李國翔 劉 冀,2 董曉華,2 唐慧雅 譚雪松

(1.三峽大學水利與環(huán)境學院,湖北宜昌 443002;2.武漢大學水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢430072;3.宜昌晟泰水電實業(yè)有限責任公司,湖北 遠安 444200)

近年來,巖溶地區(qū)土地石漠化問題越來越嚴重,受到普遍關注.因此,研究巖溶地區(qū)影響土壤持水能力的因素,探索其影響機理,并根據研究結果采取合理措施提高土壤持水能力具有重要意義.土壤水分特征曲線[1](soil water characteristic curve,SWCC)是用來表征非飽和土壤的基質吸力與含水率的關系曲線,可以用來反映土壤的持水能力[2].研究某一因素對土壤水分特征曲線的變化影響,可以很直觀、準確的獲得該因素對土壤持水能力的影響規(guī)律.

國內外關于巖溶地區(qū)土壤持水能力的研究有很多.例如胡陽[3]等通過野外取樣和室內物理實驗,研究了廣西巖溶山區(qū)荒地、林地、草地、灌叢4種不同植被覆蓋下的土壤水分特征曲線,結果表明影響研究區(qū)土壤水分特征曲線的主導因素是非毛管孔隙度.蘇楊[4]等描述了土壤持水能力與土壤結構、容重、土壤總孔隙度等土壤因素的相關性,并總結了3種土壤持水能力的分析方法,其中水分特征曲線法,表征相關性更為直接.Khattab[5]研究了用石灰處理過的三種不同狀態(tài)的膨脹土的土壤水分特征曲線,分析得出土壤持水能力受土壤壓實密度和有機質含量的影響.

大部分關于影響巖溶地區(qū)土壤持水能力因素的研究,都是從宏觀角度去觀測分析的,比如土地利用變化、植株生物作用等對其影響,很少有從土壤的微觀結構角度去研究該問題的.而土壤的持水能力實際上受土壤結構、土壤粘粒、土壤總孔隙度等因素的顯著影響.因此,本文使用離心機和掃描電子顯微鏡(SEM)測量了不同碳酸鈣含量的土壤的SWCC曲線和微觀結構,從宏觀和微觀兩個角度分別分析了碳酸鈣對巖溶土壤持水能力的影響機理.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用的儀器有:高速冷凍離心機、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子天平、環(huán)刀、土壤滲析儀、游標卡尺及烘干箱.試驗所用離心機為GL-22M高速冷凍離心機,其溫度控制范圍為-20～40℃,精度為±1℃;最高轉速為10 000 rpm;最大容量為100 m L×4.試驗所用土壤為采自三峽大學校園的砂型土壤,土壤中不含碳酸鈣,采樣點為非巖溶地區(qū),可用于空白對照.取樣時選取多個取樣點,按照隨機、等量和多點混合的原則進行采樣,去除取樣點處的表層雜物挖取深度為0～30 cm間的土壤,取樣后將多個不同取樣點的樣品充分混合帶回實驗室自然風干,并使用密度計法分析土壤的粒徑級配,大塊土體碾碎后過2 mm篩備用.試驗所用碳酸鈣粉末,其碳酸鈣含量為99.9%.平均粒徑為1～3μm.本試驗通過混合碳酸鈣與砂型土壤來模擬巖溶地區(qū)的含鈣土壤,混合土壤試樣的基本物理性質見表2.所用土壤和碳酸鈣粉末粒徑分析見表1.

表1 樣品粒徑級配

1.2 試驗方法

1.2.1 土壤水分特征曲線測定

離心機樣品盒體積為100 m L,盒中環(huán)刀高度為5.3 cm,裝樣時控制樣品在環(huán)刀中的高度為4 cm,測定出試樣總質量為110 g.由于目前我國土壤的碳酸鈣含量大約在0～50%之間[6],碳酸鈣含量隨土層深度的增加而增加,其中淺層土壤的碳酸鈣含量為0～10%,中部土壤的碳酸鈣含量為10%～30%,深層土壤的碳酸鈣含量為30%以上,按照不同土層碳酸鈣含量的分界點,試驗之前將碳酸鈣粉末按10%、30%、50%3種不同質量百分比含量與砂型土壤充分均勻混合.每種含量的混合試樣均設置兩組,兩組所測得的數據取平均值.將填裝好的樣品放入薄純水層中進行飽和處理3 d,飽和水層厚5 mm.待樣品達到充分飽和狀態(tài)之后,取出環(huán)刀擦干外部的水分并稱重、記錄.此外設置一個空白對照組,不摻和碳酸鈣的110 g純砂型土壤,也在同樣的條件下飽和3 d并稱重、記錄.

試樣培養(yǎng)完成后,使用高速冷凍離心機,設置25℃(常溫),并從小到大設置11個不同轉速,分別為500、1 000、1 500、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000、8 000、9 000 rpm.根據尚熳廷[7]的研究,離心時間設置為100 min,每次旋轉完后從離心機中將環(huán)刀取出,用濾紙吸干環(huán)刀表面的水分后稱重,并用游標卡尺多點多次測量試樣表面至環(huán)刀口的高度,取平均值,記錄離心后樣品的體積.由于離心機內外存在溫差,因此每次離心之前需將試樣放入離心槽內平穩(wěn)溫度20 min.待離心試驗在11個轉速下完全結束后對試樣進行烘干稱重、記錄.根據所測試樣質量變化數據、離心機的轉速和試樣表面至環(huán)刀口的高度可計算出不同轉速下所對應的試樣的吸力、質量含水率和離心半徑,畫出每組試樣的土壤水分特征曲線.

1.2.2 容重、飽和導水率及田間持水量測定

不同碳酸鈣含量的土壤干容重(γ,g/cm3)用環(huán)刀烘干法[8]測量.將0%、10%、30%、50%4種不同碳酸鈣質量百分比含量的土壤分別裝入到4個體積相同的環(huán)刀中,編號并放入烘干箱中烘干至恒重,烘干后稱量并計算出混合試樣的干質量,再除以環(huán)刀體積即可得混合試樣的干容重γ.混合試樣的孔隙度(P,%)利用公式(1)換算得到.

其中體積質量D取2.65 g/cm3.

混合試樣的飽和導水率(Ks,cm/s)用土壤滲析儀測定.土壤滲析儀使用定水頭入滲原理測定Ks,首先將4種不同碳酸鈣含量的混合試樣按其測定的容重分別裝入到4個規(guī)格相同的入滲筒中,試樣均裝入到入滲筒0刻度線處,以確保裝入試樣體積相同;然后將入滲筒放入純水中飽和試樣12 h以上,連接滲析儀的供水馬氏瓶,測定飽和試樣在單位水勢梯度作用下,單位時間t通過垂直于水流方向的單位面積試樣的水流通量Q;最后根據達西定律可計算出飽和導水率Ks,計算公式為:

其中,L為試樣在入滲筒中的厚度,均為11.5 cm;h為定水頭高度(cm);S為入滲筒截面面積,均為19.635 cm2.

混合試樣的田間持水量(FC,%)用環(huán)刀飽和法[9]測定.在測定試樣容重后,將裝滿試樣土壤的環(huán)刀放入5 mm深的純水中12 h,取出用濾紙包好環(huán)刀底面放在干沙上8小時后稱重并記錄,根據公式(3)可求得FC:

其中,m為試樣最大吸水后總質量(g);V為環(huán)刀體積,99.94 cm3.

1.2.3 掃描電鏡觀測

使用掃描電鏡觀察土壤試樣,以便確定試樣的宏觀水分特性曲線與其微觀形態(tài)之間的關系.試驗過程為,先將導電膠或雙面膠紙粘結在掃描電鏡的樣品座上,再取干燥的試樣少量,將其均勻地撒在導電膠或雙面膠紙上面,用洗耳球吹去未粘住的試樣,然后鍍上一層導電膜,最后用掃描電鏡觀察其微觀形態(tài).

1.3 土壤吸力的計算方法

把重力場的樣品放到離心力場中,是用離心機法測定土壤水分特征曲線的原理.在重力場中,H高度的水體受到重力加速度g作用.在離心場中,g的作用由離心加速度rω2代替(r為運轉半徑,ω為角速度).在計算土壤吸力時,需把離心場的勢能換算成重力場內的毛管水勢ρg H,并以水頭高度H表示土壤吸力[10],見公式(4).

對公式(4)進一步整理得:

式中,ρ為水的密度,ρ=1.0 g/cm3;n為轉速(r/min);r0為轉子中心到離心盒底的距離,r0=89.5 mm;h為中心土樣的高度.

公式(5)計算時沒有考慮離心過程中中心土樣高度h的變化,會使計算的土壤吸力值偏小.為獲得更準確的SWCC曲線,就必須考慮離心過程中中心土樣高度h的變化對吸力的影響.l0為離心盒(去蓋后)高度,l0=5.3 cm;h'為離心盒(去蓋后)頂端到土樣表面的距離.將其代入式(4)可得修正公式(6):

1.4 VG模型參數測量與擬合方法

VG(Van Genuchten)模型在1980年被初次提出,由于其不僅能夠表征整個壓力水頭范圍內的水分特征數據,而且該公式能適用于大多數土壤質地類型,因此在國內外得到了廣泛的應用,其具體表達形式為公式(7):

式中,θ為質量含水率(g/g);θs為飽和質量含水率(g/g),飽和含水率θs是土壤吸力等于0時的含水率,即土壤水分特征曲線與橫坐標的交點值,θs的數值可以通過測量得到,見表2;θr為殘余質量含水率(g/g),殘余含水率θr是水分特征曲線導數等于0時的土壤含水率,即dθ/d h=0時的土壤含水率,θr的數值可以通過測量得到,見表2.h為水的負壓或土壤吸力(cm);?、n、m為表示土壤水分特征曲線形狀的參數,其中?是土壤進氣吸力的相關參數,一般認為?=1/hd,hd為土壤進氣吸力[11].

VG模型雖然只是經驗模型,但其中的4個參數都具有較強的物理意義.其中的飽和質量含水率θs可用物理實驗測量,本文所用的方法為,首先烘干試樣至恒重,稱量并記錄其質量m1,然后使試樣充分飽和至恒重,稱量并記錄其質量m2,(m2-m1)/m1即為試樣的飽和質量含水率.殘余質量含水率θr一般取凋萎點處的含水率,即用凋萎系數作為試樣的殘余含水率.本文用Dahiya等推薦的壓力膜儀法[12]測定θr的值,在施加1.5 MPa壓強下對應的含水率即為凋萎含水率.θs和θr的值也可以使用公式(7)對實測數據擬合得到.VG模型中的?、n、m為表示土壤水分特征曲線形狀的參數,沒有辦法實測,只能通過對實測數據的曲線擬合得到.

VG模型是一個非線性函數,本文使用Matlab的具有最小二乘意義的非線性擬合函數lsqcurvefit進行曲線擬合.曲線擬合函數首先調用VG模型的目標函數,然后設置4個參數的初始值及初始值的上下邊界值,最后將土壤吸力和質量含水率的實測數據作為輸入,輸出4個參數的模擬值及擬合曲線.

2 結果與分析

2.1 不同碳酸鈣含量對土水特征曲線的影響

使用離心機測得的含不同碳酸鈣含量的土壤水分特征曲線如圖1所示.從圖1可見,隨著土壤中碳酸鈣含量的增加,水分特征曲線顯著向左移動,即土壤含水率下降,持水能力降低.說明碳酸鈣含量的增加顯著降低土壤的持水能力.

圖1 試樣水分特征曲線實測與模擬情況

在試驗測定的土壤含水率和基質吸力數據點的基礎上,使用VG模型對SWCC曲線進行擬合,結果如圖1所示.擬合所得的各參數值見表2.

表2 試樣物理性質及VG模型參數擬合情況

從圖1擬合的結果看,實測數據與擬合曲線吻合度較高,實測和計算質量含水率的殘差平方和范數也較小,均小于0.000 1,誤差值很小,說明試驗結果可信度高.由表2可見,由VG模型確定的參數θs和θr與實測值也都較吻合.本文根據VG模型擬合的θr取值范圍為0.043～0.056 4,而實測該土樣的殘余含水率為0.038～0.051,兩者比較接近.由VG模型擬合的θs取值范圍為0.291 8～0.411 9,而實測試樣的飽和含水率為0.30～0.40,兩者也比較接近.說明VG模型也適用于巖溶地區(qū)土壤水分特征曲線的擬合,隨著土壤中碳酸鈣含量的增加,土壤飽和含水率的實測值和擬合值都降低,殘余含水率的實測值和擬合值都增加.由VG模型擬合的?值取值范圍為0.022 4～0.811 2,參數?是土壤進氣吸力的相關參數,?值隨土壤中碳酸鈣含量的增加而減小,表明土壤進氣吸力在增大,也即試樣的通氣性增加,而持水能力減小.形狀參數n的大小決定著土壤水分特征曲線的坡度,坡度也即曲線的變化速率.由表2可見,n值取值范圍為1.193 2～1.653 9,隨著土壤中碳酸鈣含量的增加,n值在增大,表明試樣水分特征曲線的坡度在增加,碳酸鈣含量對土壤水分特征曲線的影響更顯著.

2.2 碳酸鈣含量對試樣田間持水量及飽和導水率的影響

通過物理實驗測定的混合試樣的容重、孔隙度、飽和導水率以及田間持水量見表3.每種碳酸鈣含量的試樣設置3組,對每種混合試樣重復3次測定上述4個基本物理量,每個物理量的3組數據最后取平均值.

表3 混合試樣4個基本物理量的測定情況

為了分析試樣容重與試樣田間持水量和飽和導水率之間的關系,根據表3繪出混合試樣飽和導水率和田間持水量隨試樣容重變化的曲線圖,如圖2所示.

圖2 混合試樣飽和導水率和田間持水量隨容重變化曲線

從表3可見,隨著土壤中碳酸鈣含量的增加,土樣的容重在逐漸增大,孔隙度、田間持水量、飽和導水率逐漸減小.飽和導水率的大小與土樣的質地、容重、孔隙分布以及有機質含量等因素有關,它是表征土壤入滲能力的重要參數,是反映土壤涵養(yǎng)水分和抗侵蝕能力的重要指標[13].當土壤碳酸鈣含量增大后,容重變大,土壤變得密實,孔隙變小,孔隙度減少.而水分在通過土壤孔隙時除了受到重力作用向下運動外,還同時受到土壤顆粒間的毛管吸力的阻礙作用.土壤顆粒之間接觸越緊密,土壤孔隙就越小,這時土壤顆粒間的毛管吸力也就越大,所以水分在碳酸鈣含量大的土壤中下滲速率變慢.由表3可見,隨著土壤中碳酸鈣含量的增加,土樣飽和導水率逐漸減小,水分在土體內運動變得困難,土樣的持水能力逐漸變弱.

田間持水量是指在田間自然狀況下土壤所保持的最大持水量,是體現土壤保持水分能力的一種基本性質[14].由表3可見,隨著土壤中碳酸鈣含量的增加,土樣的田間持水量逐漸減小,這說明土樣保持水分的能力在減弱.從圖2可見,土樣容重對土樣飽和導水率和田間持水量的影響很大,隨著土樣容重的增大,土樣飽和導水率和田間持水量都在減小,即持水能力減弱,這與前面碳酸鈣對土壤水分特征曲線的影響結果一致.

2.3 混合試樣微觀結構觀測

土壤微觀結構決定了其宏觀性狀,為了進一步揭示碳酸鈣的存在對土壤水分特征曲線影響的微觀機理,本文使用掃描電子顯微鏡觀察了純碳酸鈣粉末、純土壤、以及不同混合比例的試樣的微觀結構.

在800倍掃描電子顯微鏡視場中,試驗所用純碳酸鈣粉末呈表面光滑且不規(guī)則的晶體結構,晶粒之間存在較大的孔隙(如圖3所示);而純砂型土壤,則呈現板結狀態(tài),并且土壤孔隙相對碳酸鈣晶體較小(如圖4所示),土粒之間密集的聚集在一起.將純碳酸鈣粉末與純土壤按不同質量百分比混合在一起培養(yǎng)數天后,在電子顯微鏡下觀察,發(fā)現兩種物質的混合改變了土壤原有的板結狀態(tài).隨著碳酸鈣含量的增加,土壤中出現的碎小顆粒逐漸增多,且形狀極不規(guī)則,大小不一(如圖5～7所示).這些碎小顆粒的出現,使得原土壤的大孔隙明顯變大變多.土壤中碎小顆粒的表面并不是光滑的,而是呈粗糙褶皺狀,這是碳酸鈣粉末與土壤顆粒發(fā)生機械結合的結果[15].

圖3 純碳酸鈣粉末掃描電鏡照片(800×)

圖4 純砂型土壤掃描 電鏡照片(800×)

圖5 含10%碳酸鈣混合試樣掃描電鏡照片(800×)

圖6 含30%碳酸鈣混合試樣 掃描電鏡照片(800×)

圖7 含50%碳酸鈣混合試樣掃描電鏡照片(800×)

圖8 含10%碳酸鈣自然界巖溶土掃描電鏡照(800×)

土壤的持水能力是許多因素綜合作用的結果.在石灰性土壤中,碳酸鈣含量是影響土壤持水性及孔性的一個重要的因素[16].具體來說,在純砂型土壤中添加碳酸鈣后,由于鈣離子與土壤膠體都具有較強的吸附能力,鈣離子呈陽性,土壤顆粒呈陰性.碳酸鈣將土壤中粉粒與粘粒等膠結在一起,與土粒聚集形成穩(wěn)定的團粒結構,使土壤的小孔隙減少,大孔隙增多,總孔隙度降低,這是團粒結構的一大特點[17].土壤通過小孔隙的毛管引力保持水分,大孔隙則有利于土壤通氣.

在掃描電子顯微鏡視場中,隨著土壤中碳酸鈣含量的增加,混合土樣中的團粒結構增多,則土壤的小孔隙逐漸減少,大孔隙逐漸增多,導致土壤持水能力減弱,通氣能力增強.含10%碳酸鈣的土樣,其團粒結構較少,持水能力相對較強,將其與自然界中約10%碳酸鈣含量的巖溶土(如圖8所示)對比,在800倍掃描電子顯微鏡下觀察,發(fā)現土樣中都含有很多碎小顆粒,結構大致相同,最大的差異在于混合土樣的碎小顆粒表面呈褶皺狀,而自然界中巖溶土樣的碎小顆粒表面呈蜂窩狀.后者表面呈蜂窩狀是碳酸鹽巖溶蝕風化的結果.這說明土壤中碳酸鈣的來源,不僅僅是母巖或礦物風化、風塵攜入等物理鈣積過程[18],還有土-巖界面發(fā)生巖溶反應,碳酸鹽巖不斷溶蝕淀積在土壤中的化學鈣積過程.在本研究中,向砂型土壤里摻加碳酸鈣沒有考慮復雜的化學溶蝕淀積過程,所以實驗結果只能初步說明物理鈣積過程對土壤水分特征曲線的影響.

3 結 論

本研究使用離心機和掃描電子顯微鏡(SEM)測量了不同碳酸鈣含量的土壤的SWCC曲線和微觀結構,并對VG模型中的參數進行了擬合,還通過物理實驗測定了不同碳酸鈣含量的土壤的容重、孔隙度、田間持水量以及飽和導水率4個物理量,從宏觀和微觀兩個角度分別分析了碳酸鈣對巖溶土壤持水能力的影響效果.試驗結果表明碳酸鈣對土壤水分特征曲線、容重、孔隙度、田間持水量以及飽和導水率都有很顯著的影響,進而影響著土壤的持水性能.

具體而言,隨著土壤中碳酸鈣含量的增加,土樣的容重在逐漸增大,孔隙度、田間持水量、飽和導水率逐漸減小,并且在相同土壤吸力下,土壤含水率也在下降,持水能力降低.在高倍掃描電子顯微鏡下觀察,發(fā)現隨著土壤中碳酸鈣含量的增加,混合土樣中的團粒結構增多,土樣的小孔隙逐漸減少,大孔隙逐漸增多.

VG模型作為土壤水分特征曲線的經驗模型,能廣泛適用于大多數土壤情況.本文對試驗土樣水分特征曲線采用VG模型進行擬合,發(fā)現其擬合結果較好,說明VG模型也適用于巖溶地區(qū)土壤水分特征曲線的擬合.由于本研究沒有考慮碳酸鈣復雜的溶蝕淀積過程,試驗結果只用于說明物理鈣積過程對土壤水分特征曲線的影響,而土壤中碳酸鈣的成因是多種方式共同產生的結果,所以在本文研究的基礎上,還需進一步研究碳酸鈣在土壤顆粒上的化學沉淀過程對土壤水分特征曲線的影響.

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