安文舉，李王成,2,3*，趙廣興，賈振江，劉巧玲，王潔，穆敏，李陽陽

?水土資源與環(huán)境?

干濕循環(huán)對寧夏壓砂礫石劣化的田間試驗(yàn)研究

安文舉1，李王成1,2,3*，趙廣興1，賈振江1，劉巧玲1，王潔1，穆敏1，李陽陽1

（1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021；3.省部共建西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021）

探明寧夏中部干旱帶壓砂田礫石在干濕循環(huán)下的劣化情況。以壓砂地常用覆蓋礫石—灰綠板巖為研究對象，通過淋水實(shí)現(xiàn)干濕循環(huán)試驗(yàn)，得到不同劣化程度礫石試樣。利用SEM及PCAS計(jì)算得到劣化后礫石試樣的各種參數(shù)并監(jiān)測各階段礫石質(zhì)量損失。①初始階段大粒級礫石劣化程度總體高于小粒級，干濕循環(huán)下孔隙連通性增強(qiáng)，出現(xiàn)大量碎屑與絮狀礦物；②干濕循環(huán)后礫石粒級同孔隙數(shù)量成正比，同礫石平均孔隙面積成反比，孔隙的均勻系數(shù)較初始大幅升高，最大增幅達(dá)129.4%。粒級越大吸水率越小，粒級0.5～2 mm壓砂礫石在250、125 mL淋水下較初始增幅最高，分別增加75.05%、56.60%；③干濕循環(huán)后壓砂礫石階段質(zhì)量損失率、累積質(zhì)量損失量與粒級成反比，其中粒級0.5～2 mm壓砂礫石在整個循環(huán)中受溫度影響較敏感，其累積質(zhì)量損失量在250 mL淋水量下比125 mL提高27.66%。在施加干濕循環(huán)影響下，小粒級壓砂礫石劣化速度和程度總體大于大粒級，礫石首先要從大粒級劣化為小粒級，再劣化成壤。

干濕循環(huán)；掃描電鏡；孔隙；吸水率；質(zhì)量損失率；PCAS

0 引言

【研究意義】寧夏中部干旱帶屬于典型的溫帶大陸性氣候，常年干旱少雨，是我國西部地區(qū)荒漠化極為嚴(yán)重的地區(qū)之一。為減少蒸發(fā)、抑制風(fēng)蝕，壓砂地逐漸成了當(dāng)?shù)刂饕鬓r(nóng)田[1]。由于氣候惡劣，作物生長嚴(yán)重倚賴灌溉。尤其是當(dāng)?shù)靥禺a(chǎn)的硒砂瓜、中衛(wèi)枸杞等作物，在整個生長周期內(nèi)需要進(jìn)行飽和灌溉4～6次。灌溉使西瓜和枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)馳名全國，但隨使用年限增加，當(dāng)?shù)貕荷疤镆呀?jīng)出現(xiàn)了不同程度的老化。因此開展壓砂礫石快速成壤化的研究對于恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境具有重要意義?！狙芯窟M(jìn)展】目前，對于巖石劣化的研究，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量試驗(yàn)并取得了豐碩的成果。Dixon等[2]早在1994年就將裝有白云石和花崗巖的網(wǎng)袋放置在瑞典某峽谷內(nèi)5種不同覆蓋植被上并在實(shí)驗(yàn)室同步模擬，1999年收集數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室樣品的總質(zhì)量損失不超過0.24%，而自然中的白云石質(zhì)量減少0.54%/a，花崗巖為0.41%/a且超過隨后4 a的所有情況，最終闡述了環(huán)境尤其是濕度對巖石劣化的顯著影響；Cie?lik等[3]對巖石樣品中的塑性體積變化及其劣化過程的斷裂發(fā)育進(jìn)行了分析，建立了巖石試件的非彈性體積應(yīng)變，將剪脹作為巖石破壞過程中壓裂發(fā)展的一種度量標(biāo)準(zhǔn)。在對巖石劣化的研究進(jìn)程中發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)能明顯加快巖石劣化的速度和程度，其物理性質(zhì)也隨即發(fā)生改變。Wang等[4]對龍灘水電站岸坡經(jīng)過數(shù)次干濕循環(huán)的金剛石進(jìn)行一系列三軸蠕變試驗(yàn)，提出了考慮飽和-脫水循環(huán)影響的損傷非線性Burgers黏彈塑性損傷模型并確定了模型蠕變參數(shù)；崔凱等[5]通過干濕循環(huán)和化學(xué)溶液共同作用發(fā)現(xiàn)賀蘭山巖畫試樣內(nèi)部線性孔隙、孔洞數(shù)量和連接情況的不同是由于內(nèi)部水解、化學(xué)溶蝕和鹽分結(jié)晶和溶解共同導(dǎo)致；鄧華鋒等[6-8]、Zhang等[9]、Fang等[10]通過對三峽庫區(qū)巖石進(jìn)行多階段、多角度的干濕劣化試驗(yàn)，建立了巖石劣化損傷本構(gòu)模型[11]，能夠較好地反映浸泡-風(fēng)干循環(huán)水巖作用的損傷效應(yīng)。申林方等[12]通過開展干濕循環(huán)試驗(yàn)研究溶液pH值及循環(huán)次數(shù)作用對玄武巖單軸抗壓強(qiáng)度的劣化規(guī)律，最終發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)會促進(jìn)巖石孔隙生長，而孔隙生長的同時會反作用于巖石的整個劣化進(jìn)程，從而進(jìn)一步加速巖石劣化。Sen等[13]發(fā)現(xiàn)水分是影響細(xì)顆粒微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素之一，在干濕循環(huán)過程中，細(xì)顆粒結(jié)構(gòu)的變化并非可逆，隨著循環(huán)周期的增加，其體積特性將達(dá)到平衡狀態(tài)；對于寧夏中部干旱地區(qū)壓砂礫石的研究主要集中在巖石元素淋溶、壓砂地土壤水鹽運(yùn)移等方面。李王成等[14]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分析了不同補(bǔ)水量、鹽分及溫度對壓砂礫石元素淋溶的影響；譚軍利等[15]通過土柱模擬試驗(yàn)得出砂層厚度會影響土壤水鹽分布。劉民安等[16]通過室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)研究了不同鹽度及粒徑對壓砂礫石的損傷過程，初步分析了當(dāng)?shù)貕荷暗[石的損傷機(jī)理?！厩腥朦c(diǎn)】目前，對于開展田間試驗(yàn)探索壓砂礫石劣化機(jī)理研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，通過田間干濕循環(huán)試驗(yàn)、掃描電鏡（SEM）、顆粒（孔隙）及裂隙圖像識別與分析系統(tǒng)（PCAS）、稱質(zhì)量法，研究分析劣化過程中的礫石孔隙生長、吸水率變化及質(zhì)量損失規(guī)律，為加速老壓砂地礫石劣化，促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于寧夏環(huán)香山地區(qū)的香山鄉(xiāng)（36°56′24 N，105°13′44 E），平均海拔1 479.2 m，氣壓834.0 hPa，年平均溫度7.0～8.5 ℃，年均降雨量不足200 mm，年均蒸發(fā)量為2 100～2 400 mm，屬溫帶大陸性氣候[17]。該地區(qū)干旱少雨，植被覆蓋率低，晝夜溫差大，是典型的極度干旱區(qū)。

1.2 試驗(yàn)材料與方法

1.2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為當(dāng)?shù)爻Ｒ姷膲荷暗[石—灰綠板巖，其地質(zhì)年代為奧陶系，常見為灰綠-深灰色，主要化學(xué)成分為SiO2，利用XRD分析其主要礦物成分為石英、斜長石、云母，屬變質(zhì)巖，其結(jié)合水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%[1]。通過實(shí)地勘察，最終在當(dāng)?shù)啬骋缓拥离S機(jī)采取劣化率較低的礫石樣品，按照當(dāng)?shù)貕荷傲?xí)慣將采集的礫石過0.5～15 mm篩，保證粒度均勻后運(yùn)回寧夏中衛(wèi)市香山鄉(xiāng)寧夏大學(xué)壓砂地持續(xù)利用產(chǎn)學(xué)研試驗(yàn)站開展大田試驗(yàn)。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過設(shè)置二因素（淋水量、粒級）來探究干濕循環(huán)下壓砂礫石的劣化效果，結(jié)合當(dāng)?shù)貕荷傲?xí)慣，選取0.5～2、2～5、5～10、10～15 mm共4個粒級組。寧夏中衛(wèi)市香山鄉(xiāng)6—9（1989—2019年）月平均溫度最高，太陽輻射劇烈，水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，所以在該月份開展試驗(yàn)。在當(dāng)?shù)貕荷暗刂须S機(jī)布置試驗(yàn)區(qū)域，采用亞克力管縱置和透水膜兜底結(jié)合，按照層厚30 mm將樣品埋置于大田試驗(yàn)區(qū)域。透水膜是1層粒徑極小的薄膜，既能充分實(shí)現(xiàn)大田熱交換，又可實(shí)現(xiàn)淋水的自然下滲及匯流。試驗(yàn)布置見圖1。采用深圳市德晟泰科技公司生產(chǎn)的精度為0.1 ℃的數(shù)顯溫度傳感器，將溫度傳感器探頭平置于樣品中間，以觀測每個樣品的溫度變化。

圖1 大田試驗(yàn)樣品布置圖

淋水采用當(dāng)?shù)刈詠硭疁睾愣?。淋水時間為每日13:30—14:00，為保證所有樣品都能參與干濕循環(huán)，淋水后水量須與礫石表面齊平，設(shè)定淋水量為125 mL。同時為了對比觀察不同水量影響下的劣化效果，設(shè)置250 mL的對比水量。試驗(yàn)設(shè)計(jì)詳見表1。

表1 試驗(yàn)因素水平表

1.2.3 試驗(yàn)樣品溫度控制方法

該試驗(yàn)是通過采用淋水實(shí)現(xiàn)高溫差下壓砂礫石干濕循環(huán)，從而促進(jìn)其劣化效果。如圖2是6月1日—8月31日LQ1處理壓砂礫石溫度日變化圖。由圖2可知，壓砂礫石在日出后溫度上升，在13:30—14:00左右達(dá)到極值，最高溫度可達(dá)66℃，在該時刻淋以溫差達(dá)40 ℃的冷水，壓砂礫石表面溫度驟降，降幅達(dá)40%，其后水分下滲和蒸發(fā)，礫石逐漸風(fēng)干，即進(jìn)行1次干濕循環(huán)。若該方法可以加快巖石劣化，則可以在夏季高溫月份定量淋水，不僅節(jié)省自然、社會資源，同時也可以減少壓砂礫石中礦質(zhì)元素的流失。

圖2 試驗(yàn)周期內(nèi)LQ1處理溫度日變化圖

1.3 觀測指標(biāo)及計(jì)算方法

1.3.1 壓砂礫石孔隙生長統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析

采用形狀系數(shù)來對孔隙的形狀特征進(jìn)行評價[18]，其計(jì)算式為：

=4π/2， （1）

式中：為形狀系數(shù)；為孔隙顆粒的實(shí)際面積；為孔隙顆粒的實(shí)際周長。

因?yàn)樵谕黄矫鎯?nèi)不同孔隙的形狀參數(shù)不同，故采用平均形狀系數(shù)來評價整體的孔隙形狀，其計(jì)算式為：

概率熵是施斌[19]從現(xiàn)代信息系統(tǒng)中引進(jìn)用來反映顆粒排列方向的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即整體定向分布情況。概率熵越大，孔隙排列越分散，巖石不具有或是具有極微弱定向性，反之孔隙越趨于一個方向，計(jì)算式為：

式中：m為概率熵；為孔隙長軸方向在第個區(qū)間內(nèi)的個數(shù)；為總顆粒數(shù)；即是在單元體排列方向[0o～180o]中等分的方位區(qū)數(shù)，以10o為1個單位，即=18。

分形維數(shù)用來描述孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，反映了對象占有空間有效性[20]。若孔隙存在分形特征，則孔隙的等效面積和周長之間關(guān)系如下：

式中：為常數(shù)；為孔隙分形維數(shù)，其取值為1～2；值越小，表明巖石孔隙結(jié)構(gòu)越簡單；為多邊形等效周長；為多邊形等效面積。

1.3.2 壓砂礫石質(zhì)量損失率分析

質(zhì)量損失貫穿礫石劣化的整個過程。在試驗(yàn)過程中，每循環(huán)20 d取樣并稱量滯留在各粒徑網(wǎng)篩上的礫石質(zhì)量，記錄不同粒級的礫石樣品質(zhì)量損失變化。

壓砂礫石階段質(zhì)量損失率[21]為：

式中：為壓砂礫石階段質(zhì)量損失率（%）；為樣品總質(zhì)量（g）；S為過篩后滯留質(zhì)量（g）；為次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 對不同粒級壓砂礫石表面微觀形狀分析

采用德國卡爾蔡司公司Zeiss EVO 18在2 000倍下對不同粒級壓砂礫石樣品表面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測，干濕循環(huán)前SEM圖像如圖3所示。不同粒級壓砂礫石表面呈微溝壑狀，有明顯沖刷痕跡，孔隙不發(fā)育或微發(fā)育，多呈各向異性，連通性較差；礫石表面附著少量片狀碎屑，且隨粒級增大碎屑數(shù)量增多，碎屑的不規(guī)則排布使大粒級孔隙數(shù)量顯著高于小粒級，這可能是大粒級礫石多分布于大田砂土層上部，受光照和降雨沖刷影響更大，其表面劣化程度也相對更高。

干濕循環(huán)后SEM圖像如圖4所示，不同淋水量不同粒級礫石的劣化程度明顯，表現(xiàn)在LQ1、LQ2處理表面出現(xiàn)大量排布隨機(jī)、大小不一的碎屑，板塊間膠結(jié)作用減弱，并有明顯層理出現(xiàn)，LQ3處理孔隙相互連通呈河谷狀，連通長度達(dá)63 μm，鱗狀碎片數(shù)量最多，有微孔隙發(fā)育。125 mL淋水量下，LB1處理表面生長大量孔隙，LB2處理表面衍生大量細(xì)微碎屑，LB3處理表面巖屑與絮狀物夾雜，表層有脫落跡象，LB4處理則是大量絮狀礦物布滿整個表層，絮狀物的衍生滋生部分微孔隙。

圖3 初始階段不同粒級壓砂礫石SEM圖像（2 000倍）

圖4 干濕循環(huán)后不同粒級壓砂礫石SEM圖像（2 000倍）

總體來說，循環(huán)后礫石表面粗糙程度要遠(yuǎn)高于循環(huán)前，隨粒級增大，礫石表面由碎屑向絮狀礦物轉(zhuǎn)化。這可能是因?yàn)樗謱Σ煌＜壍[石的作用效果不同，對小粒級礫石主要是水化作用導(dǎo)致膠結(jié)作用減弱碎屑脫落，尚未脫落的碎屑黏附在表層，而對大粒級主要是礦物溶解，從而衍生絮狀物。

2.2 壓砂礫石微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)變化分析

采用南京大學(xué)開發(fā)的孔隙（顆粒）及裂隙圖像識別與分析系統(tǒng)（PCAS）[22]對壓砂礫石微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)變化情況進(jìn)行分析。PCAS通過設(shè)定閾值、最小孔隙面積和封閉半徑等參數(shù)，對SEM圖像進(jìn)行二值化操作，將大于設(shè)定閾值的像素點(diǎn)識別為顆粒，呈白色；反之識別為孔隙，呈黑色。在設(shè)定閾值時首先設(shè)置較大閾值并分割圖像，后逐漸減小直到較暗區(qū)域轉(zhuǎn)為白色，在這一值附近調(diào)整，直到將多數(shù)孔隙區(qū)分出來，為減小誤差，取多次均值為最終閾值。由于SEM圖像中的孔隙是由一些像素點(diǎn)組成，當(dāng)像素點(diǎn)較少時，則無法真實(shí)表示孔隙形狀，所以需要設(shè)定所分析的最小孔隙面積，這一值通常取50；封閉半徑定義為腐蝕結(jié)構(gòu)元素的半徑，當(dāng)孔隙間連接直徑小于2時，則會被區(qū)分為2個獨(dú)立區(qū)域，即被識別為2個孔隙，本研究中該值取2。最后將識別結(jié)果做運(yùn)算[23]。以圖5為例。

圖5 掃描電鏡圖像識別及分析

PCAS是通過SEM圖像像素來進(jìn)行識別和運(yùn)算的，SEM圖像為1 024×714像素，實(shí)際大小10.667×7.438 cm，則換算1個像素單位代表0.052 1 μm[24]。壓砂礫石干濕循環(huán)前后幾何參數(shù)變化見表2。從表2可以看出，淋水均有利于促進(jìn)不同粒級礫石劣化，孔隙數(shù)量呈上升趨勢，但LQ處理下孔隙數(shù)量均比LB處理少，與CK相比差異顯著。平均孔隙面積總體呈下降趨勢，LB、LQ處理與CK均有明顯差異。結(jié)合SEM圖像，CK壓砂礫石尚處于劣化初期，孔隙形成是由成巖作用及自然劣化，循環(huán)后礫石表面出現(xiàn)了大量碎屑和絮狀物，并隨循環(huán)次數(shù)增加碎屑數(shù)量迅速增加，使得孔隙數(shù)量激增而平均面積下降?？紫兜钠骄螤钕禂?shù)是表征孔隙形狀特征的參數(shù)，由表2可知，只在粒級0.5～2 mm下LQ處理顯著高于CK，其他粒級均無顯著規(guī)律。通過SEM圖像看到相當(dāng)占比的微小孔隙形狀與初始無較大差別，即使一些孔隙生長連通使其構(gòu)造改變，但循環(huán)中不斷衍生的大量新孔隙形狀均一、結(jié)構(gòu)簡單，其次，孔隙周圍礦質(zhì)成分的生成和溶解填充到原生孔隙中，體現(xiàn)在平均形狀系數(shù)變化不明顯。

試驗(yàn)前后壓砂礫石孔隙均勻系數(shù)較初始有大幅升高，最大增幅達(dá)129.4%，表明干濕循環(huán)后除了碎屑脫落生成微小孔隙外，原生孔隙向著孔喉半徑增大的方向發(fā)展，這可能是水分子蓄滿礫石孔隙后對周圍產(chǎn)生擠壓應(yīng)力造成。壓砂礫石孔隙的分形維數(shù)和概率熵沒有明顯差異和變化規(guī)律，說明干濕循環(huán)不會明顯改變壓砂礫石孔隙發(fā)育的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和方向性。

表2 不同粒級及淋水量下礫石孔隙統(tǒng)計(jì)參數(shù)變化

注 不同小寫字母表示相同淋水量不同粒級間差異顯著（<0.05），下同。

巖石吸水率能夠反應(yīng)孔隙內(nèi)部的延伸情況，孔隙數(shù)量增長和孔喉增大對壓砂礫石吸水性也產(chǎn)生巨大影響[25]，圖6是干濕循環(huán)前后壓砂礫石吸水率變化圖。

圖6 循環(huán)前后不同粒級壓砂礫石吸水率變化圖

由圖6可知，循環(huán)前后壓砂礫石吸水率均隨粒級升高而減小，最大粒級10～15 mm礫石初始時僅為1.22%。最小粒級0.5～2 mm礫石吸水率差異最大，CK吸水率最低，為9.26%。LQ處理下粒級0.5～2 mm吸水率最高，為16.21%，比同粒級CK提高75.05%，比同粒級LB處理僅提高11.80%；其次粒級0.5～2 mm礫石在LB處理下吸水率為14.50%，比同粒級CK提高56.60%。進(jìn)一步說明粒級越小，其孔隙發(fā)育程度越高，水在蓄滿礫石內(nèi)部孔隙和裂隙后，對原生孔隙產(chǎn)生擠壓應(yīng)力使其進(jìn)一步劣化，在相同條件下孔隙的發(fā)育程度越大。結(jié)合SEM圖像，最大粒級壓砂礫石吸水率與初始幾乎相同，可能是因?yàn)榇罅＜墘荷暗[石雖然生成的孔隙數(shù)量相較初始有很大增長，但大多是由表層巖屑堆積而成，向內(nèi)發(fā)育程度低，水分黏聚在表層以及表層的微孔隙中而未進(jìn)一步向內(nèi)滲入，按照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程SL/T 264—2020》[26]進(jìn)行吸水率試驗(yàn)，巖石充分吸水48 h后隨即將表面水分拭走，而使吸水率與初始相比增幅不大。

2.3 壓砂礫石階段質(zhì)量損失影響分析

壓砂礫石在干濕循環(huán)過程中的質(zhì)量損失主要還是礦質(zhì)溶解和碎屑脫落，最終使其結(jié)構(gòu)改變[27]。圖7是階段質(zhì)量損失率變化圖。由圖7可知，在循環(huán)初期，不同粒級礫石在不同淋水量下階段質(zhì)量損失率均增大，在循環(huán)40次后，除LQ1、LB1處理保持繼續(xù)上升外其他粒級均有下降，在循環(huán)60次后，LQ4、LB4處理繼續(xù)下降，LQ2、LQ3、LB3、LB2處理則轉(zhuǎn)為上升。這可能是因?yàn)樾×＜墘荷暗[石劣化速度高于其他粒級，其結(jié)構(gòu)更易改變導(dǎo)致階段質(zhì)量損失率持續(xù)上升，其次可能是循環(huán)過程中黏土礦物生成較多，部分易溶于水而流失，表現(xiàn)為前60次循環(huán)中階段質(zhì)量損失率持續(xù)上升。劣化后期質(zhì)量損失率減小，可能是因?yàn)楫?dāng)?shù)?月氣溫降低，干濕循環(huán)效果不佳，礫石劣化速度減緩導(dǎo)致。LQ4、LB4處理在循環(huán)40次時達(dá)到極點(diǎn)后持續(xù)下降可能是因?yàn)槌跏夹纬傻乃樾冀?jīng)短暫干濕循環(huán)后膠結(jié)作用減弱而流失，流失后表面開始衍生新巖屑和絮狀礦質(zhì)，需要更長的循環(huán)周期才能脫落。中間粒級的壓砂礫石，其孔隙生長、碎屑衍生速度均介于最大和最小粒級之間，其階段質(zhì)量損失率則呈波動趨勢。

圖7 不同循環(huán)次數(shù)下各粒級壓砂礫石階段質(zhì)量損失率

2.4 壓砂礫石累積質(zhì)量損失量影響分析

由表3可知，250 mL淋水量下，循環(huán)20次時LQ1、LQ2處理壓砂礫石質(zhì)量損失量顯著高于LQ3、LQ4處理，LQ1、LQ2處理壓砂礫石之間無顯著差異，但LQ1處理質(zhì)量損失量略高于LQ2處理。循環(huán)40次時各粒級壓砂礫石累積質(zhì)量損失量均存在顯著性差異，表現(xiàn)為LQ1處理>LQ2處理>LQ3處理>LQ4處理，礫石粒級越小，累積質(zhì)量損失量越大。循環(huán)60次時礫石各粒級質(zhì)量損失量均存在顯著差異，LQ4處理高于LQ3處理，結(jié)合SEM圖像分析，可能在前2個階段干濕循環(huán)中LQ4處理處于碎屑衍生階段，大量絮狀碎屑附著在礫石表面，隨循環(huán)進(jìn)行表面碎屑大量脫落，礦質(zhì)成分溶解導(dǎo)致質(zhì)量急速損失。循環(huán)80次時，LQ1、LQ2、LQ3處理累積質(zhì)量損失量均存在顯著差異，LQ3、LQ4處理無顯著性差異?？赡芤?yàn)楫?dāng)?shù)?月氣溫逐漸降低，礫石干濕循環(huán)周期變長，劣化速度減慢，導(dǎo)致大粒級礫石對累積質(zhì)量損失量無顯著影響。125 mL淋水量下，循環(huán)20次時LB1、LB2處理累積質(zhì)量損失量顯著高于LB3、LB4處理。循環(huán)40、60、80次時不同粒級壓砂礫石累積質(zhì)量損失量均存在顯著差異，LB1處理均顯著高于其他粒級。循環(huán)40次時LB2、LB3處理顯著高于LB4處理，循環(huán)60、80次時LB2處理顯著高于LB3、LB4處理。循環(huán)80次時LB4處理顯著高于LB3處理，這可能是因?yàn)榱芩繙p少，礫石碎屑衍生時間變長導(dǎo)致整體脫落時間遲于250 mL淋水量。

綜上可知，無論是哪種淋水量下，壓砂礫石累積質(zhì)量損失量均隨粒級增大而減小，125 mL淋水量下，LB1、LB2處理的累積質(zhì)量損失量為28.06、20.91 g，在250 mL淋水量下，LQ1、LQ2處理的累積質(zhì)量損失量為35.82、24.71 g，較前者的累積質(zhì)量損失量增加27.66%、18.17%。表明成倍增加淋水量并未使小粒級壓砂礫石的累積質(zhì)量損失量明顯增加。

表3 干濕循環(huán)對礫石累積質(zhì)量損失量影響因素顯著性分析

3 討論

農(nóng)田表層覆砂是西北地區(qū)一種抑蒸保墑的獨(dú)特耕作模式，但隨著連年種植，砂層結(jié)構(gòu)單一、土壤肥力下降、水土流失嚴(yán)重、生態(tài)惡化等問題凸顯[28]，作為一種不可持續(xù)的生產(chǎn)方式，已經(jīng)引起了當(dāng)?shù)卣捅姸鄬W(xué)者的關(guān)注。所以本研究是針對壓砂地老化后造成的生態(tài)及環(huán)境惡化等問題進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為寧夏中部干旱帶生態(tài)脆弱區(qū)植被恢復(fù)和耕地修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

干濕循環(huán)對礫石劣化進(jìn)程具有一定的積極作用，礫石中淋溶出的部分元素會促進(jìn)作物的生長[29-31]，王霞[32]基于不同補(bǔ)水量條件下的壓砂礫石室內(nèi)仿真模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)能夠淋溶釋放出有益于植物生長所需的16種元素；王潔等[17]通過開展壓砂礫石干濕循環(huán)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各元素淋溶量隨循環(huán)次數(shù)增加呈先增后減趨勢。綜上，通過研究干濕循環(huán)對壓砂礫石劣化的影響，對于改善土壤肥力和促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

由于寧夏中部干旱帶惡劣的自然條件，作物的生育期內(nèi)需要大量的灌溉來維持作物生長和發(fā)育，壓砂礫石即在不斷地灌溉中完成干濕循環(huán)過程。本試驗(yàn)中，通過充分考慮當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境實(shí)地開展田間試驗(yàn)，研究并說明當(dāng)?shù)貕荷暗[石的劣化損傷情況，干濕循環(huán)改變了壓砂礫石的表面結(jié)構(gòu)，對礫石的孔隙生長、碎屑衍生以及質(zhì)量損失均有明顯促進(jìn)作用，這與劉民安等[16]的研究成果相似。主要因?yàn)樵谘h(huán)過程中，“濕”過程的孔隙水?dāng)D壓、礦質(zhì)溶解和“干”過程的碎屑脫落、顆粒崩解，促進(jìn)了礫石劣化。在分析過程中，通過對比不同淋水量下礫石孔隙形成、吸水率以及質(zhì)量損失，2倍淋水量下，礫石吸水率最大僅提升11.80%，礫石質(zhì)量損失量最大僅提升27.66%，成倍淋水量僅得到微小的劣化效果，說明在干濕循環(huán)促進(jìn)寧夏中部干旱帶壓砂礫石劣化中，水量控制仍是一個值得深掘的問題，在達(dá)到良好劣化效果同時節(jié)約水資源是預(yù)期目標(biāo)，這項(xiàng)研究目前還鮮有報(bào)道。

本試驗(yàn)在自然狀況下模擬壓砂礫石劣化過程，利用透水膜實(shí)現(xiàn)大田水熱交換，但是透水膜將礫石與土壤微生物分隔從而影響礫石劣化。最后，通過作者定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境惡劣、風(fēng)向風(fēng)力變化異常，可能會促進(jìn)壓砂礫石劣化進(jìn)程。因此，后期科研工作者可以從以上3個方面對寧夏中部干旱帶壓砂礫石的快速劣化成壤做進(jìn)一步探索。

4 結(jié)論

1）干濕循環(huán)前，大粒級壓砂礫石劣化程度高于小粒級，干濕循環(huán)后壓砂礫石表面出現(xiàn)大量碎屑與絮狀礦物，板塊間膠結(jié)作用減弱，礫石粒級同孔隙數(shù)量呈正比，同礫石平均孔隙面積呈反比；孔隙的均勻系數(shù)較初始大幅升高，最大增幅達(dá)129.4%。循環(huán)前后，礫石粒級越大，吸水率越小。

2）干濕循環(huán)后壓砂礫石階段質(zhì)量損失率與粒級成反比，最小粒級（0.5～2 mm）對溫度敏感性較強(qiáng)；累積質(zhì)量損失率與粒級成反比，且在2個淋水量下累積質(zhì)量損失量效果最為明顯。

3）2倍淋水量比1倍淋水量下壓砂礫石吸水率僅提高11.80%，0.5～2、2～5 mm粒級礫石累積質(zhì)量損失量增加最多，但僅為27.66%、18.17%。表明成倍增加淋水量并未使小粒級壓砂礫石的累積質(zhì)量損失量呈明顯增加效果。

4）在施加干濕循環(huán)影響下，小粒級壓砂礫石的劣化速度和程度均大于其他大粒級，小粒級礫石孔隙形成速度和程度均優(yōu)于大粒級，孔隙生長會反作用于礫石劣化；大粒級要先劣化為小粒級，再劣化成壤。

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The Effects of Wetting-drying Cycles on Degradation of Sands and Gravels Used for Soil Mulching in Ningxia Province

AN Wenju1, LI Wangcheng1,2,3*, ZHAO Guangxin1,JIA Zhenjiang1, LIU Qiaoling1, WANG Jie1, MU Min1, LI Yangyang1

(1. School of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2. Engineering Research Center of the Ministry of Education for Efficient Utilization of Modern Agricultural Water Resources in Dry Areas, Yinchuan 750021, China;3.State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration in Northwest China, Yinchuan 750021, China)

Sand and gravel mulching is a technology widely used for crop production in the arid regions in northwestern China. Continuous weathering could result in their degradation; the purpose of this paper is to study the effects of wetting-drying cycles on degradation of gravels and sand used for soil mulching in the arid belt in central Ningxia province.We took lime-green slate - a commonly used gravel and sand for soil mulching - as an example, mimicking wetting-drying cycles in laboratory by spraying. Degradation of the gravels were measured and calculated using SEM and PCAS technologies.①Large gravels degraded faster than small ones at the early stage, and wetting-drying increased pore connectivity of the gravel mulch. A great number of debris and flocculent minerals were found. ②At the end of wetting-drying cycles, gravel size was proportional to the number of pores and was inversely proportional to the average pore area of the gravels. Wetting-drying increased the uniformity coefficient of the pores by up to 129.4%. The ability of the gravels to adsorb water decreased as the gravel size increased. The crushed sand and gravel in the size range of 0.5～2 mm had the highest water adsorption under water application of 250 and 125 mL, increasing water adsorption by 75.05% and 56.60% respectively, compared to the initial water content. ③At the end of the wetting-drying cycles, the mass loss rate and cumulative mass loss in the sand and gravel were inversely proportional to particle size. Among them, sand and gravel with size in the range of 0.5～2 mm were more sensitive to temperature. Their cumulative mass loss under water application of 250 mL was 27.66% higher than that under water application of 125 mL.Wetting-drying cycles affect degradation of small and compacted sand and gravel more than the large ones. Our results have important implications for improving management of soils mulched by sand and gravel in the arid regions in northwestern China.

drying-wetting cycle; SEM; porosity; water absorption; mass loss rate; PCAS

S151

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021532

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1672 - 3317（2022）06 - 0080 - 09

2020-10-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51869023，52169010）；寧夏自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2021AAC02008）；國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2021YFD1900600）；寧夏高等學(xué)校一流學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目（NXYLXK2021A03）；寧夏重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019BEH03010）

安文舉（1997-），男，寧夏彭陽人。碩士研究生，主要從事旱區(qū)節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail: 1950710678@qq.com

李王成（1974-），男，陜西勉縣人。教授，博士生導(dǎo)師，主要從事旱區(qū)節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail: liwangcheng@126.com

責(zé)任編輯：白芳芳