砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配后的粒度組成變化

張露,韓霽昌,王歡元,馬增輝

(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán),國(guó)土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710075,西安)

毛烏素沙地是一個(gè)典型的向斜式沉積式沙漠帶,是世界眾多沙漠化土地的縮影,位于內(nèi)蒙古的伊克昭盟、陜西榆林地區(qū)與寧夏東南鹽池地區(qū)的三角地帶,土壤貧瘠,水分缺乏,生態(tài)環(huán)境十分脆弱,是我國(guó)北方沙漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一,早在1934年程伯群在《科學(xué)》雜志上發(fā)表“中國(guó)沙漠之?dāng)U張”一文[1],談的就是毛烏素沙地南緣沙漠化過(guò)程及沙漠范圍不斷擴(kuò)張的事實(shí)[2]。土地沙化的問(wèn)題早就引起了人們的重視,用傳統(tǒng)的沙地飛播造林[3]、封沙育林育草[4]、生態(tài)水利修復(fù)[5-6]等水土保持措施成本巨大。對(duì)風(fēng)沙土而言,最欠缺的是黏粒,其質(zhì)地均一,結(jié)構(gòu)松散,難以形成穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu),漏水漏肥,易風(fēng)蝕水蝕,造成土壤貧瘠化,因而其改良措施常需要添加黏?；蛟黾佑袡C(jī)物質(zhì),其中黏粒作為“根系誘導(dǎo)劑”對(duì)改良風(fēng)沙土的作用是國(guó)內(nèi)外很早就給予關(guān)注的[7-8];但同時(shí)毛烏素沙地也是我國(guó)太陽(yáng)能最為豐富的地區(qū)之一,是我國(guó)馬鈴薯(Solanum tuberosum)和玉米(Zea mays)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū),所以對(duì)毛烏素沙地的整治及開(kāi)發(fā)意義重大。對(duì)土壤風(fēng)蝕水蝕發(fā)生機(jī)制的認(rèn)知及其沙地治理的實(shí)踐表明,侵蝕發(fā)生與表土粒度組成特征存在緊密的相關(guān)性[9-11];所以筆者就地取材,因地制宜,以當(dāng)?shù)貜V泛分布著的砒砂巖(一種成巖程度低,易風(fēng)化,顆粒間膠結(jié)程度低,無(wú)水堅(jiān)硬如石,遇水松軟如泥的巖石互層[12])為研究對(duì)象,分析其與風(fēng)沙土按不同質(zhì)量比復(fù)配后的粒度組成變化,利用粒度指標(biāo)去揭示砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配后具有固沙效應(yīng)的可能性。目前有關(guān)砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配成土的持水性、養(yǎng)分情況、作物產(chǎn)量等研究已取得了一定進(jìn)展[13-25],但單從粒度組成特性上去分析砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配土的優(yōu)勢(shì)還未見(jiàn)報(bào)道。筆者利用毛烏素沙地砒砂巖與風(fēng)沙土在質(zhì)地結(jié)構(gòu)上“一緊一松”的特點(diǎn),分析砒砂巖與風(fēng)沙土在不同質(zhì)量比時(shí)的粒度組成特性及差異,為彌補(bǔ)風(fēng)沙土在質(zhì)地結(jié)構(gòu)上的固有缺陷、使砒砂巖應(yīng)用于毛烏素沙地的水土流失治理及發(fā)展農(nóng)業(yè)種植提供更充分的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)在陜北榆林市榆陽(yáng)區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村,地理位置處于 E 109°28′58″～109°30′10″,N 38°27′53″～ 38°28′23″,位于陜西北部,毛烏素沙漠南緣,無(wú)定河中游,海拔1 206～1 215 m。屬于典型中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),降水時(shí)空分布不勻,氣候干燥,冬長(zhǎng)夏短,四季分明,日照充足,春季多風(fēng)干旱,秋季溫涼濕潤(rùn)。年均氣溫8.1℃,≥10℃的積溫3 307.5℃,且持續(xù)時(shí)間為168 d。年平均無(wú)霜期154 d,年降水量250～440 mm,年平均降水量413.9 mm,60.9%的降水集中在7—9月,雨熱同期,年極端降水量最大695.4 mm,最小159.6 mm,日最大降水量141.7 mm。年平均日照時(shí)間2 879 h,日照比例65%,年總輻射量606.94 kJ/cm2,干燥度為1.0～2.5,風(fēng)速大于5 m/s的起沙風(fēng)每年有220～580次,沙丘高度在10 m以下[26]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2014年4月分別采集當(dāng)?shù)刈霞t色的砒砂巖與風(fēng)沙土,將所采集的砒砂巖和風(fēng)沙土自然風(fēng)干后,研磨過(guò)孔徑2 mm篩,然后將砒砂巖與風(fēng)沙土按照5種不同質(zhì)量比(mf∶ms=1∶0,1∶1,1∶2,1∶5,0∶1)充分混合后備用,其中 mf為砒砂巖質(zhì)量,ms為風(fēng)沙土質(zhì)量。

用馬爾文激光粒度分析儀Mastersizer 2000(英國(guó))對(duì)各試樣粒度組成特征進(jìn)行分析研究[27],用濕法手動(dòng)測(cè)量。粒徑分布范圍依據(jù)中國(guó)粒級(jí)制分級(jí),機(jī)械組成依據(jù)美國(guó)農(nóng)部制土壤質(zhì)地三角圖[28]。采用SigmaPlot 10.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)配后的質(zhì)地性狀

砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配土粒徑范圍分布見(jiàn)圖1。當(dāng)全為砒砂巖時(shí),粗粉粒(0.01～0.05 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,其次為細(xì)粉粒(0.002～0.005 mm)和中粉粒(0.01～0.005 mm),質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng),粗黏粒(0.001～0.002 mm)和細(xì)黏粒(＜0.001 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小,＞0.25 mm的顆粒幾乎沒(méi)有。當(dāng)全為風(fēng)沙土?xí)r,粗砂粒(0.25～1 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,其次是細(xì)砂粒(0.05～0.25 mm),粉粒(0.05～0.002 mm)非常小,僅為4.05%,黏粒(＜0.002 mm)不到1%,可以認(rèn)為風(fēng)沙土中幾乎沒(méi)有黏粒。砒砂巖與風(fēng)沙土在3 種質(zhì)量比下(mf∶ms=1∶1,1∶2,1∶5)復(fù)配土均是粗砂粒(0.25～1 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,其次為細(xì)砂粒(0.05～0.25 mm)和粗粉粒(0.01～0.05 mm)。以0.05 mm為界(美國(guó)質(zhì)土壤質(zhì)地中砂粒和粉粒的分界線),砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配土中當(dāng)顆粒粒徑＜0.05 mm時(shí),各復(fù)配質(zhì)量比的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小為1∶0＞1∶1＞1∶2 ＞1∶5 ＞0∶1,當(dāng)顆粒粒徑 ＞0.05 mm時(shí),各復(fù)配質(zhì)量比的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小為1∶0＜1∶1＜1∶2＜1∶5 ＜0∶1。 從圖1可清楚看出這是由風(fēng)沙土粒度組成中＞0.05 mm粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和砒砂巖中＜0.05 mm粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高而導(dǎo)致。

圖1 砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配土粒徑范圍分布Fig.1 Particle size distribution range of feldspathic sandstone and aeolian sandy soil compound soil

表1示出按美國(guó)農(nóng)部制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下砒砂巖與風(fēng)沙土在各質(zhì)量比時(shí)的機(jī)械組成與質(zhì)地情況?？梢钥闯?隨著砒砂巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)配土中結(jié)構(gòu)體賦存的關(guān)鍵粒級(jí)(粉粒和黏粒)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸提高,均呈線性增長(zhǎng)。粉粒關(guān)系式為y=69.04x+10.41,R2=0.963 0,黏粒關(guān)系式為y=13.37x+2.42,R2=0.887 3(其中:y為顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;x為砒砂巖質(zhì)量分?jǐn)?shù),%),且質(zhì)地類型呈現(xiàn)出砂土—砂壤—壤土—粉壤的轉(zhuǎn)變,質(zhì)地條件變好,復(fù)配土逐步呈現(xiàn)出一定的結(jié)構(gòu)性質(zhì),砒砂巖的加入,使風(fēng)沙土過(guò)粗的砂土質(zhì)地逐步得到改善,從質(zhì)地上來(lái)說(shuō)砒砂巖具有一定固沙可能性。

2.2 復(fù)配后的級(jí)配特性

圖2是砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配后的顆粒組成累計(jì)曲線與其頻率分布曲線?？梢钥闯?砒砂巖的粒度分布范圍較廣,其粒度組成頻率分布沒(méi)有明顯高聳的峰,粒度組成累計(jì)曲線沒(méi)有明顯的陡坡,屬于多分散型累計(jì)曲線,說(shuō)明砒砂巖的均質(zhì)性較差,沒(méi)有哪一個(gè)粒級(jí)占優(yōu)勢(shì)。毛烏素沙地風(fēng)沙土的粒徑主要分布在0.05～1 mm之間,顆粒整體較粗,粒度組成頻率分布曲線具有很窄峰態(tài)的分布特征,粒度組成累計(jì)曲線有明顯的陡坡,屬于單分散型累計(jì)曲線,均質(zhì)性較好,分選性強(qiáng)。砒砂巖與風(fēng)沙土 3 種不同質(zhì)量比(mf∶ms=1∶1,1∶2,1∶5)混合土樣中,其頻率分布曲線以粒徑度0.05 mm分為2部分,在顆粒粒徑＜0.05 mm的部分,隨著砒砂巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,較細(xì)粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加;在顆粒粒徑＞0.05 mm的部分,隨著砒砂巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,較粗粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。而復(fù)配土的粒度組成累積曲線均呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折趨勢(shì),屬于多分散型累計(jì)曲線,但隨著砒砂巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)配土與風(fēng)沙土的累計(jì)曲線已開(kāi)始呈現(xiàn)出一定的差別,逐步向類似于砒砂巖的多分散型累計(jì)曲線轉(zhuǎn)變,說(shuō)明在風(fēng)沙土中加入砒砂巖后,風(fēng)沙土原來(lái)均質(zhì)性的粒度組成得到改善,復(fù)配土的粒度組成開(kāi)始呈現(xiàn)出粗細(xì)混雜的狀況,粒度組成分布范圍擴(kuò)大。

表1 砒砂巖和風(fēng)沙土復(fù)配土機(jī)械組成與質(zhì)地Tab.1 Mechanical composition and texture of feldspathic sandstone and aeolian sandy soil compound soil

圖2 砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配土顆粒組成累計(jì)曲線與頻率分布曲線Fig.2 Particle accumulative curve and frequency distribution curve of feldspathic sandstone and aeolian sandy soil compound soil

選用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來(lái)評(píng)價(jià)復(fù)配土級(jí)配的好壞,Cu是限制粒徑d60與有效粒徑d10的比值(其中d60和d10分別為顆粒累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%和10%時(shí)的粒徑,其余類推),是反映土壤顆粒均勻程度的重要指標(biāo)。Cc是反映土壤粒徑級(jí)配累計(jì)曲線的斜率是否連續(xù)的指標(biāo),Cc=d30d30/(d60d10)。Cu一般＞1,愈接近1,表明土樣愈均勻,Cu＜5的土稱為勻粒土,級(jí)配不良;Cu越大,表示粒徑分布越廣,Cu＞10的土樣級(jí)配良好,但Cu過(guò)大(一般＞100,有數(shù)量級(jí)的差異),表示可能缺失中間粒徑,屬于不連續(xù)級(jí)配[29]:故需同時(shí)用Cc來(lái)評(píng)價(jià)砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配后的級(jí)配特性。

由激光粒度分析儀和圖2得出各質(zhì)量比時(shí)復(fù)配土的粒級(jí)參數(shù)(表2)可以看出:隨著砒砂巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)配土的體積粒徑和各累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的土壤粒徑均呈減小趨勢(shì),說(shuō)明隨著風(fēng)沙土中砒砂巖的加入,改善了原來(lái)風(fēng)沙土粒徑較粗的狀況,復(fù)配土的粒度組成向較細(xì)的方向轉(zhuǎn)變。從表2砒砂巖的顆粒累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為i時(shí)的粒徑di值同樣可以看出其粒徑較細(xì),主要集中在粉粒和黏粒段,砒砂巖Cu為12.07,砒砂巖Cc為1.01,經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)同時(shí)滿足Cu＞10和Cc為1～3時(shí),試樣為級(jí)配良好的土[29];所以,從粒徑級(jí)配的角度來(lái)看,砒砂巖的粒徑分布范圍廣,粒徑級(jí)配具有連續(xù)性,使其具有作為固沙劑的可能性。從表2風(fēng)沙土的di數(shù)值同樣可以看出,毛烏素沙地風(fēng)沙土的粒徑較粗,主要集中在砂粒段,風(fēng)沙土Cu為3.32,風(fēng)沙土Cc為1.21,說(shuō)明毛烏素沙地風(fēng)沙土的粒徑級(jí)配累計(jì)曲線是連續(xù)的,其土粒大小分布范圍較小,屬勻粒土,土的級(jí)配不良。這和圖2的分析一致,風(fēng)沙土沒(méi)有好的力學(xué)特性,工程性質(zhì)較差,所以毛烏素沙地風(fēng)沙土的粒徑級(jí)配雖然連續(xù);但Cu過(guò)低,粒徑分布范圍較小,小粒級(jí)的顆粒缺乏,屬于級(jí)配不良的土。計(jì)算可知,當(dāng)mf∶ms=1∶2時(shí),Cu為 76.21,Cc為 1.12,當(dāng) mf∶ms=1∶5時(shí),Cu為 54.71,Cc為2.54,Cu不僅 ＞10,而且Cc在1～3之間,能同時(shí)滿足以上 2個(gè)條件,所以當(dāng) mf∶ms為1∶2或1∶5時(shí),復(fù)配土能表現(xiàn)出良好的顆粒級(jí)配特性,這樣的土樣其粗細(xì)顆粒組成較為混雜[30]。從表2還可以看出,不同質(zhì)量比砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配后的Cu均遠(yuǎn)大于砒砂巖和風(fēng)沙土的Cc,這說(shuō)明砒砂巖的加入,改善了風(fēng)沙土顆粒粒徑均質(zhì)性的缺陷,復(fù)配土的粒度組成及顆粒級(jí)配更加趨于良性化。

表2 不同質(zhì)量比下砒砂巖與風(fēng)沙土的不均勻系數(shù)C u及曲率系數(shù)C cTab.2 Uniformity coefficient and curvature coefficient of feldspathic sandstone and sand under different mass ratios

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)砒砂巖與風(fēng)沙土在不同質(zhì)量比下復(fù)配后粒度組成情況的詳細(xì)分析,并結(jié)合不均勻系數(shù)與曲率系數(shù),可以看出:1)砒砂巖改變了風(fēng)沙土顆粒粒徑較粗的問(wèn)題,隨著砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配土中砒砂巖質(zhì)量的增加,砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少,粉粒、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,質(zhì)地類型呈現(xiàn)從砂土—砂壤—壤土—粉壤的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。2)在風(fēng)沙土中加入砒砂巖后,彌補(bǔ)了風(fēng)沙土顆粒分選性強(qiáng)的缺點(diǎn),改變了風(fēng)沙土顆粒級(jí)配不良,土質(zhì)均勻單一的特征,且這種效果以mf∶ms=1∶2或 1∶5時(shí)為好。

毛烏素沙地風(fēng)沙土的粒徑較粗,主要集中在砂粒段。本研究所得到的風(fēng)沙土平均粒徑的結(jié)果與李智佩等人的研究結(jié)果相近[31],砒砂巖富含粉粒和黏粒,有一定的持水保水效果[12]。在風(fēng)沙土中加入砒砂巖,能有效阻止各種水分通過(guò)沙層影響土地深層的快速滲透,增加復(fù)配土的持水性能,并且隨著砒砂巖質(zhì)量的增加,質(zhì)地由砂變?nèi)?不僅滿足了作物根系通氣的需要,也改善了土壤的水分條件,達(dá)到一定的保水保肥效應(yīng),加速當(dāng)?shù)刂脖坏幕謴?fù)[32],抗風(fēng)蝕水蝕能力也逐步得到改善,指示著砒砂巖作為固沙劑的可能性。所以用“覆砒砂巖蓋風(fēng)沙土”的模式來(lái)治理毛烏素沙地意義重大,不僅能達(dá)到治理沙化土地的效果,還能增加耕地。砒砂巖對(duì)風(fēng)沙土有質(zhì)地改良的效果,反之風(fēng)沙土對(duì)砒砂巖黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高易引起板結(jié)也有一定的改善效果[33]。在砒砂巖中加入風(fēng)沙土后,復(fù)配土黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,且隨復(fù)配土中風(fēng)沙土質(zhì)量的增多,黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越少,黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降對(duì)改善砒砂巖板結(jié)有一定的作用。說(shuō)明砒砂巖與風(fēng)沙土能互相彌補(bǔ)各自在成土中的缺陷,改善粒度組成。

以上的認(rèn)識(shí)僅是從粒度組成特性上來(lái)分析的,還是初步的,對(duì)砒砂巖作為一種固沙新材料更準(zhǔn)確的理解尚需更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)支持。本研究結(jié)果僅提出當(dāng) mf∶ms=1∶2或 1∶5時(shí),復(fù)配土的顆粒級(jí)配特性良好;但是在砒砂巖與風(fēng)沙土的復(fù)配質(zhì)量比在1∶2和1∶5之間時(shí),是否仍然具有良好的顆粒級(jí)配性,有待更深入的研究。