砒砂岩与风沙土复配后的粒度组成变化

张露,韩霁昌,王欢元,马增辉

(陕西省土地工程建设集团,国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,710075,西安)

毛乌素沙地是一个典型的向斜式沉积式沙漠带,是世界众多沙漠化土地的缩影,位于内蒙古的伊克昭盟、陕西榆林地区与宁夏东南盐池地区的三角地带,土壤贫瘠,水分缺乏,生态环境十分脆弱,是我国北方沙漠化最严重的地区之一,早在1934年程伯群在《科学》杂志上发表“中国沙漠之扩张”一文[1],谈的就是毛乌素沙地南缘沙漠化过程及沙漠范围不断扩张的事实[2]。土地沙化的问题早就引起了人们的重视,用传统的沙地飞播造林[3]、封沙育林育草[4]、生态水利修复[5-6]等水土保持措施成本巨大。对风沙土而言,最欠缺的是黏粒,其质地均一,结构松散,难以形成稳定的土壤结构,漏水漏肥,易风蚀水蚀,造成土壤贫瘠化,因而其改良措施常需要添加黏粒或增加有机物质,其中黏粒作为“根系诱导剂”对改良风沙土的作用是国内外很早就给予关注的[7-8];但同时毛乌素沙地也是我国太阳能最为丰富的地区之一,是我国马铃薯(Solanum tuberosum)和玉米(Zea mays)的优质产区,所以对毛乌素沙地的整治及开发意义重大。对土壤风蚀水蚀发生机制的认知及其沙地治理的实践表明,侵蚀发生与表土粒度组成特征存在紧密的相关性[9-11];所以笔者就地取材,因地制宜,以当地广泛分布着的砒砂岩(一种成岩程度低,易风化,颗粒间胶结程度低,无水坚硬如石,遇水松软如泥的岩石互层[12])为研究对象,分析其与风沙土按不同质量比复配后的粒度组成变化,利用粒度指标去揭示砒砂岩与风沙土复配后具有固沙效应的可能性。目前有关砒砂岩与风沙土复配成土的持水性、养分情况、作物产量等研究已取得了一定进展[13-25],但单从粒度组成特性上去分析砒砂岩与风沙土复配土的优势还未见报道。笔者利用毛乌素沙地砒砂岩与风沙土在质地结构上“一紧一松”的特点,分析砒砂岩与风沙土在不同质量比时的粒度组成特性及差异,为弥补风沙土在质地结构上的固有缺陷、使砒砂岩应用于毛乌素沙地的水土流失治理及发展农业种植提供更充分的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区在陕北榆林市榆阳区小纪汗乡大纪汗村,地理位置处于 E 109°28′58″～109°30′10″,N 38°27′53″～ 38°28′23″,位于陕西北部,毛乌素沙漠南缘,无定河中游,海拔1 206～1 215 m。属于典型中温带半干旱大陆性季风气候区,降水时空分布不匀,气候干燥,冬长夏短,四季分明,日照充足,春季多风干旱,秋季温凉湿润。年均气温8.1℃,≥10℃的积温3 307.5℃,且持续时间为168 d。年平均无霜期154 d,年降水量250～440 mm,年平均降水量413.9 mm,60.9%的降水集中在7—9月,雨热同期,年极端降水量最大695.4 mm,最小159.6 mm,日最大降水量141.7 mm。年平均日照时间2 879 h,日照比例65%,年总辐射量606.94 kJ/cm2,干燥度为1.0～2.5,风速大于5 m/s的起沙风每年有220～580次,沙丘高度在10 m以下[26]。

1.2 试验设计与方法

2014年4月分别采集当地紫红色的砒砂岩与风沙土,将所采集的砒砂岩和风沙土自然风干后,研磨过孔径2 mm筛,然后将砒砂岩与风沙土按照5种不同质量比(mf∶ms=1∶0,1∶1,1∶2,1∶5,0∶1)充分混合后备用,其中 mf为砒砂岩质量,ms为风沙土质量。

用马尔文激光粒度分析仪Mastersizer 2000(英国)对各试样粒度组成特征进行分析研究[27],用湿法手动测量。粒径分布范围依据中国粒级制分级,机械组成依据美国农部制土壤质地三角图[28]。采用SigmaPlot 10.0对数据进行分析并作图。

2 结果与分析

2.1 复配后的质地性状

砒砂岩与风沙土复配土粒径范围分布见图1。当全为砒砂岩时,粗粉粒(0.01～0.05 mm)质量分数最大,其次为细粉粒(0.002～0.005 mm)和中粉粒(0.01～0.005 mm),质量分数相当,粗黏粒(0.001～0.002 mm)和细黏粒(＜0.001 mm)质量分数较小,＞0.25 mm的颗粒几乎没有。当全为风沙土时,粗砂粒(0.25～1 mm)质量分数最大,其次是细砂粒(0.05～0.25 mm),粉粒(0.05～0.002 mm)非常小,仅为4.05%,黏粒(＜0.002 mm)不到1%,可以认为风沙土中几乎没有黏粒。砒砂岩与风沙土在3 种质量比下(mf∶ms=1∶1,1∶2,1∶5)复配土均是粗砂粒(0.25～1 mm)质量分数最大,其次为细砂粒(0.05～0.25 mm)和粗粉粒(0.01～0.05 mm)。以0.05 mm为界(美国质土壤质地中砂粒和粉粒的分界线),砒砂岩与风沙土复配土中当颗粒粒径＜0.05 mm时,各复配质量比的颗粒质量分数大小为1∶0＞1∶1＞1∶2 ＞1∶5 ＞0∶1,当颗粒粒径 ＞0.05 mm时,各复配质量比的颗粒质量分数大小为1∶0＜1∶1＜1∶2＜1∶5 ＜0∶1。 从图1可清楚看出这是由风沙土粒度组成中＞0.05 mm粒径的质量分数和砒砂岩中＜0.05 mm粒径的质量分数很高而导致。

图1 砒砂岩与风沙土复配土粒径范围分布Fig.1 Particle size distribution range of feldspathic sandstone and aeolian sandy soil compound soil

表1示出按美国农部制土壤质地分级标准下砒砂岩与风沙土在各质量比时的机械组成与质地情况。可以看出:随着砒砂岩质量分数的增加,复配土中结构体赋存的关键粒级(粉粒和黏粒)质量分数逐渐提高,均呈线性增长。粉粒关系式为y=69.04x+10.41,R2=0.963 0,黏粒关系式为y=13.37x+2.42,R2=0.887 3(其中:y为颗粒质量分数,%;x为砒砂岩质量分数,%),且质地类型呈现出砂土—砂壤—壤土—粉壤的转变,质地条件变好,复配土逐步呈现出一定的结构性质,砒砂岩的加入,使风沙土过粗的砂土质地逐步得到改善,从质地上来说砒砂岩具有一定固沙可能性。

2.2 复配后的级配特性

图2是砒砂岩与风沙土复配后的颗粒组成累计曲线与其频率分布曲线。可以看出,砒砂岩的粒度分布范围较广,其粒度组成频率分布没有明显高耸的峰,粒度组成累计曲线没有明显的陡坡,属于多分散型累计曲线,说明砒砂岩的均质性较差,没有哪一个粒级占优势。毛乌素沙地风沙土的粒径主要分布在0.05～1 mm之间,颗粒整体较粗,粒度组成频率分布曲线具有很窄峰态的分布特征,粒度组成累计曲线有明显的陡坡,属于单分散型累计曲线,均质性较好,分选性强。砒砂岩与风沙土 3 种不同质量比(mf∶ms=1∶1,1∶2,1∶5)混合土样中,其频率分布曲线以粒径度0.05 mm分为2部分,在颗粒粒径＜0.05 mm的部分,随着砒砂岩质量分数的增加,较细粒径的质量分数逐渐增加;在颗粒粒径＞0.05 mm的部分,随着砒砂岩质量分数的增加,较粗粒径质量分数逐渐降低。而复配土的粒度组成累积曲线均呈现出一个明显的转折趋势,属于多分散型累计曲线,但随着砒砂岩质量分数的增加,复配土与风沙土的累计曲线已开始呈现出一定的差别,逐步向类似于砒砂岩的多分散型累计曲线转变,说明在风沙土中加入砒砂岩后,风沙土原来均质性的粒度组成得到改善,复配土的粒度组成开始呈现出粗细混杂的状况,粒度组成分布范围扩大。

表1 砒砂岩和风沙土复配土机械组成与质地Tab.1 Mechanical composition and texture of feldspathic sandstone and aeolian sandy soil compound soil

图2 砒砂岩与风沙土复配土颗粒组成累计曲线与频率分布曲线Fig.2 Particle accumulative curve and frequency distribution curve of feldspathic sandstone and aeolian sandy soil compound soil

选用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来评价复配土级配的好坏,Cu是限制粒径d60与有效粒径d10的比值(其中d60和d10分别为颗粒累积质量分数为60%和10%时的粒径,其余类推),是反映土壤颗粒均匀程度的重要指标。Cc是反映土壤粒径级配累计曲线的斜率是否连续的指标,Cc=d30d30/(d60d10)。Cu一般＞1,愈接近1,表明土样愈均匀,Cu＜5的土称为匀粒土,级配不良;Cu越大,表示粒径分布越广,Cu＞10的土样级配良好,但Cu过大(一般＞100,有数量级的差异),表示可能缺失中间粒径,属于不连续级配[29]:故需同时用Cc来评价砒砂岩与风沙土复配后的级配特性。

由激光粒度分析仪和图2得出各质量比时复配土的粒级参数(表2)可以看出:随着砒砂岩质量分数的增加,复配土的体积粒径和各累计质量分数下的土壤粒径均呈减小趋势,说明随着风沙土中砒砂岩的加入,改善了原来风沙土粒径较粗的状况,复配土的粒度组成向较细的方向转变。从表2砒砂岩的颗粒累计质量分数为i时的粒径di值同样可以看出其粒径较细,主要集中在粉粒和黏粒段,砒砂岩Cu为12.07,砒砂岩Cc为1.01,经验表明,当同时满足Cu＞10和Cc为1～3时,试样为级配良好的土[29];所以,从粒径级配的角度来看,砒砂岩的粒径分布范围广,粒径级配具有连续性,使其具有作为固沙剂的可能性。从表2风沙土的di数值同样可以看出,毛乌素沙地风沙土的粒径较粗,主要集中在砂粒段,风沙土Cu为3.32,风沙土Cc为1.21,说明毛乌素沙地风沙土的粒径级配累计曲线是连续的,其土粒大小分布范围较小,属匀粒土,土的级配不良。这和图2的分析一致,风沙土没有好的力学特性,工程性质较差,所以毛乌素沙地风沙土的粒径级配虽然连续;但Cu过低,粒径分布范围较小,小粒级的颗粒缺乏,属于级配不良的土。计算可知,当mf∶ms=1∶2时,Cu为 76.21,Cc为 1.12,当 mf∶ms=1∶5时,Cu为 54.71,Cc为2.54,Cu不仅 ＞10,而且Cc在1～3之间,能同时满足以上 2个条件,所以当 mf∶ms为1∶2或1∶5时,复配土能表现出良好的颗粒级配特性,这样的土样其粗细颗粒组成较为混杂[30]。从表2还可以看出,不同质量比砒砂岩与风沙土复配后的Cu均远大于砒砂岩和风沙土的Cc,这说明砒砂岩的加入,改善了风沙土颗粒粒径均质性的缺陷,复配土的粒度组成及颗粒级配更加趋于良性化。

表2 不同质量比下砒砂岩与风沙土的不均匀系数C u及曲率系数C cTab.2 Uniformity coefficient and curvature coefficient of feldspathic sandstone and sand under different mass ratios

3 结论与讨论

通过对砒砂岩与风沙土在不同质量比下复配后粒度组成情况的详细分析,并结合不均匀系数与曲率系数,可以看出:1)砒砂岩改变了风沙土颗粒粒径较粗的问题,随着砒砂岩与风沙土复配土中砒砂岩质量的增加,砂粒质量分数减少,粉粒、黏粒质量分数增加,质地类型呈现从砂土—砂壤—壤土—粉壤的转变趋势。2)在风沙土中加入砒砂岩后,弥补了风沙土颗粒分选性强的缺点,改变了风沙土颗粒级配不良,土质均匀单一的特征,且这种效果以mf∶ms=1∶2或 1∶5时为好。

毛乌素沙地风沙土的粒径较粗,主要集中在砂粒段。本研究所得到的风沙土平均粒径的结果与李智佩等人的研究结果相近[31],砒砂岩富含粉粒和黏粒,有一定的持水保水效果[12]。在风沙土中加入砒砂岩,能有效阻止各种水分通过沙层影响土地深层的快速渗透,增加复配土的持水性能,并且随着砒砂岩质量的增加,质地由砂变壤,不仅满足了作物根系通气的需要,也改善了土壤的水分条件,达到一定的保水保肥效应,加速当地植被的恢复[32],抗风蚀水蚀能力也逐步得到改善,指示着砒砂岩作为固沙剂的可能性。所以用“覆砒砂岩盖风沙土”的模式来治理毛乌素沙地意义重大,不仅能达到治理沙化土地的效果,还能增加耕地。砒砂岩对风沙土有质地改良的效果,反之风沙土对砒砂岩黏粒质量分数过高易引起板结也有一定的改善效果[33]。在砒砂岩中加入风沙土后,复配土黏粒质量分数降低,且随复配土中风沙土质量的增多,黏粒质量分数越少,黏粒质量分数下降对改善砒砂岩板结有一定的作用。说明砒砂岩与风沙土能互相弥补各自在成土中的缺陷,改善粒度组成。

以上的认识仅是从粒度组成特性上来分析的,还是初步的,对砒砂岩作为一种固沙新材料更准确的理解尚需更多的实验数据来支持。本研究结果仅提出当 mf∶ms=1∶2或 1∶5时,复配土的颗粒级配特性良好;但是在砒砂岩与风沙土的复配质量比在1∶2和1∶5之间时,是否仍然具有良好的颗粒级配性,有待更深入的研究。