复配型土体有机重构技术初探——以砒砂岩与沙复配成土为例

为探明复配型土体有机重构技术对土体改良作用的机理,本文选择砒砂岩与沙复配成土技术作为典型实例,设置不同砒砂岩与沙的复配比例(1:1、1:2、1:5)田间试验小区与沙地进行对照,于2010-2015年连续监测不同处理土体的质地、有机质、水稳定性团聚体、矿质氮以及玉米产量变化。结果表明:砒砂岩的加入能将沙地土体中的粉粒和粘粒含量分别从3.21%和2.73%提升到20%和5%以上,满足作物生长的颗粒需求,因此适宜于作为一种沙地土体有机重构的材料;在6年的耕作管理中,0-30 cm表层的粉粒和粘粒缓慢向下层迁移,增加30 cm以下沙地土体的粉粒和粘粒含量,复配土土体0-30 cm内有机质含量从0.5%以下提升到3.7%以上,水稳定性团聚体含量则从18%-28%提升到20%以上,0-120 cm深度土体内矿质氮储量提升4.5倍以上,玉米产量随种植季数稳步提升至11000 kg·hm~(-2);其中,1:2复配比例上经6季种植后玉米产量达到14234.4 kg·hm~(-2),最适宜玉米生长。本文的研究结果不仅系统分析了砒砂岩与沙复配成土技术的机理,也为其它复配型土体有机重构技术的机制探讨和技术路线制订提供了参考。     

毛乌素沙地砒砂岩机械组成与矿物组成定量关系研究

土壤矿物尤其是次生矿物,对土体的诸多理化性质起决定性作用。为解析毛乌素沙地砒砂岩中机械组成与矿物组成的定量关系,本文运用X衍射射线法和密度计法,对11种不同颜色的砒砂岩和风沙土矿物组成和机械组成进行了研究。研究发现:毛乌素沙地砒砂岩主要由钾长石、斜长石、石英、方解石、伊利石、蒙脱石组成。不同类型的砒砂岩矿物组成差别较大,其中次生矿物含量最高可达59%,最低仅有5.4%,平均含量27.1%。不同类型的砒砂岩机械组成差异较大,粘粒含量最高可达30.28%,最低仅有4.28%,平均含量为16.1%。砒砂岩次生矿物含量决定了粘粒含量,并且二者呈线性正相关关系,拟合公式为y=0.481 3x+4.887 1,相关系数为0.742 3,相关性极为显著。     

基于田间试验的砒砂岩和沙复配成土特性研究

为研究砒砂岩和沙复配成土特性及对农业作物的影响,本文利用正交试验方法开展田间试验,采用不同的砒砂岩和沙混合比例,引入灌溉量、种植作物类型、农艺处理等变量参数,共设置10个试验小区。经过两季的作物种植,从复配土土壤质地、水稳定性大团聚体含量、有机质、作物生长水平及产量四个方面进行分析。结果表明,随着时间的推移,混合砒砂岩改良沙地,促使土壤宜耕层厚度增长,且土壤结构改良,肥力逐渐增加;作物对不同比例的复配土壤具有不同的敏感性,玉米、大豆在砒砂岩和沙1∶2混合比例下最适宜生长,小麦、马铃薯在砒砂岩和沙1∶5混合比例下最适宜生长。     

不同酸性条件对砒砂岩理化性质的影响

砒砂岩因分布广泛,矿物元素含量丰富,有关其活化方法的研究一直备受关注。本文通过采用不同浓度HCl、HNO_3对砒砂岩进行处理,研究了其对砒砂岩电导率、速效钾、有效磷等理化性质及营养成分变化规律的影响。结果表明:不同酸性条件对砒砂岩自身理化性质及养分均有不同程度的影响,且随着酸浓度的变化呈现不同规律,但两种酸之间差异并不大;经酸溶液处理后的砒砂岩电导率显著提高,速效钾、有效磷及可交换性钾/钠均有不同程度的提升,同时砒砂岩粒径组成也与HCl浓度密切相关,高浓度HCl可将粉壤土质地的砒砂岩转为粘壤土甚至粉粘土,但HNO_3的影响微乎其微。     

砒砂岩与沙复配土抗风蚀能力研究

陕北毛乌素沙漠南缘地区广泛分布着"两害"——砒砂岩和沙,严重影响着当地作物的生长。为改善区域生态环境,实现资源的合理化利用,本研究将砒砂岩(P)和沙(S)按照不同的质量比进行复配(m(P)∶m(S)=1∶1,1∶2,1∶5),通过测定复配土的粘聚力、内摩擦角、风蚀量等一系列基本理化指标,研究复配土的抗风蚀能力及其影响因素。结果表明:随着砒砂岩含量的增加,复配土的粘聚力逐渐增加,抗剪强度增大,内摩擦角逐渐减小,风蚀量逐渐减小,抗风蚀能力逐渐增强。其中,1∶1复配土的粘聚力最大,内摩擦角最小,风蚀量最小;1∶5复配土的粘聚力最小,内摩擦角最大。砒砂岩的加入,可以显著降低风沙土的风蚀量,增强该地区风沙土的抗风力侵蚀能力。另外,粘聚力与容重有极显著的负相关性,粘粒含量与内摩擦角有极显著的负相关性,风蚀量和砒砂岩含量占比有极显著的负相关性。风蚀量和内摩擦角、容重有很强的正相关性,与粘聚力、分形维数、粘粒、粉粒含量有很强的负相关性。     

基于计算实验的砒砂岩与沙复配土团聚结构与质地变化的仿真研究

团聚体的形成主要靠粘粒的内聚力及铁铝氧化物的胶结作用,本文考虑单一因素粘粒对团聚体形成的影响,并定量化表达和探讨对有机质含量较小的砒砂岩和沙复配土中粘粒和水稳性团聚体的相关性,并通过计算机模拟仿真进行相关性验证,达到以土壤质地中粘粒的含量预测土壤团聚体的目的。本文将砒砂岩与风沙土分别按1∶1,1∶2,1∶5和0∶1质量比复配并在2010年建立小区,经过20102013年连续4年的试验连续取样观测,用激光粒度分析仪和湿筛法分别对其粒度组成及水稳性团聚体分析研究。根据混合后未种植以及20102013年5次实验数据表明(相关系数分别是0.742、0.794、0.887、0.714、0.755),不同年份的粘粒含量和团聚体具有正相关性,且相关性随年份变化相对稳定,时间变异不大。根据multi-agent(MAS)方法建立人工土壤团粒模型(Artificial Soil Aggregates Model,简称ASAM),以粘粒含量对团聚体含量的进行预测,预测结果与实测值基本吻合。研究结论:(1)针对有机质含量较少的砒沙岩与沙复配土,粘粒含量和团聚体含量具有较好的正相关性,且相关性随年份变化相对稳定;(2)仿真结果表明,利用ASAM模型仿真,计算仿真结果与实测数据趋势基本一致,首次将计算实验方法应用于复配土壤微结构变化过程研究,对不同复配土壤微结构变化定量描述提供了新的方法,并对土壤复杂性仿真提供了一条可行性途径,具有一定推广和应用前景。     

蒙脱石胶体及其携带叶枯唑在多孔介质中的运移规律研究

研究多孔介质中胶体及其携带污染物的运移规律,对于土壤污染物控制和污染土壤修复具有重要的意义。本文选用自然界存在矿物蒙脱石作为模型胶体,国内广泛应用的农药叶枯唑作为污染物,粒径150~200μm的石英砂作为多孔介质,采用三步法研究溶液中不同离子强度(IS 0.2、0.001 M)和pH(10、7、4)下叶枯唑以及不同离子强度(IS 0.1、0.01、0.001 M)下蒙脱石矿物胶体、蒙脱石和叶枯唑混合体在饱和多孔介质中的迁移和解吸。研究结果表明:碱性条件下(pH10)叶枯唑滞留较少,而在酸、中性条件下,滞留较为明显;离子强度对叶枯唑的滞留没有明显影响,相反对于蒙脱石胶体来说,随着离子强度的增大,蒙脱石滞留增加,并且当降低溶液的离子强度后,滞留的蒙脱石一部分会被重新释放出来;蒙脱石胶体和叶枯唑会相互促进其在多孔介质中的迁移,但滞留在多孔介质中叶枯唑并不会随着同样滞留的蒙脱石胶体的重新释放而释放。     

砒砂岩与砂复配土的静力力学特性研究

目前,众多研究指出了砒砂岩作为建筑材料可行性。本文选取毛乌素地区典型的红褐色砒砂岩为原材料,与福建标准砂混合形成复配土,测定了复配土的界限含水率,开展了复配土的室内渗透试验、压缩试验、直剪试验、三轴剪切试验,并分析了砒砂岩与砂的质量比、含水率、干密度对复配土静力力学特性的影响。试验结果发现:复配土的渗透系数随着干密度的增大而减小,压缩性随着砒砂岩质量比例和含水率的增加而增加,相反,随着试样干密度的增大而降低。试样中砒砂岩质量比例增大时,内摩擦角呈减小趋势,而粘聚力不断增大;试样的干密度越大,内摩擦角和粘聚力越大;试样的含水率越大,内摩擦角越大,粘聚力随含水率的增大而减小。本文的研究可为砒砂岩在工程应用提供参考。     

砒砂岩与沙不同重构比例对表层土体储水量的影响

研究毛乌素沙地砒砂岩与沙不同质量重构比例下表层(020cm)土体的储水情况,为砒砂岩改良风沙土的应用提供参考。将砒砂岩与沙分别按0∶1,1∶5,1∶2,1∶1,2∶1,5∶1和1∶0质量比重构,采用烘干法测定各处理的有效水分及储水量。随着砒砂岩与沙m(砒砂岩)∶m(沙)重构比例的增加,表层(020cm)土体有效水分含量呈多项式y=0.027x~2+0.625x+2.678(y为有效水分,%,x为7种处理,x=1,2,3,4,5,6,7)增长趋势,当向沙中加入1/6的砒砂岩时,增长幅度最大为28.71%。储水量呈幂函数y=8.286x~(0.705)(y为储水量,mm,x为7种处理,x=1,2,3,4,5,6,7)增长规律,当向沙中加入1/6的砒砂岩时,增长幅度最大为29.67%,向沙中加入1/3的砒砂岩时,为27.56%。砒砂岩与沙重构后,在沙中添加的砒砂岩不超过沙时,有利于复配土壤储蓄水分。     

毛乌素沙地砒砂岩矿物组成研究

矿物是土壤的主要组成物质,土壤矿物,尤其是土壤次生矿物,决定着土体的理化性质。本文从矿物组成角度对毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土机理进行探析。通过X衍射射线实验,对十一种不同颜色的砒砂岩和风沙土矿物组成进行了研究。研究发现:毛乌素沙地砒砂岩主要由石英、钾长石、斜长石、方解石、蒙脱石、伊利石和高岭石组成;不同颜色的砒砂岩矿物组成差别较大,其中灰白色砒砂岩次生矿物含量最低,仅占5.4%;浅棕色砒砂岩次生矿物含量最高,高达59%;风沙土由石英、钾长石、斜长石、方解石、角闪石、蒙脱石、伊利石组成,其中原生矿物含量占93.5%,次生矿物含量占6.5%。研究结果对探索砒砂岩与沙复配成土的机理、探寻新型的天然复配材料方面具有重要的参考意义。     

基于微观层次的砒砂岩与沙复配成土力学特性研究

研究砒砂岩与沙复配材料的力学特性对治理砒砂岩地区生态环境具有重要的现实意义。为了了解不同复配比例下复合材料的材料和结构特性,本文从微观层次入手,通过电镜试验和压汞试验,对砒砂岩复配土的微观结构及物质元素组成进行了分析。运用动三轴仪,进行了不同配合比下的力学试验。结果发现:砒砂岩的主要矿物成分是石英、钠长石、蒙脱石和方解石,无水状态时结构具有一定的强度,遇水饱和后结构崩塌,粘聚力迅速减小,具有一定的湿陷性;复配土由于其结构的互补性以及级配的优化,渗透性大为降低;宏观力学表现出应变硬化现象及非线性特点。     

基于粒度组成分析的砒砂岩与沙复配固沙机理探析

砒砂岩与沙复配成土技术已经在毛乌素沙地得到了大规模的推广应用。为给该技术的固沙作用提供数据支撑,研究从粒度组成角度对砒砂岩与沙复配成土固沙机理进行了初探。通过设定7种比例砒砂岩与沙(1∶0、5∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶5、0∶1)复配土,对二者和复配土的粒度组成特征进行了分析。研究结果表明,毛乌素沙地风沙土粒度组成主要集中在0.05~1mm之间,以粗颗粒占优的粒度组成决定了其抵抗风蚀的能力较弱。而砒砂岩粒度组成主要集中在0.01~0.05mm,其较细的粒度组成具有抵抗风蚀的潜力。砒砂岩与沙复配后其粒度组成向较细的方向转变,复配土抵御风蚀起主导作用的惯性力或内聚力发生了变化。     

砒砂岩与沙复配土的水土保持效应研究

毛乌素沙地的水土流失严重,是黄河下游泥沙和北方沙尘暴风沙的主要起源地之一。本文以水土保持为目标,以砒砂岩与沙复配成土为研究对象,采用小区试验、模拟土柱试验和风洞试验方法,设置砒砂岩与沙的质量比例分别为1∶5(S_1)、1∶2(S_2)、1∶1(S_3)的处理,以S_s(全沙)、S_(ss)(全砒砂岩)为对照,研究复配土的保水、保肥、保土能力。结果表明:复配土中随着砒砂岩的增加,土壤粘粒、粉粒含量逐渐增加,沙粒含量逐渐减少;S_3处理的复配土,土壤大团聚体含量最高,呈现出随着含沙量的增加,土壤大团聚体减少的趋势;不同处理的土壤含水量S_3S_2S_1,砒砂岩与沙复配比例为1∶1时,土壤蓄水条件较好;砒砂岩与沙复配比例为1∶1时土壤保肥效益最好,其中硝态氮含量分别比S_s(全沙)、S_(ss)(全砒砂岩)高24.64%、43.10%;S_1、S_2、S_3处理与S_s、S_(ss)相比,风蚀量均显著减少89%以上。其中在7 m·s-1的风洞模拟风速下,S_1处理的复配土风蚀量最小。砒砂岩与沙复配可以提高保水、保肥及保土效益,复配比例为1∶1时,水土保持效益最佳。试验结果在土地复垦和土壤改良等方面具有重要参考意义。     

基于生物质炭的风沙土资源质量提升研究

研究生物质炭对风沙土养分和酶活性的影响机制，对风沙土资源改良利用具有重要意义。本文以豫东平原风沙土为研究对象，开展6年田间定位试验，分析土壤样品养分特性、土壤酶活性对不同生物质炭添加水平的响应关系。结果表明，生物质炭不仅显著降低土壤pH，有效增加全氮、全磷、速效磷、速效钾与有机碳含量，也显著提高风沙土转化酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶的活性；土壤综合肥力水平与生物质炭施用量成正相关。综上，生物质炭施用对风沙土资源质量提升的效果显著，有利于风沙土资源的改良利用。     

鄂尔多斯砒砂岩微观结构特征研究

扫描电子显微镜是开展岩石、土壤的微结构、微形态研究的最佳工具之一。本文利用扫描电镜、EDS能谱仪对鄂尔多斯地区4种不同颜色砒砂岩进行观察分析,探明砒砂岩的微观形貌特征以及各砒砂岩中粘土矿物微形态和产状特征。结果表明:鄂尔多斯4种砒砂岩中除浅棕色砒砂岩的胶结结构紧密以外,黄色、紫色、粉红色砒砂岩的胶结结构均较为松散,4种砒砂岩中的粘土矿物虽然主要以水敏性的蒙皂石族矿物为主,但不同颜色砒砂岩的胶结结构和粘土矿物的形态特征各不相同。其中浅棕色砒砂岩多属于压嵌型胶结结构,粘土矿物主要以鱼鳞状和锯齿状蒙皂石聚集体赋存;黄色砒砂岩多属于基底—孔隙式胶结,粘土矿物以蜂窝状和鳞片状的蒙皂石聚集体形式赋存,并且其特征矿物为海星状的纤铁矿;紫色砒砂岩多属于连晶—接触型胶结结构,粘土矿物主要以褶皱蒙皂石聚集体为主,其特征矿物为纳米棒状方解石;粉红色砒砂岩多属于基底—孔隙式胶结结构,粘土矿物以蜂巢状和褶皱状的蒙皂石矿物为主。研究结果对砒砂岩有了进一步了解,对探索砒砂岩的资源化利用具有重要参考意义。     

砒砂岩与沙中矿物粒度分布特征的多尺度微观结构分析

在以往研究中,由于测试技术缺失,对砒砂岩与沙中矿物的粒度考虑不足,对砒砂岩与风积沙中不同矿物粒度的复配缺少研究。本文结合扫描电镜,采用多尺度微观结构分析技术,以砒砂岩、内蒙古亚玛雷克沙漠沙、神木沙为样品,将砒砂岩与两种沙分别按质量比为1∶0、1∶1、1∶2、1∶5和0∶1复配,测定并对比了砒砂岩和沙的全样粒度及砒砂岩与两种沙中不同矿物的粒度分布特征。结果表明:砒砂岩和沙中主要的矿物有石英、硅酸盐矿物和碳酸盐矿物,按面积百分比计算,砒砂岩中石英占68.83%,硅酸盐矿物占16.28%,碳酸盐矿物占14.89%,内蒙沙中石英占49.36%,硅酸盐矿物占48.42%,碳酸盐矿物占2.21%,神木沙中石英占38.74%,硅酸盐矿物占59.5%,碳酸盐矿物占1.76%。不同比例砒砂岩与两种风积沙复配土中,砒砂岩中碳酸盐矿物粒度对复配土的影响较大;内蒙沙与砒砂岩复配土中,随着砒砂岩中矿物粒径的缺失,0.1mm部分风积沙中石英、硅酸盐矿物对粒径变化起主要作用;神木沙与砒砂岩复配土中,曲线在0.03、0.05、0.1mm都出现了转折点,0.05mm部分,砒砂岩中碳酸盐矿物对粒径的变化影响较大。综上,多尺度微观结构分析技术可以快速得到砒砂岩与沙中不同矿物形态与粒度分布特征,从矿物复配角度对砒砂岩与沙复配成土技术提供了一个新思路。     

砒砂岩对毛乌素沙地风沙土固碳能力影响研究

为探析砒砂岩对于毛乌素风沙土固碳能力的影响规律及机制,通过不同比例砒砂岩与沙复配成土实验小区和技术应用示范区采样检测进行对比。小区试验结果表明:2010~2015年,适量砒砂岩的加入将风沙土质地由砂土改良至壤土—壤砂土,土壤团聚能力显著增强,土壤表层有机碳含量从0.30g·kg^(-1)提升至2.16~3.03g·kg^(-1),土壤的固碳能力显著提升。技术应用示范区采样结果则表明:砒砂岩与沙复配成土技术将0~100cm深度内土壤的总碳密度由22.09t·hm^(-2)提升至24.07t·hm^(-2),有机碳密度16.64t·hm^(-2)提升至18.44t·hm^(-2),体现出砒砂岩对风沙土固碳能力的提升作用。     

不同比例砒砂岩与沙复配土中重金属的渗透迁移规律研究

为了解不同比例砒砂岩与沙复配土中重金属的渗透迁移规律,本文以砒砂岩与沙0∶1、1∶0、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5以及纯黄土为例,进行了Mn^(2+)、Ni ^(2+)、Cd^(2+)、Cr^(6+)和Cu^(2+)重金属溶液在1cm渗透压水头下的渗透实验。实验结果显示,砒砂岩对于该5种重金属的渗透有一定的抑制作用,并且砒砂岩含量与抑制程度整体上呈正相关,但重金属不同抑制程度也不相同。纯沙子对于重金属Mn^(2+)、Ni ^(2+)、Cd^(2+)吸附性较差,对Cr^(6+)、Cu^(2+)有一定程度的吸附。实验期内(600h)重金属均未穿透黄土,显示黄土对于重金属有较强的吸附性。     

温度及pH值对砒砂岩理化性质及营养成分的影响

砒砂岩分布广泛,如何将其中所含丰富的矿物元素转化为可被植物直接吸收利用状态一直备受关注,而在不同活化条件下,砒砂岩的理化性质及营养成分会受到什么程度的影响正是本文研究的重点。本文以pH值和温度两个影响因素为例,研究了经处理后的砒砂岩电导率和主要营养成分,包括全氮、有机质、有效磷和速效钾的变化规律。试验结果发现,砒砂岩电导率在酸性或碱性条件下均可提高;温度是影响砒砂岩中有效磷、有机质及速效钾含量的主要因素之一,而全氮含量与pH值及温度之间的关联并不大。     

芦苇对盐渍地土壤盐分改良及分布规律的影响

为研究芦苇对盐渍地土壤盐分改良及分布规律的影响,对芦苇种植前后及单生长季内不同土壤层次的pH、电导率、有机质、盐分分布特征进行测定,结果表明:(1)经过7年的芦苇种植改良,土壤中Ca~(2+)、Mg~(2+)、Cl~-、SO_4~(2-)、HCO_3~-、CO_3~(2-)6种盐分离子的含量均显著降低60%以上。(2)单生长季内随着芦苇的生长,土壤粘粒含量有向下运移的趋势,表层土壤(0~20cm)粘粒含量有少量减少;底层(40~60cm)土壤粘粒含量少量提高。同时表层土壤pH值和电导率显著下降,中层变化不显著,下层则略有升高。(3)芦苇种植的盐渍地表层土壤有机质含量显著高于中层和底层,且单生长季内表层土壤有机质含量随芦苇的生长,由8.95g·kg~(-1)提高到11.80g·kg~(-1),提高显著,但中层和底层土壤有机质变化幅度较小,相对稳定。(4)芦苇出苗期盐渍地土壤盐分的表聚现象明显,表层土壤各类盐离子含量均显著高于中层和底层,但后期表层盐分含量下降明显,即芦苇对盐渍土的改良在单生长季内效果显著,其中以对表层土壤盐分改良效果最好。