冻融循环作用下植被混凝土团聚结构变化对养分固持能力的影响

2022-06-14刘大翔刘德玉杨悦舒许文年

冰川冻土 2022年2期

刘大翔，刘德玉，童标，杨悦舒，丁瑜，许文年

（1.三峡大学水泥基生态修复技术湖北省工程研究中心，湖北宜昌443002； 2.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都610041； 3.三峡大学防灾减灾湖北省重点实验室，湖北宜昌443002；4.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌443002）

0 引言

植被混凝土生态修复技术是工程扰动裸露陡边坡植被恢复典型措施之一，已广泛应用于水利、交通、矿山边坡的植被恢复［1-2］。在工程应用中，需根据边坡岩土特性、坡度、坡高等来确定种植土、水泥、有机物料、活化添加剂和水的比例，并利用喷播设备将上述混合料喷播到坡面上，从而实现浅层防护与生态修复的有机结合［3］。当前，该技术应用范围正逐步由低纬度低海拔地区向高寒高海拔地区扩展，但冻融循环作用下因水分相变引发的材料冻胀与融沉过程，不仅导致植被混凝土物理结构疏松、力学性能降低［4-5］，还会使大量微生物细胞破裂死亡或进入休眠状态，导致微生物数量与活性降低，影响速效养分供给［6］。更重要的是，除养分含量外，降雨或径流条件下速效养分固持能力作为表征植被混凝土肥力可持续性的另一关键指标，也会显著降低。

团聚体是土壤结构的基本单元，不仅影响土壤强度，其团聚结构与孔隙形态分布等细微观结构特性还会直接影响养分元素及微生物代谢活动［7］。Huang 等［8］发现土壤水稳性团聚体含量的增加会提高土壤肥力；Yan 等［9］发现伴随团聚体破碎，土壤养分含量也随之下降；Liu 等［10］指出不同土壤团聚体组成下，各养分物质含量差异显著；还有学者指出，不少地区土壤养分丰沛，经历冻融后的再降雨事件之后，养分会大量流失，既影响植被生长又造成环境污染［11］。因此，团聚体对养分的供给和维持能力体现了土壤肥力供给水平。有关冻土物理性质的研究则指出，冻融作用会显著改变土壤团聚结构，产生的膨胀力会破坏土壤颗粒间的联结，使粗颗粒中的大团聚体破碎为小团聚体，产生的挤压力使黏土颗粒中的小团聚体向中等大小团聚体聚集［12-13］，但对于大、中、小团聚体相互转化的界限粒径，不同研究者的结论不一，主要受到土质、含水率、冻融循环次数与模式等参数的影响［14-15］。

基于上述土壤学领域有关团聚体与养分间联系的研究，可推测冻融循环作用下植被混凝土团聚特征发生显著变化，可能是导致养分固持能力降低的直接原因。然而，当前有关植被混凝土的研究，一方面较少涉及冻融循环对肥力指标的影响，另一方面鲜有关于细微观结构特性与养分固持能力间联系的研究报道。鉴于此，本文通过冻融循环模拟试验，探究植被混凝土团聚结构与养分固持能力的关系，有助于揭示冻融循环作用影响养分固持能力的深层原因，为植被混凝土生态修复技术在高寒地区的优化运用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究涉及的主要材料包括种植土、水泥、有机物料、活化添加剂和水。种植土取自宜昌周边常见黄棕壤土，经自然风干后过2 mm 筛备用，其中

＜0.002 mm、≥0.002～0.02 mm、≥0.02～0.05 mm、≥0.05～0.25 mm、≥0.25～0.5 mm、≥0.5～1 mm、≥1～2 mm 粒组含量分别为8.41%、11.55%、21.66%、38.86%、10.21%、8.98%、0.33%，pH 值为6.6。水泥采用华新水泥（宜昌）有限公司生产的P. O 42.5普通硅酸盐水泥。有机物料采用湖北俏牛儿肥业有限公司提供的茶树木屑，经风干、粉碎后过1 mm筛保存备用。活化添加剂为三峡大学专利成果转化产品［16］，其功效为：一是在不显著影响水化过程的基础上，通过调节pH 缓解碱性环境对植物的不利影响，改善功能微生物生存环境；二是富含大量固氮菌、解钾菌、解磷菌、纤维素分解菌等功能性微生物，有效提升基材活化水平。植被混凝土试样制备时，参照国家现行能源行业标准《水电工程陡边坡植被混凝土生态修复技术规范》［17］，各干料质量比为种植土∶水泥∶有机物料∶活化添加剂=100∶8∶4∶4。实际应用施工时，植被混凝土质量含水率通常介于18%～24%之间，因此初始含水率设计值分别取为下限值18%和上限值24%。

1.2 试样制备与试验方法

采用200 cm3容积环刀（Φ=70 mm、H=52 mm）制备试样。为保证各试样均一性，先按比例配制260 g干料，再按设计初始含水率加入定量水充分拌合后装填进环刀，可控制所有试样干密度在1.3 g·cm-3左右。试验变量设计有2 种初始含水率（18%、24%）与8 个冻融循环频次（0、1、2、4、8、16、32、64次）。每种初始含水率每个频次设置6个重复样，其中3 个用于团聚特征与淋溶试验前养分含量测定，另外3个用于土柱淋溶试验测定养分固持能力。

试样制备完成后，立即用保鲜袋密封，再置于标准养护室［温度（20±2）℃、湿度95%］中养护。一般认为，水泥水化反应主要在28 d内进行，反应完成度可达80%以上［18］，本研究设置养护周期稍大于该值。试样经30 d 标准养护后，干密度为1.1～1.3 g·cm-3，渗透系数为1.1×10-3～1.3×10-3cm·s-1，饱和含水率为62%～65%，黏聚力为42～45 kPa，内摩擦角为26°～28°，pH 值为7.70～7.96。然后，将试样放入杭州雪中炭恒温技术有限公司生产的XT5405G-FSC型土工冻融循环试验箱中，采用“气冻-气融”方式，将冻结/融化温度分别设置为-20 ℃/+20 ℃，并定义冻结12 h、融化12 h 为一次完整的冻融循环过程。分别在达到预定冻融循环频次时取出试样进行团聚特征、养分含量及其淋溶流失率测定。

关于实验设计，需作出以下两点说明：一是本研究主要关注含水率及冻融循环频次对植被混凝土性质的影响，为做好单因素分析和避免植物生长对实验结果的影响，未采用田间实验或盆栽实验，而采用了室内控制性实验；二是因条件所限，未能使用大型低温模拟实验室和采用“设置多个重复样方，且样方内重复取样”的方式，而是采用环刀制作重复样后放入冻融试验箱，所以本实验属于“假重复”设计。

1.3 分析测定及计算方法

植被混凝土水稳性团聚体组成参照土壤理化性质研究中常用的LB 湿筛法测定［19］。先将试样完全风干后，置于0.075～60 mm 土壤标准筛组中机械振筛20 min，然后按机械筛分后的比例重新配成50 g风干土样放在孔径分别为2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm 的筛组，以30 次每分钟的频率在水中上下震荡30 min，得到每个筛子上剩余各粒级水稳性团聚体含量。＜0.25 mm 各级微团聚体质量百分含量则采用吸管法测定［20］。选取平均重量直径、几何平均直径、团聚度、结构破坏率、分散率、特征微团聚体组成比例PCM 与RMD、分形维数等参数表征植被混凝土团聚特征［21-22］。相关参数计算公式为

式中：Xi为某一粒级水稳性团聚体的平均直径（mm）；Wi为对应于Xi的水稳性团聚体含量（%）；DR0.25为＞0.25 mm 的机械稳定性团聚体含量（%）；WR0.25为＞0.25 mm 的水稳性团聚体含量（%）；n1为≥0.05 mm 的团聚体含量（%）；n2为≥0.05 mm 的土颗粒含量（%）；n3为＜0.05 mm 的团聚体含量（%）；n4为＜0.05 mm 的土颗粒含量（%）；n5为＜0.02 mm 的团聚体含量（%）；n6为≥0.02～0.25 mm 的团聚体含量（%）；n7为≥0.02～2 mm 的团聚体含量（%）；M（r＜Xi）为粒径小于Xi的团聚体质量（g）；Xmax为团聚体的最大粒径（mm）；MT为团聚体的总质量（g）。

对于淋溶前试样养分含量，利用机械筛分后剩余土壤测定。其中，有机质含量采用重铬酸钾容量法测定［23］，铵态氮、硝态氮、有效磷、速效钾含量采用荷兰产SKALAR San++连续流动分析仪测定。

对于养分淋溶流失率，采用垂直一维积水入渗法测定，环刀试样底部用纱布封住，顶部再放置一个同规格环刀，接缝处用透明胶带密封后注入双蒸水。待试样饱和下部滴水后，再用双蒸水注满环刀，同时开始用漏斗和锥形瓶收集淋溶液。当收集淋溶液达100 mL后，停止淋溶试验。测定淋溶液养分含量，按下式可计算各养分淋溶流失率。

式中：m为完整试样干重（kg）；ni为淋洗前试样单位质量某养分指标含量（mg·kg-1）；V为收集的淋洗液体积（L）；ki为收集的淋洗液中某养分指标浓度（mg·L-1）。

采用SPSS 24.0 统计软件进行Waller-Duncan差异性分析，并对植被混凝土团聚体特征参数与各养分淋溶流失率进行Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 水稳性团聚体的粒径分布

含水率是影响土壤水稳性团聚体粒径分布的重要指标［24］。如表1 所示，两种初始含水率植被混凝土试样中皆以≥0.05～0.25 mm 粒组含量为主，所占比例均超过总量的50%。不论冻融前后，初始含水率高的试样中≥1～2 mm、≥0.02～0.05 mm、≥0.002～0.02 mm、＜0.002 mm四个粒组含量均偏大，而≥0.5～1 mm、≥0.25～0.5 mm、≥0.05～0.25 mm三个粒组含量均偏低；其中≥1～2 mm 与≥0.05～0.25 mm两粒组含量相差较大。总体上，初始含水率的提高促使试样中水稳性团聚体平均粒径增大。

由表1可见，随冻融循环次数增加，两种初始含水率植被混凝土≥1～2 mm、≥0.5～1 mm、≥0.25～0.5 mm 粒组含量均呈降低趋势，且在冻融初期变化较显著，当冻融循环频次超过32 次后才逐步趋于稳定，到64 次循环时18%与24%含水率试样中≥0.25 mm 团聚体质量分数相比冻融前降幅分别达到39.89%和49.28%。而≥0.05～0.25 mm、≥0.02～0.05 mm、≥0.002～0.02 mm、＜0.002 mm粒组含量均呈增加趋势，且以≥0.05～0.25 mm与≥0.002～0.02 mm两个粒组含量变化较明显。可见，冻融循环促使植被混凝土水稳性团聚体平均粒径减小。

表1 不同初始含水率与冻融循环次数下植被混凝土水稳性团聚体的粒径分布Table 1 Water-stable aggregate particle size distribution in vegetation concrete under different initial water contents and freeze-thaw cycles

2.2 水稳性团聚体的特征参数

平均重量直径、几何平均直径、团聚度、破坏率、分散率、特征微团聚体组成比例（PCM、RMD）和分形维数被广泛作为反映团聚体稳定性特征的评定指标［21-22］。初始含水率与冻融循环对植被混凝土水稳性团聚体特征参数的影响见表2。由表可知，未经冻融时，随初始含水率提高，植被混凝土平均重量直径、几何平均直径与团聚度均略大，而分散率、＜0.02 mm 特征微团聚体组成比例与分形维数均偏小。随冻融循环次数增加，两种初始含水率植被混凝土平均重量直径、几何平均直径与团聚度呈降低趋势，破坏率、分散率、＜0.02 mm 特征微团聚体组成比例与分形维数均呈增加趋势。可见，冻融循环会破坏植被混凝土水稳性团聚体稳定性，且冻融初期的破坏效应更明显。

表2 不同初始含水率与冻融循环次数下植被混凝土水稳性团聚体的特征参数Table 2 Water-stable aggregate characteristic parameters in vegetation concrete under different initial water contents and freeze-thaw cycles

2.3 养分含量及其淋溶流失率

初始含水率与冻融循环对植被混凝土养分含量的影响如表3 所示。由表可知，初始含水率高的试样中有机质、铵态氮、硝态氮、有效磷、速效钾含量均略大。而随冻融循环次数增加，植被混凝土中铵态氮、有效磷、速效钾含量均呈增加趋势，有机质含量呈先增加后降低趋势，硝态氮含量呈降低趋势。冻融循环初期，有机质、有效磷、速效钾含量的增长与硝态氮含量的下降较快，而铵态氮含量增速较慢；后期铵态氮含量增速变快，而有效磷、速效钾含量增速与有机质、硝态氮含量降低速度变缓。

淋溶流失率可直接反映土壤养分固持能力［25］。由表4 可见，不论冻融循环前后，随初始含水率提高，植被混凝土各养分淋溶流失率均略有降低。随冻融循环次数增加，各养分淋溶流失率均呈增加趋势。其中，硝态氮与速效钾淋溶流失率绝对值始终较高，有机质则较低。但就增幅率而言，有机质和硝态氮最高，两种含水率条件下64次循环时的淋失率相比冻融前的增幅率均超过90%；铵态氮淋失率对应的增幅率最低，两种含水率条件下均低于50%。总体而言，冻融循环作用会显著弱化植被混凝土养分固持能力。

2.4 水稳性团聚体的特征参数与养分淋溶流失率间的相关性分析

利用表2、表4数据，基于2种初始含水率与8种冻融循环频次条件下测试结果，开展植被混凝土水稳性团聚体特征参数与各养分淋溶流失率的相关性分析，结果如表5所示。其中，植被混凝土养分淋溶流失率与破坏率、分散率、＜0.02 mm 特征微团聚体组成比例和分形维数呈正相关，而与平均重量直径、几何平均直径和团聚度呈负相关，且均达到极显著水平（P＜0.01）。从Pearson 相关性系数绝对值大小来看，团聚结构参数与养分淋失率的相关性强弱排序为：几何平均直径＞团聚度≈分散率＞破坏率≈RMD≈平均重量直径＞PCM＞分形维数。因此可以推断，上述团聚体结构特征参数中，几何平均直径最适合用于反映植被混凝土养分固持能力，几何平均直径越大，养分固持能力越强。

表4 不同初始含水率与冻融循环次数下植被混凝土的主要养分淋溶流失率Table 4 Leaching loss rates of major nutrient substances in vegetation concrete under different initial water contents and freeze-thaw cycles

表5 冻融循环作用下植被混凝土水稳性团聚体的特征参数与主要养分淋溶流失率的相关系数Table 5 Pearson correlation coefficents between water-stable aggregate characteristic parameters in vegetation concrete and leaching loss rates of major nutrient substances under freeze-thaw cycles

3 讨论

3.1 初始含水率与冻融循环次数对植被混凝土水稳性团聚体的粒径和特征参数的影响

所有试样团聚体粒径分布均以≥0.05～0.25 mm粒组含量为主，这与配制植被混凝土所用种植土粒径级配中≥0.05～0.25 mm 粒组最多有关，且产生的水泥水化胶结物也促进了＜0.05 mm 团聚体向更大团聚体转化。但至于为何转化界限是0.05 mm，暂未找到明确解释，猜测可能与水泥用量有关。随着初始含水率提高，水稳性微团聚体进一步向大团聚体转化，且尤其以≥1～2 mm 粒组的增多最明显。未经冻融时，高含水率试样平均重量直径、几何平均直径、破坏率和团聚度略大，分散率、＜0.02 mm 特征微团聚体组成比例、分形维数略低，原因可能为冻融前初始含水率越高，则水泥水化反应越完全，有助于形成更多大粒径团聚体。而冻融后，高含水率试样团聚度显著偏小、分散率显著偏大，在于高含水率会产生更强烈的相变效应，更大冻胀力造成团聚体破碎程度更明显［26］。因此，对于高含水率试样，水分相变对团聚体的削弱效应可能超出了水化产物增多带来的增强效应。

冻融循环初期对植被混凝土团聚结构的影响较明显，随冻融频次增长逐渐趋于稳定。有学者发现普通土壤也存在类似规律［27］，原因可能是初期团聚结构相对完整，经冻融作用时破碎效应更剧烈，会快速形成大量小粒径团聚体；而小粒径团聚体抵抗挤压与收缩能力较强，经过反复冻融作用也不易崩解破碎，因而冻融后期团聚结构趋于稳定。此外，团聚作用还与微生物数量与活性有关，因新陈代谢产生的分泌物有助于团聚体形成［28］。冻融初期，大量微生物死亡或进入休眠状态，分泌物的减少势必弱化土颗粒胶结作用，显著降低团聚体稳定性；但仍有部分低温耐受性强的微生物新陈代谢活动依旧进行，植被混凝土中微生物数量与活性逐步达到稳态，也促使团聚结构趋于稳定。

同等条件下，普通土壤团聚结构特征参数变幅和达到稳态所需冻融循环频次显著小于植被混凝土。如Zhang等［29］研究发现人工重塑黏土团聚体粒径在前6 次冻融循环时变幅最显著，其中≥1～2 mm粒组含量在40次冻融循环后降幅在5%以内。而本研究中18%与24%含水率试样在32 次冻融循环后≥1～2 mm 粒组含量降幅便已分别达到43.37%和66.15%，之后逐步趋于稳定。原因在于，普通土壤团聚体在冻融时会经历“解聚—重聚—再解聚—再重聚”的反复过程［30］，这也是其冻融后期趋于稳态的主因；而植被混凝土成分类似水泥土，既有土壤又有水泥水化产物，由于水泥水化产物破坏过程不可逆，其团聚结构达到稳定的时刻是水化产物被破坏到无法再被进一步破坏的时刻（图1）。

图1 冻融循环作用下普通土壤与植被混凝土结构变化过程示意图Fig. 1 Sketches showing the structure destruction process of natural soil and vegetation concrete under freeze-thaw cycles

3.2 初始含水率与冻融循环次数对植被混凝土的养分和固持能力的影响

冻融循环前，初始含水率的提高促使试样养分含量增多和固持能力增强。究其原因，可能是：①高含水率条件下水泥水化更完全，试样pH 值增大可能杀死更多微生物，导致其体内营养物质流出［31］；②部分养分元素被水化胶结物包裹与吸附，导致水溶性游离养分变少。冻融循环后，高含水率试样养分淋溶流失率依然偏小，与前文中提到的冻融时高含水率试样分散率、破坏率等参数偏大的现象看似矛盾，但实质上是由于高含水率会造成试样团聚体中≥1～2 mm 粒组质量分数远高于低含水率试样，也侧面反映了大粒径团聚体对试样中养分的固持占主要贡献。

随着冻融循环频次增多，有机质、有效磷和速效钾含量仍逐步提升，原因在于，虽然冻融环境降低了微生物总量与活性［6］，抑制了难溶性养分向速效养分转化，但死亡微生物体内养分的析出［32］，以及低温耐受性微生物的不断繁殖，仍会使养分含量增长。至于铵态氮与硝态氮含量与冻融频次的关系，目前土壤学领域说法不一，有学者发现冻融循环显著增加了土壤中铵态氮含量，并降低了硝态氮含量［33］，但单博等［34］的研究结果却与之相反。本文研究结果与前者一致，原因可能是冻融循环在抑制有机元素矿化的同时促进了土壤反硝化作用［35］，且碱性环境也抑制了硝化细菌活性，减少了铵态氮向硝态氮转化。

随冻融循环频次增多，各养分淋溶流失率均显著增高，原因可能为：①包裹在团聚体内部的营养元素伴随着团聚体破碎大量析出［36］，因而养分淋溶流失率增大；②冻融循环致使团粒间空隙膨胀和收缩，使团聚体重新排列，结构孔隙率增大，淋溶阻力减小，影响营养元素附着能力，导致更多养分元素以游离状态存在于水相中，并随水分发生迁移［37］；③团聚体破碎过程中，材料比表面积增大，但吸附位点增速小于养分元素析出速度。

3.3 冻融循环作用下植被混凝土水稳性团聚体的特征参数与养分固持能力的关系

土壤学领域研究表明，土壤团聚结构与养分固持能力关系密切。但因团聚结构特征参数众多，究竟何种参数最适合表征养分固持能力仍未达成共识。如区晓琳等［38］研究表明团聚体平均粒径越大，养分固持能力越强；Guidi等［39］发现团聚体稳定性下降会导致养分固持能力下降；Cui 等［40］发现土壤平均重量直径越大养分固持能力越强；而陈秋捷等［41］发现沙化土壤养分固持能力可由平均重量直径反映。本研究中发现植被混凝土中几何平均直径与各养分淋溶流失率的Pearson相关系数绝对值最大，且达到极显著水平（P＜0.01），因此建议将几何平均直径作为评判植被混凝土养分固持能力的团聚特征指标。