不同土地利用方式土壤水分特征曲線適用模型，指出了Gardner模型、van Genuchten模型適用對(duì)象。淤地壩是黃土高原水土流失治理中最主要的溝道治理措施，壩地是淤地壩建設(shè)的一個(gè)重要產(chǎn)物[6]，泥沙在沉積過程中粗顆粒先沉積，細(xì)顆粒后沉積，導(dǎo)致壩地明顯分層、空間異質(zhì)性[7]，導(dǎo)致壩地水分的入滲和徑流的產(chǎn)生。針對(duì)壩地特殊分層淤積對(duì)土壤水分特征曲線的影響，研究其對(duì)淤地壩安全運(yùn)行具有重要意義。

本文通過開展泥質(zhì)頁(yè)巖與黃土復(fù)配野外試驗(yàn)，測(cè)定復(fù)配土壤顆粒級(jí)配和土壤水分特征曲線，研究了泥質(zhì)頁(yè)巖含量對(duì)復(fù)配土壤物理特性的影響，以期為土石混合山地土地整治工程提供科學(xué)參考。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品的采集與復(fù)配比例

研究區(qū)屬于殘塬丘陵區(qū)，海拔1196～1384 m，山坡有巖石裸露，丘陵坡度在10°～25°之間。研究區(qū)土體主要包括風(fēng)積黃土、沖積洪積粉土、粉質(zhì)粘土和砂礫卵石。通過實(shí)地勘察，采集研究區(qū)黃土和泥質(zhì)頁(yè)巖土壤樣品，并對(duì)土壤樣品的顆粒級(jí)配、土壤養(yǎng)分、重金屬元素。將黃土與泥質(zhì)頁(yè)巖分別按照95∶5，90∶10，85∶15進(jìn)行復(fù)配。將復(fù)配后的土壤通過旋耕機(jī)拌勻，再經(jīng)過一年沉降后，再次采集土壤樣品。每個(gè)地塊采集10個(gè)重復(fù)，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤顆粒級(jí)配和土壤水分特征曲線。結(jié)果見表1、2。

表1 黃土和泥質(zhì)頁(yè)巖顆粒級(jí)配

表2 黃土和泥質(zhì)頁(yè)巖土壤養(yǎng)分

2.2 試驗(yàn)方法

將風(fēng)干后的土壤研磨、過篩(全量元素分析樣品為0.25 mm，速效養(yǎng)分為1 mm)后裝入紙袋中備用。土壤全氮含量用Foss8400全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定。土樣經(jīng)過自然風(fēng)干，過2 mm的篩子，去根，稱取土樣0.5 g左右，加30%過氧化氫(H2O2)，浸泡24 h去除有機(jī)質(zhì)，加蒸餾水稀釋，靜置，除上清液以除酸，超聲30 s后用激光粒度儀Mastersizer2000測(cè)量土壤粒徑的體積分?jǐn)?shù)(%)。粒徑分別設(shè)為2～1 mm(d1)、1～0.5 mm(d2)、0.5～0.25 mm(d3)、0.25～0.1 mm(d4)、0.1～0.05 mm(d5)、0.05～0.002 mm(d6)和<0.002 mm(d7)共7級(jí)。根據(jù)美國(guó)制分類標(biāo)準(zhǔn)分為極粗砂粒(2～1 mm)、中粗砂粒(1～0.25 mm)、細(xì)砂粒(0.25～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)。結(jié)果見表3、4。

表3 黃土和泥質(zhì)頁(yè)巖重金屬元素 mg/kg

表4 黃土與泥質(zhì)頁(yè)巖復(fù)配工況設(shè)置 %

試驗(yàn)采用高速恒溫冷凍離心機(jī)(日立CR21G型)測(cè)定土壤水分特征曲線，在20 ℃恒溫下設(shè)定12個(gè)不同轉(zhuǎn)速(分別相當(dāng)于吸力值0.01、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、4、6、8和10 bar)離心到平衡時(shí)間，在試驗(yàn)過程中記錄12個(gè)吸力下的試驗(yàn)土樣的土壤質(zhì)量含水量，同時(shí)記錄試驗(yàn)土樣在離心力作用下的收縮量，并計(jì)算不同吸力對(duì)應(yīng)的土壤體積含水量，獲得試驗(yàn)土樣的土壤水分特征曲線，最后取每層3個(gè)土樣的平均值作為旋回層的土壤水分特征曲線。由土壤水分特征曲線模擬方程推求有效水含量，一般將土壤吸力S為0.3bar時(shí)的土壤含水量作為田間持水量，S為1.5bar時(shí)的土壤含水量作為凋萎系數(shù)，田間持水量與凋萎系數(shù)之間的差值即土壤有效水最大含量。

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理方法

采用RETC軟件對(duì)土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合，擬合土壤水分特征曲線選擇Gardner模型。

假設(shè)土壤孔隙為各種孔徑的圓形毛管，土壤水吸力S和毛管直徑d的關(guān)系可表示為[5]：

S=4δ/d

(1)

式(1)中，S為吸力，Pa；δ為水的表面張力系數(shù)，室溫條件下一般為7.5×10-2N/m；d為當(dāng)量孔徑，m。

土壤水分特征曲線擬合模型Gardner模型公式為：

θ=ahb

(2)

式(2)中，θ為土壤體積含水量，cm3/cm3；h為土壤水吸力，bar；參數(shù)a決定曲線的高低，即持水能力大??；參數(shù)b決定土壤含水量隨土壤水勢(shì)降低而遞減的快慢程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤粉黏粒的統(tǒng)計(jì)特征

土壤粉黏粒含量決定了土壤質(zhì)量和作物生產(chǎn)，本研究對(duì)復(fù)配土壤的粉黏粒含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表5)。結(jié)果表明:隨著泥質(zhì)頁(yè)巖含量的增加，土壤粉黏粒含量逐漸降低。泥質(zhì)頁(yè)巖含量為15%時(shí)，土壤中的粉黏粒含量最低，這主要是由于泥質(zhì)頁(yè)巖的顆粒組成較粗。3種復(fù)配土壤的變異系數(shù)分別為13.67%，14%和12.90%，根據(jù)Nielson 和Bouma(1985)的分類系統(tǒng)[8]：弱變異CV≤10%，中等變異10%

表5 不同復(fù)配比例土壤粉黏粒含量的統(tǒng)計(jì)特征

3.2 壩地分層淤積對(duì)土壤孔隙的影響

土壤的當(dāng)量孔徑可以反映土壤中孔隙大小的分布，若土壤含水率θ1對(duì)應(yīng)的當(dāng)量孔徑為d1，含水率θ2對(duì)應(yīng)的當(dāng)量孔徑為d2，則土壤中孔徑在d2與d1之間的孔隙所占的體積與孔隙總體積之比為θ1-θ2(θ1>θ2)[9]。因此可根據(jù)不同處理土壤孔隙大小分布的狀況，分析不同處理土壤持水能力的變化，土壤當(dāng)量孔徑通過式(1)計(jì)算。本試驗(yàn)中土壤水吸力對(duì)應(yīng)當(dāng)量孔徑分別為0.3、0.03、0.015、0.0075、0.005、0.00375、0.003、0.0015、0.00075、0.0005、0.000375和0.0003 mm。將當(dāng)量孔徑按試驗(yàn)土壤水吸力設(shè)定值分為低吸力段、中吸力段和高吸力段，對(duì)應(yīng)當(dāng)量孔徑為0.03～0.3 mm，0.00375～0.03 mm和0.0003～0.00375 mm。由表6可以看出，在高吸力段(0.03～0.3 mm)，復(fù)配土壤A1所占總孔隙的比例均小于10%，明顯小于復(fù)配土壤A2、A3，說明復(fù)配土壤A1中的大空隙較少，復(fù)配土壤A2、A3大孔隙較多；在中低吸力層(0.00375～0.03 mm和0.0003～0.00375 mm)，復(fù)配土壤A1所占總孔隙的比例明顯大于復(fù)配土壤A2和A3，說明土壤的當(dāng)量孔徑越大，土壤持水能力越弱，反之，土壤的當(dāng)量孔徑越小，土壤持水能力越大。復(fù)配土壤中泥質(zhì)頁(yè)巖含量越多，土壤的孔隙度會(huì)越大，透氣性會(huì)增加，而持水能力下降。

表6 不同深度當(dāng)量孔徑分布比例

3.3 壩地分層淤積對(duì)土壤持水能力的影響

比水容量(C)是評(píng)價(jià)各吸力條件下土壤供水能力的重要指標(biāo)[10]。對(duì)Gardner模型(式2)求一階導(dǎo)得到不同土層的比水容量表達(dá)式見表7。一般認(rèn)為土壤水吸力為1bar時(shí)的比水容量值可以很好地表征土壤供水能力[11]。當(dāng)土壤吸力為1 bar時(shí)，三種復(fù)配土壤的比水容表現(xiàn)為：A1>A2>A3(表7)。隨著土壤中泥質(zhì)頁(yè)巖含量的增加，土壤供水能力逐漸減小。一般認(rèn)為0.3 bar和15 bar土壤水吸力下對(duì)應(yīng)的土壤水分為土壤的田間持水量(FC)和凋萎系數(shù)(WP)，兩者差值為土壤有效含水量(TAW)。土壤田間持水量(FC)：A1>A2>A3；凋萎系數(shù)(WP)：A1>A2=A3；土壤有效含水量(TAW)：A1>A2>A3；不同復(fù)配比例土壤田間持水量(FC)、凋萎系數(shù)(WP)、土壤有效含水量(TAW)均具有明顯差異，隨著土壤中泥質(zhì)頁(yè)巖含量增加，土壤的有效含水量逐漸減小。

表7 各土層比水容表達(dá)式與持水能力

4 結(jié)論

通過對(duì)泥質(zhì)頁(yè)巖和黃土復(fù)配野外試驗(yàn)研究，測(cè)定土壤顆粒級(jí)配組成和土壤水分特征曲線，分析了泥質(zhì)頁(yè)巖含量對(duì)復(fù)配土壤物理特征的影響，并得出以下結(jié)論。

(1)復(fù)配土壤中泥質(zhì)頁(yè)巖含量越高，土壤中的粉黏粒含量越低。3種復(fù)配土壤的變異系數(shù)分別為13.67%，14%和12.90%，均屬于中等變異；三個(gè)復(fù)配比例土壤粉黏粒含量均服從正態(tài)分布。

(2)復(fù)配土壤中泥質(zhì)頁(yè)巖含量越多，土壤的孔隙度會(huì)越大，透氣性會(huì)增加，而持水能力下降。在高吸力段(0.03～0.3 mm)，復(fù)配土壤A1所占總孔隙的比例均小于10%，明顯小于復(fù)配土壤A2、A3；在中低吸力層(0.00375～0.03 mm和0.0003～0.00375 mm)，復(fù)配土壤A1所占總孔隙的比例明顯大于復(fù)配土壤A2和A3。

(3)隨著土壤中泥質(zhì)頁(yè)巖含量的增加，土壤供水能力逐漸減小。三種復(fù)配土壤的比水容表現(xiàn)為：A1>A2>A3；不同復(fù)配比例土壤田間持水量(FC)、凋萎系數(shù)(WP)、土壤有效含水量(TAW)均具有明顯差異，隨著土壤中泥質(zhì)頁(yè)巖含量增加，土壤的有效含水量逐漸減小。