鐵礦尾砂配施有機物料對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

鐵礦尾砂配施有機物料對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

(沈陽農業大學土地與環境學院/農業農村部東北耕地保育重點實驗室/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物料對褐土壓縮–回彈特性的影響，將混有鐵礦尾砂和有機物料的土壤以18% 含水率培養一晝夜，按1.25 g/cm3容重裝入土工試驗專用環刀，采用快速固結試驗方法，進行單軸壓縮試驗。結果表明：隨鐵礦尾砂施用量增加，在低應力時，土壤孔隙比減小量(?)變大；在高應力時，土壤?變小。預固結壓力值(c)和壓縮指數(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 ～ 0.720，二者均與有機質含量呈極顯著正相關關系(<0.01)，與砂粒含量呈極顯著負相關關系(<0.01)。回彈指數(s)變化范圍為0.010 9 ～ 0.016 9，與有機質及砂粒含量均無顯著相關關系，有機物料是影響土壤s的主要因素。與對照相比，200 g/kg 鐵礦尾砂配施有機物料處理使s降低12.77%，c和s分別提高6.93% 和22.14%，降低壓實風險。

土壤壓實；土壤孔隙比；預固結壓力值；壓縮指數；回彈指數；鐵礦尾砂

鐵礦尾砂是指將鐵礦石擊碎、磨細，選取“有用組分”后排放的礦渣碎屑。作為工業廢棄物，其已經廣泛用于制磚等建筑材料，且因其結構松散可以改良黏質土壤，同時含有植物生長所需微量元素，也被用于農業生產[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量[2]；鐵礦尾砂機械組成以砂粒為主，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地，提高土壤通透性，改善土壤水力學特性[4]；在受尾礦庫坍塌影響的區域內，采用1∶3砂土比種植玉米、大豆角等4種作物，作物長勢良好，產量喜人，品質安全[5]。

土壤壓實指在人為耕種、機械作業、根系穿插及動物穿行等外力作用下，造成的土壤結構破壞、孔隙數量減少和硬度增大的現象，已成為引發土壤退化、影響糧食安全的主要原因[6-7]。土壤力學特性與土壤耕作難易、耕作質量和土壤壓實等問題密切相關。近年來，諸多學者從土壤力學角度研究了土壤抗壓特征，探究了土壤壓縮–回彈特性[8-9]。由土力學的固結試驗可獲得土壤壓縮及回彈曲線，而通過前者求得的預固結壓力值和壓縮指數可廣泛地用于評價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可表達土壤受力形變后恢復能力的強弱[10]。

遼西褐土作為地帶性土壤，主要分布于朝陽、阜新等地區。該區中低產田較多，土壤瘠薄、質地黏重、有機質含量低，土壤抗壓能力弱，土壤易板結。針對當前該地區土壤存在的問題，通過摻混鐵礦尾砂改良黏重的質地，增施有機物料提高土壤有機質含量，培肥耕層，可以提高土壤抗壓能力，促進該地區農田土壤可持續利用[3]。迄今，鐵礦尾砂用于農業生產的研究主要集中在對土壤理化性質和作物產量等方面，對土壤抗壓特性的研究較少。本研究以工業、農業廢棄物為材料，以褐土為研究對象，采用土力學固結試驗方法，對比分析鐵礦尾砂配施有機物料土壤孔隙比()、預固結壓力值(c)、壓縮指數(c)和回彈指數(s)的變化，探討其對遼西褐土壓縮–回彈特性的影響，以期為質地黏重、有機質含量低、抗壓能力弱的土壤改良培肥提供科學依據。

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，遠低于GB 15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》[11]。褐土和尾砂基本理化性質見表1。供試玉米秸稈和腐熟牛糞取自沈陽農業大學科學研究試驗基地，有機碳含量分別為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

1.2 試驗設計

將風干土、粉碎的玉米秸稈和腐熟牛糞過2 mm篩備用。以當地將鐵礦尾砂應用于農業生產為依據，設鐵礦尾砂添加量200、340、480和620 g/kg土4個水平，分別記作A3、A5、A7和A9；以趙玉皓等[12]對褐土長期定位試驗為參考，有機物料玉米秸稈和腐熟牛糞施用量分別設定為1.125×104kg/hm2和4.5×104kg/hm2，記作OM，試驗共設7個處理，具體為：對照處理(CK)、單施有機物料處理(OM)、單施鐵礦尾砂處理(A5)、200 g/kg 鐵礦尾砂配施有機物料處理(A3OM)、340 g/kg 鐵礦尾砂配有機物料處理(A5OM)、480 g/kg 鐵礦尾砂配施有機物料處理(A7OM)、620 g/kg 鐵礦尾砂配施有機物料處理(A9OM)。按2.25×106kg/hm2土壤質量換算每公斤褐土添加有機物料和鐵礦尾砂質量，用元素分析儀Vario ELⅢ和激光粒度儀Mastersizer 3000分別測得各處理有機質和砂粒含量[13]，不同處理各材料添加量及其有機質和砂粒含量如表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容重裝入土工試驗專用環刀(=6.18 cm，=2.00 cm)進行固結試驗，每個處理重復3次。

表2 不同處理各材料添加量及其有機質和砂粒含量

1.3 單軸壓縮測試

用GZQ-1型全自動氣壓固結儀參照JTG E40— 2007《公路土工試驗規程》[14]中的快速固結試驗法進行。按1、8、12.5、25、50、75、100、150、200、400、800、1 200、1 600 kPa荷載序列進行壓縮測試；壓縮測試過程中將200 kPa作為卸荷點，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順序對試樣進行回彈與再壓縮測試。加載時間均為10 min，記錄各級序列下土壤形變量(h)和1 600 kPa荷載下土壤形變量(′)及穩定10 min后土壤形變量(″)，求得各級荷載下的校正形變量()。

1.4 相關指標計算

環刀添加濕土質量[9]：

0=(1+d(1)

式中：d為目標容重(g/cm3)，為風干土含水率(g/g)，為環刀體積(cm3)。

校正形變量[15]：

式中：為校正形變量(cm)；其余符號同1.3節中描述。

加載后孔隙比[8]：

將由單軸壓縮試驗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；為壓縮試驗外加應力，kPa。

壓縮指數[16]：

根據定義，預固結壓力值為壓縮曲線最大曲率處所對應的外加應力值，曲率計算公式如下[16]：

(6)

令上式二階導數為零，即可求得土壤壓縮曲線最大曲率處的，即預固結壓力值。

回彈指數(s)為回彈曲線的平均斜率，其計算公式如下[8]：

式中：1為卸荷到一定荷載1后對應校正孔隙比；2為卸荷前荷載2對應的校正孔隙比。

1.5 數據分析

使用Matlab 7.0和Microsoft Excel 2019軟件整理試驗數據，計算平均值和標準誤差；采用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)以及Pearson法進行相關性分析；采用Origin 2021軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 壓縮曲線

不同處理供試土壤所得孔隙比與施加應力對數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的“S”型，用Gompertz方程對數據點進行擬合，求得土壤孔隙比決定系數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，擬合優度較好。式(4)中各擬合參數值范圍為：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。各參數表現出不同的變異性，參數a(16.19%)和b(10.53%)為中等變異；參數c(7.45%)和m(1.53%)為弱變異，各參數變異性都較低，參數m變異程度最低。土壤未受應力時，孔隙比取最大值，即max=a+c；當施加應力趨于無窮時，孔隙比取最小值，即min=a。由圖1可知，在低應力下，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；當應力超過50kPa時，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；當應力超過150 kPa時，未添加鐵礦尾砂處理的?遠大于添加鐵礦尾砂處理。因此，隨鐵礦尾砂施用量增加，在低應力時(即土壤彈性階段)，土壤?變大；在高應力時(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式分布，其決定系數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出繼續下降趨勢，但隨著應力降低以及回彈時間的累計增加，土壤孔隙比開始增加。這說明初次卸力后，10 min內，土壤強度小于外加應力，土壤孔隙比仍降低，可以用慣性定律來解釋；隨時間推移，外加應力降低，土壤開始表現出回彈性能。當應力在50 ～ 12.5kPa時，各處理土壤孔隙比增幅最大。回彈至12.5kPa時，土壤孔隙比較初次壓縮至12.5kPa時顯著降低(<0.05)。再壓縮過程中，各處理土壤孔隙比均隨應力重新增加而減少，在12.5 ～ 150kPa階段，土壤孔隙比均高于回彈過程，表明在歷經壓縮–回彈過程后土壤顆粒發生重排，土壤強度提高，當應力超過一定值后這種抵抗能力消失[15]。再壓縮至200kPa時，土壤孔隙比較初次壓縮至200kPa時顯著降低(<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

2.3.1 預固結壓力值 預固結壓力值是評價土壤承載能力的主要指標，其數值越大，土壤承載能力越強；反之，其承載能力越弱[17]。如表3所示，各處理土壤預固結壓力值范圍在72.91 ～ 119.30 kPa。與CK處理相比，OM處理顯著增加預固結壓力值，增幅達22.17%(<0.05)；A5處理顯著低于CK處理，降幅為25.34%(<0.05)。結果表明，與CK處理相比，單施有機物料處理能有效地提高土壤預固結壓力值，而單施鐵礦尾砂處理則會降低其數值。在鐵礦尾砂配施有機物料處理中，A3OM處理預固結壓力值高于CK處理，增幅達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 鐵礦尾砂配施有機物料處理能增加預固結壓力值，提高土壤承載能力。

2.3.2 壓縮指數 壓縮指數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范圍在0.445 ～ 0.720。與CK處理相比，OM處理能提高壓縮指數，但差異不顯著；A5處理顯著低于CK處理，降低了23.82% (<0.05)。結果表明，與CK處理相比，單施有機物料處理能提高土壤壓縮指數，而單施鐵礦尾砂處理則會降低其數值。在鐵礦尾砂配施有機物料處理中，A3OM、A5OM、A7OM和A9OM處理土壤壓縮指數均顯著低于CK處理(<0.05)，隨鐵礦尾砂施用量增加，壓縮指數減小，降幅分別為12.77%、22.09%、28.12% 和36.15%。可見，鐵礦尾砂配施有機物料處理均能降低壓縮指數。

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

表3 不同處理對供試土樣壓縮與回彈指標的影響

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 有機質對土壤壓縮–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境因素影響外，主要受土壤有機質含量影響[15]。預固結壓力值代表土壤承壓能力，其數值越大，保持土壤原結構能力越強[20]。研究發現，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質含量，改善土壤生態環境[21]。有機質被視為土壤“減震器”，影響土壤壓縮形變能力[10]。多數研究認為，土壤有機質與預固結壓力值間呈正相關關系[20,22]，在同一含水量和容重條件下，預固結壓力值隨有機質含量增加而增大[23]。本研究也發現，單施有機物料處理能顯著提高預固結壓力值。土壤有機質是由多種大分子有機化合物組成的復合體，本身具有一定的彈性和膨脹性[24]，而土壤多糖類物質及有機質中鏈狀分子結構能有效地與礦物粒子相結合，增加土壤表面凝聚力，有效地抵抗外界應力，從而提高預固結壓力值[10,23]。在鐵礦尾砂配施有機物料處理中，預固結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質含量低，大量摻土后降低土壤有機質含量，其承載能力減弱，預固結壓力值降低。本研究也發現，土壤預固結壓力值與有機質含量呈極顯著正相關關系(<0.01)(表4)。

壓縮指數作為土壤壓縮敏感性指標，其數值越大，土壤發生板結的風險越高，有機質對其影響結論不一[25]。韓少杰等[15]和Reichert等[26]認為二者呈顯著正相關關系，有機質增強團粒結構穩定性，提高土壤可壓縮性；Imhoff等[18]在不同質地土壤中試驗發現，壓縮指數越大，抗壓縮性能越差，但二者之間相關性不顯著；Arthur等[27]認為，壓縮指數與有機質含量呈正相關關系，但未達到顯著水平。本研究發現，單施有機物料處理能增加土壤有機質含量，壓縮指數增加，土壤壓縮敏感性提高，更容易發生壓縮形變的風險。在鐵礦尾砂配施有機物料處理中，壓縮指數隨鐵礦尾砂施用量增加而減小，土壤有機質含量會隨鐵礦尾砂摻入而減少，降低其壓縮敏感性。壓縮指數變化趨勢與預固結壓力值相似，且壓縮指數與有機質含量呈極顯著正相關關系(<0.01)(表4)。

土壤彈性大小取決于有機物料的分解狀態[28]。研究發現，回彈指數隨有機質含量提高而變大，有機質含量高，土壤顆粒更容易產生相對位移，在應力撤去后土壤恢復能力也加強[29]。韓少杰等[15]發現，隨黑土開墾年限增加，土壤有機質含量下降，回彈指數降低；Zhang等[30]也指出，土壤有機質就像機械彈簧一樣會增加反彈；林琳等[31]通過添加腐殖酸改變土體有機質含量，發現在高含水量下，不同有機質含量對土壤回彈指數無顯著影響。本研究發現，與對照處理相比，單施有機物料處理能顯著提高土壤回彈指數；在鐵礦尾砂配施有機物料處理中，隨鐵礦尾砂施用量增加，土壤整體有機質含量降低，但土壤回彈指數并無顯著差異，這可能是配施秸稈產生的結果。林琳等[19]研究發現，施用秸稈會產生“加筋作用”，大量秸稈還田后會產生重疊現象，應力撤去后重疊現象產生的“微彈簧”效應能增加土體回彈能力；李敏等[32]將秸稈均勻攪拌在土中，發現無序分布的秸稈存在大量交織點，受應力后，秸稈會減緩其形變發生，起到空間約束作用。本研究中秸稈添加量與林琳等[19]試驗中100% 秸稈還田量相近，一晝夜培養不會使其大量分解，短時間內秸稈“加筋作用”對回彈指數的影響超過了土壤有機質對其的影響，這解釋了本研究中回彈指數與有機質含量之間無顯著相關關系(表4)。

3.2 砂粒對土壤壓縮–回彈特性的影響

土壤機械組成會影響土壤壓縮–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]研究發現，預固結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，更易與多價陽離子聯結而將顆粒膠結在一起，增加土壤團粒間的凝聚力，提高抗壓縮形變能力[34]。與對照處理相比，單施鐵礦尾砂會顯著增加土壤砂粒含量，導致預固結壓力值降低；在鐵礦尾砂配施有機物料處理中，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，導致土壤穩定性及承載能力減弱，預固結壓力值降低。這證實了預固結壓力值與砂粒含量呈極顯著負相關關系(<0.01)(表4)。

黏粒含量增加可以提高土壤壓縮指數[23]，反之亦然。當砂粒含量增加，壓縮指數降低，這解釋了單施鐵礦尾砂處理壓縮指數顯著低于對照處理的原因。隨鐵礦尾砂施用量增加，顆粒間相互嵌擠更容易發生，單粒結構更加緊密，摩擦力加大，形成的骨架結構更加密實，降低土壤對壓實的敏感性[35]。梁冰等[36]研究發現，鉛尾砂隨壓實度增加其壓縮性變小，壓縮系數降低；Dash和Sitharam[37]發現，砂土越密實，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與容重呈顯著負相關關系[9,33]，本文結論與之相似，即鐵礦尾砂含量與壓縮指數之間呈極顯著負相關關系(<0.01)(表4)。

表4 不同處理壓縮指標、回彈指數與有機質及砂粒含量的相關系數

注：*和**分別表示顯著相關(<0.05)和極顯著相關(<0.01)。

韓少杰等[15]測得不同開墾年限黑土回彈指數為0.041 ～ 0.070，黏粒含量在31.28% ～ 46.91%；Keller等[8]發現，瑞典4個農場的回彈指數為0.002 ～ 0.025，土壤黏粒含量在10% ～ 62%。這些結果均高于本文的回彈指數(0.0109 ～ 0.0169)。而O’Sullivan和Robertson[38]發現，英國砂質壤土的砂粒含量為64%，回彈指數為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，摻土后會明顯改變土壤機械組成，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最低的原因；隨鐵礦尾砂施用量增加，土壤回彈指數應該降低，但由于配施有機物料可以降低尾砂對回彈指數的影響，從而解釋了砂粒含量與回彈指數無相關性的原因(表4)。

4 結論

鐵礦尾砂配施有機物料能有效改善土壤抗壓特性，對土壤孔隙比、預固結壓力值、壓縮指數和回彈指數均有不同程度的影響。預固結壓力值和壓縮指數與有機質含量均呈極顯著正相關關系(<0.01)，與砂粒含量均呈極顯著負相關關系(<0.01)。與對照處理相比，200 g/kg 鐵礦尾砂配施有機物料處理效果最佳，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降低12.77%，預固結壓力值和回彈指數分別提高6.93% 和22.14%，降低壓實風險。

[1] Hu P, Zhang Y, Zhou Y, et al. Preparation and effectiveness of slow-release silicon fertilizer by sintering with iron ore tailings[J]. Environmental Progress & Sustainable Energy, 2018, 37(3): 1011–1019.

[2] 楊亞東, 劉新亮, 張冰, 等. 鐵尾礦資源綜合利用現狀研究[J]. 化工礦物與加工, 2021, 50(1): 28–32.

[3] 楊萌. 朝陽鐵礦尾砂大量施用對土壤理化性質及作物生長狀況的影響[D]. 沈陽: 沈陽農業大學, 2016.

[4] Yusuf U S, Slim M D, Uchechukwu E A. Hydraulic conductivity of compacted laterite treated with iron ore tailings[J]. Advances in Civil Engineering, 2016, 2016: 1–8.

[5] Almeida H A, Silva J G, Custódio I G, et al. Productivity and food safety of grain crops and forage species grown in iron ore tailings[J]. Journal of Food Composition and Analysis, 2022, 105: 104198.

[6] Aghili Nategh N, Hemmat A, Sadeghi M. Assessing confined and semi-confined compression curves of highly calcareous remolded soil amended with farmyard manure[J]. Journal of Terramechanics, 2014, 53: 75–82.

[7] Fabiola N, Giarola B, da Silva A P, et al. Contribution of natural soil compaction on hardsetting behavior[J]. Geoderma, 2003, 113(1/2): 95–108.

[8] Keller T, Lamandé M, Schj?nning P, et al. Analysis of soil compression curves from uniaxial confined compression tests[J]. Geoderma, 2011, 163(1/2): 13–23.

[9] An J, Zhang Y L, Yu N. Quantifying the effect of soil physical properties on the compressive characteristics of two arable soils using uniaxial compression tests[J]. Soil and Tillage Research, 2015, 145: 216–223.

[10] 肖質秋, 虞娜, 安晶, 等. 土壤壓實及有機質對其影響的研究進展[J]. 土壤通報, 2019, 50(5): 1253–1260.

[11] 生態環境部, 國家市場監督管理總局. 土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行): GB 15618—2018[S]. 北京: 中國標準出版社, 2018.

[12] 趙玉皓, 張艷杰, 李貴春, 等. 長期不同施肥下褐土有機碳儲量及活性碳組分[J]. 生態學雜志, 2016, 35(7): 1826–1833.

[13] 段斯譯, 孫仲秀, 王秋兵, 等. 不同土地利用方式下第四紀古紅土團聚體的組成比較研究[J]. 土壤通報, 2020, 51(3): 587–596.

[14] 交通部公路科學研究院. 公路土工試驗規程: JTGE40— 2007. 北京: 人民交通出版社, 2007.

[15] 韓少杰, 王恩姮, 陳祥偉, 等. 開墾對黑土表層土壤壓縮—回彈行為的影響[J]. 土壤學報, 2016, 53(3): 646–653.

[16] Gregory A S, Whalley W R, Watts C W, et al. Calculation of the compression index and precompression stress from soil compression test data[J]. Soil and Tillage Research, 2006, 89(1): 45–57.

[17] Somavilla A, Gubiani P I, Reichert J M, et al. Exploring the correspondence between precompression stress and soil load capacity in soil cores[J]. Soil and Tillage Research, 2017, 169: 146–151.

[18] Imhoff S, Silva A, Fallow D. Susceptibility to compaction, load support capacity, and soil compressibility of Hapludox[J]. Soil Science Society of America Journal, 2004, 68(1): 17–24.

[19] 林琳, 張程程, 王恩姮. 添加秸稈后黑土力學行為特征——秸稈含量的影響[J]. 應用生態學報, 2017, 28(9): 2932–2938.

[20] Défossez P, Richard G, Keller T, et al. Modelling the impact of declining soil organic carbon on soil compaction: Application to a cultivated Eutric Cambisol with massive straw exportation for energy production in Northern France[J]. Soil and Tillage Research, 2014, 141: 44–54.

[21] 潘劍玲, 代萬安, 尚占環, 等. 秸稈還田對土壤有機質和氮素有效性影響及機制研究進展[J]. 中國生態農業學報, 2013, 21(5): 526–535.

[22] Kaufmann M, Tobias S, Schulin R. Development of the mechanical stability of a restored soil during the first 3 years of re-cultivation[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 103(1): 127–136.

[23] 柴鑫, 安晶, 張玉龍, 等. 黏粒添加量對不同有機碳含量黑土抗壓特性的影響[J]. 中國農業科學, 2016, 49(8): 1617–1624.

[24] de Andrade Bonetti J, Anghinoni I, de Moraes M T, et al. Resilience of soils with different texture, mineralogy and organic matter under long-term conservation systems[J]. Soil and Tillage Research, 2017, 174: 104–112.

[25] Baumgartl T, K?ck B. Modeling volume change and mechanical properties with hydraulic models[J]. Soil Science Society of America Journal, 2004, 68(1): 57–65.

[26] Reichert J M, Suzuki L E A S, Reinert D J, et al. Reference bulk density and critical degree-of-compactness for no-till crop production in subtropical highly weathered soils[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 102(2): 242–254.

[27] Arthur E, Schj?nning P, Moldrup P, et al. Soil resistance and resilience to mechanical stresses for three differently managed sandy loam soils[J]. Geoderma, 2012, 173/174: 50–60.

[28] Soane B D. The role of organic matter in soil compactibility: A review of some practical aspects[J]. Soil and Tillage Research, 1990, 16(1/2): 179–201.

[29] Kuan H L, Hallett P D, Griffiths B S, et al. The biological and physical stability and resilience of a selection of Scottish soils to stresses[J]. European Journal of Soil Science, 2007, 58(3): 811–821.

[30] Zhang B, Horn R, Hallett P D. Mechanical resilience of degraded soil amended with organic matter[J]. Soil Science Society of America Journal, 2005, 69(3): 864–871.

[31] 林琳, 韓少杰, 王恩姮. 有機質與黏粒含量對黑土壓縮-回彈特性的影響[J]. 土壤學報, 2016, 53(5): 1138–1147.

[32] 李敏, 柴壽喜, 魏麗. 麥秸稈的力學性能及加筋濱海鹽漬土的抗壓強度研究[J]. 工程地質學報, 2009, 17(4): 545–549.

[33] Saffih-Hdadi K, Défossez P, Richard G, et al. A method for predicting soil susceptibility to the compaction of surface layers as a function of water content and bulk density[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 105(1): 96–103.

[34] 安晶. 東北地區棕壤和黑土旱田土壤板結機理研究[D]. 沈陽: 沈陽農業大學, 2016.

[35] 楊俊, 黎新春, 童磊. 風化砂改良高液限紅粘土強度特性試驗研究[J]. 南京理工大學學報, 2015, 39(2): 181–186.

[36] 梁冰, 王堃, 姜利國, 等. 尾砂壓縮固結特性試驗及e-P曲線模型分析研究[J]. 防災減災工程學報, 2018, 38(1): 109–117.

[37] Dash H K, Sitharam T G. Undrained monotonic response of sand-silt mixtures: Effect of nonplastic fines[J]. Geomechanics and Geoengineering, 2011, 6(1): 47–58.

[38] O'Sullivan M F, Robertson E A G. Critical state parameters from intact samples of two agricultural topsoils[J]. Soil and Tillage Research, 1996, 39(3/4): 161–173.

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. 鐵礦尾砂配施有機物料對褐土壓縮及回彈特性的影響. 土壤, 2022, 54(6): 1300–1306.

遼寧省興遼英才計劃項目(XLYC1905010)、遼寧省教育廳重點項目(LSNZD202001)和遼寧省重點研發計劃項目(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，主要從事土壤壓實研究。E-mail：942626023@qq.com