天津海泥吹填土顆粒組成的分析研究

尹建道,靳 聰,田 苗, 許 暉

天津理工大學環(huán)境科學與安全工程學院，天津 300384

海泥吹填土是海灣泥經(jīng)吹填造陸后自然疏干而形成的高粘性高鹽度沉積土[1]，近年來填海造陸的面積迅速擴大，人居生態(tài)環(huán)境建設面臨著巨大挑戰(zhàn)。盡管我國吹填造陸歷史悠久，但有關吹填土的科學研究多集中在工程力學、地基沉降、巖土承載力等領域[2-6]，而在土壤改良、環(huán)境綠化方面的研究甚少。因此，必須系統(tǒng)研究海泥吹填土的理化性質，為建立改土綠化技術體系提供理論依據(jù)。

土壤是由固體組分、水分和空氣三相物質組成的多孔介質，土壤顆粒是構成固相骨架的基本顆粒，具有相對穩(wěn)定性，是土壤的基本內在屬性之一。其數(shù)目、大小、形狀、礦物組成及其結合方式等決定著土壤的結構與質地，直接影響著土壤的理化性質、通透性能和肥力狀況。因此，土壤顆粒組成的測定分析在土壤調查研究中具有重要意義。

測定土壤顆粒組成的方法很多，包括篩分法、沉降法(比重計法及吸管法)、激光法等。目前常采用沉降法及激光法，有關這兩種測定方法的對比研究很多，所得結論表明：激光法測定的粘粒含量偏低，粉粒含量偏高，且兩種方法可以進行換算[7-11]。但由于研究對象不同[12]、激光粒度儀型號不同[13-14]、采用的顆粒分級標準不同，使得換算模型有較大差異。本文以天津海泥吹填土為研究對象，以美國農(nóng)業(yè)部分級標準為質地劃分標準，首先對前處理方法進行了探索，并采用楊金玲等人[10]的轉換模型對激光法的測定結果進行換算，最終確定了天津海泥吹填土的顆粒組成及質地類型；在此基礎上，以分形原理為理論依據(jù)，計算了天津海泥吹填土顆粒粒徑分布(particle size distribution,簡稱PSD)的質量分形維數(shù)(Dm)。本文的研究結論將對今后因地制宜的改良海泥吹填土結構、建設良好的綠地生態(tài)系統(tǒng)具有重要的參考價值。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

本試驗中樣品采自天津濱海新區(qū)圍海造陸所形成的吹填土區(qū)域，共選取了5個地區(qū)，8個采樣點。其中，中新生態(tài)城1個、東疆港區(qū)3個、南疆港區(qū)1個、臨港工業(yè)區(qū)2個、南港工業(yè)區(qū)1個，采樣點代表了天津海岸線自北向南延伸60余km的所有吹填造陸區(qū)域，各土樣編號及地理位置見表1。每個地區(qū)均用土鉆法采集0～80 cm的混合土樣，樣品采集后置于室內陰干、粉碎、過篩(2 mm)后混勻備用。

表1 采樣點地理位置及野外記錄

1.2 樣品的測定

1.2.1 前處理方法的確定 為了探索前處理方法對測定結果的影響，首先選取土壤有機質含量較高的樣品(采樣點1、4、5)用激光法進行對比試驗。對比試驗設置了兩組處理[15]，處理1稱取0.1 g土樣，然后分別用1:4 H2O2、 0.2 mol/L鹽酸、0.05 mol/L鹽酸去除土樣中的有機質、碳酸鹽和鈣離子(化學分散作用)，再用蒸餾水洗去氯化物及鹽酸，最后加入0.5 mol/L NaOH 1.5 mL攪拌均勻，靜置(不少于12 h)后超聲上機；處理2根據(jù)土壤樣品的pH值>7，加入0.5 mol/L偏磷酸鈉攪拌均勻，靜置后(不少于12 h)超聲上機。對測定結果進行比較后確定天津海泥吹填土顆粒組成測定的前處理方法。

1.2.2 樣品測定 對8個采樣點土樣經(jīng)前處理后分別用激光粒度儀法和比重計法進行測定；比重計法與激光法的前處理步驟相同，取樣量增加為50 g，相應的分散劑用量為60 mL，定容體積為250 mL。詳細測定方法見土壤物理性質測定法(南土所)[16]。

2 測定結果分析

2.1 前處理方法對測定結果的影響

土壤中的有機質、碳酸鹽、鈣離子等對土壤顆粒具有膠結作用，能使土壤中的單粒相互聚集成復粒[15]。而土壤顆粒組成測定時，土粒是指礦質土粒的單粒而言，因此，一般需要對土樣進行分散處理。在傳統(tǒng)的分散處理中，以H2O2去除有機質，稀HCl溶解并淋洗CaCO3和其他的膠結劑，用Na+代換H+。這些處理不僅手續(xù)繁雜費時，且在淋洗過程中可能淋出一部分粘粒組分，導致粘粒含量減少[16]。因此，本試驗采用LS230激光粒度儀對顆粒組成測定的前處理方法進行了對比分析(見表2)。結果表明：不同的處理方法對砂粒影響較小，對粘粒有一定影響，但兩種方法的平均狀況比較接近；通過方差分析進行差異顯著性檢驗，僅采樣點1的粘粒含量在F0.05條件下差異顯著，其他各試樣的粘粒、粉粒、砂粒之間均無顯著差異，在F0.01條件下各測定結果的平均值均無顯著差異，表明是否去除土壤有機質等膠結劑對測定結果沒有顯著影響。這是由于天津濱海地區(qū)的海泥吹填土經(jīng)海水長期浸泡，有機質和碳酸鹽含量不高、膠結作用不強所致。因此，在測定該土壤顆粒組成時可以簡化前處理程序。

表2 不同前處理方法對土壤顆粒體積百分含量(%)的影響

2.2 天津海泥吹填土顆粒組成的確定

根據(jù)上述分析結果，采用處理2的測定方法，直接根據(jù)土壤樣品的pH值,加入0.5 mol/L偏磷酸鈉，攪拌后過夜、次日超聲分散，然后分別采用激光法和比重計法對8個采樣點的顆粒組成進行測定分析。結果見表3。

表3 天津海泥吹填土的顆粒組成(%)

從表3中可以看出，激光法測定值的粘粒含量顯著低于比重計法測定的粘粒含量，粉粒反之，沙粒含量則互有高低，兩種方法測得的砂粒、粉粒和粘粒差異較大，與前人的研究結果一致[7-11]。應用楊金玲等人的轉換模型換算后縮小了兩者之間的差距，使換算結果更接近于真值。采樣點3、采樣點7和采樣點8用比重計法測出的沙粒含量較高，這與野外調查中該處均有厚度不一的砂層相佐證(見表1)。比重計法雖然測定步驟繁雜、速度慢、不適合大量樣品的測定分析，但測定結果更真實可靠。由于激光法測定速度快、精度高、方法簡單，雖然其原始數(shù)據(jù)不能直接應用，但采用合適的換算關系校正后可以作為大量樣品的測定方法。圖1為采樣點4號三個平行樣品且3次重復測定的粒度頻率分布曲線圖，表明激光粒度儀法測量精度高、重現(xiàn)性好，而且得到的是一個連續(xù)的圖譜,能測量粒徑為0.04 μm至2000 μm的117個粒級的顆粒體積含量。因此，從表達方式上來看明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的測定方法,為土壤學的研究拓展了空間。

圖1 激光法測定土壤顆粒粒徑的體積分布曲線

綜合兩種方法的測定結果可知，天津海泥吹填土中粒徑為0.05～2 mm的砂粒含量很少，僅占總質量的10%左右；粒徑為0.002～0.05 mm的粉粒含量最多，占總質量的50～60%；小于0.002 mm的粘粒含量次之，占總質量的35%左右。因此，天津的海泥吹填土總體表現(xiàn)為粉粒最多、粘粒次之、砂粒很少的規(guī)律性，而且在砂粒組中大于0.2 mm的粗顆?；緵]有，屬于不良級配土。這是海泥吹填土通透性差的主要內在原因之一。

2.3 天津海泥吹填土的質地分類

不同顆粒分級標準相對應的土壤質地分類不同，質地名稱也有差異；即使質地類型相同，它的各級粒徑及其含量也不同[15]。本文土壤顆粒分級及土壤質地分類標準均采用美國農(nóng)業(yè)部的分級標準。表4是對比重計法與激光法所得數(shù)據(jù)進行質地分類的結果。從表4可以看出：天津海泥吹填土的土壤類型以粉質粘壤土居多，個別是粘壤土和粉質粘土，這與吹填土的來源有關，它是在疏通航道時用泥漿泵把海底泥砂通過水力吹填而形成的一種特殊沉積物。據(jù)古地質研究，天津海岸帶埋深大約在4～14 m處中全新統(tǒng)時期形成的沉積物多為粘土質粉砂或粉砂質粘土，埋深在4 m以上的沉積物為上全新統(tǒng)時期形成的，該層沉積物多為灰褐色粘土質粉砂、粉砂質粘土和古土壤層等[17]。因而海泥吹填土中的粉粒和粘粒含量較高。

表4 海泥吹填土質地分類

圖2標明了各采樣點在美國制土壤質地三角坐標系中的位置，可以看出8個采樣點都集中分布在同一個區(qū)域，均位于右側中間部位(粉質粘壤土及其附近)，但不同吹填土地區(qū)的粒級含量仍有所不同，這是由于以下原因：(1)吹填土的來源不同。天津俗有“九河下梢”之稱，各河流沖積母質的粗細和組成不同，年代分異明顯，且河流沉積規(guī)律遵循“緊砂慢淤”特點，因此在不同區(qū)域和不同地層中的海底淤泥的顆粒粗細自然不同。(2)吹填施工工藝及處理階段的影響。如有的地區(qū)吹填后未達到規(guī)定標高，常采用吹砂的方法補充至標高；且海泥吹填土屬于軟地基，必須進行真空預壓，而真空預壓前不可缺少的工藝就是鋪設砂墊層，因而大大增加了砂粒的含量。采樣點7號和8號的砂粒含量較高，就證實了這一點(見表1)。

圖2 美國制土壤質地三角坐標系

2.4 土壤顆粒粒徑分布質量分形維數(shù)特征

表5 天津海泥吹填土的質量分形維數(shù)

從表5可以看出：8個采樣點的土壤PSD質量分形維數(shù)均在2.893～2.898之間，該結果與楊培玲等人測定的粘壤土分形維數(shù)(2.82～2.85)比較接近[19]。土壤PSD分形維數(shù)表示土壤顆粒占有空間的有效性，因此，單位體積內土壤細顆粒越多，級配越差，土壤PSD的分形維數(shù)就越高。天津海泥吹填土的粘、粉粒含量占絕大多數(shù)(76%～98%)，級配差，因而土壤PSD的分形維數(shù)很大，表明通氣透水性很差。通過土壤PSD質量分形維數(shù)對8個采樣點的土壤質地進行定量分析(見圖3)，可以看出土壤PSD質量分形維數(shù)與砂粒含量(0.05～2 mm)呈顯著的線性負相關，與粘、粉粒含量(<0.05 mm)呈顯著的線性正相關。

圖3 土壤顆粒分形維數(shù)與土壤質地之間的關系

綜上所述，天津海泥吹填土的質地類型大多屬于粉質粘壤土，分形維數(shù)介于2.893～2.898之間，總體偏高。土壤PSD分形維數(shù)與土壤砂粒含量呈顯著負相關，與粘、粉粒含量呈顯著正相關，分形維數(shù)可以作為判斷土壤質地差異性的輔助性指標。

3 結論

前處理方法的對比分析結果表明：對于天津海泥吹填土的顆粒組成測定分析來講，可以簡化前處理程序，兩種處理方法之間沒有顯著差異。

兩種方法測得的各粒級含量差異較大，但應用楊金玲等人的研究成果將激光法測定結果進行換算后，并與比重計法相對比，則所得結果比較接近。因此，對于大量樣品的測定分析，可以應用激光法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沉降法。綜合兩種方法的分析結果表明，天津海泥吹填土的砂粒(0.05～2 mm)含量很少，僅占總質量的10%左右；粉粒(0.002～0.05 mm)含量最多，占總質量的50～60%；粘粒(﹤0.002 mm)含量次之，占總質量的35%左右。因此，海泥吹填土屬于不良級配土。

天津海泥吹填土的質地類型大多屬于粉質粘壤土，個別是粘壤土和粉質粘土，與吹填土的來源和吹填工藝有關；土壤分形維數(shù)介于2.893～2.898之間，總體偏高。土壤PSD分形維數(shù)與砂粒含量呈顯著負相關，與粘、粉粒含量呈顯著正相關，分形維數(shù)可以作為判斷土壤質地差異性的輔助性指標。

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