黃河三角洲不同土地利用類型土壤微觀結構特征

劉傳孝，李克升，耿雨晗，李全新

（山東農業大學水利土木工程學院，泰安271018）

0 引 言

世界鹽堿土面積約占土地總面積的25%，廣泛分布在100多個國家和地區[1-2]。據農業部統計，中國鹽堿地面積約34萬km2[3]，土壤鹽堿化程度逐年增加，特別是以黃河水為主要灌溉水源的黃河三角洲地區，土壤鹽堿化更為嚴重。中國人口的持續增長帶來了對糧食需求的增加，利用鹽堿化的土地進行作物種植尤為迫切，因此修復該地區鹽堿化的土壤格外重要[4-5]。黃河三角洲土地資源豐富，但土壤鹽堿化嚴重且滲透性差，嚴重制約當地農業的發展；由于該地區生態環境的演變和當地農業工作者不合理的開發利用，導致土地資源開發利用狀況產生較大變化，因而出現了多種土地利用類型[6]。不同土地利用類型的土壤具有不同的結構特征，導致其化學元素、離子含量乃至水鹽運移方式差異性較大，因此研究黃河三角洲鹽堿土的微觀結構、分析其對土壤性質的影響，探索黃河三角洲不同土地利用類型土壤新的修復途徑迫在眉睫。

國內外學者對于不同土地利用類型鹽堿地的物理、化學和水文特性做了大量研究。張鵬銳等[7]研究表明，黃河三角洲不同土地利用類型土壤的水分、含鹽量、pH值和離子組成均存在明顯的差異；楚楊等[8]和劉博洋[9]分別對瑪納斯河流域中下游地區和吉林地區不同土地利用類型鹽堿土進行了研究，發現土壤的有機質、電導率、pH值和離子組成存在較大差異。高娃[10]通過對土默川平原鹽堿土進行了研究，發現不同土地利用類型鹽堿土的容重、毛細管孔隙度、pH值、堿化度和土壤微生物等方面均存在較大區別。上述的研究為不同土地利用類型鹽堿地的改良提供了指導，但是局限于鹽堿土的物理、化學和水文特性方面，較少涉及土壤結構方面。土壤的結構特性對其物理、水文和力學等性質的顯著影響已經被許多學者所證實[11-16]。張先偉等[17]研究表明，湛江黏土微觀結構為開放式絮凝結構，其孔隙結構為具有較高強度和空間穩定性的空間網架系統，獨特的微觀結構導致其具有不良的物理特性。李麗華等[18]研究發現，沼澤土的礦物成分與蜂窩狀的微觀結構能很好地解釋其壓縮性大、抗剪強度低、流變性和觸變性顯著的工程特性。Jha等[19]研究了不同礦物和微觀結構對石灰改良土膨脹性、壓縮性和滲透性的影響。Ahmed[20]利用掃描電鏡和X射線衍射儀對軟黏土的微觀結構和礦物進行了鑒定，并對其抗壓強度進行了測定。Liu等[21]基于掃描電鏡與力學試驗，研究了察爾汗鹽湖區不同含鹽量鹽漬土的顆粒間的骨架連接形式與力學性能的關系。方祥位等[22-23]針對陜西蒲城黃土微觀結構提出了骨架顆粒連接的4種接觸形式，并發現了黃土微觀結構特征與其濕陷性有較好的相關性。上述文獻主要對黏土、軟土及黃土的微觀結構與其物理力學性質進行了分析，而對鹽堿土微觀結構的研究較少，且對不同土地利用類型土壤微觀結構的研究鮮有涉及。

本文以東營市農田、草地與灘地鹽堿土為研究對象，結合粒度分析、X射線衍射、壓汞和掃描電鏡試驗，分析各類鹽堿土的粒度組成、礦物組成、孔隙分布、顆粒排列和孔隙結構特征，揭示各類型鹽堿土微觀結構特性的差異，為黃河三角洲不同土地利用類型鹽堿土的修復與開發提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

黃河三角洲位于黃河入海口處，北臨渤海，東靠萊州灣，地理范圍為東經 118o07"～119o10"，北緯 37o14"～38o12"，面積約5 400 km2，大部分位于東營境內。黃河多次改道形成了崗、坡、洼相間排列的微地貌類型，地勢西南高東北低，自然比降為1/8 000～1/12 000，海拔低于15 m[24]。該地區屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫11.7～12.6℃，極端最高氣溫41.9℃，極端最低氣溫-23.3℃；年平均日照時數為2 590～2 830 h；無霜期211 d；年均降水量為530～630 mm，70%分布在夏季；年平均蒸發量為750～2 400 mm。

黃河三角洲地區土地利用類型主要分為耕地、林地、草地、自然濕地、建設用地和裸地6種類型[6]。耕地、裸地、自然濕地和草地是黃河三角洲地區最主要的4種土地利用類型，其中耕地面積占該地區總面積的38.93%，裸地面積占總面積的26.59%，自然濕地和草地分別占總面積的13.14%和8.37%。黃河三角洲林地和建筑用地的面積僅占總面積的12.97%。除幾乎無植物生長的裸地外，黃河三角洲地區的土地類型以耕地、草地與自然濕地為主，因此本文選取此3種土地利用類型鹽堿土作為研究對象。

1.2 試驗材料及方法

1.2.1 試驗材料

試驗土樣分別取自山東省東營市的農田、草地和濕地。滲透試驗表明，該地區鹽堿土的滲透系數在0.01～10 mm/h之間，具有較低的滲透性能。課題組前期對當地鹽堿土進行了大量微觀試驗發現，該地區鹽堿土粒度組成在0～20，＞20～50和＞50～60 cm 3個土層間差別較大。為保證所取樣本點具有充分的代表性，對3個土層分別進行取樣。試驗采用環刀取樣，取樣深度為60 cm。前期預試驗結果表明，在同一土層內，不同深度土樣的微觀試驗結果相差很小，因此，分別取0～5、25～30和55～60 cm的均質鹽堿土作為微觀分析樣品，分析黃河三角洲不同土地利用類型鹽堿土表層、中層和下層的微觀結構特征。

1.2.2 檢測方法

將土樣在105℃下烘干、碾碎、過直徑2 mm篩，進行粒度分析試驗和X射線衍射試驗。壓汞試驗和掃描電鏡的供試土樣均采用液氮真空冷凍干燥法制樣[25-27]。首先，將取出的土樣用涂有凡士林的鋼鋸切割成20 mm×20 mm×20 mm的立方體，然后將其切割成8 mm×8 mm×15 mm的長方體，在試樣的中部預制深度約為1 mm的凹槽，制成掃描電鏡（SEM）試樣。取同一土樣，切割成5 mm×5 mm×10 mm的壓汞試驗（MIP）試樣。

將制成的土樣放入離心管內，為了保證土樣受凍均勻，避免土樣成為“夾心餅”，向離心管內加入一定量的異戊烷，然后將離心管置于液氮中低溫冷凍30 min，液氮使異戊烷迅速達到其冰點-140℃，使土樣中的液態水變成非晶態的冰，將試樣取出后迅速放入LGJ-12N真空冷凍干燥機內，在-80℃的溫度下連續抽空48 h。

將干燥好的SEM土樣沿原先刻有槽的位置斷開，用吸球輕輕吹走表面的顆粒，選取較為平整的斷面為檢測斷面。干燥后的MIP試樣無需處理，可以直接用于壓汞試驗的研究。

采用丹東百特儀器有限公司生產的BT-9300S激光粒度分析儀對土的粒度組成進行分析；采用丹東通達科技有限公司生產的TD-3500 X射線衍射儀對土中的礦物進行定性定量分析，掃描方式采用步進掃描，測試條件：靶材為Cu(Kα1)，波長為1.54×10-10m，激發電壓/電流為40 kV/30 mA，掃描范圍為5°～60°，步寬為0.02°，掃描速度為2°/min；采用美國康塔儀器公司生產的PM-33-18全自動壓汞儀進行壓汞試驗，對土樣的孔隙特征進行定量分析[28-31]；土樣的表面結構則采用FEI公司生產的Quanta250掃描電子顯微鏡進行觀察。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型鹽堿土的粒度組成

根據《土工試驗規程》[32]，將該地區鹽堿土粒組按粒徑D分為3類：黏粒（D≤5μm）、粉粒（5＜D≤75μm）和砂粒（75＜D≤2000μm）。對黃河三角洲不同土地利用類型鹽堿土進行粒度分析試驗，其機械組成如表1所示。

表1 不同土地利用類型土壤粒度組成Table 1 Soil particle size distribution of different land use types %

不同土地利用類型鹽堿土的粒度組成均以粉粒為主，其粉粒含量占總含量的60%以上；但其黏粒與砂粒含量存在一定差異，農田黏粒平均含量高達31.34%，遠大于草地和灘地，草地砂粒平均含量為17.43%，大于農田和灘地。由于不同土地利用類型鹽堿土的機械組成存在差異，導致其工程性質的不同。黃河三角洲農田、草地與灘地鹽堿土的黏粒含量處于較低水平，而當地鹽堿土卻具有較低的滲透性能，因此鹽堿土的粒度分布不是造成該地區鹽堿土低滲透性的原因。

2.2 不同土地利用類型鹽堿土的礦物組成

為準確反映黃河三角洲不同類型鹽堿土的礦物成分，利用X射線衍射試驗對農田、草地和灘地的鹽堿土礦物成分分析。通過K值法、絕熱法以及RIR值法等理論方法，采用MDI jade6.0軟件對農田、草地和灘地鹽堿土中所含礦物進行定量分析，其結果如表2所示。

表2 不同土地利用類型鹽堿土各礦物成分比例Table 2 Proportion of mineral components in saline alkali soil of different land use types %

農田、草地與灘地鹽堿土的礦物組成相同，三者礦物組成均以原生礦物為主，其平均含量占總礦物含量的85%以上，而黏土礦物平均含量所占總礦物含量的比例不足15%，這說明農田、草地與灘地鹽堿土的風化程度較低。

農田、草地與灘地鹽堿土的黏土礦物均以伊利石為主，但農田黏土礦物平均含量為13.56%，遠高于草地與灘地，這與粒度分析結果相一致。黃河三角洲鹽堿土具有較低的滲透性能，然而該地區鹽堿土的黏土礦物含量卻較低，故鹽堿土的礦物成分不是造成黃河三角洲鹽堿地具有較差滲透性的主要因素。

2.3 不同土地利用類型鹽堿土的孔隙特征

為準確反映農田、草地與灘地鹽堿土的孔隙結構特征，本文采用壓汞法測定土樣的孔隙分布和孔隙比表面積。為便于分析不同利用類型鹽堿土孔隙的分布情況，本文根據Shear的孔徑劃分理論[33]，結合黃河三角洲地區鹽堿土微觀結構孔徑特性，將該地區鹽堿土的孔隙分為大孔隙 （d≥20μm）、中孔隙 （10≤d＜20μm）、小孔隙（2≤d＜10μm）、微孔隙 （0.1≤d＜2μm） 和超微孔隙 （d＜0.1μm）5級。根據上述鹽堿土孔徑劃分標準，可得到不同孔隙組的體積占比和比表面積占比，分別如表3和表4所示。

鹽堿土孔隙體積占比是指土壤某孔隙組的體積與土壤總孔隙體積的比值。由表3可知，農田鹽堿土孔徑d＜2μm的孔隙體積占總孔隙體積的比例為81.67%，這說明農田鹽堿土孔隙主要由微孔和超微孔組成；草地與灘地鹽堿土孔徑0.1≤d＜10μm的孔隙占總孔隙的體積比例分別為76.65%、82.18%，這說明草地與灘地鹽堿土孔隙主要由小孔和微孔組成。農田、草地與灘地鹽堿土孔徑d≥20μm的孔隙占總孔隙的體積比例分別為11.20%，5.89%和5.03%，由此可知，農田鹽堿土的大孔隙率大于草地和灘地鹽堿土。鹽堿土的大孔隙率越小，鹽堿地的治理越困難，因此灘地和草地鹽堿地的治理難度大于農田鹽堿地，這也就導致了灘地和草地鹽堿土中的含鹽量遠遠高于農田鹽堿土。

表3 不同土地利用類型鹽堿土孔隙體積占比Table 3 Proportion of pore volume of different land use types of saline-alkali soil %

表4 不同土地利用類型鹽堿土孔隙比表面積占比Table 4 Proportion of pore specific surface area of different land use types of saline-alkali soil %

鹽堿土孔隙比表面積占比是指土壤某孔隙組的比表面積與土壤總孔隙比表面積的比值。由表4可知，農田、草地與灘地鹽堿土孔隙比表面積主要由微孔隙和超微孔隙貢獻，其微孔隙與超微孔隙比表面積占總孔隙比表面積的比例分別為99.93%，93.36%，97.26%。由于鹽堿土中的鹽分主要附著在孔隙表面，因此該地區鹽堿土中的鹽分主要附著在鹽堿土的微孔隙和超微孔隙的表面。當降雨或灌溉時，水分通過土壤孔隙僅能帶走大孔隙、中孔隙和微孔隙中的鹽分，而極難清洗微孔隙和超微孔隙中附著的鹽分，這也是該地區鹽堿地長期難以修復的重要原因。

土壤的孔隙率是指土壤顆粒之間的孔隙體積占土壤總體積的比率。本文通過壓汞試驗測定不同深度農田、草地與灘地鹽堿土的孔隙率，其結果如圖1所示。由圖1可知，農田鹽堿土的孔隙率集中在25%左右，草地鹽堿土孔隙率在40.84%～46.16%之間，灘地鹽堿土孔隙率在32.58%～39.94%之間；隨著深度變化，草地與灘地鹽堿土的孔隙率呈上升趨勢，而農田鹽堿土孔隙率變化不明顯。

圖1 不同深度農田、草地和灘地鹽堿土孔隙率Fig.1 Porosity of saline-alkali soil in different depths of farmland,grassland and beach land

2.4 不同土地利用類型鹽堿土的微觀形態

鹽堿土的微觀結構特征可以通過顆粒組成、骨架顆粒的表面特性、骨架顆粒形狀及排列、顆粒之間的膠結程度和孔隙性等描述，其中土顆粒形態、膠結程度和孔隙特征最具代表性[22-23]。利用掃描電鏡對不同深度農田、草地和灘地鹽堿土樣進行觀察，得到了61幅掃描電鏡圖片。通過觀察各土樣微觀形態，選出了農田、草地和灘涂鹽堿土中具有代表性的掃描電鏡圖片，如圖2所示。

圖2 不同土地利用類型鹽堿土掃描電鏡照片Fig.2 SEM photos of different land use types of saline-alkali soil

2.4.1 骨架顆粒形態

農田鹽堿土的骨架顆粒之間形成了紊流結構，其結構單元以扁平狀和片狀顆粒為主；結構單元有一定程度的定向趨勢。草地鹽堿土的骨架顆粒以直徑為20～30μm的塊狀顆粒為主，骨架顆粒之間排列整齊規則，顆粒間距較大，粒徑分布相對集中，骨架顆粒形狀以規則半圓形和圓形為主。灘地鹽堿土的骨架顆粒之間形成了粒狀堆積結構，其結構單元以聚集體和單粒體為主，其骨架顆粒直徑遠小于草地，顆粒之間致密有序，粒徑分布集中，骨架顆粒形狀以規則條形為主。

2.4.2 骨架顆粒連接形式

鹽堿土骨架之間的連接形式，即土顆粒間的接觸關系和膠結方式，它對鹽堿土的物理、力學性質有直接影響。土壤骨架顆粒的接觸方式有4類，即直接點接觸、直接面接觸、間接點接觸和間接面接觸[22-23]；顆粒間的膠結方式有3種，即孔隙膠結、鑲嵌膠結和薄膜膠結[34]。

農田鹽堿土顆粒間的接觸方式主要為間接面接觸，骨架顆粒之間排列有序且致密，顆粒之間通過大量膠結物相連，形成了典型的孔隙膠結，這使得農田鹽堿土的滲透性很差。草地鹽堿土顆粒間的接觸方式主要為直接面接觸，骨架顆粒之間排列緊密且無明顯的定向排列特征，顆粒間無膠結，土壤骨架基本由顆粒間的穿插和鑲嵌構成。灘地鹽堿土顆粒間的接觸方式主要為直接點接觸，含有少量的直接面接觸，土壤骨架表面無碎屑物，土壤骨架完全靠土顆粒間的堆積，骨架顆粒間不靠膠結物相連。

2.4.3 孔隙特征

鹽堿土中存在各種各樣的孔隙，即大孔隙、架空孔隙、粒間孔隙和粒內孔隙[22-23]。農田鹽堿土是由致密結構和裂隙組合而成的結構體，顆粒間不存在架空孔隙，僅能發現細小的微裂隙，且微裂隙呈網狀結構，縱橫交錯，裂隙面粗糙且復雜。草地鹽堿土顆粒呈交錯排列，孔隙主要為架空孔隙呈長條縫隙狀，但在架空孔隙下面又會出現塊狀顆粒，孔隙之間沒有連接通道，這使得土壤的孔隙連通性差，會阻礙降雨或灌溉后土壤中水鹽的運輸。灘地鹽堿土顆粒之間聯結緊密，其孔隙主要為粒間孔隙，孔隙直徑較小，水分難以攜帶鹽分從土壤孔隙中流走。

由上述分析可知，農田鹽堿土結構致密，灘地鹽堿土次之，草地鹽堿土顆粒排列較為松散，這與壓汞試驗所得結果一致。農田鹽堿土顆粒之間靠膠結物連接，而草地與灘地鹽堿土顆粒間無膠結，由于膠結物主要由黏土礦物承擔，因此農田鹽堿土黏土礦物較多，這與X射線衍射所測結果一致。

3 討 論

本文從土壤顆粒級配、礦物組成、孔隙分布及顆粒形態等方面研究了不同土地利用類型鹽堿土的微觀結構特征，為各類型鹽堿土的修復提供了微觀理論支持。

農田、草地與灘地鹽堿土的顆粒組成均以粉粒為主，而農田鹽堿土黏粒含量遠大于草地與灘地鹽堿土，3類土壤砂粒含量均處于較低水平。在黃河三角洲地區，現有改良鹽堿土較為有效的技術是采用摻沙來改變土壤原有的顆粒級配，改良其滲透性，使鹽分在一定條件下易從土中排出，從而達到修復效果。Mao等[35-36]通過大田試驗證明了采用黃河泥沙修復當地鹽堿土具有良好的效果。張翼夫等[37]提出了打孔灌沙的防治措施，并證明了其技術手段對表層土壤水鹽運移和脫鹽效果有著顯著的影響。本文的試驗結果證實了黃河三角洲各類鹽堿土砂粒含量極低，通過摻砂和灌沙等手段改變土壤顆粒級配從而治理當地鹽堿土是可行的。

通過研究農田、草地與灘地鹽堿土的礦物組成發現，農田鹽堿土的黏土礦物高于草地和灘地鹽堿土，但該地區各類鹽堿土的黏土礦物均不足15%，因此當地鹽堿土的礦物組成不是造成其不良物理性質的決定因素。本文研究結果表明，在該地區鹽堿地修復過程中，改變土壤的黏土礦物從而修復鹽堿土的實際效果較小。不同土地利用類型鹽堿土的微觀結構存在較大差異，農田鹽堿土的孔隙主要由土壤中的微裂隙構成，當灌溉或降水時，一部分水通過微裂隙流走，大部分水分通過蒸發散發到大氣中，這對鹽堿地的改良極其不利。草地和灘地鹽堿土的顆粒排列緊密，且灘地的致密程度大于草地，兩者土壤中的孔隙均不連通，這使得水分難以從孔隙中下滲。本文研究發現，該地區各類型鹽堿土的結構致密，滲透性差，僅靠灌溉和降水等方式難以改良，因此今后研究的重點應著眼于土壤結構特征方面。

本研究是探索黃河三角洲不同土地利用類型鹽堿土的微觀結構特征，結果表明，農田、草地與灘地鹽堿土砂粒和黏土礦物含量較低，顆粒之間排列緊密且滲透性極差，因此通過各種措施來改變鹽堿土的微觀結構具有實際的研究價值。黃河三角洲鹽堿土修復措施主要有摻沙、秸稈、生物炭和石膏，改良效果已經得到了證實[1,3,35-39]，但已有措施能否改變鹽堿土的原始微觀結構，從根本上治理鹽堿土將是未來研究的重點所在。

4 結 論

本文以山東省東營市農田、草地和灘地鹽堿土為研究試樣，以激光粒度分布、X射線衍射、壓汞與掃描電鏡為技術手段，對黃河三角洲不同利用類型鹽堿土的微觀結構進行了分析，得到以下結論：

1）農田、草地和灘地鹽堿土的顆粒組成均以粉粒為主，但農田黏粒含量遠大于草地和灘地。農田、草地和灘地鹽堿土的黏土礦物以伊利石為主，平均含量不足15%，且農田黏土礦物含量大于草地與灘地。

2）農田鹽堿土孔隙比表面積遠大于草地與灘地鹽堿土，因此農田鹽堿土對鹽分的吸附能力更強。農田鹽堿土孔隙由微孔和超微孔構成，而草地與灘地鹽堿土孔隙由小孔和微孔構成。草地鹽堿土孔隙率最高，灘地鹽堿土次之，農田鹽堿土最低。

3）農田鹽堿土由致密結構與微裂隙構成，骨架顆粒之間形成了紊流結構，其結構單元以扁平狀和片狀顆粒為主，骨架顆粒間連接形式以間接面接觸為主，顆粒間靠黏土礦物膠結。草地鹽堿土由緊密鑲嵌的塊狀顆粒和架空孔隙構成，顆粒間的連接形式以直接面接觸為主，骨架顆粒之間無膠結，孔隙呈長條縫隙狀。灘地鹽堿土的骨架顆粒之間形成了緊密的粒狀堆積結構，顆粒間的連接形式以直接點接觸為主，孔隙以粒間孔隙為主。

4）黃河三角洲鹽堿土具有較低的滲透性，這是其長期難以治理的主要原因。通過上述微觀試驗發現，粒度和礦物組成不是造成黃河三角洲鹽堿地具有較差的滲透性的因素，而鹽堿土的孔隙特征和顆粒排列是造成當地鹽堿土低滲透性的主要原因。