泥質頁巖與黃土復配土壤物理特性研究

溫鵬飛

(陜西省土地工程建設集團有限責任公司/自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075)

1 引言

在土地整治工程實施過程中，項目經常處于土石混合山地。當地土層一般較薄，含有大量泥質頁巖風化物。土壤的物理特性決定了土壤的水肥氣熱運移規律，是影響農作物生長的重要因素，也是決定土地整治工程效益的關鍵，因此研究泥質頁巖與黃土復配土壤的物理特性具有重要的科學意義和現實需求。

Aldaood A[1]研究了土壤類型對土壤水分特征曲線的影響。來劍斌等[2]分析了土壤質地、土層深度、種植條件等對土壤水分特征曲線的影響。趙雅瓊等[3]研究了不同粒徑下土壤水分特征曲線的變化規律并得到描述曲線的最佳模型。孫迪等[4]對長白山闊葉紅松林不同深度土壤水分特征曲線進行研究。吳煜禾等[5]研究了不同土地利用方式土壤水分特征曲線適用模型，指出了Gardner模型、van Genuchten模型適用對象。淤地壩是黃土高原水土流失治理中最主要的溝道治理措施，壩地是淤地壩建設的一個重要產物[6]，泥沙在沉積過程中粗顆粒先沉積，細顆粒后沉積，導致壩地明顯分層、空間異質性[7]，導致壩地水分的入滲和徑流的產生。針對壩地特殊分層淤積對土壤水分特征曲線的影響，研究其對淤地壩安全運行具有重要意義。

本文通過開展泥質頁巖與黃土復配野外試驗，測定復配土壤顆粒級配和土壤水分特征曲線，研究了泥質頁巖含量對復配土壤物理特性的影響，以期為土石混合山地土地整治工程提供科學參考。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品的采集與復配比例

研究區屬于殘塬丘陵區，海拔1196～1384 m，山坡有巖石裸露，丘陵坡度在10°～25°之間。研究區土體主要包括風積黃土、沖積洪積粉土、粉質粘土和砂礫卵石。通過實地勘察，采集研究區黃土和泥質頁巖土壤樣品，并對土壤樣品的顆粒級配、土壤養分、重金屬元素。將黃土與泥質頁巖分別按照95∶5，90∶10，85∶15進行復配。將復配后的土壤通過旋耕機拌勻，再經過一年沉降后，再次采集土壤樣品。每個地塊采集10個重復，帶回實驗室測定土壤顆粒級配和土壤水分特征曲線。結果見表1、2。

表1 黃土和泥質頁巖顆粒級配

表2 黃土和泥質頁巖土壤養分

2.2 試驗方法

將風干后的土壤研磨、過篩(全量元素分析樣品為0.25 mm，速效養分為1 mm)后裝入紙袋中備用。土壤全氮含量用Foss8400全自動凱氏定氮儀測定。土樣經過自然風干，過2 mm的篩子，去根，稱取土樣0.5 g左右，加30%過氧化氫(H2O2)，浸泡24 h去除有機質，加蒸餾水稀釋，靜置，除上清液以除酸，超聲30 s后用激光粒度儀Mastersizer2000測量土壤粒徑的體積分數(%)。粒徑分別設為2～1 mm(d1)、1～0.5 mm(d2)、0.5～0.25 mm(d3)、0.25～0.1 mm(d4)、0.1～0.05 mm(d5)、0.05～0.002 mm(d6)和<0.002 mm(d7)共7級。根據美國制分類標準分為極粗砂粒(2～1 mm)、中粗砂粒(1～0.25 mm)、細砂粒(0.25～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)。結果見表3、4。

表3 黃土和泥質頁巖重金屬元素 mg/kg

表4 黃土與泥質頁巖復配工況設置 %

試驗采用高速恒溫冷凍離心機(日立CR21G型)測定土壤水分特征曲線，在20 ℃恒溫下設定12個不同轉速(分別相當于吸力值0.01、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、4、6、8和10 bar)離心到平衡時間，在試驗過程中記錄12個吸力下的試驗土樣的土壤質量含水量，同時記錄試驗土樣在離心力作用下的收縮量，并計算不同吸力對應的土壤體積含水量，獲得試驗土樣的土壤水分特征曲線，最后取每層3個土樣的平均值作為旋回層的土壤水分特征曲線。由土壤水分特征曲線模擬方程推求有效水含量，一般將土壤吸力S為0.3bar時的土壤含水量作為田間持水量，S為1.5bar時的土壤含水量作為凋萎系數，田間持水量與凋萎系數之間的差值即土壤有效水最大含量。

2.3 數據分析與處理方法

采用RETC軟件對土壤水分特征曲線進行擬合，擬合土壤水分特征曲線選擇Gardner模型。

假設土壤孔隙為各種孔徑的圓形毛管，土壤水吸力S和毛管直徑d的關系可表示為[5]：

S=4δ/d

(1)

式(1)中，S為吸力，Pa；δ為水的表面張力系數，室溫條件下一般為7.5×10-2N/m；d為當量孔徑，m。

土壤水分特征曲線擬合模型Gardner模型公式為：

θ=ahb

(2)

式(2)中，θ為土壤體積含水量，cm3/cm3；h為土壤水吸力，bar；參數a決定曲線的高低，即持水能力大??；參數b決定土壤含水量隨土壤水勢降低而遞減的快慢程度。

3 結果與分析

3.1 土壤粉黏粒的統計特征

土壤粉黏粒含量決定了土壤質量和作物生產，本研究對復配土壤的粉黏粒含量進行了統計(表5)。結果表明:隨著泥質頁巖含量的增加，土壤粉黏粒含量逐漸降低。泥質頁巖含量為15%時，土壤中的粉黏粒含量最低，這主要是由于泥質頁巖的顆粒組成較粗。3種復配土壤的變異系數分別為13.67%，14%和12.90%，根據Nielson 和Bouma(1985)的分類系統[8]：弱變異CV≤10%，中等變異10%

表5 不同復配比例土壤粉黏粒含量的統計特征

3.2 壩地分層淤積對土壤孔隙的影響

土壤的當量孔徑可以反映土壤中孔隙大小的分布，若土壤含水率θ1對應的當量孔徑為d1，含水率θ2對應的當量孔徑為d2，則土壤中孔徑在d2與d1之間的孔隙所占的體積與孔隙總體積之比為θ1-θ2(θ1>θ2)[9]。因此可根據不同處理土壤孔隙大小分布的狀況，分析不同處理土壤持水能力的變化，土壤當量孔徑通過式(1)計算。本試驗中土壤水吸力對應當量孔徑分別為0.3、0.03、0.015、0.0075、0.005、0.00375、0.003、0.0015、0.00075、0.0005、0.000375和0.0003 mm。將當量孔徑按試驗土壤水吸力設定值分為低吸力段、中吸力段和高吸力段，對應當量孔徑為0.03～0.3 mm，0.00375～0.03 mm和0.0003～0.00375 mm。由表6可以看出，在高吸力段(0.03～0.3 mm)，復配土壤A1所占總孔隙的比例均小于10%，明顯小于復配土壤A2、A3，說明復配土壤A1中的大空隙較少，復配土壤A2、A3大孔隙較多；在中低吸力層(0.00375～0.03 mm和0.0003～0.00375 mm)，復配土壤A1所占總孔隙的比例明顯大于復配土壤A2和A3，說明土壤的當量孔徑越大，土壤持水能力越弱，反之，土壤的當量孔徑越小，土壤持水能力越大。復配土壤中泥質頁巖含量越多，土壤的孔隙度會越大，透氣性會增加，而持水能力下降。

表6 不同深度當量孔徑分布比例

3.3 壩地分層淤積對土壤持水能力的影響

比水容量(C)是評價各吸力條件下土壤供水能力的重要指標[10]。對Gardner模型(式2)求一階導得到不同土層的比水容量表達式見表7。一般認為土壤水吸力為1bar時的比水容量值可以很好地表征土壤供水能力[11]。當土壤吸力為1 bar時，三種復配土壤的比水容表現為：A1>A2>A3(表7)。隨著土壤中泥質頁巖含量的增加，土壤供水能力逐漸減小。一般認為0.3 bar和15 bar土壤水吸力下對應的土壤水分為土壤的田間持水量(FC)和凋萎系數(WP)，兩者差值為土壤有效含水量(TAW)。土壤田間持水量(FC)：A1>A2>A3；凋萎系數(WP)：A1>A2=A3；土壤有效含水量(TAW)：A1>A2>A3；不同復配比例土壤田間持水量(FC)、凋萎系數(WP)、土壤有效含水量(TAW)均具有明顯差異，隨著土壤中泥質頁巖含量增加，土壤的有效含水量逐漸減小。

表7 各土層比水容表達式與持水能力

4 結論

通過對泥質頁巖和黃土復配野外試驗研究，測定土壤顆粒級配組成和土壤水分特征曲線，分析了泥質頁巖含量對復配土壤物理特征的影響，并得出以下結論。

(1)復配土壤中泥質頁巖含量越高，土壤中的粉黏粒含量越低。3種復配土壤的變異系數分別為13.67%，14%和12.90%，均屬于中等變異；三個復配比例土壤粉黏粒含量均服從正態分布。

(2)復配土壤中泥質頁巖含量越多，土壤的孔隙度會越大，透氣性會增加，而持水能力下降。在高吸力段(0.03～0.3 mm)，復配土壤A1所占總孔隙的比例均小于10%，明顯小于復配土壤A2、A3；在中低吸力層(0.00375～0.03 mm和0.0003～0.00375 mm)，復配土壤A1所占總孔隙的比例明顯大于復配土壤A2和A3。

(3)隨著土壤中泥質頁巖含量的增加，土壤供水能力逐漸減小。三種復配土壤的比水容表現為：A1>A2>A3；不同復配比例土壤田間持水量(FC)、凋萎系數(WP)、土壤有效含水量(TAW)均具有明顯差異，隨著土壤中泥質頁巖含量增加，土壤的有效含水量逐漸減小。