碳酸钙含量对砂型土壤水分特征曲线的影响研究

李国翔 刘 冀,2 董晓华,2 唐慧雅 谭雪松

(1.三峡大学水利与环境学院,湖北宜昌 443002;2.武汉大学水资源安全保障湖北省协同创新中心,武汉430072;3.宜昌晟泰水电实业有限责任公司,湖北 远安 444200)

近年来,岩溶地区土地石漠化问题越来越严重,受到普遍关注.因此,研究岩溶地区影响土壤持水能力的因素,探索其影响机理,并根据研究结果采取合理措施提高土壤持水能力具有重要意义.土壤水分特征曲线[1](soil water characteristic curve,SWCC)是用来表征非饱和土壤的基质吸力与含水率的关系曲线,可以用来反映土壤的持水能力[2].研究某一因素对土壤水分特征曲线的变化影响,可以很直观、准确的获得该因素对土壤持水能力的影响规律.

国内外关于岩溶地区土壤持水能力的研究有很多.例如胡阳[3]等通过野外取样和室内物理实验,研究了广西岩溶山区荒地、林地、草地、灌丛4种不同植被覆盖下的土壤水分特征曲线,结果表明影响研究区土壤水分特征曲线的主导因素是非毛管孔隙度.苏杨[4]等描述了土壤持水能力与土壤结构、容重、土壤总孔隙度等土壤因素的相关性,并总结了3种土壤持水能力的分析方法,其中水分特征曲线法,表征相关性更为直接.Khattab[5]研究了用石灰处理过的三种不同状态的膨胀土的土壤水分特征曲线,分析得出土壤持水能力受土壤压实密度和有机质含量的影响.

大部分关于影响岩溶地区土壤持水能力因素的研究,都是从宏观角度去观测分析的,比如土地利用变化、植株生物作用等对其影响,很少有从土壤的微观结构角度去研究该问题的.而土壤的持水能力实际上受土壤结构、土壤粘粒、土壤总孔隙度等因素的显著影响.因此,本文使用离心机和扫描电子显微镜(SEM)测量了不同碳酸钙含量的土壤的SWCC曲线和微观结构,从宏观和微观两个角度分别分析了碳酸钙对岩溶土壤持水能力的影响机理.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本研究所用的仪器有:高速冷冻离心机、扫描电子显微镜(SEM)、电子天平、环刀、土壤渗析仪、游标卡尺及烘干箱.试验所用离心机为GL-22M高速冷冻离心机,其温度控制范围为-20～40℃,精度为±1℃;最高转速为10 000 rpm;最大容量为100 m L×4.试验所用土壤为采自三峡大学校园的砂型土壤,土壤中不含碳酸钙,采样点为非岩溶地区,可用于空白对照.取样时选取多个取样点,按照随机、等量和多点混合的原则进行采样,去除取样点处的表层杂物挖取深度为0～30 cm间的土壤,取样后将多个不同取样点的样品充分混合带回实验室自然风干,并使用密度计法分析土壤的粒径级配,大块土体碾碎后过2 mm筛备用.试验所用碳酸钙粉末,其碳酸钙含量为99.9%.平均粒径为1～3μm.本试验通过混合碳酸钙与砂型土壤来模拟岩溶地区的含钙土壤,混合土壤试样的基本物理性质见表2.所用土壤和碳酸钙粉末粒径分析见表1.

表1 样品粒径级配

1.2 试验方法

1.2.1 土壤水分特征曲线测定

离心机样品盒体积为100 m L,盒中环刀高度为5.3 cm,装样时控制样品在环刀中的高度为4 cm,测定出试样总质量为110 g.由于目前我国土壤的碳酸钙含量大约在0～50%之间[6],碳酸钙含量随土层深度的增加而增加,其中浅层土壤的碳酸钙含量为0～10%,中部土壤的碳酸钙含量为10%～30%,深层土壤的碳酸钙含量为30%以上,按照不同土层碳酸钙含量的分界点,试验之前将碳酸钙粉末按10%、30%、50%3种不同质量百分比含量与砂型土壤充分均匀混合.每种含量的混合试样均设置两组,两组所测得的数据取平均值.将填装好的样品放入薄纯水层中进行饱和处理3 d,饱和水层厚5 mm.待样品达到充分饱和状态之后,取出环刀擦干外部的水分并称重、记录.此外设置一个空白对照组,不掺和碳酸钙的110 g纯砂型土壤,也在同样的条件下饱和3 d并称重、记录.

试样培养完成后,使用高速冷冻离心机,设置25℃(常温),并从小到大设置11个不同转速,分别为500、1 000、1 500、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000、8 000、9 000 rpm.根据尚熳廷[7]的研究,离心时间设置为100 min,每次旋转完后从离心机中将环刀取出,用滤纸吸干环刀表面的水分后称重,并用游标卡尺多点多次测量试样表面至环刀口的高度,取平均值,记录离心后样品的体积.由于离心机内外存在温差,因此每次离心之前需将试样放入离心槽内平稳温度20 min.待离心试验在11个转速下完全结束后对试样进行烘干称重、记录.根据所测试样质量变化数据、离心机的转速和试样表面至环刀口的高度可计算出不同转速下所对应的试样的吸力、质量含水率和离心半径,画出每组试样的土壤水分特征曲线.

1.2.2 容重、饱和导水率及田间持水量测定

不同碳酸钙含量的土壤干容重(γ,g/cm3)用环刀烘干法[8]测量.将0%、10%、30%、50%4种不同碳酸钙质量百分比含量的土壤分别装入到4个体积相同的环刀中,编号并放入烘干箱中烘干至恒重,烘干后称量并计算出混合试样的干质量,再除以环刀体积即可得混合试样的干容重γ.混合试样的孔隙度(P,%)利用公式(1)换算得到.

其中体积质量D取2.65 g/cm3.

混合试样的饱和导水率(Ks,cm/s)用土壤渗析仪测定.土壤渗析仪使用定水头入渗原理测定Ks,首先将4种不同碳酸钙含量的混合试样按其测定的容重分别装入到4个规格相同的入渗筒中,试样均装入到入渗筒0刻度线处,以确保装入试样体积相同;然后将入渗筒放入纯水中饱和试样12 h以上,连接渗析仪的供水马氏瓶,测定饱和试样在单位水势梯度作用下,单位时间t通过垂直于水流方向的单位面积试样的水流通量Q;最后根据达西定律可计算出饱和导水率Ks,计算公式为:

其中,L为试样在入渗筒中的厚度,均为11.5 cm;h为定水头高度(cm);S为入渗筒截面面积,均为19.635 cm2.

混合试样的田间持水量(FC,%)用环刀饱和法[9]测定.在测定试样容重后,将装满试样土壤的环刀放入5 mm深的纯水中12 h,取出用滤纸包好环刀底面放在干沙上8小时后称重并记录,根据公式(3)可求得FC:

其中,m为试样最大吸水后总质量(g);V为环刀体积,99.94 cm3.

1.2.3 扫描电镜观测

使用扫描电镜观察土壤试样,以便确定试样的宏观水分特性曲线与其微观形态之间的关系.试验过程为,先将导电胶或双面胶纸粘结在扫描电镜的样品座上,再取干燥的试样少量,将其均匀地撒在导电胶或双面胶纸上面,用洗耳球吹去未粘住的试样,然后镀上一层导电膜,最后用扫描电镜观察其微观形态.

1.3 土壤吸力的计算方法

把重力场的样品放到离心力场中,是用离心机法测定土壤水分特征曲线的原理.在重力场中,H高度的水体受到重力加速度g作用.在离心场中,g的作用由离心加速度rω2代替(r为运转半径,ω为角速度).在计算土壤吸力时,需把离心场的势能换算成重力场内的毛管水势ρg H,并以水头高度H表示土壤吸力[10],见公式(4).

对公式(4)进一步整理得:

式中,ρ为水的密度,ρ=1.0 g/cm3;n为转速(r/min);r0为转子中心到离心盒底的距离,r0=89.5 mm;h为中心土样的高度.

公式(5)计算时没有考虑离心过程中中心土样高度h的变化,会使计算的土壤吸力值偏小.为获得更准确的SWCC曲线,就必须考虑离心过程中中心土样高度h的变化对吸力的影响.l0为离心盒(去盖后)高度,l0=5.3 cm;h'为离心盒(去盖后)顶端到土样表面的距离.将其代入式(4)可得修正公式(6):

1.4 VG模型参数测量与拟合方法

VG(Van Genuchten)模型在1980年被初次提出,由于其不仅能够表征整个压力水头范围内的水分特征数据,而且该公式能适用于大多数土壤质地类型,因此在国内外得到了广泛的应用,其具体表达形式为公式(7):

式中,θ为质量含水率(g/g);θs为饱和质量含水率(g/g),饱和含水率θs是土壤吸力等于0时的含水率,即土壤水分特征曲线与横坐标的交点值,θs的数值可以通过测量得到,见表2;θr为残余质量含水率(g/g),残余含水率θr是水分特征曲线导数等于0时的土壤含水率,即dθ/d h=0时的土壤含水率,θr的数值可以通过测量得到,见表2.h为水的负压或土壤吸力(cm);∂、n、m为表示土壤水分特征曲线形状的参数,其中∂是土壤进气吸力的相关参数,一般认为∂=1/hd,hd为土壤进气吸力[11].

VG模型虽然只是经验模型,但其中的4个参数都具有较强的物理意义.其中的饱和质量含水率θs可用物理实验测量,本文所用的方法为,首先烘干试样至恒重,称量并记录其质量m1,然后使试样充分饱和至恒重,称量并记录其质量m2,(m2-m1)/m1即为试样的饱和质量含水率.残余质量含水率θr一般取凋萎点处的含水率,即用凋萎系数作为试样的残余含水率.本文用Dahiya等推荐的压力膜仪法[12]测定θr的值,在施加1.5 MPa压强下对应的含水率即为凋萎含水率.θs和θr的值也可以使用公式(7)对实测数据拟合得到.VG模型中的∂、n、m为表示土壤水分特征曲线形状的参数,没有办法实测,只能通过对实测数据的曲线拟合得到.

VG模型是一个非线性函数,本文使用Matlab的具有最小二乘意义的非线性拟合函数lsqcurvefit进行曲线拟合.曲线拟合函数首先调用VG模型的目标函数,然后设置4个参数的初始值及初始值的上下边界值,最后将土壤吸力和质量含水率的实测数据作为输入,输出4个参数的模拟值及拟合曲线.

2 结果与分析

2.1 不同碳酸钙含量对土水特征曲线的影响

使用离心机测得的含不同碳酸钙含量的土壤水分特征曲线如图1所示.从图1可见,随着土壤中碳酸钙含量的增加,水分特征曲线显著向左移动,即土壤含水率下降,持水能力降低.说明碳酸钙含量的增加显著降低土壤的持水能力.

图1 试样水分特征曲线实测与模拟情况

在试验测定的土壤含水率和基质吸力数据点的基础上,使用VG模型对SWCC曲线进行拟合,结果如图1所示.拟合所得的各参数值见表2.

表2 试样物理性质及VG模型参数拟合情况

从图1拟合的结果看,实测数据与拟合曲线吻合度较高,实测和计算质量含水率的残差平方和范数也较小,均小于0.000 1,误差值很小,说明试验结果可信度高.由表2可见,由VG模型确定的参数θs和θr与实测值也都较吻合.本文根据VG模型拟合的θr取值范围为0.043～0.056 4,而实测该土样的残余含水率为0.038～0.051,两者比较接近.由VG模型拟合的θs取值范围为0.291 8～0.411 9,而实测试样的饱和含水率为0.30～0.40,两者也比较接近.说明VG模型也适用于岩溶地区土壤水分特征曲线的拟合,随着土壤中碳酸钙含量的增加,土壤饱和含水率的实测值和拟合值都降低,残余含水率的实测值和拟合值都增加.由VG模型拟合的∂值取值范围为0.022 4～0.811 2,参数∂是土壤进气吸力的相关参数,∂值随土壤中碳酸钙含量的增加而减小,表明土壤进气吸力在增大,也即试样的通气性增加,而持水能力减小.形状参数n的大小决定着土壤水分特征曲线的坡度,坡度也即曲线的变化速率.由表2可见,n值取值范围为1.193 2～1.653 9,随着土壤中碳酸钙含量的增加,n值在增大,表明试样水分特征曲线的坡度在增加,碳酸钙含量对土壤水分特征曲线的影响更显著.

2.2 碳酸钙含量对试样田间持水量及饱和导水率的影响

通过物理实验测定的混合试样的容重、孔隙度、饱和导水率以及田间持水量见表3.每种碳酸钙含量的试样设置3组,对每种混合试样重复3次测定上述4个基本物理量,每个物理量的3组数据最后取平均值.

表3 混合试样4个基本物理量的测定情况

为了分析试样容重与试样田间持水量和饱和导水率之间的关系,根据表3绘出混合试样饱和导水率和田间持水量随试样容重变化的曲线图,如图2所示.

图2 混合试样饱和导水率和田间持水量随容重变化曲线

从表3可见,随着土壤中碳酸钙含量的增加,土样的容重在逐渐增大,孔隙度、田间持水量、饱和导水率逐渐减小.饱和导水率的大小与土样的质地、容重、孔隙分布以及有机质含量等因素有关,它是表征土壤入渗能力的重要参数,是反映土壤涵养水分和抗侵蚀能力的重要指标[13].当土壤碳酸钙含量增大后,容重变大,土壤变得密实,孔隙变小,孔隙度减少.而水分在通过土壤孔隙时除了受到重力作用向下运动外,还同时受到土壤颗粒间的毛管吸力的阻碍作用.土壤颗粒之间接触越紧密,土壤孔隙就越小,这时土壤颗粒间的毛管吸力也就越大,所以水分在碳酸钙含量大的土壤中下渗速率变慢.由表3可见,随着土壤中碳酸钙含量的增加,土样饱和导水率逐渐减小,水分在土体内运动变得困难,土样的持水能力逐渐变弱.

田间持水量是指在田间自然状况下土壤所保持的最大持水量,是体现土壤保持水分能力的一种基本性质[14].由表3可见,随着土壤中碳酸钙含量的增加,土样的田间持水量逐渐减小,这说明土样保持水分的能力在减弱.从图2可见,土样容重对土样饱和导水率和田间持水量的影响很大,随着土样容重的增大,土样饱和导水率和田间持水量都在减小,即持水能力减弱,这与前面碳酸钙对土壤水分特征曲线的影响结果一致.

2.3 混合试样微观结构观测

土壤微观结构决定了其宏观性状,为了进一步揭示碳酸钙的存在对土壤水分特征曲线影响的微观机理,本文使用扫描电子显微镜观察了纯碳酸钙粉末、纯土壤、以及不同混合比例的试样的微观结构.

在800倍扫描电子显微镜视场中,试验所用纯碳酸钙粉末呈表面光滑且不规则的晶体结构,晶粒之间存在较大的孔隙(如图3所示);而纯砂型土壤,则呈现板结状态,并且土壤孔隙相对碳酸钙晶体较小(如图4所示),土粒之间密集的聚集在一起.将纯碳酸钙粉末与纯土壤按不同质量百分比混合在一起培养数天后,在电子显微镜下观察,发现两种物质的混合改变了土壤原有的板结状态.随着碳酸钙含量的增加,土壤中出现的碎小颗粒逐渐增多,且形状极不规则,大小不一(如图5～7所示).这些碎小颗粒的出现,使得原土壤的大孔隙明显变大变多.土壤中碎小颗粒的表面并不是光滑的,而是呈粗糙褶皱状,这是碳酸钙粉末与土壤颗粒发生机械结合的结果[15].

图3 纯碳酸钙粉末扫描电镜照片(800×)

图4 纯砂型土壤扫描 电镜照片(800×)

图5 含10%碳酸钙混合试样扫描电镜照片(800×)

图6 含30%碳酸钙混合试样 扫描电镜照片(800×)

图7 含50%碳酸钙混合试样扫描电镜照片(800×)

图8 含10%碳酸钙自然界岩溶土扫描电镜照(800×)

土壤的持水能力是许多因素综合作用的结果.在石灰性土壤中,碳酸钙含量是影响土壤持水性及孔性的一个重要的因素[16].具体来说,在纯砂型土壤中添加碳酸钙后,由于钙离子与土壤胶体都具有较强的吸附能力,钙离子呈阳性,土壤颗粒呈阴性.碳酸钙将土壤中粉粒与粘粒等胶结在一起,与土粒聚集形成稳定的团粒结构,使土壤的小孔隙减少,大孔隙增多,总孔隙度降低,这是团粒结构的一大特点[17].土壤通过小孔隙的毛管引力保持水分,大孔隙则有利于土壤通气.

在扫描电子显微镜视场中,随着土壤中碳酸钙含量的增加,混合土样中的团粒结构增多,则土壤的小孔隙逐渐减少,大孔隙逐渐增多,导致土壤持水能力减弱,通气能力增强.含10%碳酸钙的土样,其团粒结构较少,持水能力相对较强,将其与自然界中约10%碳酸钙含量的岩溶土(如图8所示)对比,在800倍扫描电子显微镜下观察,发现土样中都含有很多碎小颗粒,结构大致相同,最大的差异在于混合土样的碎小颗粒表面呈褶皱状,而自然界中岩溶土样的碎小颗粒表面呈蜂窝状.后者表面呈蜂窝状是碳酸盐岩溶蚀风化的结果.这说明土壤中碳酸钙的来源,不仅仅是母岩或矿物风化、风尘携入等物理钙积过程[18],还有土-岩界面发生岩溶反应,碳酸盐岩不断溶蚀淀积在土壤中的化学钙积过程.在本研究中,向砂型土壤里掺加碳酸钙没有考虑复杂的化学溶蚀淀积过程,所以实验结果只能初步说明物理钙积过程对土壤水分特征曲线的影响.

3 结 论

本研究使用离心机和扫描电子显微镜(SEM)测量了不同碳酸钙含量的土壤的SWCC曲线和微观结构,并对VG模型中的参数进行了拟合,还通过物理实验测定了不同碳酸钙含量的土壤的容重、孔隙度、田间持水量以及饱和导水率4个物理量,从宏观和微观两个角度分别分析了碳酸钙对岩溶土壤持水能力的影响效果.试验结果表明碳酸钙对土壤水分特征曲线、容重、孔隙度、田间持水量以及饱和导水率都有很显著的影响,进而影响着土壤的持水性能.

具体而言,随着土壤中碳酸钙含量的增加,土样的容重在逐渐增大,孔隙度、田间持水量、饱和导水率逐渐减小,并且在相同土壤吸力下,土壤含水率也在下降,持水能力降低.在高倍扫描电子显微镜下观察,发现随着土壤中碳酸钙含量的增加,混合土样中的团粒结构增多,土样的小孔隙逐渐减少,大孔隙逐渐增多.

VG模型作为土壤水分特征曲线的经验模型,能广泛适用于大多数土壤情况.本文对试验土样水分特征曲线采用VG模型进行拟合,发现其拟合结果较好,说明VG模型也适用于岩溶地区土壤水分特征曲线的拟合.由于本研究没有考虑碳酸钙复杂的溶蚀淀积过程,试验结果只用于说明物理钙积过程对土壤水分特征曲线的影响,而土壤中碳酸钙的成因是多种方式共同产生的结果,所以在本文研究的基础上,还需进一步研究碳酸钙在土壤颗粒上的化学沉淀过程对土壤水分特征曲线的影响.

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