鐵礦尾砂配施有機(jī)物料對(duì)褐土壓縮及回彈特性的影響①

孫奧博，安 晶，虞 娜，葉旭紅，劉虹豆，鄒洪濤，張玉龍

鐵礦尾砂配施有機(jī)物料對(duì)褐土壓縮及回彈特性的影響①

孫奧博，安 晶，虞 娜，葉旭紅，劉虹豆，鄒洪濤*，張玉龍

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/土肥高效利用國家工程研究中心，沈陽 110866)

為探討鐵礦尾砂配施有機(jī)物料對(duì)褐土壓縮–回彈特性的影響，將混有鐵礦尾砂和有機(jī)物料的土壤以18% 含水率培養(yǎng)一晝夜，按1.25 g/cm3容重裝入土工試驗(yàn)專用環(huán)刀，采用快速固結(jié)試驗(yàn)方法，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。結(jié)果表明：隨鐵礦尾砂施用量增加，在低應(yīng)力時(shí)，土壤孔隙比減小量(?)變大；在高應(yīng)力時(shí)，土壤?變小。預(yù)固結(jié)壓力值(c)和壓縮指數(shù)(c)均隨鐵礦尾砂施用量增加而降低，c和c變化范圍分別為72.91 ～ 119.30 kPa、0.445 ～ 0.720，二者均與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.01)?；貜椫笖?shù)(s)變化范圍為0.010 9 ～ 0.016 9，與有機(jī)質(zhì)及砂粒含量均無顯著相關(guān)關(guān)系，有機(jī)物料是影響土壤s的主要因素。與對(duì)照相比，200 g/kg 鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理使s降低12.77%，c和s分別提高6.93% 和22.14%，降低壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)。

土壤壓實(shí)；土壤孔隙比；預(yù)固結(jié)壓力值；壓縮指數(shù)；回彈指數(shù)；鐵礦尾砂

鐵礦尾砂是指將鐵礦石擊碎、磨細(xì)，選取“有用組分”后排放的礦渣碎屑。作為工業(yè)廢棄物，其已經(jīng)廣泛用于制磚等建筑材料，且因其結(jié)構(gòu)松散可以改良黏質(zhì)土壤，同時(shí)含有植物生長所需微量元素，也被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。研究表明，因鐵礦尾砂含有鐵、鋅、銅、鉬等微量元素，與土壤摻混后可提高作物產(chǎn)量[2]；鐵礦尾砂機(jī)械組成以砂粒為主，能較好地改善黏重的半淋溶性褐土，增加耕層厚度，提高通氣性[3]；向紅壤中摻入20% 鐵礦尾砂可以顯著改善其質(zhì)地，提高土壤通透性，改善土壤水力學(xué)特性[4]；在受尾礦庫坍塌影響的區(qū)域內(nèi)，采用1∶3砂土比種植玉米、大豆角等4種作物，作物長勢(shì)良好，產(chǎn)量喜人，品質(zhì)安全[5]。

土壤壓實(shí)指在人為耕種、機(jī)械作業(yè)、根系穿插及動(dòng)物穿行等外力作用下，造成的土壤結(jié)構(gòu)破壞、孔隙數(shù)量減少和硬度增大的現(xiàn)象，已成為引發(fā)土壤退化、影響糧食安全的主要原因[6-7]。土壤力學(xué)特性與土壤耕作難易、耕作質(zhì)量和土壤壓實(shí)等問題密切相關(guān)。近年來，諸多學(xué)者從土壤力學(xué)角度研究了土壤抗壓特征，探究了土壤壓縮–回彈特性[8-9]。由土力學(xué)的固結(jié)試驗(yàn)可獲得土壤壓縮及回彈曲線，而通過前者求得的預(yù)固結(jié)壓力值和壓縮指數(shù)可廣泛地用于評(píng)價(jià)土壤受到外力后的承壓能力和土壤壓縮敏感性，通過后者求得的回彈指數(shù)可表達(dá)土壤受力形變后恢復(fù)能力的強(qiáng)弱[10]。

遼西褐土作為地帶性土壤，主要分布于朝陽、阜新等地區(qū)。該區(qū)中低產(chǎn)田較多，土壤瘠薄、質(zhì)地黏重、有機(jī)質(zhì)含量低，土壤抗壓能力弱，土壤易板結(jié)。針對(duì)當(dāng)前該地區(qū)土壤存在的問題，通過摻混鐵礦尾砂改良黏重的質(zhì)地，增施有機(jī)物料提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，培肥耕層，可以提高土壤抗壓能力，促進(jìn)該地區(qū)農(nóng)田土壤可持續(xù)利用[3]。迄今，鐵礦尾砂用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的研究主要集中在對(duì)土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量等方面，對(duì)土壤抗壓特性的研究較少。本研究以工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢棄物為材料，以褐土為研究對(duì)象，采用土力學(xué)固結(jié)試驗(yàn)方法，對(duì)比分析鐵礦尾砂配施有機(jī)物料土壤孔隙比()、預(yù)固結(jié)壓力值(c)、壓縮指數(shù)(c)和回彈指數(shù)(s)的變化，探討其對(duì)遼西褐土壓縮–回彈特性的影響，以期為質(zhì)地黏重、有機(jī)質(zhì)含量低、抗壓能力弱的土壤改良培肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試褐土取自遼寧省建平縣(41°42′N，119°33′E)，取樣深度為0 ～ 20 cm；鐵礦尾砂由遼寧省建平盛德日新礦業(yè)有限公司提供，其鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳和鋅含量分別為0.06、0.02、1.1、9、41、67、37、67 mg/kg，遠(yuǎn)低于GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[11]。褐土和尾砂基本理化性質(zhì)見表1。供試玉米秸稈和腐熟牛糞取自沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)研究試驗(yàn)基地，有機(jī)碳含量分別為337.50 g/kg和145.05 g/kg。

表1 供試褐土和鐵礦尾砂基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將風(fēng)干土、粉碎的玉米秸稈和腐熟牛糞過2 mm篩備用。以當(dāng)?shù)貙㈣F礦尾砂應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為依據(jù)，設(shè)鐵礦尾砂添加量200、340、480和620 g/kg土4個(gè)水平，分別記作A3、A5、A7和A9；以趙玉皓等[12]對(duì)褐土長期定位試驗(yàn)為參考，有機(jī)物料玉米秸稈和腐熟牛糞施用量分別設(shè)定為1.125×104kg/hm2和4.5×104kg/hm2，記作OM，試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理，具體為：對(duì)照處理(CK)、單施有機(jī)物料處理(OM)、單施鐵礦尾砂處理(A5)、200 g/kg 鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理(A3OM)、340 g/kg 鐵礦尾砂配有機(jī)物料處理(A5OM)、480 g/kg 鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理(A7OM)、620 g/kg 鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理(A9OM)。按2.25×106kg/hm2土壤質(zhì)量換算每公斤褐土添加有機(jī)物料和鐵礦尾砂質(zhì)量，用元素分析儀Vario ELⅢ和激光粒度儀Mastersizer 3000分別測(cè)得各處理有機(jī)質(zhì)和砂粒含量[13]，不同處理各材料添加量及其有機(jī)質(zhì)和砂粒含量如表2所示。將混合樣品平鋪于塑料盆中并噴灑去離子水，使其含水率為18%，密封置于25 ℃恒溫箱中平衡一晝夜，使水分均勻分布。按1.25 g/cm3容重裝入土工試驗(yàn)專用環(huán)刀(=6.18 cm，=2.00 cm)進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，每個(gè)處理重復(fù)3次。

表2 不同處理各材料添加量及其有機(jī)質(zhì)和砂粒含量

1.3 單軸壓縮測(cè)試

用GZQ-1型全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀參照J(rèn)TG E40— 2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[14]中的快速固結(jié)試驗(yàn)法進(jìn)行。按1、8、12.5、25、50、75、100、150、200、400、800、1 200、1 600 kPa荷載序列進(jìn)行壓縮測(cè)試；壓縮測(cè)試過程中將200 kPa作為卸荷點(diǎn)，通過卸荷再加荷的方式按200、150、100、75、50、25、12.5、25、50、75、100、150、200 kPa順序?qū)υ嚇舆M(jìn)行回彈與再壓縮測(cè)試。加載時(shí)間均為10 min，記錄各級(jí)序列下土壤形變量(h)和1 600 kPa荷載下土壤形變量(′)及穩(wěn)定10 min后土壤形變量(″)，求得各級(jí)荷載下的校正形變量()。

1.4 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算

環(huán)刀添加濕土質(zhì)量[9]：

0=(1+d(1)

式中：d為目標(biāo)容重(g/cm3)，為風(fēng)干土含水率(g/g)，為環(huán)刀體積(cm3)。

校正形變量[15]：

式中：為校正形變量(cm)；其余符號(hào)同1.3節(jié)中描述。

加載后孔隙比[8]：

將由單軸壓縮試驗(yàn)得到的校正孔隙比帶入Gompertz方程[16]：

acexp{–exp[b×(log–m)]} (4)

式中：a、b、c、m為擬合系數(shù)；為壓縮試驗(yàn)外加應(yīng)力，kPa。

壓縮指數(shù)[16]：

根據(jù)定義，預(yù)固結(jié)壓力值為壓縮曲線最大曲率處所對(duì)應(yīng)的外加應(yīng)力值，曲率計(jì)算公式如下[16]：

(6)

令上式二階導(dǎo)數(shù)為零，即可求得土壤壓縮曲線最大曲率處的，即預(yù)固結(jié)壓力值。

回彈指數(shù)(s)為回彈曲線的平均斜率，其計(jì)算公式如下[8]：

式中：1為卸荷到一定荷載1后對(duì)應(yīng)校正孔隙比；2為卸荷前荷載2對(duì)應(yīng)的校正孔隙比。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Matlab 7.0和Microsoft Excel 2019軟件整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差；采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)以及Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析；采用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮曲線

不同處理供試土壤所得孔隙比與施加應(yīng)力對(duì)數(shù)值之間的壓縮曲線如圖1所示，可見，所有曲線都呈水平翻轉(zhuǎn)的“S”型，用Gompertz方程對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，求得土壤孔隙比決定系數(shù)2變化范圍在0.9779 ～ 0.9854；最小殘差平方和(RMES)范圍在0.002 055 ～ 0.004 584，擬合優(yōu)度較好。式(4)中各擬合參數(shù)值范圍為：a=0.285 9 ～ 0.458 3；b=1.748 6 ～ 2.326 8；c=0.690 0 ～ 0.852 0；m=2.372 1 ～ 2.475 2。各參數(shù)表現(xiàn)出不同的變異性，參數(shù)a(16.19%)和b(10.53%)為中等變異；參數(shù)c(7.45%)和m(1.53%)為弱變異，各參數(shù)變異性都較低，參數(shù)m變異程度最低。土壤未受應(yīng)力時(shí)，孔隙比取最大值，即max=a+c；當(dāng)施加應(yīng)力趨于無窮時(shí)，孔隙比取最小值，即min=a。由圖1可知，在低應(yīng)力下，隨鐵礦尾砂施用量增加，土壤孔隙比減小量(?)變大，即土壤形變量(?)變大；當(dāng)應(yīng)力超過50kPa時(shí)，壓縮曲線塑性部分的平均斜率隨鐵礦尾砂施用量增加而降低；當(dāng)應(yīng)力超過150 kPa時(shí)，未添加鐵礦尾砂處理的?遠(yuǎn)大于添加鐵礦尾砂處理。因此，隨鐵礦尾砂施用量增加，在低應(yīng)力時(shí)(即土壤彈性階段)，土壤?變大；在高應(yīng)力時(shí)(即土壤塑性階段)，土壤?變小。

圖1 不同處理下褐土供試土樣壓縮曲線

2.2 回彈與再壓縮曲線孔隙比

由圖2可知，回彈–再壓縮曲線中回彈過程與再壓縮過程的孔隙比呈二次多項(xiàng)式分布，其決定系數(shù)2范圍分別在0.965 1 ～ 0.984 4和0.979 8 ～ 0.994 7。在初始回彈過程(200 ～ 150kPa)，各處理土壤孔隙比均表現(xiàn)出繼續(xù)下降趨勢(shì)，但隨著應(yīng)力降低以及回彈時(shí)間的累計(jì)增加，土壤孔隙比開始增加。這說明初次卸力后，10 min內(nèi)，土壤強(qiáng)度小于外加應(yīng)力，土壤孔隙比仍降低，可以用慣性定律來解釋；隨時(shí)間推移，外加應(yīng)力降低，土壤開始表現(xiàn)出回彈性能。當(dāng)應(yīng)力在50 ～ 12.5kPa時(shí)，各處理土壤孔隙比增幅最大?；貜椫?2.5kPa時(shí)，土壤孔隙比較初次壓縮至12.5kPa時(shí)顯著降低(<0.05)。再壓縮過程中，各處理土壤孔隙比均隨應(yīng)力重新增加而減少，在12.5 ～ 150kPa階段，土壤孔隙比均高于回彈過程，表明在歷經(jīng)壓縮–回彈過程后土壤顆粒發(fā)生重排，土壤強(qiáng)度提高，當(dāng)應(yīng)力超過一定值后這種抵抗能力消失[15]。再壓縮至200kPa時(shí)，土壤孔隙比較初次壓縮至200kPa時(shí)顯著降低(<0.05)。

(圖例中R、S分別表示回彈、再壓縮過程)

2.3 壓縮與回彈指標(biāo)

2.3.1 預(yù)固結(jié)壓力值 預(yù)固結(jié)壓力值是評(píng)價(jià)土壤承載能力的主要指標(biāo)，其數(shù)值越大，土壤承載能力越強(qiáng)；反之，其承載能力越弱[17]。如表3所示，各處理土壤預(yù)固結(jié)壓力值范圍在72.91 ～ 119.30 kPa。與CK處理相比，OM處理顯著增加預(yù)固結(jié)壓力值，增幅達(dá)22.17%(<0.05)；A5處理顯著低于CK處理，降幅為25.34%(<0.05)。結(jié)果表明，與CK處理相比，單施有機(jī)物料處理能有效地提高土壤預(yù)固結(jié)壓力值，而單施鐵礦尾砂處理則會(huì)降低其數(shù)值。在鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理中，A3OM處理預(yù)固結(jié)壓力值高于CK處理，增幅達(dá)6.93%，但二者之間差異不顯著；A5OM、A7OM和A9OM處理均顯著低于CK處理，降幅分別為14.16%、18.90% 和23.65%(<0.05)。可見，200 g/kg 鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理能增加預(yù)固結(jié)壓力值，提高土壤承載能力。

2.3.2 壓縮指數(shù) 壓縮指數(shù)是壓縮曲線塑性部分的斜率，其值越小，土壤壓縮性越低[18]。由表3可知，各處理土壤壓縮指數(shù)范圍在0.445 ～ 0.720。與CK處理相比，OM處理能提高壓縮指數(shù)，但差異不顯著；A5處理顯著低于CK處理，降低了23.82% (<0.05)。結(jié)果表明，與CK處理相比，單施有機(jī)物料處理能提高土壤壓縮指數(shù)，而單施鐵礦尾砂處理則會(huì)降低其數(shù)值。在鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理中，A3OM、A5OM、A7OM和A9OM處理土壤壓縮指數(shù)均顯著低于CK處理(<0.05)，隨鐵礦尾砂施用量增加，壓縮指數(shù)減小，降幅分別為12.77%、22.09%、28.12% 和36.15%?？梢?，鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理均能降低壓縮指數(shù)。

2.3.3 回彈指數(shù) 回彈指數(shù)反映土壤被壓縮后的膨脹回彈能力，回彈指數(shù)越大，土壤壓縮回彈性能越強(qiáng)[19]。如表3所示，各處理回彈指數(shù)變化范圍在0.010 9 ～ 0.016 9。與CK處理相比，OM處理能顯著提高回彈指數(shù)，增幅達(dá)24.43%(<0.05)；A5處理顯著低于CK處理，降幅為16.79%(<0.05)。結(jié)果表明，與CK處理相比，單施有機(jī)物料處理能顯著提高土壤回彈指數(shù)，而單施鐵礦尾砂處理則會(huì)降低其數(shù)值。在鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理中，隨鐵礦尾砂施用量增加，各處理回彈指數(shù)差異不顯著，但均顯著高于CK處理(<0.05)，A3OM、A5OM、A7OM和A9OM處理增幅分別達(dá)22.14%、19.08%、29.01% 和23.66%。因此，鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理均能提高土壤回彈指數(shù)。

表3 不同處理對(duì)供試土樣壓縮與回彈指標(biāo)的影響

注：同列不同小寫字母表示不同處理在<0.05水平下差異顯著。

3 討論

3.1 有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤壓縮–回彈特性的影響

土壤壓縮–回彈能力除受土壤含水率和容重等環(huán)境因素影響外，主要受土壤有機(jī)質(zhì)含量影響[15]。預(yù)固結(jié)壓力值代表土壤承壓能力，其數(shù)值越大，保持土壤原結(jié)構(gòu)能力越強(qiáng)[20]。研究發(fā)現(xiàn)，較單施秸稈或畜禽糞便，二者混合施用能更有效地提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤生態(tài)環(huán)境[21]。有機(jī)質(zhì)被視為土壤“減震器”，影響土壤壓縮形變能力[10]。多數(shù)研究認(rèn)為，土壤有機(jī)質(zhì)與預(yù)固結(jié)壓力值間呈正相關(guān)關(guān)系[20,22]，在同一含水量和容重條件下，預(yù)固結(jié)壓力值隨有機(jī)質(zhì)含量增加而增大[23]。本研究也發(fā)現(xiàn)，單施有機(jī)物料處理能顯著提高預(yù)固結(jié)壓力值。土壤有機(jī)質(zhì)是由多種大分子有機(jī)化合物組成的復(fù)合體，本身具有一定的彈性和膨脹性[24]，而土壤多糖類物質(zhì)及有機(jī)質(zhì)中鏈狀分子結(jié)構(gòu)能有效地與礦物粒子相結(jié)合，增加土壤表面凝聚力，有效地抵抗外界應(yīng)力，從而提高預(yù)固結(jié)壓力值[10,23]。在鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理中，預(yù)固結(jié)壓力值隨鐵礦尾砂施用量增加而降低，由于鐵礦尾砂中有機(jī)質(zhì)含量低，大量摻土后降低土壤有機(jī)質(zhì)含量，其承載能力減弱，預(yù)固結(jié)壓力值降低。本研究也發(fā)現(xiàn)，土壤預(yù)固結(jié)壓力值與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)(表4)。

壓縮指數(shù)作為土壤壓縮敏感性指標(biāo)，其數(shù)值越大，土壤發(fā)生板結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)越高，有機(jī)質(zhì)對(duì)其影響結(jié)論不一[25]。韓少杰等[15]和Reichert等[26]認(rèn)為二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)增強(qiáng)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高土壤可壓縮性；Imhoff等[18]在不同質(zhì)地土壤中試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓縮指數(shù)越大，抗壓縮性能越差，但二者之間相關(guān)性不顯著；Arthur等[27]認(rèn)為，壓縮指數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平。本研究發(fā)現(xiàn)，單施有機(jī)物料處理能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，壓縮指數(shù)增加，土壤壓縮敏感性提高，更容易發(fā)生壓縮形變的風(fēng)險(xiǎn)。在鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理中，壓縮指數(shù)隨鐵礦尾砂施用量增加而減小，土壤有機(jī)質(zhì)含量會(huì)隨鐵礦尾砂摻入而減少，降低其壓縮敏感性。壓縮指數(shù)變化趨勢(shì)與預(yù)固結(jié)壓力值相似，且壓縮指數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)(表4)。

土壤彈性大小取決于有機(jī)物料的分解狀態(tài)[28]。研究發(fā)現(xiàn)，回彈指數(shù)隨有機(jī)質(zhì)含量提高而變大，有機(jī)質(zhì)含量高，土壤顆粒更容易產(chǎn)生相對(duì)位移，在應(yīng)力撤去后土壤恢復(fù)能力也加強(qiáng)[29]。韓少杰等[15]發(fā)現(xiàn)，隨黑土開墾年限增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，回彈指數(shù)降低；Zhang等[30]也指出，土壤有機(jī)質(zhì)就像機(jī)械彈簧一樣會(huì)增加反彈；林琳等[31]通過添加腐殖酸改變土體有機(jī)質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)在高含水量下，不同有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤回彈指數(shù)無顯著影響。本研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照處理相比，單施有機(jī)物料處理能顯著提高土壤回彈指數(shù)；在鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理中，隨鐵礦尾砂施用量增加，土壤整體有機(jī)質(zhì)含量降低，但土壤回彈指數(shù)并無顯著差異，這可能是配施秸稈產(chǎn)生的結(jié)果。林琳等[19]研究發(fā)現(xiàn)，施用秸稈會(huì)產(chǎn)生“加筋作用”，大量秸稈還田后會(huì)產(chǎn)生重疊現(xiàn)象，應(yīng)力撤去后重疊現(xiàn)象產(chǎn)生的“微彈簧”效應(yīng)能增加土體回彈能力；李敏等[32]將秸稈均勻攪拌在土中，發(fā)現(xiàn)無序分布的秸稈存在大量交織點(diǎn)，受應(yīng)力后，秸稈會(huì)減緩其形變發(fā)生，起到空間約束作用。本研究中秸稈添加量與林琳等[19]試驗(yàn)中100% 秸稈還田量相近，一晝夜培養(yǎng)不會(huì)使其大量分解，短時(shí)間內(nèi)秸稈“加筋作用”對(duì)回彈指數(shù)的影響超過了土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)其的影響，這解釋了本研究中回彈指數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量之間無顯著相關(guān)關(guān)系(表4)。

3.2 砂粒對(duì)土壤壓縮–回彈特性的影響

土壤機(jī)械組成會(huì)影響土壤壓縮–回彈能力[33]。鐵礦尾砂中砂粒占比超過90%(表1)，由細(xì)砂組成，隨鐵礦尾砂施用量增加，土壤砂粒含量提高(表2)。柴鑫等[23]研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)固結(jié)壓力值隨土壤黏粒含量增加而增大，黏粒含量越多，其表面電荷和比表面積越大，更易與多價(jià)陽離子聯(lián)結(jié)而將顆粒膠結(jié)在一起，增加土壤團(tuán)粒間的凝聚力，提高抗壓縮形變能力[34]。與對(duì)照處理相比，單施鐵礦尾砂會(huì)顯著增加土壤砂粒含量，導(dǎo)致預(yù)固結(jié)壓力值降低；在鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理中，隨鐵礦尾砂施用量增加，土壤中砂粒增多，黏粒減少，其凝聚力下降，導(dǎo)致土壤穩(wěn)定性及承載能力減弱，預(yù)固結(jié)壓力值降低。這證實(shí)了預(yù)固結(jié)壓力值與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.01)(表4)。

黏粒含量增加可以提高土壤壓縮指數(shù)[23]，反之亦然。當(dāng)砂粒含量增加，壓縮指數(shù)降低，這解釋了單施鐵礦尾砂處理壓縮指數(shù)顯著低于對(duì)照處理的原因。隨鐵礦尾砂施用量增加，顆粒間相互嵌擠更容易發(fā)生，單粒結(jié)構(gòu)更加緊密，摩擦力加大，形成的骨架結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，降低土壤對(duì)壓實(shí)的敏感性[35]。梁冰等[36]研究發(fā)現(xiàn)，鉛尾砂隨壓實(shí)度增加其壓縮性變小，壓縮系數(shù)降低；Dash和Sitharam[37]發(fā)現(xiàn)，砂土越密實(shí)，其壓縮性越低。此外，楊萌[3]指出，土壤容重隨鐵礦尾砂摻混量增加而變大，且有研究證明土壤壓縮指數(shù)與容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[9,33]，本文結(jié)論與之相似，即鐵礦尾砂含量與壓縮指數(shù)之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.01)(表4)。

表4 不同處理壓縮指標(biāo)、回彈指數(shù)與有機(jī)質(zhì)及砂粒含量的相關(guān)系數(shù)

注：*和**分別表示顯著相關(guān)(<0.05)和極顯著相關(guān)(<0.01)。

韓少杰等[15]測(cè)得不同開墾年限黑土回彈指數(shù)為0.041 ～ 0.070，黏粒含量在31.28% ～ 46.91%；Keller等[8]發(fā)現(xiàn)，瑞典4個(gè)農(nóng)場(chǎng)的回彈指數(shù)為0.002 ～ 0.025，土壤黏粒含量在10% ～ 62%。這些結(jié)果均高于本文的回彈指數(shù)(0.0109 ～ 0.0169)。而O’Sullivan和Robertson[38]發(fā)現(xiàn)，英國砂質(zhì)壤土的砂粒含量為64%，回彈指數(shù)為0.0002 ～ 0.0128，小于本研究。有研究指出，在外力作用下黏性土壤彈性較大，而砂土則較小[15]。鐵礦尾砂砂粒含量高，摻土后會(huì)明顯改變土壤機(jī)械組成，增加砂粒含量，降低土壤回彈能力，這也解釋了單施鐵礦尾砂處理回彈指數(shù)最低的原因；隨鐵礦尾砂施用量增加，土壤回彈指數(shù)應(yīng)該降低，但由于配施有機(jī)物料可以降低尾砂對(duì)回彈指數(shù)的影響，從而解釋了砂粒含量與回彈指數(shù)無相關(guān)性的原因(表4)。

4 結(jié)論

鐵礦尾砂配施有機(jī)物料能有效改善土壤抗壓特性，對(duì)土壤孔隙比、預(yù)固結(jié)壓力值、壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)均有不同程度的影響。預(yù)固結(jié)壓力值和壓縮指數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，與砂粒含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.01)。與對(duì)照處理相比，200 g/kg 鐵礦尾砂配施有機(jī)物料處理效果最佳，即4.5×105kg/hm2鐵礦尾砂配施1.125×104kg/hm2玉米秸稈和4.5×104kg/hm2腐熟牛糞處理使壓縮指數(shù)降低12.77%，預(yù)固結(jié)壓力值和回彈指數(shù)分別提高6.93% 和22.14%，降低壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)。

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Effects of Iron Tailings Combined with Organic Materials on Compression and Rebound Characteristics of Cinnamon Soil

SUN Aobo, AN Jing, YU Na, YE Xuhong, LIU Hongdou, ZOU Hongtao*, ZHANG Yulong

(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University / Key Laboratory of Arable Land Conservation in Northeast China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, China / National Engineering Research Center for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, Shenyang 110866, China)

This study is to explore the effects of iron tailings combined with organic materials on the compression and rebound characteristics of cinnamon soil. Cinnamon soil mixed with iron tailings and organic materials was cultivated for 24 h at 18% moisture content and loaded into the special ring knife for geotechnical test according to the bulk density of 1.25 g/cm3, then the uniaxial compression test was conducted by using the rapid consolidation method. The results show that with the increase of iron tailings application, soil void ratio reduction (?) is increased at low applied stresses and reduced at high applied stresses. Both the pre-consolidation stress (c) and the compression index (c) are decreased with the increase of iron tailings application, and they vary between 72.91–119.30 kPa and 0.445–0.720, respectively.candcare significantly positively correlated with organic matter content (<0.01) and significantly negatively correlated with sand content (<0.01). Organic material is the main factor affecting soil rebound characteristics. The rebound index (s) varies from 0.010 9 to 0.016 9, no significant correlation is found with the organic matter and sand contents. Compared with the control, the treatment of 200 g/kg iron tailings combined with organic materials can reduce soilsby 12.77% and increasecandsby 6.93% and 22.14% respectively, thus can remarkably reduce the compaction risk.

Soil compression; Soil void ratio; Pre-compression stress; Compression index; Rebound index; Iron tailings

S152.9

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.06.026

孫奧博, 安晶, 虞娜, 等. 鐵礦尾砂配施有機(jī)物料對(duì)褐土壓縮及回彈特性的影響. 土壤, 2022, 54(6): 1300–1306.

遼寧省興遼英才計(jì)劃項(xiàng)目(XLYC1905010)、遼寧省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(LSNZD202001)和遼寧省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019JH2/ 10200004)資助。

通訊作者(zht@syau.edu.cn)

孫奧博(1996—)，男，遼寧丹東人，碩士研究生，主要從事土壤壓實(shí)研究。E-mail：942626023@qq.com