天津海泥吹填土颗粒组成的分析研究

尹建道,靳 聪,田 苗, 许 晖

天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300384

海泥吹填土是海湾泥经吹填造陆后自然疏干而形成的高粘性高盐度沉积土[1]，近年来填海造陆的面积迅速扩大，人居生态环境建设面临着巨大挑战。尽管我国吹填造陆历史悠久，但有关吹填土的科学研究多集中在工程力学、地基沉降、岩土承载力等领域[2-6]，而在土壤改良、环境绿化方面的研究甚少。因此，必须系统研究海泥吹填土的理化性质，为建立改土绿化技术体系提供理论依据。

土壤是由固体组分、水分和空气三相物质组成的多孔介质，土壤颗粒是构成固相骨架的基本颗粒，具有相对稳定性，是土壤的基本内在属性之一。其数目、大小、形状、矿物组成及其结合方式等决定着土壤的结构与质地，直接影响着土壤的理化性质、通透性能和肥力状况。因此，土壤颗粒组成的测定分析在土壤调查研究中具有重要意义。

测定土壤颗粒组成的方法很多，包括筛分法、沉降法(比重计法及吸管法)、激光法等。目前常采用沉降法及激光法，有关这两种测定方法的对比研究很多，所得结论表明：激光法测定的粘粒含量偏低，粉粒含量偏高，且两种方法可以进行换算[7-11]。但由于研究对象不同[12]、激光粒度仪型号不同[13-14]、采用的颗粒分级标准不同，使得换算模型有较大差异。本文以天津海泥吹填土为研究对象，以美国农业部分级标准为质地划分标准，首先对前处理方法进行了探索，并采用杨金玲等人[10]的转换模型对激光法的测定结果进行换算，最终确定了天津海泥吹填土的颗粒组成及质地类型；在此基础上，以分形原理为理论依据，计算了天津海泥吹填土颗粒粒径分布(particle size distribution,简称PSD)的质量分形维数(Dm)。本文的研究结论将对今后因地制宜的改良海泥吹填土结构、建设良好的绿地生态系统具有重要的参考价值。

1 材料与方法

1.1 样品采集与制备

本试验中样品采自天津滨海新区围海造陆所形成的吹填土区域，共选取了5个地区，8个采样点。其中，中新生态城1个、东疆港区3个、南疆港区1个、临港工业区2个、南港工业区1个，采样点代表了天津海岸线自北向南延伸60余km的所有吹填造陆区域，各土样编号及地理位置见表1。每个地区均用土钻法采集0～80 cm的混合土样，样品采集后置于室内阴干、粉碎、过筛(2 mm)后混匀备用。

表1 采样点地理位置及野外记录

1.2 样品的测定

1.2.1 前处理方法的确定 为了探索前处理方法对测定结果的影响，首先选取土壤有机质含量较高的样品(采样点1、4、5)用激光法进行对比试验。对比试验设置了两组处理[15]，处理1称取0.1 g土样，然后分别用1:4 H2O2、 0.2 mol/L盐酸、0.05 mol/L盐酸去除土样中的有机质、碳酸盐和钙离子(化学分散作用)，再用蒸馏水洗去氯化物及盐酸，最后加入0.5 mol/L NaOH 1.5 mL搅拌均匀，静置(不少于12 h)后超声上机；处理2根据土壤样品的pH值>7，加入0.5 mol/L偏磷酸钠搅拌均匀，静置后(不少于12 h)超声上机。对测定结果进行比较后确定天津海泥吹填土颗粒组成测定的前处理方法。

1.2.2 样品测定 对8个采样点土样经前处理后分别用激光粒度仪法和比重计法进行测定；比重计法与激光法的前处理步骤相同，取样量增加为50 g，相应的分散剂用量为60 mL，定容体积为250 mL。详细测定方法见土壤物理性质测定法(南土所)[16]。

2 测定结果分析

2.1 前处理方法对测定结果的影响

土壤中的有机质、碳酸盐、钙离子等对土壤颗粒具有胶结作用，能使土壤中的单粒相互聚集成复粒[15]。而土壤颗粒组成测定时，土粒是指矿质土粒的单粒而言，因此，一般需要对土样进行分散处理。在传统的分散处理中，以H2O2去除有机质，稀HCl溶解并淋洗CaCO3和其他的胶结剂，用Na+代换H+。这些处理不仅手续繁杂费时，且在淋洗过程中可能淋出一部分粘粒组分，导致粘粒含量减少[16]。因此，本试验采用LS230激光粒度仪对颗粒组成测定的前处理方法进行了对比分析(见表2)。结果表明：不同的处理方法对砂粒影响较小，对粘粒有一定影响，但两种方法的平均状况比较接近；通过方差分析进行差异显著性检验，仅采样点1的粘粒含量在F0.05条件下差异显著，其他各试样的粘粒、粉粒、砂粒之间均无显著差异，在F0.01条件下各测定结果的平均值均无显著差异，表明是否去除土壤有机质等胶结剂对测定结果没有显著影响。这是由于天津滨海地区的海泥吹填土经海水长期浸泡，有机质和碳酸盐含量不高、胶结作用不强所致。因此，在测定该土壤颗粒组成时可以简化前处理程序。

表2 不同前处理方法对土壤颗粒体积百分含量(%)的影响

2.2 天津海泥吹填土颗粒组成的确定

根据上述分析结果，采用处理2的测定方法，直接根据土壤样品的pH值,加入0.5 mol/L偏磷酸钠，搅拌后过夜、次日超声分散，然后分别采用激光法和比重计法对8个采样点的颗粒组成进行测定分析。结果见表3。

表3 天津海泥吹填土的颗粒组成(%)

从表3中可以看出，激光法测定值的粘粒含量显著低于比重计法测定的粘粒含量，粉粒反之，沙粒含量则互有高低，两种方法测得的砂粒、粉粒和粘粒差异较大，与前人的研究结果一致[7-11]。应用杨金玲等人的转换模型换算后缩小了两者之间的差距，使换算结果更接近于真值。采样点3、采样点7和采样点8用比重计法测出的沙粒含量较高，这与野外调查中该处均有厚度不一的砂层相佐证(见表1)。比重计法虽然测定步骤繁杂、速度慢、不适合大量样品的测定分析，但测定结果更真实可靠。由于激光法测定速度快、精度高、方法简单，虽然其原始数据不能直接应用，但采用合适的换算关系校正后可以作为大量样品的测定方法。图1为采样点4号三个平行样品且3次重复测定的粒度频率分布曲线图，表明激光粒度仪法测量精度高、重现性好，而且得到的是一个连续的图谱,能测量粒径为0.04 μm至2000 μm的117个粒级的颗粒体积含量。因此，从表达方式上来看明显优于传统的测定方法,为土壤学的研究拓展了空间。

图1 激光法测定土壤颗粒粒径的体积分布曲线

综合两种方法的测定结果可知，天津海泥吹填土中粒径为0.05～2 mm的砂粒含量很少，仅占总质量的10%左右；粒径为0.002～0.05 mm的粉粒含量最多，占总质量的50～60%；小于0.002 mm的粘粒含量次之，占总质量的35%左右。因此，天津的海泥吹填土总体表现为粉粒最多、粘粒次之、砂粒很少的规律性，而且在砂粒组中大于0.2 mm的粗颗粒基本没有，属于不良级配土。这是海泥吹填土通透性差的主要内在原因之一。

2.3 天津海泥吹填土的质地分类

不同颗粒分级标准相对应的土壤质地分类不同，质地名称也有差异；即使质地类型相同，它的各级粒径及其含量也不同[15]。本文土壤颗粒分级及土壤质地分类标准均采用美国农业部的分级标准。表4是对比重计法与激光法所得数据进行质地分类的结果。从表4可以看出：天津海泥吹填土的土壤类型以粉质粘壤土居多，个别是粘壤土和粉质粘土，这与吹填土的来源有关，它是在疏通航道时用泥浆泵把海底泥砂通过水力吹填而形成的一种特殊沉积物。据古地质研究，天津海岸带埋深大约在4～14 m处中全新统时期形成的沉积物多为粘土质粉砂或粉砂质粘土，埋深在4 m以上的沉积物为上全新统时期形成的，该层沉积物多为灰褐色粘土质粉砂、粉砂质粘土和古土壤层等[17]。因而海泥吹填土中的粉粒和粘粒含量较高。

表4 海泥吹填土质地分类

图2标明了各采样点在美国制土壤质地三角坐标系中的位置，可以看出8个采样点都集中分布在同一个区域，均位于右侧中间部位(粉质粘壤土及其附近)，但不同吹填土地区的粒级含量仍有所不同，这是由于以下原因：(1)吹填土的来源不同。天津俗有“九河下梢”之称，各河流冲积母质的粗细和组成不同，年代分异明显，且河流沉积规律遵循“紧砂慢淤”特点，因此在不同区域和不同地层中的海底淤泥的颗粒粗细自然不同。(2)吹填施工工艺及处理阶段的影响。如有的地区吹填后未达到规定标高，常采用吹砂的方法补充至标高；且海泥吹填土属于软地基，必须进行真空预压，而真空预压前不可缺少的工艺就是铺设砂垫层，因而大大增加了砂粒的含量。采样点7号和8号的砂粒含量较高，就证实了这一点(见表1)。

图2 美国制土壤质地三角坐标系

2.4 土壤颗粒粒径分布质量分形维数特征

表5 天津海泥吹填土的质量分形维数

从表5可以看出：8个采样点的土壤PSD质量分形维数均在2.893～2.898之间，该结果与杨培玲等人测定的粘壤土分形维数(2.82～2.85)比较接近[19]。土壤PSD分形维数表示土壤颗粒占有空间的有效性，因此，单位体积内土壤细颗粒越多，级配越差，土壤PSD的分形维数就越高。天津海泥吹填土的粘、粉粒含量占绝大多数(76%～98%)，级配差，因而土壤PSD的分形维数很大，表明通气透水性很差。通过土壤PSD质量分形维数对8个采样点的土壤质地进行定量分析(见图3)，可以看出土壤PSD质量分形维数与砂粒含量(0.05～2 mm)呈显著的线性负相关，与粘、粉粒含量(<0.05 mm)呈显著的线性正相关。

图3 土壤颗粒分形维数与土壤质地之间的关系

综上所述，天津海泥吹填土的质地类型大多属于粉质粘壤土，分形维数介于2.893～2.898之间，总体偏高。土壤PSD分形维数与土壤砂粒含量呈显著负相关，与粘、粉粒含量呈显著正相关，分形维数可以作为判断土壤质地差异性的辅助性指标。

3 结论

前处理方法的对比分析结果表明：对于天津海泥吹填土的颗粒组成测定分析来讲，可以简化前处理程序，两种处理方法之间没有显著差异。

两种方法测得的各粒级含量差异较大，但应用杨金玲等人的研究成果将激光法测定结果进行换算后，并与比重计法相对比，则所得结果比较接近。因此，对于大量样品的测定分析，可以应用激光法代替传统的沉降法。综合两种方法的分析结果表明，天津海泥吹填土的砂粒(0.05～2 mm)含量很少，仅占总质量的10%左右；粉粒(0.002～0.05 mm)含量最多，占总质量的50～60%；粘粒(﹤0.002 mm)含量次之，占总质量的35%左右。因此，海泥吹填土属于不良级配土。

天津海泥吹填土的质地类型大多属于粉质粘壤土，个别是粘壤土和粉质粘土，与吹填土的来源和吹填工艺有关；土壤分形维数介于2.893～2.898之间，总体偏高。土壤PSD分形维数与砂粒含量呈显著负相关，与粘、粉粒含量呈显著正相关，分形维数可以作为判断土壤质地差异性的辅助性指标。

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