中國北方變性土的礦物學(xué)、孔隙和機械物理性質(zhì)以及改良.pdf

1、變性土具有獨特的礦物、形態(tài)，黏粒含量以及理化特征。這些特性的存在會使變性土有問題或不適合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。然而，在世界各地，變性土被用作耕地，被認(rèn)為是可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的重要資源。中國華北的砂姜黑土是典型的低產(chǎn)土壤，它具有變性土的特性，含有大量蒙脫石粘粒。特殊的黏土礦物組成和高粘粒含量會導(dǎo)致土壤耕作艱難及其物理特征變差，還將直接影響其他土壤特性和作物產(chǎn)量。作為中國華北重要的土壤資源，需從土壤的、土壤物理力學(xué)等闡明土壤不良性質(zhì)導(dǎo)致的土壤低產(chǎn)原因

2、，并探索土壤改良技術(shù)，為低產(chǎn)土壤改良和促進土壤持續(xù)生產(chǎn)力提供科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)果如下:
　　1)粘土礦物的礦物學(xué)研究
　　粘粒礦物在土壤養(yǎng)分的循環(huán)、物理化學(xué)性質(zhì)、土體的形成和污染物的遷移方面有重要的作用。為了更好地理解這些土壤過程和功能的復(fù)雜性，利用納米Zetasizer、X-射線衍射（XRD）、高分辯透射電子顯微鏡(HRTEM)等技術(shù)對黏土礦物的粒度分布(PSD)、礦物學(xué)組成、形態(tài)和晶格條紋等進行了研究。粒徑分析值顯示，

3、研究剖面的粘土礦物的粒度大小呈正態(tài)分布和單峰分布的狀態(tài)，粘土礦物的尺寸從納米到微生米尺度。粘土礦物的XRD分析顯示，黏土礦物組成以蒙脫石、蛭石及高嶺石為主，土壤中的蒙脫石和蛭石是其收縮膨脹行為的主要原因。TEM顯微照片顯示粘土礦物的大小從十幾至上百納米。HRTEM觀察到粘土礦物輪廓清晰的晶格條紋，顯示其有一定形狀和良好結(jié)晶。變性土壤中粘土礦物的綜合分析，對進一步理解土壤的機械物理性質(zhì)提供了基礎(chǔ)。
　　2)變性土的機械物理性質(zhì)和開裂

4、特征
　　對變性土的機械物理性質(zhì)和開裂特征，包括粒度分布(PSD)、線性膨脹系數(shù)(COLE)、抗壓強度(TS)、抗剪強度(SS))和開裂參數(shù)等進行了測定，并試圖建立這些機械物理性質(zhì)與土壤粘粒含量和粘土礦物的關(guān)系。結(jié)果表明:變性土具有較高的COLE值和抗壓強度，在測定的剖面中抗壓強度在剖面AH-05、AH-09、SD-01、HN-03和HN-10中隨深度的增加而增加;在剖面AH-05、AH-09、HN-03和HN-10中抗剪強度的內(nèi)

5、聚力隨深度的增加而增加，而內(nèi)聚角呈減小趨勢。通過測定裂縫面積、寬度和長度等參數(shù)，描述了變性土開裂的發(fā)生規(guī)律和形態(tài)特征。不同溫度下變性土開裂試驗表明在高溫(50℃)下裂縫會增大，強烈的蒸發(fā)和抗壓強度是導(dǎo)致開裂的主要原因;裂縫的發(fā)展隨含水量的增高而降低，當(dāng)土壤含水量達(dá)到45％時形成主次裂縫并開始整合。主成分分析(PCA)顯示抗壓強度、粘聚力、開裂特征、粘粒含量及線性膨脹系數(shù)相互之間呈正相關(guān)，而與內(nèi)摩擦角呈負(fù)相關(guān)，表明這些性質(zhì)受粘粒含量和蒙脫

6、石含量的影響，這些相互關(guān)系可能是導(dǎo)致土壤產(chǎn)生不良物理性質(zhì)導(dǎo)致農(nóng)作物低產(chǎn)的主要原因。土壤改良劑能夠顯著改善變性土的開裂屬性，秸稈生物炭處理能夠顯著降低變性土裂紋長度，而粉煤灰能顯著降低變性土的開裂長度。
　　3)變性土的孔隙及孔隙大小的分布及其與土壤有機質(zhì)的關(guān)系
　　土壤孔隙大小分布直接影響土壤的許多物理、化學(xué)和生物性狀。進一步了解土壤孔隙的分布知識有益于對土壤的許多功能和過程的理解。本研究中利用氮氣吸附法(NA)和壓汞儀(M

7、IP)法測定了六個土壤剖面不同土層深度的土壤孔隙分布狀況，并分離不同大小土壤團聚體分析了不同大小團聚體中的孔隙大小分布，通過去除團聚體中的有機質(zhì)比較了去除前后的孔隙率和孔隙大小分布。土壤孔隙的剖面分布表明，在剖面AH-05，AH-09，HN-03和HN-10中總孔隙及總體積隨剖面深度下降而降低，而剖面AH-05和Ah-09的大孔隙及超大孔隙增加?？紫洞笮》植?pore size distribution)曲線表明，大孔和中孔在土壤上層占

8、支配地位，而剖面下層的超微細(xì)孔比例增大。氮氣吸附法測定表明，變性土中孔隙直徑＜0.01微米占0.001-0.1微米孔隙范圍的比例超過50％。壓汞儀法測定的poresize distribution曲線有明顯的三個峰值，孔徑范圍分別為60到100微米，0.3到0.4微米和0.009到0.012微米。變性土中以超微孔隙(3.75-0.1μm)為主要孔隙（平均占35.5％），依次分別為大孔隙(＞75μm，占31.4％)，0.007-0.1μm

9、孔隙占(16.0％、微孔隙(5-30μm，占9.7％)和中孔隙(30-75μm，占7.3％)。有機質(zhì)去除前后的土壤孔隙大小分布曲線比較發(fā)現(xiàn)，土壤有機質(zhì)顯著影響團聚體中的孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布，尤其是去除有機質(zhì)會降低5-100微米大小的孔體積和孔隙度，而增加5-2和2-0.25mm團聚體中＜5微米的孔體積和孔隙度，這些孔隙的變化可能與有機質(zhì)通過黏結(jié)作用改變土壤結(jié)構(gòu)從而影響團聚體內(nèi)和團聚體間的孔隙有關(guān)。
　　4)變性土機械物理性能和開裂的

10、改良
　　變性土中不良的機械物理性質(zhì)如膨脹收縮、僵硬、干燥開裂等是引起農(nóng)作物生長困難的主要原因，利用不同的土壤改良劑對改善變性土的機械物理性能是主要途徑。試驗利用生物炭(秸稈生物炭(SB)、木屑生物炭(WCB)，污泥生物炭(WSB)和粉煤灰(FA)等土壤改良劑的培育試驗，比較了不同土壤改良劑的改良效果。施用土壤改良劑后土壤物理參數(shù)如:土壤結(jié)持性（塑限PL，液限LL和塑性指數(shù)PI）、抗壓強度(TS)、抗剪強度(C和ψ)、膨脹勢(SP

11、)和膨脹壓力(SPr)的測定結(jié)果顯示，土壤改良劑對上述物理參數(shù)均起到一定的改善作用。施用土壤改良劑可顯著降低土壤膨脹系數(shù)(p≤0.05)，其中廢水污泥生物炭和粉煤灰效果尤為明顯。應(yīng)用木屑生物體、污泥生物炭和粉煤灰都能顯著降低土壤的抗壓強度，而用秸稈生物炭能更大程度的降低抗壓強度，按濃度2％，4％和6％的添加量，降低的幅度分別為37％，43.99％和61.32％。黏聚力（C值）在所有改良劑中均有明顯降低，尤其是生物炭改良劑（SB和WCB）

12、，然而內(nèi)摩擦系數(shù)(ψ)沒有明顯變化。由于改良劑的應(yīng)用，土壤的膨脹勢(SP)和膨脹壓力(SPr)均表現(xiàn)為減小趨勢。應(yīng)用粉煤灰會使土壤膨脹勢降低的程度更大，按濃度2，4和6％比例添加，與空白相比分別降低24％，22％和19％。相關(guān)性分析顯示所有的物理參數(shù)如COLE，TS，C，ψ，SP和SPr相互呈極顯著關(guān)系。聚類分析分別將LL、PL、C和ψ指標(biāo)歸為一類，將SP、SPr、COLE和TS歸為另一類。相關(guān)研究表明，濕脹干縮現(xiàn)象會對土壤的各種物理參