寧夏壓砂地礫石元素淋溶影響因素研究

李王成,趙 研,王 帥，田軍倉，王 霞,王雙濤,李 晨,王 興,董亞萍

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心,銀川750021；3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心,銀川750021）

0 引言

中國西北大部分地區處于干旱、半干旱地帶，降水稀少，蒸發量為降水量的4～10倍。為了減少土壤水分的蒸發，當地群眾發展了一種以砂石作為覆蓋材料的旱作覆蓋技術[1]。壓砂礫石是指在海拔1 200～1 800 m，坡度≤25°，土層厚度≥80 cm，有機質質量分數≥0.6% 的灰鈣土或沙壤土上鋪壓的10～15 cm 礫砂混合物[2]。從2000 年以來，寧夏地區壓砂地的面積逐年增加，截至2016 年，當地壓砂面積已有5 萬hm2。壓砂地種植枸杞、紅棗、西瓜等作物，為當地人民創造的經濟收入相當可觀，已成為發展寧夏地區經濟不可或缺的一部分[3]。壓砂地持續利用問題引起了學者的廣泛關注，目前國內外學者對壓砂地的研究主要集中在抑制土壤風蝕和蒸發[4]、增溫保溫[5]、蓄水保墑[6]、改善土壤理化性質[7]以及土壤微生物[8]等方面。而對于壓砂地覆砂材料在水分、鹽分以及溫度等影響下元素淋溶過程的研究較少。

淋溶作用是指一種由于雨水下滲或人工灌溉，上層礫石中的某些礦物鹽類或有機物質溶解并轉移到下層土壤中的作用[9-13]。張晴等通過現場分批采樣檢測粉煤灰復墾的土壤淋溶液，發現隨著復墾土壤距離的增加，元素的濃度呈現規律性變化：在不同淋濾時間下，砷元素和鋅元素的淋濾濃度排序均為14 h＞2 h＞8 h，鉻元素和銅元素的淋濾濃度排序均為2 h＞8 h＞14 h，硒元素的淋濾濃度排序為14 h＞8 h＞2 h，而銻元素的淋濾濃度排序為8 h＞2 h＞14 h[14]。周福來等模擬研究了淮河淮南段河道沉積物中Cr、Zn、Cu的淋溶規律，表明重金屬元素在河道沉積物中具有向下游遷移的能力，Cr、Cu 溶出量隨著河道沉積物粒徑的減小而減小，Zn 反而增大[15]。馮志剛等選擇黔中地區的一條白云巖原位風化剖面作為研究對象，通過對巖-土界面淋溶過程的研究，發現在碳酸鹽巖風化過程中，元素的地球化學惰性由強到弱的順序依次為Zr＞Hf＞Nb＞Sc＞Th＞Ta＞Ti＞Y[16]。目前針對巖石以及粉煤灰復墾土壤的元素淋溶已取得一定的研究成果，但尚缺乏針對寧夏當地壓砂地元素淋溶規律的試驗研究。

寧夏環香山地區覆蓋土壤的礫石在不同補水水平、鹽分以及溫度等因素的影響下發生淋溶作用，其淋溶元素可能會隨灌溉水的淋溶作用下滲到土壤中去，對當地土壤環境以及壓砂地的可持續利用產生一定的影響。因此本文通過分析當地覆砂所用礫石風化產物的元素組成，研究不同補水量、鹽分以及溫度等因素影響下壓砂礫石元素淋溶規律，明確各種影響因素對其元素淋溶量的影響大小。研究對壓砂地土壤環境的影響至關重要，同時也與壓砂地土壤健康與可持續發展息息相關。

1 材料與方法

1.1試驗點概況

寧夏壓砂區主要分布在中部干旱帶，包括中衛香山地區，中寧丘陵山區和海原北部黃土丘陵地帶。該地區是溫帶沙漠地區，屬典型大陸性氣候，年降水量在220～300 mm之間[17]。試驗點位于寧夏回族自治區中衛市香山鄉（36°06′N，105°15′E），海拔1 697.8 m，地下水埋深在100 m以下[18]。該地山勢起伏，十年九旱，水資源匱乏，平均溫度7～8.5℃，年均降水量200 mm 左右，5—8月降水量占全年降水量的59%，年均蒸發量2 300 mm以上，無霜期140～150 d，具有干旱少雨且蒸發量大的典型氣候特點[19]。當地植被為半荒漠和荒漠植被，植被覆蓋度低，草地稀薄，水土流失嚴重，當地經濟作物主要為壓砂瓜和枸杞等。

圖1 試驗點位置Fig.1 Test point location

1.2 試驗材料與方法

1.2.1 試驗材料

試驗選取寧夏中衛當地2種壓砂礫石進行研究，灰綠-深灰色板巖，地質年代為奧陶系，結合水質量分數為0.30%；磚紅色間夾灰白色-厚層-粗粒長石石英砂巖，地質年代為白堊系，結合水質量分數為0.01%[20]。采用美國伊諾斯科技有限公司生產的X-衍射儀以及ZSX Primus ⅡX 熒光光譜儀檢測2種壓砂礫石的礦物組成，綠色板巖的主要礦物組成為石英（44%）、云母以及斜長石；紅色長石石英砂巖的主要礦物組成為石英（＞75%）2種壓砂礫石如圖2所示。

圖2 寧夏中衛2種壓砂礫石Fig.2 Two kinds of gravel in Zhongwei,Ningxia

本研究采用的壓砂礫石樣品均采自當地主要壓砂地，樣品采集過程中選取不同地勢、不同區域的壓砂礫石，進行混樣，確保所收集的壓砂礫石具有代表性，同時參照當地壓砂地特征，將采集的壓砂礫石過10～30 mm篩，確保粒徑均一性后，用塑料桶運回實驗室分析[21]。試驗開始前半個月，用蒸餾水將2 種礫石樣品沖洗3 遍，并放在濾紙上自然風干備用。待礫石樣品晾干后，將其隨機裝入洗凈并晾干的有機玻璃筒中，參照當地老鄉習慣確定壓砂厚度為12 cm，各桶以（1 000±3）g 控制礫石裝入量。

1.2.2試驗裝置

淋溶試驗設置在1 個5 m×1.2 m×2.5 m 的半封閉式自動化模擬操作間，室內主要的增溫設備是光暖加熱器以及紅外線石英輻射燈，同時還設置了風暖加熱器以及PTC 陶瓷發熱元件進行輔助增溫，增溫設備安裝于操作間頂部的中間區域。降溫設備為機械控制制冷式電冰箱，用溫度傳感器插座控制加熱制冷設備，達到模擬試驗區溫度的目的，精度為0.5℃[22]。采用溫濕度自動記錄儀監測記錄溫濕度變化過程。同時還采用推桿和往復器連接，結合定時器設置固定時間間隔，實現對模擬操作間的自動化運行，模擬自然環境下的晝夜交替過程。半封閉式自動化模擬操作間布置圖如圖3所示。

圖3 半封閉式自動化模擬操作間布置立面圖Fig.3 Layout of semi-closed automated simulated operating room

1.2.3 試驗設計

研究選取寧夏中衛香山地區興仁堡氣象站最近30 a氣象資料，以年降水量為依據，通過P-Ⅲ型曲線擬合，并查閱相關規定，確定豐水年（20%）、平水年（50%）、枯水年（80%）3 個水平年，并選取2007 年、1988 年、1986 年分別作為豐水年、平水年、枯水年的3個典型年，并以各典型年月降水量控制豐、平、枯這3 組模擬試驗過程中的補水量[23]。由于當地年降水量較少，且年內分布極為不均，只有通過灌溉補水才能滿足當地支柱產業壓砂瓜產業的需求，除設置豐、平、枯3個天然降水水平以外，還參照寧夏中衛香山地區以及附近區域的壓砂瓜灌溉制度的研究資料并結合當地的灌溉習慣設置了充分灌溉、75%充分灌溉和非充分灌溉3個水平，共計6個試驗水平[24]，每個水平3個重復。寧夏當地壓砂地灌溉用微咸水的鹽分，模擬壓砂地不同鹽分條件的灌溉水對礫石元素淋溶的影響，不同鹽分水平設置2、3、4、5 g/L 的NaCl溶液模擬不同的鹽分環境，探索鹽分參與對壓砂礫石元素淋溶的影響。

淋溶試驗通過圖4 所示的裝置進行。根據試驗裝置尺寸面積和補水量，將其換算為相應體積，用量筒量取蒸餾水直接倒入有機玻璃桶中，淋溶過程中，水分從入水口進入有機玻璃桶中，對其中的壓砂礫石產生淋溶作用，其后淋溶液從出水口排除，在出水口處收集壓砂礫石元素淋溶液。取淋溶液存儲于塑料儲樣瓶，冷藏保存以備檢測。

圖4 淋溶試驗裝置Fig.4 Leaching test device

1.3 觀測內容及方法

1.3.1 淋溶液元素檢測

1）觀測內容：試驗前測定2 種壓砂礫石的元素含量基底值，以期與后期的試驗結果進行對照。試驗開始后，測定淋溶液的電導率，以及對淋溶液進行全元素檢測，檢測淋溶元素的種類及含量。

2）測定方法：

檢測采用美國安捷倫科技公司生產的ICP-OES Agilent 7700 全元素掃描儀、美國賽默科技公司生產的EAThermo 2000元素分析儀、IC-Thermo Fisher ICS 5000離子色譜儀（精度0.2×10-6）檢測壓砂礫石元素淋溶液元素種類及含量。

溫度變化采用德國德圖儀器有限公司生產的溫濕度記錄儀進行記錄，精度0.1℃。

1.3.2 礫石風化指標計算

目前常用的風化指標有帕克風化指數[25]、威格特殘積指數[26]、化學蝕變指數[27]、化學風化指數[28]、斜長石蝕變指數[29]和硅鋁比等。這些指標被廣泛應用于地表風化產物風化程度的研究中，風化指標計算公式及其判別依據見表1。

表1 風化指標及其計算公式Table 1 Weathering indices and their calculating formulas

化學風化勢指數WPI 對風化程度、時間和深度的變化都顯示出明顯的單調性和敏感性，可作為評價巖石風化程度和確定風化深度的依據,選取化學風化指數WPI來定性的描述2種覆砂材料的風化程度。

1.3.3 壓砂礫石元素淋溶影響因素相對貢獻率分析

本試驗采用多元回歸法分析各影響因子對元素淋溶量的貢獻率，利用SPSS 軟件建立回歸方程，對各影響因子數據進行標準化處理，分析各影響因子對元素淋溶量變化的相對貢獻率大小。具體計算方法如下：

式中Y 為淋溶量的標準值，a1～an分別為各個影響因子標準化后的回歸系數，X1～Xn分別為各個影響因子標準化后對應的數值，Ki為某影響因子（Xi）對Y的相對貢獻率。

2 結果與分析

2.1 當地2種壓砂礫石及其淋溶釋放元素組成分析

2種壓砂礫石元素組成及含量見表2。由表可知，綠色板巖中含有元素25種，其中金屬元素15種，非金屬元素10種。O、Si元素含量最高，占礫石元素總量的80%，Fe、Al、K等金屬元素次之。紅色石英砂巖中含有元素23種，其中金屬元素13種，非金屬元素10種。同樣是O、Si元素含量最高，占礫石元素總量的90%，Ca、C、Cl等非金屬元素次之。

壓砂地的覆砂材料是地表風化殼的松散碎屑的風化產物，不同覆砂材料其風化程度也不盡相同，風化指數可以很好地反映巖石的風化程度，可通過計算這些風化指數來定性的描述2 種壓砂礫石的風化程度。根據式（1），綠色板巖的化學風化指數為WPI=18.00，遠高于紅色砂巖的化學風化指數（WPI=2.70），說明綠色板巖的風化程度要高于紅色砂巖。2種壓砂礫石的其他風化指標見表3。綠色板巖威格特殘積指數為12.85，高于紅色砂巖（0.047）；綠色板巖化學蝕變指數為26.37，大于紅色砂巖（3.467）；綠色板巖化學風化指數為80.477，大于紅色砂巖（3.506）；綠色板巖斜長石蝕變指數為118.56，大于紅色砂巖（2.408）；綠色板巖硅鋁比為10.977，遠小于紅色砂巖，即風化程度較高。綜上，綠色板巖的風化程度高于紅色石英砂巖。

2.2 不同補水量下壓砂礫石元素淋溶規律分析

2.2.1 元素淋溶量與水分關系分析

水是自然界最常見也是最廣泛的一種溶劑，壓砂礫石覆蓋在土壤表層，在天然降雨或者人工灌溉的情況下，壓砂礫石的元素會隨著淋溶作用發生遷移。將2 種壓砂礫石在自然狀態下與其水分淋溶作用下的元素淋溶量進行對比，結果如表4。補水狀態下2種礫石的元素淋溶量明顯高于自然狀態下，表明水分的參與可以促進壓砂礫石的元素淋溶。

表2 綠色板巖、紅色砂巖元素組成及含量表Table 2 Element composition and its content of green slate and red sandstone

表3 2種壓砂礫石風化指標對比Table 3 Comparison of 2 weathering indices of 2 types of gravels

表4 綠色板巖、紅色砂巖補水與自然狀態下淋溶元素比較Fig.4 Comparison of leaching elements in green slate and red sandstone under water replenishment and natural conditions (mg·L-1)

為了明確壓砂礫石元素淋溶量與補水量的函數關系，對不同補水量下2 種壓砂礫石元素淋溶量進行擬合分析，結果如圖5 所示。通過擬合方程發現，壓砂礫石元素淋溶量與補水量呈對數函數關系，且擬合度較高（R2＞0.99）。在相同補水量下，紅色砂巖的元素淋溶量要略高于綠色板巖，其原因可能是紅色砂巖的風化程度不高，在水分的參與下，加強了礫石的風化作用與淋洗作用，而綠色板巖的風化程度高，其中的元素可能已經隨著之前的風化作用發生遷移或淋失，因此在相同補水量下，紅色砂巖的元素淋溶量要略高于綠色板巖。

圖5 補水量與元素淋溶總量的關系Fig.5 Relationship between leaching amount of elements andwater replenishment

2.2.2不同補水量下各元素釋放量變化分析

作物在生長發育過程中需要不斷地從外界吸取養分，根據聯合國糧農組織的推薦,作物需要營養元素共16種，其中大量元素有C、H、O、N、P、S、K、Mg、Ca，微量元素有Fe、Mn、Cu、B、Zn、Mo、Cl，有益元素有：Na、Si、Co[30]。這些元素雖然在植株體內的含量有多有少，但各有其獨特作用，他們對植物的生長發育起著至關重要的作用，是植物生長過程中必不可少的元素。各元素的水溶性、活動性具有較大差異，在本試驗中,不同元素的淋溶量也具有較大的差異。為了深入了解各個元素淋溶量與補水量的關系，分析2 種壓砂礫石淋溶元素中的微量元素在不同補水條件下的淋溶規律，進行2 種壓砂礫石微量元素淋溶量試驗，其結果如圖6所示。

由圖6 可以看出，綠色板巖淋溶出4 種微量元素Fe、Mn、Ba、Cl，隨著補水量增加，各元素淋溶量呈增加趨勢。其中Cl元素的淋溶量最大。紅色砂巖淋溶出3種微量元素Mn、Ba、Cl，其中Cl 元素的淋溶量最大。隨著補水量增加，Cl 元素淋溶量呈波動增加趨勢。其中紅色砂巖Mn、Ba元素淋溶量在補水量為397 mL時出現峰值，隨后淋溶量減小，分析原因認為隨著補水量進一步增大，淋溶液被稀釋，因此呈現減小趨勢。對2 種壓砂礫石淋溶元素中的有益元素進行分析，發現綠色板巖淋溶出2 種有益元素Na、Si，隨著補水量的增加，各元素淋溶量呈增加趨勢。其中Na 元素的淋溶量大。紅色砂巖淋溶出2 種有益元素Na、Si，同綠色板巖壓砂礫石一樣，隨著補水量增加，各元素淋溶量呈波動性增加趨勢。

圖6 2種壓砂礫石微量元素淋溶量Fig.6 Leaching amounts of trace elements in 2 kinds of compressed gravel

于此同時，綠色板巖淋溶微量元素較紅色砂巖多1種Fe元素，其原因是綠色板巖原有元素中Fe元素質量分數（42 136.7 mg/kg）遠高于紅色砂巖原有元素中Fe 元素質量分數（3 016.0 mg/kg），使得前者的Fe 元素更易淋溶。可見礫石本身的元素含量也會對壓砂礫石元素淋溶量產生影響

2.3 不同鹽分條件下壓砂礫石礦質元素淋溶規律分析

2.3.1 元素淋溶總量與鹽分關系分析

微咸水是指含鹽量0.2%～0.5%的水或礦化度在2～5 g/L 的水[31]，寧夏當地灌溉用微咸水鹽分濃度較高，鹽分對元素淋溶的影響不可忽略，但微咸水中元素含量較多，為了避免過多外源元素的引入，選用不同礦化度的（2、3、4、5 g/L）NaCl 溶液來模擬不同的鹽分環境，探索不同水平的鹽分環境與壓砂礫石元素淋溶的關系。圖7為不同礦化度NaCl 溶液處理下的元素淋溶量，由圖可知，隨著礦化度的增加，元素淋溶量呈現先增大后減小的趨勢，且在礦化度為3 g/L 左右時的NaCl溶液處理下元素淋溶量達到最大值，然后逐漸減小，即當鹽分溶液的礦化度在3 g/L 左右時，鹽分對壓砂礫石元素淋溶的影響最小，后隨著鹽分的增加，其對元素淋溶的抑制作用愈大。曲線擬合結果表明，壓砂礫石元素淋溶量與鹽分呈3 次多項式關系，且擬合度較高。

2.3.2 微量元素淋溶量與鹽分關系分析

選取Fe、Mn 2 種微量元素分析元素淋溶量與鹽分的關系，結果如圖8 所示。由圖可知，隨著礦化度的增加，Fe 元素和Mn 元素淋溶量呈現先增大后減小的趨勢，且在3 g/L 左右時達到最大值，即當鹽分溶液的礦化度在3 g/L 左右時，鹽分對壓砂礫石元素淋溶的影響最大，后隨著鹽分的增加，其對元素淋溶的抑制作用愈大。在相同鹽分條件下，綠色板巖的元素淋溶量略高于紅色砂巖，這可能是由于綠色板巖風化程度較高，其內部的孔隙結構較多，在鹽分的鹽蝕作用下，鹽蝕作用的接觸面積更大，風化加劇，元素淋溶量增大。

圖7 不同礦化度鹽分下元素淋溶量Fig.7 Leaching amount of element under different salinity

圖8 Fe、Mn元素在不同鹽分處理下淋溶量Fig.8 Leaching amount of Fe and Mn elements under different salt treatment

2.4 壓砂礫石元素淋溶影響因素相對貢獻率分析

影響元素淋溶量的因素有補水量、溫度、鹽分等。為了明確各種影響因素在淋溶過程中對元素淋溶量影響的大小，采用多元回歸法分析各影響因子對元素淋溶量變化的影響，運用SPSS 軟件進行多元回歸分析，得到多元回歸方程擬合優度評價指標R2=0.976，認為此多元回歸模型可以較好的適用于分析寧夏中衛地區各影響因子對元素淋溶量的相對貢獻率。根據式（2）得出2 種礫石的擬合方程如下：

式中YL表示綠色板巖壓砂礫石元素淋溶量的標準值，YH表示紅色砂巖壓砂礫石元素淋溶量的標準值。用Kw、Kt、Ks分別表示補水量、溫度、鹽分影響因子對淋溶量的貢獻率，各影響因子對元素淋溶量的相對貢獻率如表5 所示，溫度和補水量對綠色板巖元素淋溶的影響最大，相對貢獻率分別為42.5%、48.6%，鹽分次之；溫度和補水量對紅色砂巖元素淋溶的影響最大，相對貢獻率分別為43.0%、41.9%，鹽分次之。可見水分、溫度對壓砂礫石元素淋溶的影響極大。因此剔除鹽分因素，選擇補水量與溫度2個因素進一步探索對壓砂礫石元素淋溶的影響。

表5 各影響因子對元素淋溶量的相對貢獻率Table 5 Relative contribution rates of influencing factors to leaching amount of elements

運用SPSS軟件進行多元回歸分析，得到多元回歸方程擬合優度評價指標R2=0.982，故認為此多元回歸模型可以較好地適用于分析補水量、溫度影響因子對元素淋溶量的相對貢獻率。根據式（2）擬合方程如下：

式中YL表示綠色板巖壓砂礫石元素淋溶量的標準值，YH表示紅色砂巖壓砂礫石元素淋溶量的標準值。

表5 中，在剔除鹽分因素下，補水量對綠色板巖元素淋溶的影響最大，相對貢獻率為99.4%，溫度次之，相對貢獻率為0.6%；同樣地，補水量對紅色砂巖元素淋溶的影響最大，相對貢獻79.2%，溫度次之，相對貢獻率為20.8%。可見補水量對壓砂礫石元素淋溶的影響大于溫度的影響。

通過以上的擬合以及相對貢獻率的計算，可以發現，影響寧夏中衛地區元素淋溶量影響因子（補水量、溫度、鹽分）中，補水量對其元素淋溶量的影響最大，溫度次之，鹽分最小。即對寧夏中衛地區元素淋溶量的影響大小的因子依次為：補水量＞溫度＞鹽分。

3 結論與討論

本文針對寧夏中衛香山地區壓砂地元素淋溶問題，以當地2 種主要壓砂礫石（綠色板巖、紅色砂巖）為研究對象，在了解當地氣象環境因素和灌溉習慣的基礎上，通過室內模擬試驗，設置了不同補水和鹽分水平，觀測不同補水水平以及鹽分水平下，寧夏當地2 種壓砂礫石在水分參與下的元素淋溶規律，主要得到以下結論：

1）水分的參與對壓砂礫石元素淋溶有促進作用。隨著補水量的增加，綠色板巖各元素淋溶量呈波動增加趨勢，紅色砂巖Na、Si、Cl元素淋溶量隨補水量的增加逐漸增大，Mn、Ba 元素淋溶量在補水量為397 mL 時出現峰值，隨后淋溶量減小，分析原因認為隨著補水量進一步增大，淋溶液被稀釋，因此呈現減小趨勢。通過擬合方程發現壓砂礫石元素淋溶量與補水量呈對數函數關系

2）隨著礦化度的增加，元素淋溶量呈現先增大后減小的趨勢，且在礦化度為3 g/L 左右時的NaCl 溶液處理下元素淋溶量達到最大值，然后逐漸減小，即當鹽分溶液的礦化度在3 g/L左右時，鹽分對壓砂礫石元素淋溶的影響最小，后隨著鹽分的增加，其對元素淋溶的抑制作用越來越大。且通過擬合方程發現，壓砂礫石元素淋溶量與鹽分呈2次多項式關系。

3）影響寧夏中衛地區元素淋溶量影響因子（補水量、溫度、鹽分）中，補水量對其元素淋溶量的影響最大，溫度次之，鹽分最小。即對寧夏中衛地區元素淋溶量的影響為：補水量＞溫度＞鹽分。

壓砂礫石淋溶元素會隨著天然降水或者灌溉進一步下滲進入土壤，可能對壓砂地原有的土壤體系產生影響。在本試驗條件下，壓砂礫石元素淋溶量隨著補水量的增加呈波動增加趨勢，這是由于水分能夠深入礫石內部的裂隙結構，加強礫石內部的風化作用和淋洗作用，使礫石元素淋溶量增大。在補水量相同時，隨著鹽分的增加，壓砂礫石元素淋溶量先增大后減小，在3 g/L左右時元素淋溶量最大。3 g/L 以下的鹽分環境中，可能會導致壓砂礫石的鹽蝕作用加強，風化加劇，從而使元素淋溶量增大。而大于3 g/L的鹽分溶液離子濃度較高，元素的溶解度降低，元素淋溶量波動性減小。

本試驗選取的2 種壓砂礫石粒徑均為10～30 mm，考慮粒徑過小的壓砂礫石覆蓋在土壤上，并不能有效阻斷土壤的毛細管作用，起到抑制蒸發的作用，而粒徑過大的壓砂礫石不方便于耕作種植，且其比表面積各不相同，可能會對元素淋溶量產生一定影響。

本試驗研究了壓砂礫石元素淋溶，并沒有將壓砂地土壤和元素淋溶結合起來。為了進一步了解元素淋溶對壓砂地土壤發育以及種植作物的影響，在今后的研究過程中，可將壓砂礫石元素淋溶過程和壓砂地土壤環境以及壓砂地特色作物種植聯系起來，通過大田實際試驗進一步探索壓砂地元素淋溶對土壤環境和對植株生長發育的影響。