三種土壤改良劑對風沙土抗剪強度的影響*

喜銀巧 趙 英 李生宇

（1 中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011）

（2 中國科學院大學，北京 100049）

我國是世界上土地沙化最嚴重的國家之一［1］。第五次全國荒漠化和沙化監(jiān)測結(jié)果［2］顯示，截至2014年，我國沙化土地面積占國土總面積的17.93%。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)推進及“一帶一路”倡議的實施，沙漠化成為中國特別是西北地區(qū)亟待解決的核心生態(tài)環(huán)境問題之一［3］。生物固沙措施是當前最有效的沙漠化防治措施，但風沙土顆粒細?。?］，結(jié)構(gòu)松散，保水保肥能力差［5-6］，植物根系著生的沙土極易風蝕［7］。添加土壤改良劑，可固定風沙土［8］，更有利于植物生長，將會極大提高生物固沙作用。已有研究表明，在風沙土中添加土壤改良劑能夠降低容重及pH，而孔隙度、團聚體數(shù)量、飽和含水量及持水能力均增加，也能提高有機質(zhì)及養(yǎng)分含量，增加微生物數(shù)量及土壤酶活性等［9-11］。關于風沙土改良的研究目前多集中于土壤理化及生物性質(zhì)方面，而關于添加土壤改良劑改變土壤力學性質(zhì)，以固定流沙，進而促進植物生長繁殖的研究，尚鮮有報道。

外力作用可導致土體發(fā)生剪切形變，而土體抵抗剪切形變的極限值即為土壤抗剪強度［12］。在土木工程領域，廣泛使用固沙材料來提高沙土強度［13-18］。李馳和于浩［13］在風沙土中添加固化劑，發(fā)現(xiàn)在最優(yōu)含水率條件下8%摻量固化劑能顯著提高風沙土的抗壓強度和抗剪強度，提高了風沙土的穩(wěn)定性。Guo等［14］使用水泥基材料穩(wěn)定風沙土，沙土抗剪強度隨水泥填量增大而提高。Liu和Su［16］研究表明10%固化劑對土壤強度增加效果最好?？辜魪姸确从沉送馏w抵抗外力剪切的能力，抗剪強度越小的土體在外界因素影響下越容易被破壞，因此提高土壤抗剪強度對減少風蝕和穩(wěn)固表土具有重要作用。Yi和Zhao［19］在沙土中添加改良劑，使沙土擁有了土壤的生態(tài)-力學屬性，稱為“沙子土壤化”，相關報道引起社會廣泛關注和熱議。但該研究缺乏常規(guī)的力學指標的支撐，與傳統(tǒng)土壤學知識體系沒有很好銜接?；诖?，本文以新疆沙漠邊緣的風沙土作為研究對象，進行了添加土壤改良劑的盆栽棉花實驗，通過直接剪切試驗，分析土壤內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的變化，探討土壤改良劑類型、添加量及土壤含水量對風沙土抗剪強度指標的影響，以期為沙區(qū)流沙固定和退化生態(tài)恢復提供理論依據(jù)和技術途徑。

1 材料與方法

1.1 供試材料

實驗用風沙土取自庫木塔格沙漠邊緣（90°24′77″E，42°85′52″N）。用四分法隨機采集0～40 cm的風沙土，去除雜質(zhì)，放陰涼處自然風干，用于盆栽實驗；用體積為100 cm3的環(huán)刀采取原狀土，3次重復，用于測定風沙土的初始容重。磷石膏、秸稈生物炭、羧甲基纖維素鈉分別從長沙兆宇建材公司、泰然有機肥有限公司、天津潤圣纖維素科技有限公司獲得。

用雷磁pH計測定沙土pH，用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定有機質(zhì)，用K1100全自動凱氏定氮儀測定全氮含量，用環(huán)刀烘干稱重法測容重，用Bettersizea激光粒度儀（濕法）測定土壤機械組成。供試土樣及改良劑基本性質(zhì)見表1。供試棉花品種為新陸早50號，為新疆常見經(jīng)濟作物。

表1 試樣的基本性質(zhì)Table 1 Properties of the tested soil and soil amendments

1.2 試驗設計

2017年5月至10月在新疆烏魯木齊市進行實驗。烏魯木齊屬中溫帶大陸性干旱氣候，夏季晝長夜短，晝夜溫差大，年均氣溫9.2 ℃，月均最高溫26 ℃，最低溫-14 ℃。

試驗設置兩個含水量處理（表2）：高水處理（含水量20%），低水處理（含水量10%）；三個土壤改良劑用量：羧甲基纖維素鈉（0.5、2.0、3.5 g·kg-1），磷石膏（5、15、25 g·kg-1），生物炭（15、30、45 g·kg-1）；并設置1組無改良劑添加的對照，共計20個處理，每個處理3個重復。

塑料花盆高35 cm，上口徑30 cm，下口徑28 cm，每盆裝干土17.5 kg。盆底鋪細紗布，將稱好的土壤改良劑與風沙土充分混合，裝入盆中。2017年5月6日播種棉花，每盆播種10顆，兩到三片真葉后，每盆定苗3顆，管理方式與大田管理一致。10月待實驗結(jié)束后，揀出盆中的棉花根系（剔除棉花根系對沙土抗剪強度的影響），將盆中的風沙土混合均勻，隨機取足量風沙土，風干后過孔徑為2 mm篩，用于直剪試驗。

1.3 測定方法

直剪試驗：用EDJ-1型二速電動等應變直剪儀（南京土壤儀器廠生產(chǎn)）進行快剪試驗，土樣試件的制備和直剪試驗嚴格按照土工試驗方法標準［20］（GB/T 50123-1999）進行。根據(jù)剪切環(huán)刀容積和由環(huán)刀法測定的干密度換算得出各處理應稱取的土樣質(zhì)量。各試驗處理均設置20%和10%兩個含水量水平，根據(jù)風干土含水率、設計的含水量和供試土樣質(zhì)量計算出相應添加水量，含水量調(diào)控采用噴壺均勻噴灑的方式，將試樣充分攪拌后放置24 h以保證其均勻性。然后將試樣放入剪切盒內(nèi)，用千斤頂靜壓制樣，分別采用100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa四種垂直壓力進行剪切，剪切速率為0.8 mm·min-1，直到試樣剪切破壞。通常在3～5 min內(nèi)完成測試，記錄峰值讀數(shù)，剪應力（τ）根據(jù)式（1）計算：

表2 試驗處理Table 2 Treatment of the experiment

式中，C為測力計率定系數(shù)（0.01 mm），R為測量表峰值讀數(shù)（0.01 mm），A0為剪切盒橫截面積（cm2），10為單位換算系數(shù)。

以垂直壓力σ（kPa）為橫坐標，剪應力τ（kPa）為縱坐標，繪制土壤抗剪強度包線，依據(jù)庫侖式（2）計算抗剪強度:

式中，C（kPa）為內(nèi)聚力，為抗剪強度包線的截距，包線的傾角為內(nèi)摩擦角φ（°）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理和計算使用Excel，用SPSS statistics 19.0進行統(tǒng)計分析，采用Origin Pro 2016進行線性擬合及作圖，用單因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan法多重比較來檢驗實驗處理之間的差異顯著性（P ＞0.05），用Pearson法進行各變量間的相關分析，用多因素方差分析法表征土壤改良劑種類、添加量和含水量及其交互作用對風沙土內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的影響。

2 結(jié) 果

2.1 不同處理的風沙土內(nèi)聚力變化

不同處理風沙土的內(nèi)聚力變化及差異性檢驗結(jié)果見圖1。在低水條件下，不同處理風沙土的內(nèi)聚力處于12.15 kPa～24.47 kPa之間，在高水條件下，介于10.43 kPa～21.93 kPa之間。

無論含水量高低，三種改良劑處理風沙土的內(nèi)聚力均顯著大于對照，增長率為羧甲基纖維素鈉大于磷石膏大于生物炭，羧甲基纖維素鈉的改良效果最好，在低水處理下內(nèi)聚力可達到24.47 kPa。改良劑處理間大多數(shù)差異不顯著（P ＞0.05）。

內(nèi)聚力隨土壤改良劑添加量增加而增大，但三個梯度之間顯著性水平不盡相同。在低水條件下，與對照相比，羧甲基纖維素鈉處理的風沙土內(nèi)聚力增加156.15%～246.18%，三個梯度間僅AD2與AD3差異不顯著（P ＞0.05）。磷石膏處理使內(nèi)聚力發(fā)生顯著變化，增幅達81.06%～229.26%；生物炭處理的內(nèi)聚力增幅最小，增大了71.91%～145.87%。在高水條件下，與對照相比，羧甲基纖維素鈉處理的內(nèi)聚力增大了126.3%～231.77%，但僅高、低添加量處理差異達顯著水平（P ＜0.05）；磷石膏處理的內(nèi)聚力增加了75.52%～209.94%，僅高含量處理顯著增加；而生物炭處理內(nèi)聚力的增幅為57.79%～124.82%，各添加量處理間差異均未達到顯著水平（P ＞0.05）。

在同一添加量情況下，低水處理的內(nèi)聚力均大于高水處理，但均未達顯著水平（P＞0.05）。與高水處理相比，隨添加量增加，羧甲基纖維素鈉低水處理風沙土的內(nèi)聚力增加了21.02%、24.69%、11.57%，磷石膏低水處理風沙土內(nèi)聚力分別增加了10.3%、19.05%、13.59%，生物炭低水處理風沙土內(nèi)聚力分別增加了16.49%、9.48%、16.93%。

圖1 不同處理下風沙土內(nèi)聚力的變化Fig. 1 Change in soil cohesion of the aeolian soil as affected by treatment

2.2 不同處理風沙土內(nèi)摩擦角的變化

不同處理下風沙土內(nèi)摩擦角的變化及差異性檢驗結(jié)果見圖2。低水條件下，各改良劑處理的內(nèi)摩擦角變化范圍為17.22 °～31.02 °，高水條件下變化范圍為19.79 °～25.86 °。

同一含水量條件下，三種土壤改良劑處理對沙土內(nèi)摩擦角的影響較為復雜。在低水處理下，隨羧甲基纖維素鈉和生物炭添加量的增大，風沙土內(nèi)摩擦角先減小后增加，但與對照相比，AD3處理和各生物炭處理差異未達顯著水平（P ＞0.05）；隨磷石膏添加量增大，內(nèi)摩擦角先增加后減小，且各處理與對照相比差異均顯著（P＜0.05）。在高水處理下，隨羧甲基纖維素鈉和磷石膏添加量增大，風沙土內(nèi)摩擦角變化同低水處理，但與對照相比差異不顯著（P ＞0.05）；生物炭處理組的內(nèi)摩擦角變化則與低水條件下相反，且與對照相比差異均未達到顯著水平（P ＞0.05）。

在同一改良劑添加量時，低水處理的內(nèi)摩擦角總體上大于高水處理，但變化幅度較小，大多數(shù)含水量處理間差異不顯著（P ＞0.05），僅AD2與AG2、BD1與BG1處理之間差異顯著?？傮w而言土壤改良劑及含水量對內(nèi)摩擦角的影響較小。

圖2 不同處理下風沙土內(nèi)摩擦角的變化Fig. 2 Change in internal friction angle under in the aeolian soil as affected by treatment

2.3 不同處理的抗剪強度指標統(tǒng)計特征

土壤改良劑與沙土內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角的相關分析及回歸分析結(jié)果見表3。內(nèi)聚力與三種土壤改良劑的添加量均具有極顯著的正相關關系（P＜0.01），改良劑不同程度地影響著風沙土內(nèi)聚力，且相關關系不受含水量的影響，即在低水和高水條件下，隨著土壤改良劑添加量的增加，土壤內(nèi)聚力均隨之增大，回歸擬合效果較好。而含水量對各改良處理的內(nèi)摩擦角有一定程度的影響，其中在低水條件下，內(nèi)摩擦角均與各改良劑添加量呈負相關關系，但僅磷石膏含量與內(nèi)摩擦角相關關系達到顯著水平（P＜0.05）；在高水條件下，內(nèi)摩擦角與羧甲基纖維素鈉及生物炭的添加量呈正相關關系，內(nèi)摩擦角與磷石膏添加量則呈負相關關系，但內(nèi)摩擦角與三種土壤改良劑添加量的相關性均不顯著（P ＞0.05）。

表3 土壤改良劑含量與風沙土內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角的相關分析及回歸分析Table 3 Correlation and regression analyses of amendment application rate with soil cohesion（C） and soil internal friction angle（φ） in the aeolian soil

土壤含水量、土壤改良劑種類和添加量及其交互作用對風沙土內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角影響的方差分析結(jié)果見表4。土壤改良劑種類、添加量和含水量均能極顯著地影響沙土內(nèi)聚力（P ＜0.01)，但兩兩因素間或三因素間的交互作用均對內(nèi)聚力無顯著影響（P ＞0.05)。土壤改良劑種類及改良劑種類和添加量的交互作用對內(nèi)摩擦角有極顯著影響（P ＜0.01)，含水量、含水量和改良劑種類間交互作用、含水量和改良劑添加量間交互作用及三因素間的交互作用均對內(nèi)摩擦角有顯著影響（P ＜0.05)，而改良劑添加量對內(nèi)摩擦角影響不大（P ＞0.05)。

3 討 論

3.1 內(nèi)聚力變化的原因

內(nèi)聚力由原始內(nèi)聚力和固化內(nèi)聚力組成，原始內(nèi)聚力是指水分子膜與周圍顆粒間的靜電引力及毛細管水壓力等，固化內(nèi)聚力是指土壤中化合物形成的使土體膠結(jié)黏聚的作用力［21］。一般而言，自然條件下的風沙土內(nèi)聚力很?。?2-23］（基本為零），但本實驗所用風沙土經(jīng)過植物穩(wěn)定改良，且控制含水量，使風沙土性質(zhì)發(fā)生變化，因此具有較小內(nèi)聚力（低水7.07 kPa、高水6.61 kPa）。

添加改良劑的處理內(nèi)聚力大小為羧甲基纖維素鈉＞磷石膏＞生物炭?？赡苁且驗轸燃谆w維素鈉具有高黏性，可大幅提高土壤顆粒的膠結(jié)能力，并促進顆粒的團聚，使沙土孔隙被具有黏性的CMC占據(jù)，土壤顆粒骨架更牢固，增加了沙土固化內(nèi)聚力，從而抵抗剪切和變形的能力加強，王德銀等［24］在黏土中添加纖維的研究也得到了相似的結(jié)論。磷石膏具有較大的比表面和較強靜電場［25］，能將細顆粒吸附到其周圍，同時磷石膏遇水溶解后能向土壤溶液中釋放電解質(zhì)，增加土壤溶液中陽離子的交換，從而防止土壤顆粒的分散，促使顆粒相互結(jié)合。相比而言，生物炭在提高土壤內(nèi)聚力方面能力較弱，可能是因為生物炭顆粒細小，可包裹在土壤顆粒表面，增加了改良物料與土壤顆粒間的吸附和黏聚作用，且生物炭顆粒能填充土壤空隙，使沙土更密實，但與羧甲基纖維素鈉的高黏性和磷石膏的吸附特性相似，生物炭僅能小幅提高風沙土內(nèi)聚力。本研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)聚力隨改良劑添加量增加而增大，可能是因為在添加量較低時，改良劑對土壤顆粒的影響還未發(fā)揮出來，內(nèi)聚力主要由毛細管內(nèi)聚力提供，在剪切面上占主導地位的還是沙粒；而隨著改良劑添加量的增加，改良劑填充了沙土顆粒的間隙，并緊緊包裹在沙土顆粒表面，從而提高了土壤顆粒間的膠結(jié)作用，改變了風沙土松散的結(jié)構(gòu)，使內(nèi)聚力增大。但隨著改良劑的添加量進一步增大，內(nèi)聚力是否持續(xù)增大，還需進一步研究。

表4 不同處理及其交互作用與風沙土內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的方差分析Table 4 Variance analysis of soil cohesion and internal friction angle as affected by treatments and their interaction in the aeolian soil

低水條件下風沙土內(nèi)聚力更大?？赡苁且驗殡S著土壤含水量的增加，一方面通過改良劑的溶解增加土壤顆粒間的膠結(jié)作用，另一方面由于土壤表面的水分子膜逐漸形成，由毛細管水壓力組成的內(nèi)聚力逐漸增加，在最優(yōu)含水量條件下，內(nèi)聚力達到頂峰值；但當含水量繼續(xù)增加時，過高的水分相當于對土壤中改良劑產(chǎn)生了稀釋作用，導致土壤表面的離子濃度降低，擴散層變厚，土壤顆粒間的靜電引力削弱，降低了土壤顆粒間的粘聚能力；高水處理可能會提高沙土的液化程度，使沙土更易流動。因此，在一定改良劑添加量條件下，過高的土壤水分使風沙土抵抗外力的能力降低，這與許多研究結(jié)果一致［26-28］。

3.2 內(nèi)摩擦角變化的原因

內(nèi)摩擦角是由土壤顆粒間發(fā)生相對滑動、滾動而產(chǎn)生的摩擦阻力和土體顆粒由于接觸擠壓與其他顆粒鑲嵌結(jié)合而產(chǎn)生的咬合力［29］組成的，它主要與土壤顆粒性質(zhì)、密實度、土壤團聚體穩(wěn)定性、顆粒形狀及含水率等有關［30］。

土壤改良劑對風沙土的內(nèi)摩擦角影響較小，可能是因為改良劑添加短期內(nèi)只表現(xiàn)為外在影響，只增加了沙土顆粒與改良劑的接觸，未改變沙土內(nèi)在性質(zhì)及顆粒表面接觸特征，也未改變土壤顆粒咬合被破壞時顆粒順序發(fā)生重新排列而做的功，因此對風沙土抗磨擦性能影響不大，這與林琳等［31］、金佳旭等［32］研究結(jié)果一致。

低水條件下內(nèi)摩擦角較大，可能是因為過高的土壤水分使沙土顆粒間空隙幾乎被填滿，包裹在沙土顆粒周圍的水分子膜變厚，增加了沙土間的潤滑［33］，顆粒之間的接觸點減少，使沙土顆粒更容易發(fā)生滑動；也使得相互嵌合的土壤顆粒更容易被拔出或破壞，發(fā)生移動時所爬坡的角度與距離均降低，抗摩擦能力降低，從而導致內(nèi)摩擦角減小，但減小幅度不大。

3.3 抗剪強度的變化對沙土的影響

土體抗剪切的能力越弱，土體越容易受風蝕等外力的影響，穩(wěn)定性越差［13］。添加改良物質(zhì)后，一定程度上提高了沙土的抗剪強度，則土壤抵抗外部破壞的能力增強，進而可以減少風蝕。另一方面，固化內(nèi)聚力的增加促使原本松散無黏性的沙土顆粒結(jié)合，提高了沙土對植物根系的支撐保持作用，改善了植物的立地條件，從而促進植物生長。因此沙土力學性能的優(yōu)化對植物生長會產(chǎn)生一定的促進作用，其主要是通過固定流沙和提供根系穩(wěn)固基質(zhì)等實現(xiàn)的。

生物固沙前期，植物較為脆弱，固沙效果不理想。若將土壤改良劑與生物固沙技術相結(jié)合，在種植固沙植物之前，在沙土中施入適量土壤改良劑，達到改善沙土力學性質(zhì)的目的，進而優(yōu)化植物的生長環(huán)境，為植物種植提供基礎，可提高固沙效率。同時改良措施也會一定程度地改善土壤理化性質(zhì)，促進土壤的形成發(fā)育［34］，使植物長勢得以改善。因此，添加土壤改良劑后，風沙土力學性質(zhì)得以優(yōu)化，植物生長變好，兩者相互促進、良性循環(huán)，能加速沙漠區(qū)域生態(tài)恢復，有望成為一種新的沙漠治理技術措施。同時通過添加土壤改良劑和種植植物能改善沙漠邊緣生態(tài)脆弱區(qū)域的沙土質(zhì)量，種植高抗旱經(jīng)濟作物，可促進沙漠地區(qū)沙產(chǎn)業(yè)［35］的繁榮發(fā)展，增加沙區(qū)人民經(jīng)濟收入。

4 結(jié) 論

本文采用控制試驗，測試分析了兩種含水量條件下，三種土壤改良劑（羧甲基纖維素鈉、磷石膏和生物炭）的三個添加量梯度下，風沙土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：改良劑的添加能顯著提高沙土的內(nèi)聚力，改良效果排序為羧甲基纖維素鈉＞磷石膏＞生物炭，且隨添加量的增加，內(nèi)聚力逐漸增大，其中AD3處理的內(nèi)聚力最大，為24.47 KPa，較CKD增幅高達246.2%，但土壤改良劑對內(nèi)摩擦角影響不明顯。過高含水量使土壤內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角值均有所下降，較低含水量更有利于提高風沙土抗剪強度。不同土壤改良劑及含水量主要是通過增大內(nèi)聚力來提高沙土抗剪強度，抗剪強度的提高可減少風蝕破壞及改善沙土松散結(jié)構(gòu)。通過研究發(fā)現(xiàn)添加改良劑確實可使沙土力學屬性發(fā)生改變，在沙漠區(qū)域可以通過添加土壤改良劑及控制含水量來穩(wěn)定沙土及促進沙漠區(qū)域生態(tài)恢復。本研究結(jié)果對沙化土地占國土面積近五分之一的中國具有重大意義。但本研究僅開展了風沙土盆栽模擬試驗，與沙漠自然條件下風沙土的抗剪性能還有一定差異，在實際應用中還需進一步確定最優(yōu)的改良劑。