黄河三角洲不同土地利用类型土壤微观结构特征

刘传孝，李克升，耿雨晗，李全新

（山东农业大学水利土木工程学院，泰安271018）

0 引 言

世界盐碱土面积约占土地总面积的25%，广泛分布在100多个国家和地区[1-2]。据农业部统计，中国盐碱地面积约34万km2[3]，土壤盐碱化程度逐年增加，特别是以黄河水为主要灌溉水源的黄河三角洲地区，土壤盐碱化更为严重。中国人口的持续增长带来了对粮食需求的增加，利用盐碱化的土地进行作物种植尤为迫切，因此修复该地区盐碱化的土壤格外重要[4-5]。黄河三角洲土地资源丰富，但土壤盐碱化严重且渗透性差，严重制约当地农业的发展；由于该地区生态环境的演变和当地农业工作者不合理的开发利用，导致土地资源开发利用状况产生较大变化，因而出现了多种土地利用类型[6]。不同土地利用类型的土壤具有不同的结构特征，导致其化学元素、离子含量乃至水盐运移方式差异性较大，因此研究黄河三角洲盐碱土的微观结构、分析其对土壤性质的影响，探索黄河三角洲不同土地利用类型土壤新的修复途径迫在眉睫。

国内外学者对于不同土地利用类型盐碱地的物理、化学和水文特性做了大量研究。张鹏锐等[7]研究表明，黄河三角洲不同土地利用类型土壤的水分、含盐量、pH值和离子组成均存在明显的差异；楚杨等[8]和刘博洋[9]分别对玛纳斯河流域中下游地区和吉林地区不同土地利用类型盐碱土进行了研究，发现土壤的有机质、电导率、pH值和离子组成存在较大差异。高娃[10]通过对土默川平原盐碱土进行了研究，发现不同土地利用类型盐碱土的容重、毛细管孔隙度、pH值、碱化度和土壤微生物等方面均存在较大区别。上述的研究为不同土地利用类型盐碱地的改良提供了指导，但是局限于盐碱土的物理、化学和水文特性方面，较少涉及土壤结构方面。土壤的结构特性对其物理、水文和力学等性质的显著影响已经被许多学者所证实[11-16]。张先伟等[17]研究表明，湛江黏土微观结构为开放式絮凝结构，其孔隙结构为具有较高强度和空间稳定性的空间网架系统，独特的微观结构导致其具有不良的物理特性。李丽华等[18]研究发现，沼泽土的矿物成分与蜂窝状的微观结构能很好地解释其压缩性大、抗剪强度低、流变性和触变性显著的工程特性。Jha等[19]研究了不同矿物和微观结构对石灰改良土膨胀性、压缩性和渗透性的影响。Ahmed[20]利用扫描电镜和X射线衍射仪对软黏土的微观结构和矿物进行了鉴定，并对其抗压强度进行了测定。Liu等[21]基于扫描电镜与力学试验，研究了察尔汗盐湖区不同含盐量盐渍土的颗粒间的骨架连接形式与力学性能的关系。方祥位等[22-23]针对陕西蒲城黄土微观结构提出了骨架颗粒连接的4种接触形式，并发现了黄土微观结构特征与其湿陷性有较好的相关性。上述文献主要对黏土、软土及黄土的微观结构与其物理力学性质进行了分析，而对盐碱土微观结构的研究较少，且对不同土地利用类型土壤微观结构的研究鲜有涉及。

本文以东营市农田、草地与滩地盐碱土为研究对象，结合粒度分析、X射线衍射、压汞和扫描电镜试验，分析各类盐碱土的粒度组成、矿物组成、孔隙分布、颗粒排列和孔隙结构特征，揭示各类型盐碱土微观结构特性的差异，为黄河三角洲不同土地利用类型盐碱土的修复与开发提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

黄河三角洲位于黄河入海口处，北临渤海，东靠莱州湾，地理范围为东经 118º07"～119º10"，北纬 37º14"～38º12"，面积约5 400 km2，大部分位于东营境内。黄河多次改道形成了岗、坡、洼相间排列的微地貌类型，地势西南高东北低，自然比降为1/8 000～1/12 000，海拔低于15 m[24]。该地区属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温11.7～12.6℃，极端最高气温41.9℃，极端最低气温-23.3℃；年平均日照时数为2 590～2 830 h；无霜期211 d；年均降水量为530～630 mm，70%分布在夏季；年平均蒸发量为750～2 400 mm。

黄河三角洲地区土地利用类型主要分为耕地、林地、草地、自然湿地、建设用地和裸地6种类型[6]。耕地、裸地、自然湿地和草地是黄河三角洲地区最主要的4种土地利用类型，其中耕地面积占该地区总面积的38.93%，裸地面积占总面积的26.59%，自然湿地和草地分别占总面积的13.14%和8.37%。黄河三角洲林地和建筑用地的面积仅占总面积的12.97%。除几乎无植物生长的裸地外，黄河三角洲地区的土地类型以耕地、草地与自然湿地为主，因此本文选取此3种土地利用类型盐碱土作为研究对象。

1.2 试验材料及方法

1.2.1 试验材料

试验土样分别取自山东省东营市的农田、草地和湿地。渗透试验表明，该地区盐碱土的渗透系数在0.01～10 mm/h之间，具有较低的渗透性能。课题组前期对当地盐碱土进行了大量微观试验发现，该地区盐碱土粒度组成在0～20，＞20～50和＞50～60 cm 3个土层间差别较大。为保证所取样本点具有充分的代表性，对3个土层分别进行取样。试验采用环刀取样，取样深度为60 cm。前期预试验结果表明，在同一土层内，不同深度土样的微观试验结果相差很小，因此，分别取0～5、25～30和55～60 cm的均质盐碱土作为微观分析样品，分析黄河三角洲不同土地利用类型盐碱土表层、中层和下层的微观结构特征。

1.2.2 检测方法

将土样在105℃下烘干、碾碎、过直径2 mm筛，进行粒度分析试验和X射线衍射试验。压汞试验和扫描电镜的供试土样均采用液氮真空冷冻干燥法制样[25-27]。首先，将取出的土样用涂有凡士林的钢锯切割成20 mm×20 mm×20 mm的立方体，然后将其切割成8 mm×8 mm×15 mm的长方体，在试样的中部预制深度约为1 mm的凹槽，制成扫描电镜（SEM）试样。取同一土样，切割成5 mm×5 mm×10 mm的压汞试验（MIP）试样。

将制成的土样放入离心管内，为了保证土样受冻均匀，避免土样成为“夹心饼”，向离心管内加入一定量的异戊烷，然后将离心管置于液氮中低温冷冻30 min，液氮使异戊烷迅速达到其冰点-140℃，使土样中的液态水变成非晶态的冰，将试样取出后迅速放入LGJ-12N真空冷冻干燥机内，在-80℃的温度下连续抽空48 h。

将干燥好的SEM土样沿原先刻有槽的位置断开，用吸球轻轻吹走表面的颗粒，选取较为平整的断面为检测断面。干燥后的MIP试样无需处理，可以直接用于压汞试验的研究。

采用丹东百特仪器有限公司生产的BT-9300S激光粒度分析仪对土的粒度组成进行分析；采用丹东通达科技有限公司生产的TD-3500 X射线衍射仪对土中的矿物进行定性定量分析，扫描方式采用步进扫描，测试条件：靶材为Cu(Kα1)，波长为1.54×10-10m，激发电压/电流为40 kV/30 mA，扫描范围为5°～60°，步宽为0.02°，扫描速度为2°/min；采用美国康塔仪器公司生产的PM-33-18全自动压汞仪进行压汞试验，对土样的孔隙特征进行定量分析[28-31]；土样的表面结构则采用FEI公司生产的Quanta250扫描电子显微镜进行观察。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型盐碱土的粒度组成

根据《土工试验规程》[32]，将该地区盐碱土粒组按粒径D分为3类：黏粒（D≤5μm）、粉粒（5＜D≤75μm）和砂粒（75＜D≤2000μm）。对黄河三角洲不同土地利用类型盐碱土进行粒度分析试验，其机械组成如表1所示。

表1 不同土地利用类型土壤粒度组成Table 1 Soil particle size distribution of different land use types %

不同土地利用类型盐碱土的粒度组成均以粉粒为主，其粉粒含量占总含量的60%以上；但其黏粒与砂粒含量存在一定差异，农田黏粒平均含量高达31.34%，远大于草地和滩地，草地砂粒平均含量为17.43%，大于农田和滩地。由于不同土地利用类型盐碱土的机械组成存在差异，导致其工程性质的不同。黄河三角洲农田、草地与滩地盐碱土的黏粒含量处于较低水平，而当地盐碱土却具有较低的渗透性能，因此盐碱土的粒度分布不是造成该地区盐碱土低渗透性的原因。

2.2 不同土地利用类型盐碱土的矿物组成

为准确反映黄河三角洲不同类型盐碱土的矿物成分，利用X射线衍射试验对农田、草地和滩地的盐碱土矿物成分分析。通过K值法、绝热法以及RIR值法等理论方法，采用MDI jade6.0软件对农田、草地和滩地盐碱土中所含矿物进行定量分析，其结果如表2所示。

表2 不同土地利用类型盐碱土各矿物成分比例Table 2 Proportion of mineral components in saline alkali soil of different land use types %

农田、草地与滩地盐碱土的矿物组成相同，三者矿物组成均以原生矿物为主，其平均含量占总矿物含量的85%以上，而黏土矿物平均含量所占总矿物含量的比例不足15%，这说明农田、草地与滩地盐碱土的风化程度较低。

农田、草地与滩地盐碱土的黏土矿物均以伊利石为主，但农田黏土矿物平均含量为13.56%，远高于草地与滩地，这与粒度分析结果相一致。黄河三角洲盐碱土具有较低的渗透性能，然而该地区盐碱土的黏土矿物含量却较低，故盐碱土的矿物成分不是造成黄河三角洲盐碱地具有较差渗透性的主要因素。

2.3 不同土地利用类型盐碱土的孔隙特征

为准确反映农田、草地与滩地盐碱土的孔隙结构特征，本文采用压汞法测定土样的孔隙分布和孔隙比表面积。为便于分析不同利用类型盐碱土孔隙的分布情况，本文根据Shear的孔径划分理论[33]，结合黄河三角洲地区盐碱土微观结构孔径特性，将该地区盐碱土的孔隙分为大孔隙 （d≥20μm）、中孔隙 （10≤d＜20μm）、小孔隙（2≤d＜10μm）、微孔隙 （0.1≤d＜2μm） 和超微孔隙 （d＜0.1μm）5级。根据上述盐碱土孔径划分标准，可得到不同孔隙组的体积占比和比表面积占比，分别如表3和表4所示。

盐碱土孔隙体积占比是指土壤某孔隙组的体积与土壤总孔隙体积的比值。由表3可知，农田盐碱土孔径d＜2μm的孔隙体积占总孔隙体积的比例为81.67%，这说明农田盐碱土孔隙主要由微孔和超微孔组成；草地与滩地盐碱土孔径0.1≤d＜10μm的孔隙占总孔隙的体积比例分别为76.65%、82.18%，这说明草地与滩地盐碱土孔隙主要由小孔和微孔组成。农田、草地与滩地盐碱土孔径d≥20μm的孔隙占总孔隙的体积比例分别为11.20%，5.89%和5.03%，由此可知，农田盐碱土的大孔隙率大于草地和滩地盐碱土。盐碱土的大孔隙率越小，盐碱地的治理越困难，因此滩地和草地盐碱地的治理难度大于农田盐碱地，这也就导致了滩地和草地盐碱土中的含盐量远远高于农田盐碱土。

表3 不同土地利用类型盐碱土孔隙体积占比Table 3 Proportion of pore volume of different land use types of saline-alkali soil %

表4 不同土地利用类型盐碱土孔隙比表面积占比Table 4 Proportion of pore specific surface area of different land use types of saline-alkali soil %

盐碱土孔隙比表面积占比是指土壤某孔隙组的比表面积与土壤总孔隙比表面积的比值。由表4可知，农田、草地与滩地盐碱土孔隙比表面积主要由微孔隙和超微孔隙贡献，其微孔隙与超微孔隙比表面积占总孔隙比表面积的比例分别为99.93%，93.36%，97.26%。由于盐碱土中的盐分主要附着在孔隙表面，因此该地区盐碱土中的盐分主要附着在盐碱土的微孔隙和超微孔隙的表面。当降雨或灌溉时，水分通过土壤孔隙仅能带走大孔隙、中孔隙和微孔隙中的盐分，而极难清洗微孔隙和超微孔隙中附着的盐分，这也是该地区盐碱地长期难以修复的重要原因。

土壤的孔隙率是指土壤颗粒之间的孔隙体积占土壤总体积的比率。本文通过压汞试验测定不同深度农田、草地与滩地盐碱土的孔隙率，其结果如图1所示。由图1可知，农田盐碱土的孔隙率集中在25%左右，草地盐碱土孔隙率在40.84%～46.16%之间，滩地盐碱土孔隙率在32.58%～39.94%之间；随着深度变化，草地与滩地盐碱土的孔隙率呈上升趋势，而农田盐碱土孔隙率变化不明显。

图1 不同深度农田、草地和滩地盐碱土孔隙率Fig.1 Porosity of saline-alkali soil in different depths of farmland,grassland and beach land

2.4 不同土地利用类型盐碱土的微观形态

盐碱土的微观结构特征可以通过颗粒组成、骨架颗粒的表面特性、骨架颗粒形状及排列、颗粒之间的胶结程度和孔隙性等描述，其中土颗粒形态、胶结程度和孔隙特征最具代表性[22-23]。利用扫描电镜对不同深度农田、草地和滩地盐碱土样进行观察，得到了61幅扫描电镜图片。通过观察各土样微观形态，选出了农田、草地和滩涂盐碱土中具有代表性的扫描电镜图片，如图2所示。

图2 不同土地利用类型盐碱土扫描电镜照片Fig.2 SEM photos of different land use types of saline-alkali soil

2.4.1 骨架颗粒形态

农田盐碱土的骨架颗粒之间形成了紊流结构，其结构单元以扁平状和片状颗粒为主；结构单元有一定程度的定向趋势。草地盐碱土的骨架颗粒以直径为20～30μm的块状颗粒为主，骨架颗粒之间排列整齐规则，颗粒间距较大，粒径分布相对集中，骨架颗粒形状以规则半圆形和圆形为主。滩地盐碱土的骨架颗粒之间形成了粒状堆积结构，其结构单元以聚集体和单粒体为主，其骨架颗粒直径远小于草地，颗粒之间致密有序，粒径分布集中，骨架颗粒形状以规则条形为主。

2.4.2 骨架颗粒连接形式

盐碱土骨架之间的连接形式，即土颗粒间的接触关系和胶结方式，它对盐碱土的物理、力学性质有直接影响。土壤骨架颗粒的接触方式有4类，即直接点接触、直接面接触、间接点接触和间接面接触[22-23]；颗粒间的胶结方式有3种，即孔隙胶结、镶嵌胶结和薄膜胶结[34]。

农田盐碱土颗粒间的接触方式主要为间接面接触，骨架颗粒之间排列有序且致密，颗粒之间通过大量胶结物相连，形成了典型的孔隙胶结，这使得农田盐碱土的渗透性很差。草地盐碱土颗粒间的接触方式主要为直接面接触，骨架颗粒之间排列紧密且无明显的定向排列特征，颗粒间无胶结，土壤骨架基本由颗粒间的穿插和镶嵌构成。滩地盐碱土颗粒间的接触方式主要为直接点接触，含有少量的直接面接触，土壤骨架表面无碎屑物，土壤骨架完全靠土颗粒间的堆积，骨架颗粒间不靠胶结物相连。

2.4.3 孔隙特征

盐碱土中存在各种各样的孔隙，即大孔隙、架空孔隙、粒间孔隙和粒内孔隙[22-23]。农田盐碱土是由致密结构和裂隙组合而成的结构体，颗粒间不存在架空孔隙，仅能发现细小的微裂隙，且微裂隙呈网状结构，纵横交错，裂隙面粗糙且复杂。草地盐碱土颗粒呈交错排列，孔隙主要为架空孔隙呈长条缝隙状，但在架空孔隙下面又会出现块状颗粒，孔隙之间没有连接通道，这使得土壤的孔隙连通性差，会阻碍降雨或灌溉后土壤中水盐的运输。滩地盐碱土颗粒之间联结紧密，其孔隙主要为粒间孔隙，孔隙直径较小，水分难以携带盐分从土壤孔隙中流走。

由上述分析可知，农田盐碱土结构致密，滩地盐碱土次之，草地盐碱土颗粒排列较为松散，这与压汞试验所得结果一致。农田盐碱土颗粒之间靠胶结物连接，而草地与滩地盐碱土颗粒间无胶结，由于胶结物主要由黏土矿物承担，因此农田盐碱土黏土矿物较多，这与X射线衍射所测结果一致。

3 讨 论

本文从土壤颗粒级配、矿物组成、孔隙分布及颗粒形态等方面研究了不同土地利用类型盐碱土的微观结构特征，为各类型盐碱土的修复提供了微观理论支持。

农田、草地与滩地盐碱土的颗粒组成均以粉粒为主，而农田盐碱土黏粒含量远大于草地与滩地盐碱土，3类土壤砂粒含量均处于较低水平。在黄河三角洲地区，现有改良盐碱土较为有效的技术是采用掺沙来改变土壤原有的颗粒级配，改良其渗透性，使盐分在一定条件下易从土中排出，从而达到修复效果。Mao等[35-36]通过大田试验证明了采用黄河泥沙修复当地盐碱土具有良好的效果。张翼夫等[37]提出了打孔灌沙的防治措施，并证明了其技术手段对表层土壤水盐运移和脱盐效果有着显著的影响。本文的试验结果证实了黄河三角洲各类盐碱土砂粒含量极低，通过掺砂和灌沙等手段改变土壤颗粒级配从而治理当地盐碱土是可行的。

通过研究农田、草地与滩地盐碱土的矿物组成发现，农田盐碱土的黏土矿物高于草地和滩地盐碱土，但该地区各类盐碱土的黏土矿物均不足15%，因此当地盐碱土的矿物组成不是造成其不良物理性质的决定因素。本文研究结果表明，在该地区盐碱地修复过程中，改变土壤的黏土矿物从而修复盐碱土的实际效果较小。不同土地利用类型盐碱土的微观结构存在较大差异，农田盐碱土的孔隙主要由土壤中的微裂隙构成，当灌溉或降水时，一部分水通过微裂隙流走，大部分水分通过蒸发散发到大气中，这对盐碱地的改良极其不利。草地和滩地盐碱土的颗粒排列紧密，且滩地的致密程度大于草地，两者土壤中的孔隙均不连通，这使得水分难以从孔隙中下渗。本文研究发现，该地区各类型盐碱土的结构致密，渗透性差，仅靠灌溉和降水等方式难以改良，因此今后研究的重点应着眼于土壤结构特征方面。

本研究是探索黄河三角洲不同土地利用类型盐碱土的微观结构特征，结果表明，农田、草地与滩地盐碱土砂粒和黏土矿物含量较低，颗粒之间排列紧密且渗透性极差，因此通过各种措施来改变盐碱土的微观结构具有实际的研究价值。黄河三角洲盐碱土修复措施主要有掺沙、秸秆、生物炭和石膏，改良效果已经得到了证实[1,3,35-39]，但已有措施能否改变盐碱土的原始微观结构，从根本上治理盐碱土将是未来研究的重点所在。

4 结 论

本文以山东省东营市农田、草地和滩地盐碱土为研究试样，以激光粒度分布、X射线衍射、压汞与扫描电镜为技术手段，对黄河三角洲不同利用类型盐碱土的微观结构进行了分析，得到以下结论：

1）农田、草地和滩地盐碱土的颗粒组成均以粉粒为主，但农田黏粒含量远大于草地和滩地。农田、草地和滩地盐碱土的黏土矿物以伊利石为主，平均含量不足15%，且农田黏土矿物含量大于草地与滩地。

2）农田盐碱土孔隙比表面积远大于草地与滩地盐碱土，因此农田盐碱土对盐分的吸附能力更强。农田盐碱土孔隙由微孔和超微孔构成，而草地与滩地盐碱土孔隙由小孔和微孔构成。草地盐碱土孔隙率最高，滩地盐碱土次之，农田盐碱土最低。

3）农田盐碱土由致密结构与微裂隙构成，骨架颗粒之间形成了紊流结构，其结构单元以扁平状和片状颗粒为主，骨架颗粒间连接形式以间接面接触为主，颗粒间靠黏土矿物胶结。草地盐碱土由紧密镶嵌的块状颗粒和架空孔隙构成，颗粒间的连接形式以直接面接触为主，骨架颗粒之间无胶结，孔隙呈长条缝隙状。滩地盐碱土的骨架颗粒之间形成了紧密的粒状堆积结构，颗粒间的连接形式以直接点接触为主，孔隙以粒间孔隙为主。

4）黄河三角洲盐碱土具有较低的渗透性，这是其长期难以治理的主要原因。通过上述微观试验发现，粒度和矿物组成不是造成黄河三角洲盐碱地具有较差的渗透性的因素，而盐碱土的孔隙特征和颗粒排列是造成当地盐碱土低渗透性的主要原因。