西南区山间盆地粘土渗透性与抗剪性改良研究

王 豹，张慧颖，张晓光，夏运生，张建生

(1． 云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201；2. 青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109)

【研究意义】云南省绝大部分优质耕地资源分布在仅占国土面积6%的山间盆地[1]，云南省所在的中国西南地区风化作用强烈，水流分选后形成的洪积物或湖积物是山间盆地内主要成土母质，基于此类母质发育的土壤质地粘重。同时，西南区降水量大，山间盆地地势低，农田易渍水。土壤粘重加耕层渍水导致山间盆地内一些田块仅能满足一年一熟单季稻种植，耕地利用率低叠加产量低，严重影响农业效益。渍水农田在西南区和全国范围内均有分布[2]。“十二五”以来，蔬菜、花卉、中药等非粮经济作物在云南省的面积和产量明显增长[3]，直接助力农民增收，并且还提供了农产品营销运输、农资销售等就业机会[4]。当前中国城市化进程持续推进，居民消费水平不断提升，蔬菜等农产品需求旺盛，西南区城镇周边山间盆地稻田需要改变种植模式。农田耕层土壤粘重导致了渗透慢、耕性差的问题，如通过科学手段进行彻底解决，可以显著提高种植业效益，促进农业增产增收，此研究方向具有迫切的现实和理论意义。【前人研究进展】近年来相关研究主要集中在以下3个方面：农田渍水及土体渗透影响因素。从全国农业生产实践来看，数量较多的农田在雨季面临着时间跨度不一的渍水问题，对农作物生长带来负面影响。目前主要研究了渍水胁迫下植物形态变化和生长受阻情况[3]，分析了植物受渍害的植物生理生化机理[4]，筛选了耐渍品种[5]。除了植物适应渍水迫害，研究者也探讨了土壤渗透的影响因素，大多关注林地[6]等植被类型[7]和不同种植模式[8]下土壤水分入渗影响因素。在典型岩溶坡地的研究表明渗透系数主要影响因素是非毛管孔隙度和小于0.002 mm粘粒含量[9]，也有研究发现离子反应造成了渗透系数增大[10]。土体抗剪强度。抗剪强度表征了土体在外力作用下产生剪切变形的难易程度[11]，是一项重要的土力学指标。在工程领域使用较多，如用来评价路基稳定性[12]等。这一指标在农业生产科研上较多地用于评价边坡稳定性[13]和土层抗侵蚀性[14]。研究发现紫色页岩地区小于2 mm的土壤颗粒含量是提高土壤抗剪强度的主要因素[15]。在自然因素之外，离子以及酸碱污染可以显著改变土壤中矿物的含量、颗粒的大小及形状，从而明显降低土体的抗剪强度[16-17]。土体渗透与抗剪强度改良。近年来国内土壤改良研究主要集中在改善理化性状、保肥保水及盐碱化治理等传统领域。面对农田涝渍问题，多采用田间工程进行调控，如采用暗管排水技术，建设适应涝渍防治的新型农田结构[18]。还有使用改良剂增加苏打碱土表层土壤渗透系数[19]，但直接调节农田土体渗透性的研究少之又少。 抗剪强度研究多集中在工程领域，针对这一指标进行土体改良，研究成果应用于连续墙、挡土墙、路基加固等工程[20]。研究者发现使用固化剂可以提高塿土和黄棕壤的抗剪强度[21]。也有一些减小土体抗剪强度的研究，如粉土使用表面活性剂改性后其内摩擦角减小[22]。目前研究主要从排水和适应渍水的角度出发，探讨如何减少渍水对农作物的危害，面向农业直接改良土壤渗透系数和抗剪强度的研究实例较少，已有少量研究所采取的材料和方法难以大面积推广应用。如何经济有效地解决粘土渍水难耕问题，真正满足经济作物用地需求？目前研究依然存在一定缺憾。【本研究切入点】粘掺砂改土技术在低产值的大田作物种植中应用不多，对高产值的经济作物不失为良好的技术选项，但目前量化研究较少。本次以粘土掺砂作为研究切入点。【拟解决的关键问题】探索粘土渗透性和抗剪性变化规律，判定河砂最佳用量，有效指导粘土改良实践。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

云南省寻甸县位于云南省东北部，地处东经102°41′～103°33′，北纬25°20′～26°01′。寻甸县地形复杂，有高山、丘陵、坡地、盆地、河谷等多种地貌，全县水资源十分充沛，总量约21亿m3。寻甸县属北亚热带低纬高原季风气候，冬春两季干旱，夏秋多雨，凉爽潮湿。年平均气温14.5 ℃，年平均日照时数2079.3 h，年无霜期229 d。

试验田块选定在寻甸县城东南方向山间盆地内，位于牛栏江左岸，海拔1862～1865 m。研究区内主要以农作物覆盖。区内地势平缓，平均坡度2°；地块集中、完整连片，水文地质条件单一，地下水受地表水和大气降水补给，农业生产最大的障碍是涝渍灾害。

1.2 样品采集制备

原位环刀样：选择典型农田，用挖土工具修整出光滑的剖面，深度20 cm，在剖面上用铁锤将土壤渗透仪的内置环刀全部击打进入土体，挖出环刀，用剖面刀分多次细心切除多余土体，整修成圆柱体，加上下盖，用干净塑料袋包好。原位环刀样将直接用于渗透系数和抗剪强度测试。

耕层土风干样：取完环刀样品后，再次整修剖面，用取土工具采集0～20 cm耕作层土壤样品，带回实验室，掰碎后风干，磨细过2 mm筛备用。

重塑样品：土壤改良处理需制备重塑样品，按照设定的改土质地和容重，计算土壤渗透仪内置环刀体积下风干土和净砂称样质量，用感度0.01 g天平称取后充分混匀，通过击实的方法恰好装入内置环刀。

1.3 土壤改良处理

原状土含砂粒20.94%、粉粒30.83%、粘粒48.23%，按美国农部制标准划分为粘土。为满足种植方式转变所需，粘土最优的改良方向应该是通过掺砂和粉类物质改良为壤土类，考虑到生产实践中难以大量获取廉价无污染的粉类材料，故采用干净河砂作为添加物。为了扩大改良范围，增加对比项，掺砂量最大设置至砂壤。原状土在逐渐增大掺砂量的过程中，土壤质地渐进发生改变，为此选定了粘土→粘壤→砂粘壤→砂粘壤→砂壤这一改土路径，为了增强每个改土处理的代表性，各处理粘、粉、砂三相的质量百分比均避开美国农部制标准中不同质地之间的临界值，最终形成4种质地的改良土壤，如表1所示。

表1 研究区耕层土质地改良方案

在自然垒结条件下，不同类型土壤容重规律是有机土<壤土<粘土<砂土[23]，但即便是砂土容重也很难超过1.7 g/cm3。原土掺砂后土壤容重适当增加，掺砂量越多的处理容重水平设置越多。容重值分别设定为1.4、1.5、1.6和1.7 g/cm34个水平，与质地水平交叉后形成以下11个处理。处理1：原状土CK_1.35 g/cm3，处理2：粘壤CL40_1.4g/cm3，外理3～外理4：砂粘壤SCL50_1.4、1.5 g/cm3，处理5～处理7：砂粘壤SCL60_1.4、1.5、1.6 g/cm3，处理8～处理11：砂壤SL70_1.4、1.5、1.6、1.7 g/cm3。

1.4 测试方法

1.4.1 基本理化性状 测试pH、原状土比重和容重、风干土含水量等基础理化性状，为保证测试精度和准确度，每个指标测试3次，剔除异常值。

pH:耕层土风干样1∶2.5水土比充分搅拌，平衡30 min，用pH计测定；原状土比重∶使用耕层土风干样，装入试管，加水煮沸测定；原状土容重∶环刀体积已知，将原位环刀样品采用烘干法称量干重。

风干土含水量:105 ℃通风烘干6 h以上至恒重，置于干燥器冷却后称重。

1.4.2 机械组成 土壤矿物质颗粒是土壤固相的主要组成部分，其不同粒级的不同配比是土壤质地存在差别的原因。测试方法采用中华人民共和国农业行业标准NY/T 1121.3—2006。试样经处理制成悬浮液，土粒沉降速度与粒径间关系遵从斯托克斯定律，用特制的甲种土壤比重计于不同时间测定悬液密度的变化，并根据沉降时间、沉降深度及比重计读数计算出土粒粒径大小及其含量百分数，具体计算公式如下：

0.2～2 mm粗砂含量(%)=

小于某粒径颗粒含量(%)=

0.2 mm粒径以下土粒直径与沉降时间关系，符合斯托克斯公式：

式中：D——土粒直径，单位mm；dl——土粒密度，单位g/cm3；d2——水的密度，单位g/cm3；L——土粒有效沉降深度，单位cm；T——土粒沉降时间，单位s；η——水的黏滞系数，单位g/ms；981——重力加速度，单位cm/s2。

1.4.3 渗透系数 土体具有被水透过的特征属性称为土的渗透性。变水头法是针对渗透性差的粘性土采用的测试方法，意指在试验过程中土样两端水头差随时间变化。本研究采用变水头渗透仪TS-55，参照水电部土工试验规程SD 128-012-84制备原状试样和重塑试样，在进行试验时先将竖管充水至需要的高度后，测量记录土样两端在初始时刻的起始水头差。之后打开渗流开关，同时开动秒表，经过时间△t后，再测记土样两端在终了时刻的水头差。根据试验结果和达西定律，即可推算出土样渗透系数。变水头渗透系数按下式计算：

式中：a——变水头管的断面积，单位cm2；A——渗透样的断面积，单位cm2；2.3——ln和log的变换因数；L——渗径，即试样高度，单位cm；t1，t2——测读水头的起始和终止时间，单位s；h1，h2——起始和终止水头，单位m。

放入TS-55型渗透仪内置环刀，安装好渗透仪，接通管道，加水，排气。为了保证一定的水头高度，同时兼顾读数便利性，起始水头精准调整为136 cm，水头差为10 cm。所有样品均等待渗透速率稳定后再开始观测，稳定的标准是连续3日观测值间在统计学意义上差异不显著。由于渗透速率不同，整个实验过程不同处理获得数据量不同，但均达到稳定标准，满足测试精度，可以采用数理统计方法进行分析。

1.4.4 水平抗剪强度 测试对象是原状土和各改土处理土柱，测定时水分条件选定自然风干即模拟农田处于极端干旱状态。在渗透试验结束后小心取出土柱，将土柱在覆盖状态下妥善保存，慢速阴干以防止土体开裂。犁底深度的抗剪强度是形成耕作阻力的主要来源，垂直压强设定为由20 cm耕层厚土体形成，土壤容重取1.5 g/cm3，故设定在3 kPa。本研究采用南京土壤仪器厂ZJ型应变控制式重力水平直剪仪，钢环系数C=1.869 mm/kN，剪切速率设定在0.8 mm/min，土体截面积即土壤渗透仪内环截面积为30 cm2，根据土柱截面积调节直剪仪杠杆上的砝码质量。

2 结果与分析

2.1 原状土基本性状

垂直渗透系数：在研究区选定典型田块，用环刀采集原状土柱，保持土体结构不被破坏，拿回实验室装入渗透仪用变水头法测定水分垂直渗透系数是1.90×10-7cm/s。水平抗剪强度：依据土壤容重经验值，设定20 cm深犁底层垂直压强为3 kPa，使用直剪仪测定风干原状土柱的水平抗剪强度为605.6 kPa。pH值：1∶2.5水土比测定值为6.50，属中性。按照土壤地带性分布规律，西南地区主要土壤类型是强淋溶的酸性富铁铝土即红壤，但在山间盆地渍水区，充足的水分条件强烈地影响了耕层土壤基本理化性状，这一偏中性的pH条件满足更多植物的生境要求，有利于农业种植结构调整。比重：干土水沸法测定原状土比重为2.83 g/cm3，不仅大于土壤密度经验值2.6 g/cm3，而且大于红壤经验值2.75 g/cm3[23]。容重：烘干恒重法测定值为1.35 g/cm3，稍高于土壤容重经验值1.30 g/cm3。风干土含水量：7.03%，较高的风干土含水量说明了土壤中粘粒物质较多，容易从空气中吸收并固定水分。在比重和容重分析计算中，均使用此含水量进行了校正。质地分析：经沉降法测定，耕层土不同粒级组的重量百分比为粘粒48.2%、粉粒30.8%、砂粒21.0%，按照美国农部制标准质地划分为粘土。

2.2 垂直渗透系数升高

原状土垂直渗透系数为1.90×10-7cm/s，即24 h内耕地表层积水仅下降0.016 cm，可见当地农田水分渗透能力极差。研究区地处山间盆地，地势平坦，雨季田面径流排水不畅，而水分向下层运移速率低到几乎停滞，由此产生了耕层长期渍水的不良后果。各改良处理渗透系数观测值满足方差分析，在显著性水平P<0.01检验条件下LSD法多重比较结果如表2所示，可以看出大部分处理间的差异显著，可以进而比较不同处理的均值。

河砂容重远大于田间土壤容重，将河砂掺入耕层原状土后，在设定的改土方向中各改土处理的容重应随着掺砂量逐渐增加，研究中所有改土处理的最大容重设定为由1.4 g/cm3上升到1.7 g/cm3。如图1将原土和容重增加的各改土处理相对比，可以看出粘土CL40_1.4 g/cm3，砂粘壤SCL50_1.5 g/cm3和砂粘壤SCL60_1.6 g/cm3这3个处理渗透系数稍高于原状土CK_1.35 g/cm3，但仅有砂粘壤SCL50_1.5 g/cm3与原状土的差异达到显著性水平。总体而言，不同质地各改土处理高容重条件下渗透系数改变不明显。需要特别说明的是砂壤SL70_1.7 g/cm3这一处理容重值特别高，即使田间也很少出现，但其渗透系数仍然显著高于其他任何处理，达到了6倍以上。

表2 处理间渗透系数均值比较

容重对土壤水分入渗的影响时，将处理过的塿土和风沙土的容重设定为田间实际值[24]。但本例中改土的处理较多，无法获知田间自然垒结状态下的容重值，田间常见的容重值为1.4和1.5 g/cm3。不同质地改土处理在1.4 g/cm3容重条件下，由原状土到粘壤CL40渗透性改善不明显，再到砂粘壤SCL50时渗透性改善达到显著性水平，砂粘壤SCL60和砂壤SL70处理渗透性明显改善并且渗透系数绝对值显著变大。不同质地改土处理在1.5 g/cm3容重条件下，砂粘壤SCL60和砂壤SL70处理渗透系数同样显著变大，与1.4 g/cm3容重条件下的现象相似。可以看出，在不同的容重条件下，砂粘壤SCL60之前的处理变化不明显，SCL60之后的处理开始显著变化。由表1可知，砂粘壤SCL60和砂壤SL70需要在原状土基础上掺砂97.65%和163.54%，砂粘壤SCL60已达到明显改善耕层透水特性的目的，砂壤SL70处理从改良渗透性的角度看属于过量掺砂。

2.3 水平抗剪强度降低

耕层土力学特性在生产活动中广泛应用，如改善耕性、优化土体结构力稳性、增强土体承载力等。耕作特性主要决定于土体的抗楔入性和抗剪切性，抗剪强度直接反映了在外力作用下发生剪切变形的难易程度，因此是农田耕作阻力的主要决定因素。

垂直压强3 kPa条件下风干原状土抗剪强度为605.6 kPa，说明了山间盆地粘重土壤抗剪性高、耕性差，改种经济作物后成为障碍因素。在同等垂直压强条件下各改土处理的抗剪强度不同，粘壤CL40_1.4 g/cm3是原状土掺砂最少的处理，100 g原状土仅掺砂31.77 g，其抗剪强度大幅下降到原状土的20%，其后的改土处理依然在下降，但下降幅度收窄，观测值多处于原状土抗剪强度10%以下。不管任何容重条件，所有改土处理均极显著地降低了原状土的抗剪强度，各处理测试值如图2所示：同一质地的改土处理即使容重增加对应的抗剪强度也不显著变化；不同掺砂量各处理组之间抗剪强度相差明显。

同为砂粘壤质地的改土处理砂粘壤SCL50和砂粘壤SCL60在1.4和1.5 g/cm3常见容重条件下，其抗剪强度相互之间差别不大，但均与相邻的粘壤CL40和砂壤SL70处理差异明显。总之，同一质地的改土处理即使容重增加对应的抗剪强度只是稍有增加但变化不显著；而不同质地改土处理间抗剪强度差异明显。

3 讨 论

3.1 容重和质地对渗透系数的影响

通过观察同一掺砂量在不同容重下各改土处理的渗透系数，比如砂粘壤SCL60在1.4、1.5、1.6 g/cm33个容重状态下，对应的渗透系数分别是496.71×10-7、115.00×10-7和3.24×10-7cm/s。再如砂壤SL70 容重由1.4 g/cm3上升到1.7 g/cm3分别对应的渗透系数是1676.64×10-7、531.48×10-7、153.45×10-7和30.07×10-7cm/s。可以发现容重稍有增加，水分渗透系数就显著降低。黄土也呈现出了相近的规律，容重由1.6 g/cm3上升到1.75 g/cm3过程中垂直渗透系数依次是8.16×10-6、4.16×10-6、2.38×10-6、1.31×10-6cm/s，同样说明容重稍有增加土体的水分渗透系数就显著降低[25]，该研究材料不同、容重变化小，渗透系数绝对变化量不如前述明显。

进一步分析可以发现，在粘土、砂粘壤等质地条件下容重是影响土体渗透系数的主要因素，渗透系数随着容重的增加而明显降低，以至于容重较高的条件下，不同质地改土处理间渗透系数相差不大。但是，砂壤SL70掺加了一定数量的砂粒，土体的渗透性得到了根本性的大幅度提升，无论容重如何变化，其渗透系数也是远高于不同质地的其他处理。可见，粘土、砂粘壤渗透系数主要决定于容重，砂壤渗透系数主要决定于土壤质地。在不断掺砂的改土过程中，渗透系数首先受容重的影响，然后受质地的影响。

3.2 质地和容重对抗剪强度的影响

原状土抗剪强度为605.6 kPa，明显高于任何改土处理。掺砂最少的处理粘壤CL40_1.4 g/cm3土体抗剪强度明显降低到原状土20%以下，继续掺砂下降幅度减小。可见，粘土抗剪强度比较容易用掺砂的方法来降低。同一质地组包含了掺砂量相同但容重不同的几个处理，在容重增加时土体抗剪强度只是随容重的增加而稍有增加，总体上变化较小。在容重1.5 g/cm3条件下，砂粘壤SCL50、砂粘壤SCL60和砂壤SL70抗剪强度逐渐降低且差距始终明显。综合1.4和1.5 g/cm3两种不同的容重条件，不同质地组间测试值不会产生交叉，容重的变化不能消除这一差距。总之，容重对土体抗剪强度的影响不明显。容重增加时抗剪强度变大，究其原因：一是黏聚力变大[26]，二是内摩擦角增大[27]，但抗剪强度与2个因素之间并非呈现简单的线性相关关系。

3.3 渗透系数和抗剪强度的同步变化

不断掺砂的过程中，土体的渗透系数和抗剪强度同时变化，总体规律是渗透系数变大而抗剪强度减小，掺砂初始阶段渗透系数变化小但掺砂达到一定量后明显增大，在同一过程中抗剪强度马上显著降低随后下降程度变小。研究发现，在使用一些材料改良土壤抗剪强度的过程中渗透系数也得到调节。随着改性钠羧甲基纤维素浓度增加，土体水稳性和抗剪性增大，渗透系数同时降低[13]。高分子土固化材料使黄土密度和抗剪强度增大，同时使渗透系数变小[28]。这些研究表明，渗透性与抗剪性存在一定的相关关系。分别以渗透系数和抗剪强度为测试指标的研究均发现粘粒含量是2个指标的主要影响因素[9, 15]。不断掺砂的过程同样是粘粒含量不断降低的过程，因此渗透系数和抗剪强度在同步变化。

3.4 粘土改良必要性和材料选取

南京市江宁区粘土渗透系数接近1×10-5cm/s[10]，研究区原状土质地同为粘土，但渗透系数为1.90×10-7cm/s，比前者低2个数量级，说明了渗水性差得更多。研究区原状土水分渗透性极差，而在干旱状态下抗剪性极强。前期调查发现当地蔬菜种植意愿强烈，近年种植面积快速增加，现实生产迫切需求改土技术，因此研究结果具有迫切性和科学性。

有研究使用粉煤灰改良砂质土壤，可以减小土壤渗透速率，提高土层含水量，但不足之处是未考虑粉煤灰造成的重金属污染[29]。还有研究如聚丙烯酰胺(PAM)在盐渍土改良中的效果和适宜施用量[30]。土壤改良剂的大面积推广使用存在困难，现实经济条件、材料获取难易程度、农民的接受意愿均影响改土的最终方式。

从原理上讲，任何土壤均可以采用调节粘、粉、砂三相比的方法改造为壤土，彻底改善渗透性和抗剪性，满足多数作物生境条件，但理论上的土壤改良方法往往无法在农田大面积实施。为保护环境安全，粘土改良研究选用了物理化学性质稳定且无污染的廉价材料—河砂，因为在现实生产环节难以找到大量纯净无毒的理想粉粒物质。继续寻找理想粉粒物质，或审慎地使用含粉粒较多的工业废弃物是研究的拓展方向。

4 结 论

(1)粘土水分渗透性低、耕性差，不能满足农业种植结构调整的用地新需求。使用掺砂的方法将粘土耕层质地改良至砂粘壤，渗透系数可以明显变大，抗剪强度也同时大幅降低。

(2)粘土掺砂过程中渗透系数变大。渗透系数在粘土掺砂初期下降幅度小而达到一定量后增幅明显，粘土掺砂量少时渗透系数受容重影响较大。

(3)粘土掺砂过程中抗剪强度减小。抗剪强度初期下降幅度巨大，抗剪强度主要受质地影响，容重对其影响较小。

研究结果为土壤改良提供理论和实践参考，粉粒在改土过程中的作用应成为今后的研究方向。