鐘建東

(華建集團上海申元巖土工程有限公司, 上海 200001)

我國沿海各地區(qū)廣泛分布著黏粒含量高、砂粒含量低、黏性高、蓄水能力強的黏性土.當土壤缺水時,黏性土黏結(jié)干硬嚴重,農(nóng)作物根系難以發(fā)達,影響農(nóng)作物根系呼吸透氣、吸收養(yǎng)分;當水分較多時,黏性土因黏結(jié)性強導致土壤黏稠、透氣性差,不利于作物的生長發(fā)育.因此,有必要對黏性土進行改良來提高作物的生長和發(fā)育.

土壤的耕作性能包括土壤的松軟度、含水率、容重等指標.文獻[1]研究表明施加生物炭可增加黑土區(qū)土壤各土層土壤含水率、孔隙度,降低土壤容重；文獻[2]研究發(fā)現(xiàn)生物炭作為寧南山區(qū)土壤改良劑可降低土壤容重和提高土壤持水性能；文獻[3]研究表明秸稈還田可以顯著改善土壤的性能,提高土壤孔隙度；文獻[4]研究表明稻殼灰可以提高上海潮土水穩(wěn)定性大團聚體的含量,有效改良土壤的機械生產(chǎn)力；文獻[5]研究了不同土體構(gòu)型土壤的持水性能,發(fā)現(xiàn)黏砂型土壤的保水、保肥性能最好,其他土體構(gòu)型需進行改良來提高土壤的持水性能.土壤性能受土壤溫度、黏粒含量、土壤孔隙度、水分和養(yǎng)分等因素的影響[6],國內(nèi)外學者對于土壤性能提了不同的評價方法.文獻[7]建議用稠度指標來評價土壤性能，稠度指標包含土壤的液限、塑限、液性指數(shù)和塑性指數(shù),可反映細粒土吸附結(jié)合水的能力；土壤的擊實性能可以反映土壤緊實度,了解土壤的物理機械性質(zhì)可為合理設(shè)計農(nóng)業(yè)機械行走系統(tǒng)、耕作部件提供參考；文獻[8]建議用擊實指標來評價土壤性能,并指出擊實試驗的最佳含水量為耕作最適含水量；文獻[9]和文獻[10]發(fā)現(xiàn)土壤最佳耕作性能時的最大含水量是塑限的0.6～0.9倍,或是在最大干密度時所對應的含水量.

本文將麥秸稈生物炭和稻殼灰作為土壤改良材料,將其按照相同的體積比分別加入上海黏性土中,通過室內(nèi)試驗分析比較兩種混合土的稠度指數(shù)和擊實性能,旨在將生物炭和稻殼灰用于改善上海黏性土的耕作性能,為資源的循環(huán)利用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐,對綠色農(nóng)業(yè)的健康經(jīng)濟發(fā)展作出進一步探索.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土來自上海崇明區(qū)某農(nóng)田空地,土壤的物理指標見表1,粒徑分布見圖1.麥秸稈生物炭和稻殼灰均來自市場購買,麥秸稈生物炭和稻殼灰的粒徑分布見圖2,成分組成質(zhì)量百分含量見表2.

表1 試驗土的基本性能指標

圖1 試驗用土粒徑分布圖

圖2 稻殼灰和麥秸稈生物炭粒徑分布圖

表2 麥秸桿生物炭和稻殼灰成分表 %

1.2 試驗方法

首先將取來的土在自然條件下風干,再將風干的土碾碎過篩,分別與麥秸稈生物炭、稻殼灰按照體積比0%、10%、20%、30%進行混合；然后按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTGE 40—2020)[15]加入適量的水攪拌均勻,再將土壤混合物裝入聚乙烯袋,在養(yǎng)護缸中養(yǎng)護24 h以確保水分平衡；最后制備土樣并測定土壤的液限、塑限、塑性指數(shù)、稠度值、最大干密度和最優(yōu)含水量.每組試驗做3個平行試驗，取平均值以減小試驗誤差.

液塑限聯(lián)合測定儀采用浙江土工儀器制造有限公司生產(chǎn)的型號為STYS-1型數(shù)顯液塑限聯(lián)合測定儀;擊實試驗采用輕型Ⅰ-1類試驗,所用的輕型擊實儀為浙江土工儀器制造有限公司生產(chǎn),型號為Ⅰ-Ⅰ.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 液塑限聯(lián)合測定試驗結(jié)果與分析

麥秸稈生物炭混合土(以下簡稱炭土)和稻殼灰混合土(以下簡稱灰土)液限、塑限聯(lián)合測定試驗結(jié)果如表3所示.

表3 兩種混合土液限、塑限試驗結(jié)果

由表3可見:隨著麥秸稈生物炭含量的增加,混合土的塑限指標先增大后減小,液限指標和塑性指數(shù)逐漸增大，當炭土體積比為10%、20%、30%時,炭土的塑限較素土分別增長了7.00%、6.63%、3.21%,液限分別增長了4.95%、12.37%、27.04%,塑性指數(shù)分別增長了0.76%、24.18%、75.99%，由此可知,麥秸稈生物炭對上海黏性土的液限和塑性指數(shù)的影響顯著；隨著稻殼灰含量的增大,塑限指標呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,液限和塑性指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，當灰土體積比為10%、20%、30%時,液限分別增加22.75%、66.40%、62.80%,塑限分別增加了-1.23%、3.79%、10.66%,塑性指數(shù)分別增加了72.02%、195.01%、169.91%，由此可知,稻殼灰對土體的液限和塑性指數(shù)影響顯著,對塑限的影響較小.

由圖3中可見,炭土和灰土的塑限變化均較為平緩,灰土的液限較炭土的液限增加幅度更大.

圖3 混合土的液限、塑限變化圖

由試驗結(jié)果推斷其作用機理為:麥秸稈生物炭和稻殼灰都可溶于水,可提高土壤的吸水能力,能吸附更多的水分子在土顆粒周圍,土體中水化作用增強,結(jié)合水含量增大,使塑性指數(shù)增大；由表2可見,麥秸稈生物炭和稻殼灰中均含有礦物成分,這些礦物成分可以和土中水的高價陽離子發(fā)生反應,使水中高價陽離子濃度減小,土顆粒表面吸附的反離子層中陽離子數(shù)量增多,層厚增加,結(jié)合水含量相應增大,使土體的塑性指數(shù)增大.文獻[11]指出塑限和塑性指數(shù)可表征土壤最佳含水量的變化范圍,進而可反映土壤的持水能力.將生物炭和稻殼灰作為改良劑加入到土壤中,能增大土壤含水量變化范圍,提高土壤持水能力,促進作物生長和發(fā)育.從試驗數(shù)據(jù)對比可以看出,麥秸稈生物炭的改良效果要優(yōu)于稻殼灰.

2.2 擊實試驗結(jié)果與分析

炭土和灰土擊實試驗結(jié)果如表4所示.

表4 兩種混合土擊實試驗結(jié)果

圖4為炭土和灰土含水量和干密度的關(guān)系曲線圖.由圖4(a)可見,隨著炭土體積比的增大,土體的最優(yōu)含水量呈逐漸增大的趨勢,最大干密度則呈逐漸減小的規(guī)律,分析表4可見,當炭土體積比分別為10%、20%和30%時,土體的最優(yōu)含水量分別增加了5.23%、9.10%和14.85%,最大干密度分別減小了0.60%、7.19%和8.38%；由圖4(b)可見,灰土和炭土的擊實性能有相似規(guī)律,當灰土體積比為10%、20%、30%時,最優(yōu)含水量分別增加了5.94%、9.10%、21.92%,最大干密度分別減小了3.59%、6.59%、9.58%.由此可知,麥秸桿生物炭和稻殼灰對改善上海黏性土的擊實性能都具有顯著作用.

(a) 炭土

圖5為兩種混合土隨體積比變化的最優(yōu)含水量和最大干密度變化趨勢.由圖5可見,兩種混合土的最優(yōu)含水量差距不大,但炭土的最大干密度要比灰土大.

分析比較試驗結(jié)果并參考前人研究成果[4],推斷其作用機理為：1) 麥秸稈生物炭和稻殼灰都可溶于水,可提高土壤的吸水能力,吸附更多的水分子在土顆粒周圍而生成更多、更穩(wěn)定的水穩(wěn)定性大團聚體,表現(xiàn)為土壤的最優(yōu)含水量增大,而大團聚體的增多會增大土壤的孔隙,孔隙被吸附在水穩(wěn)定性團聚體周圍的水分子充滿,使土壤的干密度減小，隨著麥秸稈生物炭或稻殼灰含量的增大,土壤呈現(xiàn)出最佳含水量逐漸增大、最大干密度減小的規(guī)律；2) 灰土的最大干密度小于炭土的最大干密度,可能是因為稻殼灰的灼燒溫度更高,燃燒得更充分,其粒徑較麥秸稈生物炭的粒徑更小,將其與上海黏性土混合后土體中細粒土的含量較麥秸稈生物炭更多,使土壤的擊實曲線形態(tài)不變但朝右下方移動更多.麥秸稈生物炭和稻殼灰都可使土壤的最佳含水量逐漸增大,表明土壤的田間持水能力逐漸增強,土壤的生產(chǎn)力得到有效提高,同時土壤的最大干密度減小,說明土壤的疏松程度更高,改善了黏性土透氣性差的缺點,有利于作物根系的呼吸、透氣.因此,在改善土壤擊實性能方面,麥秸稈生物炭和稻殼灰均有效,但麥秸桿生物炭的改善效果更好.

(a) 最優(yōu)含水量

3 結(jié)論

將麥秸稈生物炭和稻殼灰作為改良劑加入上海黏性土中,通過液限、塑限聯(lián)合測定試驗和擊實試驗可以得出以下結(jié)論：

1) 麥秸稈生物炭和稻殼灰均能改善土壤的稠度指標,隨著生物炭或稻殼灰含量的增加,土體的塑限指標先增大后減小,液限指標和塑性指數(shù)逐漸增大；

2) 麥秸稈生物炭和稻殼灰均能改善土壤的擊實性能,隨著麥秸稈生物炭或稻殼灰含量的增大,土體的最優(yōu)含水量逐漸增大,最大干密度逐漸減??；

3) 麥秸稈生物炭和稻殼灰作為改良劑,用于改善上海黏性土,均能使土壤的塑限和塑性指數(shù)、最優(yōu)含水量增大,最大干密度減小,麥秸稈生物炭對上海黏性土稠度指標和擊實性能的改良效果均優(yōu)于稻殼灰,且麥秸稈生物炭和稻殼灰施加體積比在20%時,改良效果最好.