生物炭和稻殼灰改良黏性土耕作性能的試驗(yàn)研究

鐘建東

(華建集團(tuán)上海申元巖土工程有限公司, 上海 200001)

我國(guó)沿海各地區(qū)廣泛分布著黏粒含量高、砂粒含量低、黏性高、蓄水能力強(qiáng)的黏性土.當(dāng)土壤缺水時(shí),黏性土黏結(jié)干硬嚴(yán)重,農(nóng)作物根系難以發(fā)達(dá),影響農(nóng)作物根系呼吸透氣、吸收養(yǎng)分;當(dāng)水分較多時(shí),黏性土因黏結(jié)性強(qiáng)導(dǎo)致土壤黏稠、透氣性差,不利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育.因此,有必要對(duì)黏性土進(jìn)行改良來(lái)提高作物的生長(zhǎng)和發(fā)育.

土壤的耕作性能包括土壤的松軟度、含水率、容重等指標(biāo).文獻(xiàn)[1]研究表明施加生物炭可增加黑土區(qū)土壤各土層土壤含水率、孔隙度,降低土壤容重；文獻(xiàn)[2]研究發(fā)現(xiàn)生物炭作為寧南山區(qū)土壤改良劑可降低土壤容重和提高土壤持水性能；文獻(xiàn)[3]研究表明秸稈還田可以顯著改善土壤的性能,提高土壤孔隙度；文獻(xiàn)[4]研究表明稻殼灰可以提高上海潮土水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體的含量,有效改良土壤的機(jī)械生產(chǎn)力；文獻(xiàn)[5]研究了不同土體構(gòu)型土壤的持水性能,發(fā)現(xiàn)黏砂型土壤的保水、保肥性能最好,其他土體構(gòu)型需進(jìn)行改良來(lái)提高土壤的持水性能.土壤性能受土壤溫度、黏粒含量、土壤孔隙度、水分和養(yǎng)分等因素的影響[6],國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于土壤性能提了不同的評(píng)價(jià)方法.文獻(xiàn)[7]建議用稠度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)土壤性能，稠度指標(biāo)包含土壤的液限、塑限、液性指數(shù)和塑性指數(shù),可反映細(xì)粒土吸附結(jié)合水的能力；土壤的擊實(shí)性能可以反映土壤緊實(shí)度,了解土壤的物理機(jī)械性質(zhì)可為合理設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)機(jī)械行走系統(tǒng)、耕作部件提供參考；文獻(xiàn)[8]建議用擊實(shí)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)土壤性能,并指出擊實(shí)試驗(yàn)的最佳含水量為耕作最適含水量；文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]發(fā)現(xiàn)土壤最佳耕作性能時(shí)的最大含水量是塑限的0.6～0.9倍,或是在最大干密度時(shí)所對(duì)應(yīng)的含水量.

本文將麥秸稈生物炭和稻殼灰作為土壤改良材料,將其按照相同的體積比分別加入上海黏性土中,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析比較兩種混合土的稠度指數(shù)和擊實(shí)性能,旨在將生物炭和稻殼灰用于改善上海黏性土的耕作性能,為資源的循環(huán)利用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐,對(duì)綠色農(nóng)業(yè)的健康經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出進(jìn)一步探索.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土來(lái)自上海崇明區(qū)某農(nóng)田空地,土壤的物理指標(biāo)見(jiàn)表1,粒徑分布見(jiàn)圖1.麥秸稈生物炭和稻殼灰均來(lái)自市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi),麥秸稈生物炭和稻殼灰的粒徑分布見(jiàn)圖2,成分組成質(zhì)量百分含量見(jiàn)表2.

表1 試驗(yàn)土的基本性能指標(biāo)

圖1 試驗(yàn)用土粒徑分布圖

圖2 稻殼灰和麥秸稈生物炭粒徑分布圖

表2 麥秸桿生物炭和稻殼灰成分表 %

1.2 試驗(yàn)方法

首先將取來(lái)的土在自然條件下風(fēng)干,再將風(fēng)干的土碾碎過(guò)篩,分別與麥秸稈生物炭、稻殼灰按照體積比0%、10%、20%、30%進(jìn)行混合；然后按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE 40—2020)[15]加入適量的水?dāng)嚢杈鶆?再將土壤混合物裝入聚乙烯袋,在養(yǎng)護(hù)缸中養(yǎng)護(hù)24 h以確保水分平衡；最后制備土樣并測(cè)定土壤的液限、塑限、塑性指數(shù)、稠度值、最大干密度和最優(yōu)含水量.每組試驗(yàn)做3個(gè)平行試驗(yàn)，取平均值以減小試驗(yàn)誤差.

液塑限聯(lián)合測(cè)定儀采用浙江土工儀器制造有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為STYS-1型數(shù)顯液塑限聯(lián)合測(cè)定儀;擊實(shí)試驗(yàn)采用輕型Ⅰ-1類試驗(yàn),所用的輕型擊實(shí)儀為浙江土工儀器制造有限公司生產(chǎn),型號(hào)為Ⅰ-Ⅰ.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果與分析

麥秸稈生物炭混合土(以下簡(jiǎn)稱炭土)和稻殼灰混合土(以下簡(jiǎn)稱灰土)液限、塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表3 兩種混合土液限、塑限試驗(yàn)結(jié)果

由表3可見(jiàn):隨著麥秸稈生物炭含量的增加,混合土的塑限指標(biāo)先增大后減小,液限指標(biāo)和塑性指數(shù)逐漸增大，當(dāng)炭土體積比為10%、20%、30%時(shí),炭土的塑限較素土分別增長(zhǎng)了7.00%、6.63%、3.21%,液限分別增長(zhǎng)了4.95%、12.37%、27.04%,塑性指數(shù)分別增長(zhǎng)了0.76%、24.18%、75.99%，由此可知,麥秸稈生物炭對(duì)上海黏性土的液限和塑性指數(shù)的影響顯著；隨著稻殼灰含量的增大,塑限指標(biāo)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),液限和塑性指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，當(dāng)灰土體積比為10%、20%、30%時(shí),液限分別增加22.75%、66.40%、62.80%,塑限分別增加了-1.23%、3.79%、10.66%,塑性指數(shù)分別增加了72.02%、195.01%、169.91%，由此可知,稻殼灰對(duì)土體的液限和塑性指數(shù)影響顯著,對(duì)塑限的影響較小.

由圖3中可見(jiàn),炭土和灰土的塑限變化均較為平緩,灰土的液限較炭土的液限增加幅度更大.

圖3 混合土的液限、塑限變化圖

由試驗(yàn)結(jié)果推斷其作用機(jī)理為:麥秸稈生物炭和稻殼灰都可溶于水,可提高土壤的吸水能力,能吸附更多的水分子在土顆粒周?chē)?土體中水化作用增強(qiáng),結(jié)合水含量增大,使塑性指數(shù)增大；由表2可見(jiàn),麥秸稈生物炭和稻殼灰中均含有礦物成分,這些礦物成分可以和土中水的高價(jià)陽(yáng)離子發(fā)生反應(yīng),使水中高價(jià)陽(yáng)離子濃度減小,土顆粒表面吸附的反離子層中陽(yáng)離子數(shù)量增多,層厚增加,結(jié)合水含量相應(yīng)增大,使土體的塑性指數(shù)增大.文獻(xiàn)[11]指出塑限和塑性指數(shù)可表征土壤最佳含水量的變化范圍,進(jìn)而可反映土壤的持水能力.將生物炭和稻殼灰作為改良劑加入到土壤中,能增大土壤含水量變化范圍,提高土壤持水能力,促進(jìn)作物生長(zhǎng)和發(fā)育.從試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出,麥秸稈生物炭的改良效果要優(yōu)于稻殼灰.

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果與分析

炭土和灰土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

表4 兩種混合土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖4為炭土和灰土含水量和干密度的關(guān)系曲線圖.由圖4(a)可見(jiàn),隨著炭土體積比的增大,土體的最優(yōu)含水量呈逐漸增大的趨勢(shì),最大干密度則呈逐漸減小的規(guī)律,分析表4可見(jiàn),當(dāng)炭土體積比分別為10%、20%和30%時(shí),土體的最優(yōu)含水量分別增加了5.23%、9.10%和14.85%,最大干密度分別減小了0.60%、7.19%和8.38%；由圖4(b)可見(jiàn),灰土和炭土的擊實(shí)性能有相似規(guī)律,當(dāng)灰土體積比為10%、20%、30%時(shí),最優(yōu)含水量分別增加了5.94%、9.10%、21.92%,最大干密度分別減小了3.59%、6.59%、9.58%.由此可知,麥秸桿生物炭和稻殼灰對(duì)改善上海黏性土的擊實(shí)性能都具有顯著作用.

(a) 炭土

圖5為兩種混合土隨體積比變化的最優(yōu)含水量和最大干密度變化趨勢(shì).由圖5可見(jiàn),兩種混合土的最優(yōu)含水量差距不大,但炭土的最大干密度要比灰土大.

分析比較試驗(yàn)結(jié)果并參考前人研究成果[4],推斷其作用機(jī)理為：1) 麥秸稈生物炭和稻殼灰都可溶于水,可提高土壤的吸水能力,吸附更多的水分子在土顆粒周?chē)筛?、更穩(wěn)定的水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體,表現(xiàn)為土壤的最優(yōu)含水量增大,而大團(tuán)聚體的增多會(huì)增大土壤的孔隙,孔隙被吸附在水穩(wěn)定性團(tuán)聚體周?chē)乃肿映錆M,使土壤的干密度減小，隨著麥秸稈生物炭或稻殼灰含量的增大,土壤呈現(xiàn)出最佳含水量逐漸增大、最大干密度減小的規(guī)律；2) 灰土的最大干密度小于炭土的最大干密度,可能是因?yàn)榈練せ业淖茻郎囟雀?燃燒得更充分,其粒徑較麥秸稈生物炭的粒徑更小,將其與上海黏性土混合后土體中細(xì)粒土的含量較麥秸稈生物炭更多,使土壤的擊實(shí)曲線形態(tài)不變但朝右下方移動(dòng)更多.麥秸稈生物炭和稻殼灰都可使土壤的最佳含水量逐漸增大,表明土壤的田間持水能力逐漸增強(qiáng),土壤的生產(chǎn)力得到有效提高,同時(shí)土壤的最大干密度減小,說(shuō)明土壤的疏松程度更高,改善了黏性土透氣性差的缺點(diǎn),有利于作物根系的呼吸、透氣.因此,在改善土壤擊實(shí)性能方面,麥秸稈生物炭和稻殼灰均有效,但麥秸桿生物炭的改善效果更好.

(a) 最優(yōu)含水量

3 結(jié)論

將麥秸稈生物炭和稻殼灰作為改良劑加入上海黏性土中,通過(guò)液限、塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

1) 麥秸稈生物炭和稻殼灰均能改善土壤的稠度指標(biāo),隨著生物炭或稻殼灰含量的增加,土體的塑限指標(biāo)先增大后減小,液限指標(biāo)和塑性指數(shù)逐漸增大；

2) 麥秸稈生物炭和稻殼灰均能改善土壤的擊實(shí)性能,隨著麥秸稈生物炭或稻殼灰含量的增大,土體的最優(yōu)含水量逐漸增大,最大干密度逐漸減??；

3) 麥秸稈生物炭和稻殼灰作為改良劑,用于改善上海黏性土,均能使土壤的塑限和塑性指數(shù)、最優(yōu)含水量增大,最大干密度減小,麥秸稈生物炭對(duì)上海黏性土稠度指標(biāo)和擊實(shí)性能的改良效果均優(yōu)于稻殼灰,且麥秸稈生物炭和稻殼灰施加體積比在20%時(shí),改良效果最好.