水泥添加量及其養(yǎng)護時長對基材抗蝕性的影響

夏振堯，洪 煥，高 峰，邵艷艷，肖 海?，楊悅舒，李銘怡，許文年

(1.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育教育部重點實驗室(三峽大學(xué))，443002，湖北宜昌；2.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，443002，湖北宜昌)

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)也越來越多，隨之帶來的生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯。為提高土壤抗侵蝕能力，水泥作為粘結(jié)劑添加于生態(tài)護坡基材之中，并得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。然而水泥添加量及其養(yǎng)護時長對基材抗蝕性的影響尚不明確。

土壤侵蝕是土壤及其母質(zhì)受水力、重力、風(fēng)力等外力作用，在人為和自然因素影響下發(fā)生的各種破壞、分離、沉積和搬運的現(xiàn)象[4]。分離是土壤侵蝕整個過程中的初始階段，它在土壤侵蝕的整個過程中具有非常重要的作用[5]。土壤分離能力是指清水徑流在單位時間、單位面積內(nèi)，從土體上分離出的土壤量，即最大土壤分離速率[5-7]。分離能力是確定土壤可蝕性和臨界剪切力的前提條件，是描述土壤抗蝕能力的重要參數(shù)，分離能力越大，抗沖性越弱。

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，對侵蝕過程存在著重要影響[8]，團聚體穩(wěn)定性與土壤抗蝕性存在密切關(guān)系。前人研究結(jié)果表明水穩(wěn)性團聚體含量、團聚體穩(wěn)定性等指標(biāo)可以成為土壤抗蝕性的重要指標(biāo)[9-14]。水泥作為粘結(jié)材料，能夠增加生態(tài)修復(fù)基材中大粒級的團聚體含量并減少小粒級的團聚體含量[15]。而水泥添加量及其養(yǎng)護時長對團聚體穩(wěn)定性的影響仍需要進一步明確。

筆者設(shè)置不同水泥添加量和不同養(yǎng)護時長參數(shù)，分析水泥對生態(tài)修復(fù)基材分離能力與生態(tài)修復(fù)基材團聚體穩(wěn)定性的影響，并分析生態(tài)修復(fù)基材團聚體穩(wěn)定性與土壤分離能力之間的關(guān)系，為揭示水泥添加對生態(tài)修復(fù)基材抗沖性的影響提供科學(xué)依據(jù)，并為生態(tài)修復(fù)基材水土保持提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

本試驗于三峽大學(xué)地學(xué)樓前的試驗場地中開展。試驗土壤為湖北省宜昌市典型土壤類型黃棕壤。試驗前將土取回風(fēng)干后過5 mm篩，裝入編織袋中待用。水泥采用的是華新水泥(宜昌)有限公司生產(chǎn)的普通水泥(P.O 42.5)。生境基材改良劑采用三峽大學(xué)生產(chǎn)的專利產(chǎn)品(專利號：01138343.7)，有機物料采用宜昌夜明珠華鑫木材廠的鋸末，試驗用水采用地下水。

試驗用樣參照一種常用的水泥基生態(tài)修復(fù)基材—植被混凝土生態(tài)修復(fù)基材配合比進行配置：以土壤100 kg為基準(zhǔn)，設(shè)置5種(0%、2%、4%、6%和8%)水泥添加量(質(zhì)量比)，另添加6%的有機物料和4%的生境基材改良劑。將所有材料混合均勻后，電子秤稱取等量混合物裝填于自制環(huán)刀(直徑100.5 mm，高50 mm)中，逐層壓實并在層間打毛處理以避免分層，最終形成密度為1.35 g/cm3的試樣。然后將試樣放于塑料盒中進行室內(nèi)灑水養(yǎng)護，分別養(yǎng)護至0、7、15、30、45 d時，供沖刷試驗使用。

沖刷試驗在長5 m、寬0.4 m、深0.3 m的水槽內(nèi)進行，水槽升降端有一深度為0.5 m的穩(wěn)流池以確保試驗過程中徑流的穩(wěn)定流出。試驗前一天，對養(yǎng)護至設(shè)計時長試樣進行飽和處理以消除含水率的影響。將調(diào)整坡度到20°并將流量率定至25 L/min以形成穩(wěn)定的水力條件進行沖刷試驗，待樣品沖刷至2 cm處時結(jié)束試驗并記錄時間，將接樣桶靜置24 h左右，倒掉上清液，將所收集的泥沙轉(zhuǎn)移至鐵盒中置于烘箱并烘干至恒質(zhì)量，用于確定沖刷泥沙量。每組試驗重復(fù)3次。

圖1 生態(tài)修復(fù)基材分離能力隨養(yǎng)護時長(左)和水泥添加量(右)變化規(guī)律Fig.1 Variation of the detachment capacity of the ecological restoration substrate as a function of the maintenance duration (left) and the cement addition amount (right)

生態(tài)修復(fù)基材團聚體測試采用濕篩法，取100 g生態(tài)修復(fù)基材套篩放入徑級為5、2、1、0.5和0.25 mm的套篩中進行濕篩試驗。本研究對水泥添加量為6%養(yǎng)護時長為15 d的試樣進行電鏡掃描以從微觀角度分析水泥對生態(tài)修復(fù)基材的影響。

生態(tài)基材分離能力定義為在清水徑流沖刷作用下，單位時間、單位面積，水流將生態(tài)基材所含顆粒分離速率，計算公式如下：

(1)

式中：Dr為分離能力，g/(cm2·s)；Er為每個沖刷樣所收集到的泥沙樣干質(zhì)量，g；S為沖刷面積，即環(huán)刀截面積(79.327 cm2)；t為沖刷每個環(huán)刀樣所用時間，s。在相同水力條件下，數(shù)值越大，表明生態(tài)修復(fù)基材抗沖性越差。

團聚體穩(wěn)定性采用團聚體平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter，MWD，mm)和幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD, mm)表示，計算公式分別[16]如下：

(2)

(3)

式中：Xi為i粒級范圍團聚體的平均直徑，mm；Wi為i粒級范圍團聚體的質(zhì)量占總樣品干質(zhì)量的分?jǐn)?shù)，%。MWD和GMD值越大，說明土壤團聚體的穩(wěn)定性越強。

2 結(jié)果與分析

2.1 水泥添加量和養(yǎng)護時長對生態(tài)修復(fù)基材分離能力的影響

同一水泥添加量下，生態(tài)修復(fù)基材分離能力隨養(yǎng)護時長的變長呈現(xiàn)先減小后平穩(wěn)的趨勢(圖1左)，冪函數(shù)能夠很好地描述各水泥添加量下生態(tài)修復(fù)基材分離能力與養(yǎng)護時長之間的關(guān)系(R2>0.789，表1左)。水泥添加量2%與4%時和6%與8%時基材分離能力分別主要在前15 d和前7 d的養(yǎng)護時長內(nèi)呈現(xiàn)減小趨勢，之后則達到了一個穩(wěn)定狀態(tài)。

在同一養(yǎng)護時長下，生態(tài)基材分離能力隨水泥添加量增加呈現(xiàn)先快速減小后慢速減小的變化趨勢(圖1右)，冪函數(shù)能夠很好地描述各養(yǎng)護時長下生態(tài)修復(fù)基材分離能力與水泥添加量之間的關(guān)系(R2>0.861，表1右)。與無水泥添加樣相比，水泥的添加能夠大幅度地減小分離能力，2%、4%、6%和8%水泥添加量的生態(tài)修復(fù)基材分離能力平均減小75.61%、83.92%、90.12%和96.22%。

表1 生態(tài)修復(fù)基材分離能力與養(yǎng)護時長及水泥添加量關(guān)系

不同小寫字母和大寫字母分別表示生態(tài)基材團聚體MWD和GMD在相同水泥添加量下不同養(yǎng)護時長差異顯著和相同養(yǎng)護時長下不同水泥添加量差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters and capital letters refer to the MWD (mean weight diameter) and GMD (geometric mean diameter) of ecological restoration substrate aggregates show significant difference among different maintenance durations for the same cement addition amount and significant difference among different cement addition amounts for the same maintenance duration, respectively (P<0.05)圖2 不同水泥添加量生態(tài)修復(fù)基材團聚體MWD(a)和GMD(b)隨著養(yǎng)護時長的變化Fig.2 Changes of MWD (a) and GMD (b) of ecological restoration substrate aggregates with different cement addition amounts as a function of maintenance duration

2.2 團聚體MWD和GMD隨水泥添加量和養(yǎng)護時長的變化

不同水泥添加量生態(tài)修復(fù)基材在各養(yǎng)護時長內(nèi)MWD值差異顯著(圖2a)。在無水泥添加時，MWD值在養(yǎng)護時間7 d后均無顯著性差異。在各水泥添加量條件下，在養(yǎng)護時長15 d內(nèi)，MWD隨著養(yǎng)護時長變長而顯著增加，之后MWD值隨著養(yǎng)護時長的增加無顯著性差異。在同一養(yǎng)護時長下，各水泥添加量的MWD均顯著大于相應(yīng)無水泥添加的MWD，這表明水泥添加后能夠顯著提高團聚體穩(wěn)定性。水泥添加量越高，MWD值越大，水泥添加量為2%、4%和6%的MWD存在顯著性差異，6%和8%的水泥添加量在同一養(yǎng)護時長下MWD值除養(yǎng)護時長為15 d時存在顯著性差異外，其他各養(yǎng)護時間內(nèi)均無顯著性差異。這表明增加水泥添加量有利于團聚體形成，提高團聚體穩(wěn)定性。

不同養(yǎng)護時長生態(tài)修復(fù)基材在各水泥添加量下GMD值差異顯著(圖2b)。在同一養(yǎng)護時長下，水泥添加量越高，GMD值越大，但6%和8%的水泥添加量在同一養(yǎng)護時長下的GMD值除養(yǎng)護時長為15和30 d存在顯著性差異外，其他各養(yǎng)護時間內(nèi)均無顯著性差異。無水泥添加時，GMD值在養(yǎng)護時間7 d后相互之間均無顯著性差異，但均顯著大于0d的GMD。在各水泥添加量條件下，在養(yǎng)護時長15 d內(nèi)，GMD隨著養(yǎng)護時長變長而顯著增加，之后GMD值隨著養(yǎng)護時長的增加無顯著性差異，這和上述MWD變化趨勢一致。

2.3 徑流分離能力與土壤團聚體之間的關(guān)系

隨著團聚體穩(wěn)定性增加，生態(tài)修復(fù)基材分離能力先快速減小后慢速減小(圖3)。生態(tài)修復(fù)基材的分離能力與團聚體的MWD和GMD呈現(xiàn)較好的冪函數(shù)的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別達到0.946 5和0.945 3，這表明MWD和GMD均能很好描述生態(tài)修復(fù)基材分離能力的變化。

圖3 生態(tài)修復(fù)基材分離能力與團聚體MWD(左)和GMD(右)之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the detachment capacity of the ecological restoration substrate and MWD (left) and GMD (right)

3 討論

與無水泥添加的生態(tài)修復(fù)基材相比，添加水泥的生態(tài)修復(fù)基材分離能力大幅度減小，表明生態(tài)修復(fù)基材的抗沖刷能力明顯優(yōu)于無水泥添加的土壤。所添加的水泥會與水發(fā)生水化反應(yīng)，直接轉(zhuǎn)化為水合硅酸鈣、水合鋁酸鈣、氫氧化鈣晶等水化物。各水化物硬化形成水泥石骨架，改變了土體顆粒骨架的結(jié)構(gòu)，并增加黏聚力[17]，造成水泥添加能夠大幅度減小生態(tài)修復(fù)基材的分離能力。分離能力隨著水泥添加量的增加先是快速減小后慢速減小，這與生態(tài)修復(fù)基材里的水灰比有關(guān)。生態(tài)修復(fù)基材前期養(yǎng)護過程中含水率相當(dāng)，所以隨著水泥添加量的增加，水灰比變小。水灰比大，則水泥顆粒能高度分散，水與水泥的接觸面積大，因此水化速率快，水化產(chǎn)物有足夠的擴散空間，有利于水泥顆粒繼續(xù)與水泥接觸而起反應(yīng)。

圖4 生態(tài)修復(fù)基材電鏡掃描下的微型態(tài)Fig.4 Microstate of the ecological restoration substrate under electron microscope scanning

在同一養(yǎng)護時長下，生態(tài)修復(fù)基材土壤團聚體的MWD和GMD均隨著水泥添加量的增加而變大。同一水泥添加量下，在養(yǎng)護時長15 d內(nèi)，生態(tài)修復(fù)基材土壤團聚體的MWD和GMD亦均隨著養(yǎng)護時間變長而增加。這與水泥在生態(tài)修復(fù)基材的土體中形成了極多的纖維狀結(jié)晶(圖4)有關(guān)。纖維狀結(jié)晶在土壤顆粒間的空隙中通過不斷的延伸與填充，不但使顆粒間孔隙比減小，黏聚力增大，也使大量的微團聚體聚集在一起，在強化學(xué)鍵作用下形成結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)和固體致密結(jié)構(gòu)[18]，從而提高生態(tài)修復(fù)基材中大粒級團聚體的含量，增加團聚體穩(wěn)定性。此外，水泥化學(xué)和膠結(jié)作用隨著水泥添加量的增加而增強，所形成的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)和固體致密結(jié)構(gòu)加大了土體顆粒之間的摩擦面積和互相嵌合度，使團聚體之間接觸變得更加緊密，也使團粒之間的接觸面積變大，咬合更加深入[19]。因此，隨著水泥添加量的增加，黏聚力變大，大團聚體更難破碎成小團聚體，致使有更少的土壤顆粒脫離母質(zhì)而發(fā)生脫離，分離能力變小，則土壤抗沖性變強。生態(tài)修復(fù)基材的分離能力與MWD及GMD都呈現(xiàn)良好的冪函數(shù)關(guān)系，這是因為土壤分離是由大團聚體破碎成小團聚體，小團聚體在破碎成更小的團聚體和顆粒而引起的，在水流沖刷作用下，這些細小的土壤顆粒脫離母質(zhì)發(fā)生了遷移，從而引發(fā)土壤分離[20]。

4 結(jié)論

1)同一水泥添加量下，生態(tài)修復(fù)基材分離能力隨著養(yǎng)護時長的變長呈現(xiàn)先減小后平穩(wěn)的趨勢，水泥添加量2%與4%時和6%與8%時基材分離能力分別主要在前15 d和前7 d的養(yǎng)護時長內(nèi)生態(tài)修復(fù)基材分離能力較大，因此在前期可以考慮進行覆蓋等處理減少侵蝕發(fā)生。

2)同一養(yǎng)護時間下，冪函數(shù)能夠很好地描述各水泥添加量下生態(tài)修復(fù)基材分離能力與水泥添加量之間的關(guān)系，水泥添加量越高，生態(tài)基材的分離能力呈現(xiàn)先快速減小后慢速減小的變化趨勢。

3)同一水泥添加量下，生態(tài)修復(fù)基材水穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD在0～15 d內(nèi)差異顯著；同一養(yǎng)護時間下，在水泥添加量6%以內(nèi)，生態(tài)修復(fù)基材水穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD與水泥添加量差異顯著。生態(tài)修復(fù)基材的MWD及GMD和土壤分離能力都呈現(xiàn)良好的冪函數(shù)關(guān)系。