王 豹，張慧穎，張曉光，夏運(yùn)生，張建生

(1． 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109)

【研究意義】云南省絕大部分優(yōu)質(zhì)耕地資源分布在僅占國土面積6%的山間盆地[1]，云南省所在的中國西南地區(qū)風(fēng)化作用強(qiáng)烈，水流分選后形成的洪積物或湖積物是山間盆地內(nèi)主要成土母質(zhì)，基于此類母質(zhì)發(fā)育的土壤質(zhì)地粘重。同時(shí)，西南區(qū)降水量大，山間盆地地勢(shì)低，農(nóng)田易漬水。土壤粘重加耕層漬水導(dǎo)致山間盆地內(nèi)一些田塊僅能滿足一年一熟單季稻種植，耕地利用率低疊加產(chǎn)量低，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)效益。漬水農(nóng)田在西南區(qū)和全國范圍內(nèi)均有分布[2]?！笆濉币詠恚卟?、花卉、中藥等非糧經(jīng)濟(jì)作物在云南省的面積和產(chǎn)量明顯增長[3]，直接助力農(nóng)民增收，并且還提供了農(nóng)產(chǎn)品營銷運(yùn)輸、農(nóng)資銷售等就業(yè)機(jī)會(huì)[4]。當(dāng)前中國城市化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)，居民消費(fèi)水平不斷提升，蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品需求旺盛，西南區(qū)城鎮(zhèn)周邊山間盆地稻田需要改變種植模式。農(nóng)田耕層土壤粘重導(dǎo)致了滲透慢、耕性差的問題，如通過科學(xué)手段進(jìn)行徹底解決，可以顯著提高種植業(yè)效益，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收，此研究方向具有迫切的現(xiàn)實(shí)和理論意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來相關(guān)研究主要集中在以下3個(gè)方面：農(nóng)田漬水及土體滲透影響因素。從全國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐來看，數(shù)量較多的農(nóng)田在雨季面臨著時(shí)間跨度不一的漬水問題，對(duì)農(nóng)作物生長帶來負(fù)面影響。目前主要研究了漬水脅迫下植物形態(tài)變化和生長受阻情況[3]，分析了植物受漬害的植物生理生化機(jī)理[4]，篩選了耐漬品種[5]。除了植物適應(yīng)漬水迫害，研究者也探討了土壤滲透的影響因素，大多關(guān)注林地[6]等植被類型[7]和不同種植模式[8]下土壤水分入滲影響因素。在典型巖溶坡地的研究表明滲透系數(shù)主要影響因素是非毛管孔隙度和小于0.002 mm粘粒含量[9]，也有研究發(fā)現(xiàn)離子反應(yīng)造成了滲透系數(shù)增大[10]。土體抗剪強(qiáng)度?？辜魪?qiáng)度表征了土體在外力作用下產(chǎn)生剪切變形的難易程度[11]，是一項(xiàng)重要的土力學(xué)指標(biāo)。在工程領(lǐng)域使用較多，如用來評(píng)價(jià)路基穩(wěn)定性[12]等。這一指標(biāo)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科研上較多地用于評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性[13]和土層抗侵蝕性[14]。研究發(fā)現(xiàn)紫色頁巖地區(qū)小于2 mm的土壤顆粒含量是提高土壤抗剪強(qiáng)度的主要因素[15]。在自然因素之外，離子以及酸堿污染可以顯著改變土壤中礦物的含量、顆粒的大小及形狀，從而明顯降低土體的抗剪強(qiáng)度[16-17]。土體滲透與抗剪強(qiáng)度改良。近年來國內(nèi)土壤改良研究主要集中在改善理化性狀、保肥保水及鹽堿化治理等傳統(tǒng)領(lǐng)域。面對(duì)農(nóng)田澇漬問題，多采用田間工程進(jìn)行調(diào)控，如采用暗管排水技術(shù)，建設(shè)適應(yīng)澇漬防治的新型農(nóng)田結(jié)構(gòu)[18]。還有使用改良劑增加蘇打堿土表層土壤滲透系數(shù)[19]，但直接調(diào)節(jié)農(nóng)田土體滲透性的研究少之又少。 抗剪強(qiáng)度研究多集中在工程領(lǐng)域，針對(duì)這一指標(biāo)進(jìn)行土體改良，研究成果應(yīng)用于連續(xù)墻、擋土墻、路基加固等工程[20]。研究者發(fā)現(xiàn)使用固化劑可以提高塿土和黃棕壤的抗剪強(qiáng)度[21]。也有一些減小土體抗剪強(qiáng)度的研究，如粉土使用表面活性劑改性后其內(nèi)摩擦角減小[22]。目前研究主要從排水和適應(yīng)漬水的角度出發(fā)，探討如何減少漬水對(duì)農(nóng)作物的危害，面向農(nóng)業(yè)直接改良土壤滲透系數(shù)和抗剪強(qiáng)度的研究實(shí)例較少，已有少量研究所采取的材料和方法難以大面積推廣應(yīng)用。如何經(jīng)濟(jì)有效地解決粘土漬水難耕問題，真正滿足經(jīng)濟(jì)作物用地需求？目前研究依然存在一定缺憾?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】粘摻砂改土技術(shù)在低產(chǎn)值的大田作物種植中應(yīng)用不多，對(duì)高產(chǎn)值的經(jīng)濟(jì)作物不失為良好的技術(shù)選項(xiàng)，但目前量化研究較少。本次以粘土摻砂作為研究切入點(diǎn)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】探索粘土滲透性和抗剪性變化規(guī)律，判定河砂最佳用量，有效指導(dǎo)粘土改良實(shí)踐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省尋甸縣位于云南省東北部，地處東經(jīng)102°41′～103°33′，北緯25°20′～26°01′。尋甸縣地形復(fù)雜，有高山、丘陵、坡地、盆地、河谷等多種地貌，全縣水資源十分充沛，總量約21億m3。尋甸縣屬北亞熱帶低緯高原季風(fēng)氣候，冬春兩季干旱，夏秋多雨，涼爽潮濕。年平均氣溫14.5 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)2079.3 h，年無霜期229 d。

試驗(yàn)田塊選定在尋甸縣城東南方向山間盆地內(nèi)，位于牛欄江左岸，海拔1862～1865 m。研究區(qū)內(nèi)主要以農(nóng)作物覆蓋。區(qū)內(nèi)地勢(shì)平緩，平均坡度2°；地塊集中、完整連片，水文地質(zhì)條件單一，地下水受地表水和大氣降水補(bǔ)給，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最大的障礙是澇漬災(zāi)害。

1.2 樣品采集制備

原位環(huán)刀樣：選擇典型農(nóng)田，用挖土工具修整出光滑的剖面，深度20 cm，在剖面上用鐵錘將土壤滲透儀的內(nèi)置環(huán)刀全部擊打進(jìn)入土體，挖出環(huán)刀，用剖面刀分多次細(xì)心切除多余土體，整修成圓柱體，加上下蓋，用干凈塑料袋包好。原位環(huán)刀樣將直接用于滲透系數(shù)和抗剪強(qiáng)度測(cè)試。

耕層土風(fēng)干樣：取完環(huán)刀樣品后，再次整修剖面，用取土工具采集0～20 cm耕作層土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室，掰碎后風(fēng)干，磨細(xì)過2 mm篩備用。

重塑樣品：土壤改良處理需制備重塑樣品，按照設(shè)定的改土質(zhì)地和容重，計(jì)算土壤滲透儀內(nèi)置環(huán)刀體積下風(fēng)干土和凈砂稱樣質(zhì)量，用感度0.01 g天平稱取后充分混勻，通過擊實(shí)的方法恰好裝入內(nèi)置環(huán)刀。

1.3 土壤改良處理

原狀土含砂粒20.94%、粉粒30.83%、粘粒48.23%，按美國農(nóng)部制標(biāo)準(zhǔn)劃分為粘土。為滿足種植方式轉(zhuǎn)變所需，粘土最優(yōu)的改良方向應(yīng)該是通過摻砂和粉類物質(zhì)改良為壤土類，考慮到生產(chǎn)實(shí)踐中難以大量獲取廉價(jià)無污染的粉類材料，故采用干凈河砂作為添加物。為了擴(kuò)大改良范圍，增加對(duì)比項(xiàng)，摻砂量最大設(shè)置至砂壤。原狀土在逐漸增大摻砂量的過程中，土壤質(zhì)地漸進(jìn)發(fā)生改變，為此選定了粘土→粘壤→砂粘壤→砂粘壤→砂壤這一改土路徑，為了增強(qiáng)每個(gè)改土處理的代表性，各處理粘、粉、砂三相的質(zhì)量百分比均避開美國農(nóng)部制標(biāo)準(zhǔn)中不同質(zhì)地之間的臨界值，最終形成4種質(zhì)地的改良土壤，如表1所示。

表1 研究區(qū)耕層土質(zhì)地改良方案

在自然壘結(jié)條件下，不同類型土壤容重規(guī)律是有機(jī)土<壤土<粘土<砂土[23]，但即便是砂土容重也很難超過1.7 g/cm3。原土摻砂后土壤容重適當(dāng)增加，摻砂量越多的處理容重水平設(shè)置越多。容重值分別設(shè)定為1.4、1.5、1.6和1.7 g/cm34個(gè)水平，與質(zhì)地水平交叉后形成以下11個(gè)處理。處理1：原狀土CK_1.35 g/cm3，處理2：粘壤CL40_1.4g/cm3，外理3～外理4：砂粘壤SCL50_1.4、1.5 g/cm3，處理5～處理7：砂粘壤SCL60_1.4、1.5、1.6 g/cm3，處理8～處理11：砂壤SL70_1.4、1.5、1.6、1.7 g/cm3。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 基本理化性狀 測(cè)試pH、原狀土比重和容重、風(fēng)干土含水量等基礎(chǔ)理化性狀，為保證測(cè)試精度和準(zhǔn)確度，每個(gè)指標(biāo)測(cè)試3次，剔除異常值。

pH:耕層土風(fēng)干樣1∶2.5水土比充分?jǐn)嚢?，平?0 min，用pH計(jì)測(cè)定；原狀土比重∶使用耕層土風(fēng)干樣，裝入試管，加水煮沸測(cè)定；原狀土容重∶環(huán)刀體積已知，將原位環(huán)刀樣品采用烘干法稱量干重。

風(fēng)干土含水量:105 ℃通風(fēng)烘干6 h以上至恒重，置于干燥器冷卻后稱重。

1.4.2 機(jī)械組成 土壤礦物質(zhì)顆粒是土壤固相的主要組成部分，其不同粒級(jí)的不同配比是土壤質(zhì)地存在差別的原因。測(cè)試方法采用中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1121.3—2006。試樣經(jīng)處理制成懸浮液，土粒沉降速度與粒徑間關(guān)系遵從斯托克斯定律，用特制的甲種土壤比重計(jì)于不同時(shí)間測(cè)定懸液密度的變化，并根據(jù)沉降時(shí)間、沉降深度及比重計(jì)讀數(shù)計(jì)算出土粒粒徑大小及其含量百分?jǐn)?shù)，具體計(jì)算公式如下：

0.2～2 mm粗砂含量(%)=

小于某粒徑顆粒含量(%)=

0.2 mm粒徑以下土粒直徑與沉降時(shí)間關(guān)系，符合斯托克斯公式：

式中：D——土粒直徑，單位mm；dl——土粒密度，單位g/cm3；d2——水的密度，單位g/cm3；L——土粒有效沉降深度，單位cm；T——土粒沉降時(shí)間，單位s；η——水的黏滯系數(shù)，單位g/ms；981——重力加速度，單位cm/s2。

1.4.3 滲透系數(shù) 土體具有被水透過的特征屬性稱為土的滲透性。變水頭法是針對(duì)滲透性差的粘性土采用的測(cè)試方法，意指在試驗(yàn)過程中土樣兩端水頭差隨時(shí)間變化。本研究采用變水頭滲透儀TS-55，參照水電部土工試驗(yàn)規(guī)程SD 128-012-84制備原狀試樣和重塑試樣，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)先將豎管充水至需要的高度后，測(cè)量記錄土樣兩端在初始時(shí)刻的起始水頭差。之后打開滲流開關(guān)，同時(shí)開動(dòng)秒表，經(jīng)過時(shí)間△t后，再測(cè)記土樣兩端在終了時(shí)刻的水頭差。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和達(dá)西定律，即可推算出土樣滲透系數(shù)。變水頭滲透系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：a——變水頭管的斷面積，單位cm2；A——滲透樣的斷面積，單位cm2；2.3——ln和log的變換因數(shù)；L——滲徑，即試樣高度，單位cm；t1，t2——測(cè)讀水頭的起始和終止時(shí)間，單位s；h1，h2——起始和終止水頭，單位m。

放入TS-55型滲透儀內(nèi)置環(huán)刀，安裝好滲透儀，接通管道，加水，排氣。為了保證一定的水頭高度，同時(shí)兼顧讀數(shù)便利性，起始水頭精準(zhǔn)調(diào)整為136 cm，水頭差為10 cm。所有樣品均等待滲透速率穩(wěn)定后再開始觀測(cè)，穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是連續(xù)3日觀測(cè)值間在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上差異不顯著。由于滲透速率不同，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程不同處理獲得數(shù)據(jù)量不同，但均達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，滿足測(cè)試精度，可以采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析。

1.4.4 水平抗剪強(qiáng)度 測(cè)試對(duì)象是原狀土和各改土處理土柱，測(cè)定時(shí)水分條件選定自然風(fēng)干即模擬農(nóng)田處于極端干旱狀態(tài)。在滲透試驗(yàn)結(jié)束后小心取出土柱，將土柱在覆蓋狀態(tài)下妥善保存，慢速陰干以防止土體開裂。犁底深度的抗剪強(qiáng)度是形成耕作阻力的主要來源，垂直壓強(qiáng)設(shè)定為由20 cm耕層厚土體形成，土壤容重取1.5 g/cm3，故設(shè)定在3 kPa。本研究采用南京土壤儀器廠ZJ型應(yīng)變控制式重力水平直剪儀，鋼環(huán)系數(shù)C=1.869 mm/kN，剪切速率設(shè)定在0.8 mm/min，土體截面積即土壤滲透儀內(nèi)環(huán)截面積為30 cm2，根據(jù)土柱截面積調(diào)節(jié)直剪儀杠桿上的砝碼質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 原狀土基本性狀

垂直滲透系數(shù)：在研究區(qū)選定典型田塊，用環(huán)刀采集原狀土柱，保持土體結(jié)構(gòu)不被破壞，拿回實(shí)驗(yàn)室裝入滲透儀用變水頭法測(cè)定水分垂直滲透系數(shù)是1.90×10-7cm/s。水平抗剪強(qiáng)度：依據(jù)土壤容重經(jīng)驗(yàn)值，設(shè)定20 cm深犁底層垂直壓強(qiáng)為3 kPa，使用直剪儀測(cè)定風(fēng)干原狀土柱的水平抗剪強(qiáng)度為605.6 kPa。pH值：1∶2.5水土比測(cè)定值為6.50，屬中性。按照土壤地帶性分布規(guī)律，西南地區(qū)主要土壤類型是強(qiáng)淋溶的酸性富鐵鋁土即紅壤，但在山間盆地漬水區(qū)，充足的水分條件強(qiáng)烈地影響了耕層土壤基本理化性狀，這一偏中性的pH條件滿足更多植物的生境要求，有利于農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整。比重：干土水沸法測(cè)定原狀土比重為2.83 g/cm3，不僅大于土壤密度經(jīng)驗(yàn)值2.6 g/cm3，而且大于紅壤經(jīng)驗(yàn)值2.75 g/cm3[23]。容重：烘干恒重法測(cè)定值為1.35 g/cm3，稍高于土壤容重經(jīng)驗(yàn)值1.30 g/cm3。風(fēng)干土含水量：7.03%，較高的風(fēng)干土含水量說明了土壤中粘粒物質(zhì)較多，容易從空氣中吸收并固定水分。在比重和容重分析計(jì)算中，均使用此含水量進(jìn)行了校正。質(zhì)地分析：經(jīng)沉降法測(cè)定，耕層土不同粒級(jí)組的重量百分比為粘粒48.2%、粉粒30.8%、砂粒21.0%，按照美國農(nóng)部制標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)地劃分為粘土。

2.2 垂直滲透系數(shù)升高

原狀土垂直滲透系數(shù)為1.90×10-7cm/s，即24 h內(nèi)耕地表層積水僅下降0.016 cm，可見當(dāng)?shù)剞r(nóng)田水分滲透能力極差。研究區(qū)地處山間盆地，地勢(shì)平坦，雨季田面徑流排水不暢，而水分向下層運(yùn)移速率低到幾乎停滯，由此產(chǎn)生了耕層長期漬水的不良后果。各改良處理滲透系數(shù)觀測(cè)值滿足方差分析，在顯著性水平P<0.01檢驗(yàn)條件下LSD法多重比較結(jié)果如表2所示，可以看出大部分處理間的差異顯著，可以進(jìn)而比較不同處理的均值。

河砂容重遠(yuǎn)大于田間土壤容重，將河砂摻入耕層原狀土后，在設(shè)定的改土方向中各改土處理的容重應(yīng)隨著摻砂量逐漸增加，研究中所有改土處理的最大容重設(shè)定為由1.4 g/cm3上升到1.7 g/cm3。如圖1將原土和容重增加的各改土處理相對(duì)比，可以看出粘土CL40_1.4 g/cm3，砂粘壤SCL50_1.5 g/cm3和砂粘壤SCL60_1.6 g/cm3這3個(gè)處理滲透系數(shù)稍高于原狀土CK_1.35 g/cm3，但僅有砂粘壤SCL50_1.5 g/cm3與原狀土的差異達(dá)到顯著性水平。總體而言，不同質(zhì)地各改土處理高容重條件下滲透系數(shù)改變不明顯。需要特別說明的是砂壤SL70_1.7 g/cm3這一處理容重值特別高，即使田間也很少出現(xiàn)，但其滲透系數(shù)仍然顯著高于其他任何處理，達(dá)到了6倍以上。

表2 處理間滲透系數(shù)均值比較

容重對(duì)土壤水分入滲的影響時(shí)，將處理過的塿土和風(fēng)沙土的容重設(shè)定為田間實(shí)際值[24]。但本例中改土的處理較多，無法獲知田間自然壘結(jié)狀態(tài)下的容重值，田間常見的容重值為1.4和1.5 g/cm3。不同質(zhì)地改土處理在1.4 g/cm3容重條件下，由原狀土到粘壤CL40滲透性改善不明顯，再到砂粘壤SCL50時(shí)滲透性改善達(dá)到顯著性水平，砂粘壤SCL60和砂壤SL70處理滲透性明顯改善并且滲透系數(shù)絕對(duì)值顯著變大。不同質(zhì)地改土處理在1.5 g/cm3容重條件下，砂粘壤SCL60和砂壤SL70處理滲透系數(shù)同樣顯著變大，與1.4 g/cm3容重條件下的現(xiàn)象相似?？梢钥闯?，在不同的容重條件下，砂粘壤SCL60之前的處理變化不明顯，SCL60之后的處理開始顯著變化。由表1可知，砂粘壤SCL60和砂壤SL70需要在原狀土基礎(chǔ)上摻砂97.65%和163.54%，砂粘壤SCL60已達(dá)到明顯改善耕層透水特性的目的，砂壤SL70處理從改良滲透性的角度看屬于過量摻砂。

2.3 水平抗剪強(qiáng)度降低

耕層土力學(xué)特性在生產(chǎn)活動(dòng)中廣泛應(yīng)用，如改善耕性、優(yōu)化土體結(jié)構(gòu)力穩(wěn)性、增強(qiáng)土體承載力等。耕作特性主要決定于土體的抗楔入性和抗剪切性，抗剪強(qiáng)度直接反映了在外力作用下發(fā)生剪切變形的難易程度，因此是農(nóng)田耕作阻力的主要決定因素。

垂直壓強(qiáng)3 kPa條件下風(fēng)干原狀土抗剪強(qiáng)度為605.6 kPa，說明了山間盆地粘重土壤抗剪性高、耕性差，改種經(jīng)濟(jì)作物后成為障礙因素。在同等垂直壓強(qiáng)條件下各改土處理的抗剪強(qiáng)度不同，粘壤CL40_1.4 g/cm3是原狀土摻砂最少的處理，100 g原狀土僅摻砂31.77 g，其抗剪強(qiáng)度大幅下降到原狀土的20%，其后的改土處理依然在下降，但下降幅度收窄，觀測(cè)值多處于原狀土抗剪強(qiáng)度10%以下。不管任何容重條件，所有改土處理均極顯著地降低了原狀土的抗剪強(qiáng)度，各處理測(cè)試值如圖2所示：同一質(zhì)地的改土處理即使容重增加對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度也不顯著變化；不同摻砂量各處理組之間抗剪強(qiáng)度相差明顯。

同為砂粘壤質(zhì)地的改土處理砂粘壤SCL50和砂粘壤SCL60在1.4和1.5 g/cm3常見容重條件下，其抗剪強(qiáng)度相互之間差別不大，但均與相鄰的粘壤CL40和砂壤SL70處理差異明顯。總之，同一質(zhì)地的改土處理即使容重增加對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度只是稍有增加但變化不顯著；而不同質(zhì)地改土處理間抗剪強(qiáng)度差異明顯。

3 討 論

3.1 容重和質(zhì)地對(duì)滲透系數(shù)的影響

通過觀察同一摻砂量在不同容重下各改土處理的滲透系數(shù)，比如砂粘壤SCL60在1.4、1.5、1.6 g/cm33個(gè)容重狀態(tài)下，對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)分別是496.71×10-7、115.00×10-7和3.24×10-7cm/s。再如砂壤SL70 容重由1.4 g/cm3上升到1.7 g/cm3分別對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)是1676.64×10-7、531.48×10-7、153.45×10-7和30.07×10-7cm/s?？梢园l(fā)現(xiàn)容重稍有增加，水分滲透系數(shù)就顯著降低。黃土也呈現(xiàn)出了相近的規(guī)律，容重由1.6 g/cm3上升到1.75 g/cm3過程中垂直滲透系數(shù)依次是8.16×10-6、4.16×10-6、2.38×10-6、1.31×10-6cm/s，同樣說明容重稍有增加土體的水分滲透系數(shù)就顯著降低[25]，該研究材料不同、容重變化小，滲透系數(shù)絕對(duì)變化量不如前述明顯。

進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，在粘土、砂粘壤等質(zhì)地條件下容重是影響土體滲透系數(shù)的主要因素，滲透系數(shù)隨著容重的增加而明顯降低，以至于容重較高的條件下，不同質(zhì)地改土處理間滲透系數(shù)相差不大。但是，砂壤SL70摻加了一定數(shù)量的砂粒，土體的滲透性得到了根本性的大幅度提升，無論容重如何變化，其滲透系數(shù)也是遠(yuǎn)高于不同質(zhì)地的其他處理?？梢?，粘土、砂粘壤滲透系數(shù)主要決定于容重，砂壤滲透系數(shù)主要決定于土壤質(zhì)地。在不斷摻砂的改土過程中，滲透系數(shù)首先受容重的影響，然后受質(zhì)地的影響。

3.2 質(zhì)地和容重對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

原狀土抗剪強(qiáng)度為605.6 kPa，明顯高于任何改土處理。摻砂最少的處理粘壤CL40_1.4 g/cm3土體抗剪強(qiáng)度明顯降低到原狀土20%以下，繼續(xù)摻砂下降幅度減小。可見，粘土抗剪強(qiáng)度比較容易用摻砂的方法來降低。同一質(zhì)地組包含了摻砂量相同但容重不同的幾個(gè)處理，在容重增加時(shí)土體抗剪強(qiáng)度只是隨容重的增加而稍有增加，總體上變化較小。在容重1.5 g/cm3條件下，砂粘壤SCL50、砂粘壤SCL60和砂壤SL70抗剪強(qiáng)度逐漸降低且差距始終明顯。綜合1.4和1.5 g/cm3兩種不同的容重條件，不同質(zhì)地組間測(cè)試值不會(huì)產(chǎn)生交叉，容重的變化不能消除這一差距?？傊葜貙?duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響不明顯。容重增加時(shí)抗剪強(qiáng)度變大，究其原因：一是黏聚力變大[26]，二是內(nèi)摩擦角增大[27]，但抗剪強(qiáng)度與2個(gè)因素之間并非呈現(xiàn)簡單的線性相關(guān)關(guān)系。

3.3 滲透系數(shù)和抗剪強(qiáng)度的同步變化

不斷摻砂的過程中，土體的滲透系數(shù)和抗剪強(qiáng)度同時(shí)變化，總體規(guī)律是滲透系數(shù)變大而抗剪強(qiáng)度減小，摻砂初始階段滲透系數(shù)變化小但摻砂達(dá)到一定量后明顯增大，在同一過程中抗剪強(qiáng)度馬上顯著降低隨后下降程度變小。研究發(fā)現(xiàn)，在使用一些材料改良土壤抗剪強(qiáng)度的過程中滲透系數(shù)也得到調(diào)節(jié)。隨著改性鈉羧甲基纖維素濃度增加，土體水穩(wěn)性和抗剪性增大，滲透系數(shù)同時(shí)降低[13]。高分子土固化材料使黃土密度和抗剪強(qiáng)度增大，同時(shí)使?jié)B透系數(shù)變小[28]。這些研究表明，滲透性與抗剪性存在一定的相關(guān)關(guān)系。分別以滲透系數(shù)和抗剪強(qiáng)度為測(cè)試指標(biāo)的研究均發(fā)現(xiàn)粘粒含量是2個(gè)指標(biāo)的主要影響因素[9, 15]。不斷摻砂的過程同樣是粘粒含量不斷降低的過程，因此滲透系數(shù)和抗剪強(qiáng)度在同步變化。

3.4 粘土改良必要性和材料選取

南京市江寧區(qū)粘土滲透系數(shù)接近1×10-5cm/s[10]，研究區(qū)原狀土質(zhì)地同為粘土，但滲透系數(shù)為1.90×10-7cm/s，比前者低2個(gè)數(shù)量級(jí)，說明了滲水性差得更多。研究區(qū)原狀土水分滲透性極差，而在干旱狀態(tài)下抗剪性極強(qiáng)。前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厥卟朔N植意愿強(qiáng)烈，近年種植面積快速增加，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)迫切需求改土技術(shù)，因此研究結(jié)果具有迫切性和科學(xué)性。

有研究使用粉煤灰改良砂質(zhì)土壤，可以減小土壤滲透速率，提高土層含水量，但不足之處是未考慮粉煤灰造成的重金屬污染[29]。還有研究如聚丙烯酰胺(PAM)在鹽漬土改良中的效果和適宜施用量[30]。土壤改良劑的大面積推廣使用存在困難，現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)條件、材料獲取難易程度、農(nóng)民的接受意愿均影響改土的最終方式。

從原理上講，任何土壤均可以采用調(diào)節(jié)粘、粉、砂三相比的方法改造為壤土，徹底改善滲透性和抗剪性，滿足多數(shù)作物生境條件，但理論上的土壤改良方法往往無法在農(nóng)田大面積實(shí)施。為保護(hù)環(huán)境安全，粘土改良研究選用了物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且無污染的廉價(jià)材料—河砂，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)節(jié)難以找到大量純凈無毒的理想粉粒物質(zhì)。繼續(xù)尋找理想粉粒物質(zhì)，或?qū)徤鞯厥褂煤哿］^多的工業(yè)廢棄物是研究的拓展方向。

4 結(jié) 論

(1)粘土水分滲透性低、耕性差，不能滿足農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的用地新需求。使用摻砂的方法將粘土耕層質(zhì)地改良至砂粘壤，滲透系數(shù)可以明顯變大，抗剪強(qiáng)度也同時(shí)大幅降低。

(2)粘土摻砂過程中滲透系數(shù)變大。滲透系數(shù)在粘土摻砂初期下降幅度小而達(dá)到一定量后增幅明顯，粘土摻砂量少時(shí)滲透系數(shù)受容重影響較大。

(3)粘土摻砂過程中抗剪強(qiáng)度減小?？辜魪?qiáng)度初期下降幅度巨大，抗剪強(qiáng)度主要受質(zhì)地影響，容重對(duì)其影響較小。

研究結(jié)果為土壤改良提供理論和實(shí)踐參考，粉粒在改土過程中的作用應(yīng)成為今后的研究方向。