潘加朋, 張克存, 安志山,2, 張宏雪, 薛承杰

(1.中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 敦煌戈壁荒漠生態(tài)與環(huán)境研究站, 甘肅 敦煌 736200;2.中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

風(fēng)沙治理工程一直以來(lái)都是進(jìn)行荒漠化防治的重要手段之一,通過(guò)合理設(shè)置各類(lèi)防沙工程,旨在對(duì)風(fēng)沙起到封、固、阻、輸、改、消的作用,從而抑制風(fēng)沙災(zāi)害的發(fā)展[1-3]。經(jīng)過(guò)近兩個(gè)世紀(jì)的發(fā)展與研究,當(dāng)前,風(fēng)沙治理工程主要由生物防沙工程、化學(xué)防沙工程及機(jī)械防沙工程3類(lèi)組成,并在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)展出多種措施相結(jié)合的綜合防沙措施,共同構(gòu)成了完整的工程防沙體系[1,4-7]。近年來(lái),隨著大量風(fēng)沙治理工程的布設(shè)及與之相關(guān)研究的不斷深入,已對(duì)各類(lèi)防沙工程措施的固沙原理、防風(fēng)阻沙與土壤改良效益等方面有了清晰的認(rèn)識(shí),其中,對(duì)具體風(fēng)沙治理工程布設(shè)后當(dāng)?shù)赝寥浪值奶卣鬟M(jìn)行對(duì)比分析也成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[8-11]。

土壤水分是土壤理化性質(zhì)的重要組成部分,同時(shí)也是判定風(fēng)沙治理工程的土壤改良效益的重要指標(biāo),其變化特征直接影響了當(dāng)?shù)氐耐寥捞匦约爸参锷L(zhǎng),導(dǎo)致沙區(qū)植被系統(tǒng)格局發(fā)生改變,在一定程度上甚至能對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虍a(chǎn)生顯著影響[12-14]。由于其對(duì)受風(fēng)沙災(zāi)害襲擾地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)及重建意義重大,許多學(xué)者對(duì)草方格沙障、尼龍網(wǎng)格狀沙障、柳條沙障等具體的風(fēng)沙治理工程措施對(duì)土壤水分特征的影響進(jìn)行了詳盡的分析,并在其入滲特征、時(shí)空變化等方面進(jìn)行了深入探究[15-19]。但目前為止,在與黏土沙障相關(guān)的研究多集中于其防風(fēng)固沙原理及效益,未對(duì)其土壤改良效益進(jìn)行深入研究,特別是在關(guān)于土壤水分特征的影響研究中僅關(guān)注于其布設(shè)后對(duì)土壤水分含量的影響,且多集中于布設(shè)初期,鮮有研究對(duì)基于黏土沙障的復(fù)配土壤進(jìn)行完整的土壤水分特征分析[20-22]。據(jù)此,本文通過(guò)對(duì)基于黏土沙障復(fù)配土壤的容重、水分常數(shù)及特征進(jìn)行對(duì)比分析,旨在揭示基于黏土沙障不同質(zhì)量比復(fù)配土壤的土壤改良效益,同時(shí)為今后黏土沙障的設(shè)計(jì)與改良提供最佳復(fù)配比。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所進(jìn)行,試驗(yàn)所采用的沙子與黏土均來(lái)源于寧夏中衛(wèi)沙坡頭。在進(jìn)行試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行預(yù)處理,包括風(fēng)干、研磨以及過(guò)2 mm篩,再依照20∶1,20∶3,10∶1,10∶3,5∶1,2∶1等不同質(zhì)量比對(duì)沙子與黏土進(jìn)行混勻后備用,并將其設(shè)置為試驗(yàn)組。另外,設(shè)置空白組與對(duì)照組,其中空白組樣品為300 g沙子,對(duì)照組樣品為300 g黏土,試驗(yàn)設(shè)計(jì)具體情況如表1所示。

表1 不同復(fù)配土壤的復(fù)配質(zhì)量比設(shè)計(jì)Table 1 The compound mass ratio design of different compound soil

1.2 研究方法

本試驗(yàn)采用離心機(jī)測(cè)定各組樣品的土壤飽和重,單位為克,其為土壤全部飽和后的重量,即濕土重。各組樣品首先分別裝填在環(huán)刀內(nèi),再將環(huán)刀放置于試管中,最后將其分別放入離心機(jī)轉(zhuǎn)頭中。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)溫度恒定在20℃,測(cè)定在各土壤水勢(shì)下(0.001,0.005,0.01,0.02,0.04,0.06,0.08,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.5 MPa)各組樣品的土壤飽和重,試驗(yàn)過(guò)程中,離心機(jī)的轉(zhuǎn)速依次為310,693,980,1 386,1 961,2 405,2 774,3 101,4 385,6 202,7 596,8 771,9 806,12 009 r/min,測(cè)定時(shí)間分別為10,17,25,35,45,52,57,60,70,76,82,87,90,95 min。此外,本試驗(yàn)利用烘干法對(duì)各組樣品的烘干土重進(jìn)行了測(cè)定。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,各樣品均進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),取其均值進(jìn)行后續(xù)指標(biāo)的計(jì)算并對(duì)其對(duì)比分析,即對(duì)基于黏土沙障的復(fù)配土壤的土壤容重、水分常數(shù)及土壤水分特征曲線(xiàn)三指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算并對(duì)比分析,從而準(zhǔn)確反映其對(duì)土壤水分特征的影響。

土壤容重一般是指一定容積下的土壤質(zhì)量,是衡量土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)之一,對(duì)土壤質(zhì)量及生產(chǎn)力具有良好的指示作用,同時(shí)也能很好地反映土壤入滲性能與持水能力,是研究土壤水分特征的重要參考[23-26]。本試驗(yàn)中,土壤容重采用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定,對(duì)現(xiàn)有研究中的公式進(jìn)行推導(dǎo),其計(jì)算式為[27]:

(1)

式中:ρ為土壤容重(g/cm3);Gs為土壤飽和重(環(huán)刀重+管重+濕土重)(g);Gt為管重(g);Gc為環(huán)刀重(g);V為環(huán)刀體積(cm3);W為對(duì)應(yīng)樣品的土壤重量含水率(%)。

土壤水分常數(shù)主要由土壤飽和含水率、田間持水率與凋萎系數(shù)組成,是反映土壤水分狀況、評(píng)價(jià)植物能有效吸收利用土壤水分程度的重要指標(biāo),測(cè)定并分析其數(shù)值對(duì)研究區(qū)域水文狀況及當(dāng)?shù)赝寥浪痔卣骶哂兄匾膮⒖家饬x[28-30]。其中,土壤飽和含水率一般是指當(dāng)土壤水勢(shì)為0 MPa時(shí)的最大持水率,根據(jù)已有研究中的公式進(jìn)行變換后計(jì)算,其計(jì)算式為[31]:

(2)

式中:ω為土壤飽和含水率(%);Gs為土壤飽和重(g);Gd為烘干土重(環(huán)刀重+干土重)(g);Gt為管重(g);Gc為環(huán)刀重(g)。

而田間持水率與凋萎系數(shù)則分別為有效含水量的上、下限,是估計(jì)植物水分需求量、評(píng)價(jià)土壤水分特征的重要參數(shù)[28,32-33]。田間持水率利用環(huán)刀法測(cè)量,首先通過(guò)人為干預(yù)使樣品含水量達(dá)到飽和,再將其重力水排出,最后對(duì)其含水率進(jìn)行測(cè)定,所得結(jié)果即為田間持水率;凋萎系數(shù)則采用離心機(jī)法進(jìn)行測(cè)定,即當(dāng)土壤水勢(shì)達(dá)1.5 MPa時(shí)所測(cè)得的土壤含水率為凋萎系數(shù)。

土壤水分特征曲線(xiàn)則是準(zhǔn)確反映土壤水勢(shì)與土壤含水率間的關(guān)系、研究土壤水分及溶質(zhì)運(yùn)移的重要參數(shù),但由于土壤水分特征曲線(xiàn)影響因子較多,故一般采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)其進(jìn)行分析[34-35]。根據(jù)前人研究結(jié)合本研究特點(diǎn),本試驗(yàn)的土壤水分特征曲線(xiàn)選取Gardner模型進(jìn)行擬合,該模型能較好地反映復(fù)配土壤的土壤水分特征曲線(xiàn),其公式如下[28,36]:

θ=aS-b

(3)

式中:θ為土壤含水率(%);S為土壤水勢(shì)(MPa);a與b為非線(xiàn)性回歸系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重變化特征

由圖1可知,不同質(zhì)量比復(fù)配土壤的土壤容重間存在著較小差異,其土壤容重均在1.32～1.55 g/cm3,其中,對(duì)照組土壤容重最小,為1.32 g/cm3。相較于對(duì)照組,試驗(yàn)組樣品復(fù)配土壤的土壤容重下降幅度明顯減小,但依舊表現(xiàn)為隨復(fù)配土壤質(zhì)量比(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為復(fù)配比)增加而遞減的趨勢(shì),并在樣品6,即復(fù)配比為5∶1時(shí)降低至1.45 g/cm3,低于平均值,相較于空白組其土壤容重仍大幅降低。

圖1 不同質(zhì)量比復(fù)配土壤的土壤容重

一般來(lái)說(shuō),土壤容重越小表明土壤疏松、水熱狀況良好,由此可知復(fù)配土壤中黏土的質(zhì)量對(duì)土壤容重影響深刻,試驗(yàn)組所添加的黏土質(zhì)量與土壤改良效益呈正相關(guān)關(guān)系,土壤持水力與導(dǎo)水性也得到了有效提升[26,37-38]。

2.2 土壤水分常數(shù)

不同質(zhì)量比復(fù)配土壤深刻影響了其土壤水分常數(shù)的變化趨勢(shì)(圖2),試驗(yàn)組與空白組樣品間差異顯著。分析圖2A可知,當(dāng)試驗(yàn)組樣品中黏土添加的質(zhì)量較少時(shí),對(duì)復(fù)配土壤的土壤飽和含水率影響較小,整體上相較于空白組樣品的土壤飽和含水率間的差異均小于1.5%,且當(dāng)復(fù)配比為20∶1～10∶3時(shí),試驗(yàn)組土壤飽和含水率均小于空白組。但當(dāng)黏土添加的質(zhì)量超過(guò)一定閾值后,其土壤飽和含水率明顯升高,相較于空白組,試驗(yàn)組復(fù)配比為2∶1時(shí)升高了0.97%,對(duì)照組升高了9.2%,土壤持水量顯著提升。

圖2 不同質(zhì)量比復(fù)配土壤的土壤水分常數(shù)

圖2B、C表示不同質(zhì)量比復(fù)配土壤的田間持水率與凋萎系數(shù)變化情況,由圖可知,當(dāng)添加的黏土質(zhì)量逐漸升高時(shí),試驗(yàn)組樣品的田間持水率與凋萎系數(shù)均表現(xiàn)為明顯的上升趨勢(shì)。具體來(lái)看,空白組樣品田間持水率僅為5.120%,而試驗(yàn)組樣品隨著復(fù)配比的增加其田間持水率也隨之上升,相較于空白組整體升高了1.518%,當(dāng)復(fù)配比為2∶1時(shí)達(dá)到了最大值8.512%;同時(shí),相較于空白組,試驗(yàn)組凋萎系數(shù)也整體升高了1.543%,復(fù)配比為20∶1～2∶1間其凋萎系數(shù)達(dá)到了1.278%～4.084%,而空白組樣品僅為0.932%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),對(duì)照組樣品的田間持水率與凋萎系數(shù)相較于空白組升高幅度均高于10%,結(jié)合試驗(yàn)組復(fù)配比與兩者的變化可知,黏土添加的比例直接影響了復(fù)配土壤的保水與蓄水能力與有效含水量,使其均明顯提升。

綜上分析,復(fù)配土壤的復(fù)配比越大,對(duì)土壤水分常數(shù)的影響就越為顯著。這主要是由于黏土粒徑一般為0.005～0.05 mm,其粒徑明顯小于沙子,黏土的添加極大地改變了復(fù)配土壤的孔隙度,使得其土壤飽和含水率、有效含水量等顯著增加,土壤改良效益明顯[32,39]。

2.3 土壤水分特征曲線(xiàn)

圖3為不同質(zhì)量比復(fù)配土壤在Gardner模型下擬合的土壤水分特征曲線(xiàn),擬合后空白組、對(duì)照組與試驗(yàn)組擬合系數(shù)均高于0.9,擬合效果較佳。對(duì)其進(jìn)行分析可知,空白組、對(duì)照組及試驗(yàn)組均表現(xiàn)為土壤含水率隨土壤水勢(shì)的增加而減小的趨勢(shì),其在土壤水勢(shì)低于0.1 MPa時(shí)減小幅度較大,曲線(xiàn)較陡,隨后隨著土壤水勢(shì)的增加逐漸變緩,試驗(yàn)中各組樣品土壤水分特征曲線(xiàn)形狀及變化趨勢(shì)大致相似,但其土壤含水率在同一土壤水勢(shì)下存在著明顯差異。

圖3 不同質(zhì)量比復(fù)配土壤的土壤水分特征曲線(xiàn)

隨著試驗(yàn)組復(fù)配土壤質(zhì)量比的增大,相同土壤水勢(shì)下其土壤含水率明顯增加。當(dāng)土壤水勢(shì)為0.001 MPa、復(fù)配比為2∶1時(shí),其土壤含水率達(dá)到了24.35%,相較于復(fù)配比為20∶1時(shí)增加了3.22%;當(dāng)土壤水勢(shì)為1.5 MPa時(shí),復(fù)配比為2∶1時(shí)其土壤含水率相較于其質(zhì)量比20∶1也增加了2.8%,這表明當(dāng)土壤水勢(shì)一定時(shí)試驗(yàn)組樣品中黏土質(zhì)量的增加能有效提高復(fù)配土壤的含水率,使其保水能力顯著提高。同時(shí),相較于空白組,試驗(yàn)組樣品除了復(fù)配比在20∶1～10∶1,土壤水勢(shì)低于0.005 MPa時(shí)其土壤含水率降低,其余均明顯升高,在土壤水勢(shì)為0.01～1.5 MPa間不同質(zhì)量比復(fù)配土壤平均增加了1.32%～1.72%,對(duì)照組則在土壤水勢(shì)為0.001～1.5 MPa間平均升高達(dá)11.34%。由此可知,黏土的持水、保水能力均顯著強(qiáng)于沙子,隨著復(fù)配土壤質(zhì)量比的升高,其土壤含水量明顯提高、土壤改良效益顯著。

3 討 論

黏土沙障是一種以黏土與麥草為主要材料的機(jī)械防沙工程,主要通過(guò)增大地表粗糙度以實(shí)現(xiàn)防風(fēng)固沙及土壤改良效益,在實(shí)際工程建設(shè)中,需土、用土量等是影響其效益的主要因素之一,故對(duì)基于黏土沙障復(fù)配土壤進(jìn)行研究對(duì)其實(shí)際應(yīng)用有著深遠(yuǎn)的意義[20]。本研究通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別對(duì)3組樣品的土壤容重、水分常數(shù)及土壤水分特征曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)組的復(fù)配土壤隨著復(fù)配比的增加其各項(xiàng)指標(biāo)均與空白組表現(xiàn)出顯著差異,而對(duì)照組數(shù)據(jù)進(jìn)一步印證了復(fù)配土壤中黏土質(zhì)量的增加能有效提高土壤的持水、保水及導(dǎo)水能力,土壤改良效益顯著。張海歐等[40]利用砒砂巖與風(fēng)沙土進(jìn)行復(fù)配后發(fā)現(xiàn)不同復(fù)配比的復(fù)配土壤結(jié)構(gòu)差異較大,從而導(dǎo)致WMD值、有機(jī)質(zhì)含量等變化,而本研究中,試驗(yàn)組復(fù)配土壤中黏土的添加也極大地改變了其原有的土壤結(jié)構(gòu),使得其土壤孔隙增大,從而導(dǎo)致其土壤水分與空白組差異明顯,有效含水量顯著提高。任健等[41]學(xué)者在基于離心機(jī)法獲取對(duì)定體積質(zhì)量下的土壤水分特征曲線(xiàn)的研究中發(fā)現(xiàn),由于離心機(jī)的轉(zhuǎn)速有限,難以測(cè)得土壤水勢(shì)較高的土壤含水率,從而導(dǎo)致土壤水分特征曲線(xiàn)的準(zhǔn)確度受到影響,這與本試驗(yàn)中不同質(zhì)量比復(fù)配土壤的土壤含水率隨離心機(jī)測(cè)定時(shí)間與轉(zhuǎn)速變化而變化且轉(zhuǎn)速變化影響幅度較大相吻合。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),其復(fù)配比的增加還能有效抑制離心機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)其土壤含水率的影響,印證了黏土質(zhì)量的增加能有效提高土壤的保水能力、改良效益顯著。

通過(guò)對(duì)基于黏土沙障復(fù)配土壤對(duì)土壤水分特征影響的研究是今后該類(lèi)工程設(shè)計(jì)的重要參考,如何調(diào)控其復(fù)配比以達(dá)到最佳土壤改良效益也是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一,而本研究在各類(lèi)指標(biāo)相結(jié)合的基礎(chǔ)上對(duì)基于黏土沙障的復(fù)配土壤進(jìn)行對(duì)比分析能有效的促進(jìn)該問(wèn)題的研究與發(fā)展。由于黏土沙障為我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的機(jī)械防沙措施,國(guó)外對(duì)其研究較少而國(guó)內(nèi)研究則多集中于其防風(fēng)固沙原理、效益,鮮有以其材料為研究對(duì)象、探究其對(duì)土壤水分特征的影響[20,42]。故本研究在對(duì)比分析基于黏土沙障不同質(zhì)量比復(fù)配土壤對(duì)土壤水分特征影響的基礎(chǔ)上,對(duì)其最適復(fù)配比進(jìn)行探究,不僅為黏土沙障的設(shè)計(jì)與改良提供了指導(dǎo),同時(shí)也為今后黏土沙障布設(shè)后的生態(tài)恢復(fù)予以參考。

4 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)組樣品隨著復(fù)配比的增加其土壤容重相較于空白組大幅下降,當(dāng)復(fù)配比為5∶1時(shí)便下降至1.45 g/cm3,低于平均值,對(duì)照組土壤容重更是降低至1.32 g/cm3,復(fù)配土壤中黏土的比例深刻影響了土壤容重變化,使其持水力與導(dǎo)水性明顯提升;同時(shí),當(dāng)試驗(yàn)組黏土所添加的質(zhì)量超過(guò)一定閾值后,其土壤飽和含水率相較于空白組也明顯上升,當(dāng)試驗(yàn)組復(fù)配比為2∶1時(shí)升高了0.97%,田間持水率及凋萎系數(shù)也表現(xiàn)為隨復(fù)配比升高而上升的趨勢(shì),相較于空白組其整體分別升高1.518%,1.543%,對(duì)照組也明顯升高,兩者上升幅度均超過(guò)10%,黏土質(zhì)量的增加使得復(fù)配土壤有效含水量、保水持水能力顯著上升;此外,Gardner模型很好地模擬了空白組、對(duì)照組及試驗(yàn)組的土壤水分特征曲線(xiàn),三者土壤含水率均呈隨土壤水勢(shì)減小的趨勢(shì),且在土壤水勢(shì)低時(shí)變化幅度大,隨后逐漸變緩,同時(shí),當(dāng)土壤水勢(shì)一定時(shí),試驗(yàn)組樣品中黏土質(zhì)量的增加能有效提高復(fù)配土壤的含水率,在土壤水勢(shì)為0.01～1.5 MPa間不同質(zhì)量比復(fù)配土壤平均增加了1.32%～1.72%,對(duì)照組則在土壤水勢(shì)為0.001～1.5 MPa間平均升高達(dá)11.34%,土壤含水量顯著提高、改良效益明顯。

(2) 本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),基于黏土沙障的復(fù)配土壤其復(fù)配比的增加能有效提升土壤的持水力與保水性,其有效含水量也明顯上升,對(duì)土壤改良明顯。但在具體的工程實(shí)踐中,應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)有條件選取適宜的復(fù)配比,在保證工程可操作性與經(jīng)濟(jì)性的前提下盡可能增大其黏土添加的比例,以達(dá)到最佳的土壤改良效益。