砒砂岩改良沙地土体结构的微观机理研究

砒砂岩改良沙地土体结构的微观机理研究

王养孝*，曹婷婷

1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司 陕西西安 710075；

2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司 陕西西安 710075；

3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室 陕西西安 710075；

4.陕西省土地整治工程技术研究中心 陕西西安 710075 

摘要：沙地土体结构排水性较好，保水保肥能力较差，区域生态环境脆弱，土地退化严重，沙化土地治理是多年来沙漠化防治的工作重点，为进一步探究沙地土体改良技术的普适性，降低工程成本，本研究以天然软岩——砒砂岩为研究对象，从土壤微观结构和矿物成分角度，研究了其在沙地土体结构改良的可行性，并将其与沙进行了复配土实验，结果表明：砒砂岩是使沙地孔隙度降低的重要因素，其含有的蒙脱石具有膨胀性，可将极性水分子吸入晶层间使晶体膨胀，形成了孔径大小不一的孔道，可以有效地结对沙地土体结构漏水漏肥的问题。

添加砒砂岩并辅助耕作活动后，复配土的土粒在不断细化，土壤颗粒分布更加合理，砒砂岩可以作为一种天然的沙地土体改良剂用于沙地土体结构的改良。

1.绪论

中国的沙漠化问题一直备受关注。根据联合国环境规划署的报告，中国的沙漠化面积约为270万平方公里，占全国陆地总面积的约28%。这些沙漠主要分布在北方的内蒙古、甘肃、新疆等地区，以及西部的青海、宁夏等地[1]。沙地土体通常排水性很好，但过强的排水性导致土壤中的养分迅速流失，影响植物的生长，与其对应的是沙地土体的保水性通常较差，难以保持足够的水分供应给植物。沙地土壤通常缺乏有机质和养分，导致土壤肥力低下，土体容易受到风蚀和水蚀的影响，尤其是在植被覆盖较少或土地开垦不当的情况下，土壤侵蚀问题可能会加剧。沙地土体的土壤颗粒较大，土壤结构通常较松散，这可能导致植物根系支撑不足，生长不稳定[2-5]。多年来，我国针对荒漠化防治开展了大量的工作，通过施用有机肥料或覆盖植物残体来增加土壤的有机质含量，改善土壤肥力和保水性。种植适合沙地生长的植物，或者在未种植植物的地区覆盖植被，以减少土壤侵蚀和风蚀的风险。使用土壤化学改良剂，保水剂、固化剂等调理剂来改善土壤结构和保水性[6-8]。上述措施可以有效降低沙地区域的风沙侵蚀、水土流失等危害。

为了更大限度地研究沙地土体整治的效果，并且多种土体结构改良的多元化应用，仅仅依靠间接效益反应和一些基本理化分析很难进行诊断和研究，还需要从根本上深入研究沙地土体结构改良的微形态以及土体颗粒间胶结作用力的类型以及强弱程度，从而为实现沙地土体结构性能以及功效的可控调整打下坚实的基础[10]。土壤微结构是影响土壤质量的决定性因素，直接影响土壤调节水和气体通量，水和营养物储存，根系穿透和生长等生态系统功能[11]。对土壤微结构进行研究能够提取到如矿物组合、物质的迁移、耕作方式、土壤肥力等有关信息，有助于更深入的理解土壤形成过程及其变化，对拟定土地利用、管理和改良措施提供重要依据。

为了进一步控制工程成本，提升沙地土体改良技术的普适性，本研究以天然软岩——砒砂岩为研究对象，通过对其矿物组成和微观结构进行了分析，研究了其在沙地土体结构改良的可行性，并将其与沙进行了复配土实验，探究了砒砂岩的投加对沙地土体质地的改良效果，研究结果为天然软岩改良沙地土体结构的工程技术提供理论支撑。

2.实验设计

本研究选择在榆林大纪汗井克梁土场、榆林试验小区进行砒砂岩及复配原状土采集。试验设置砒砂岩与沙1:1，1:2和1:5三种比例。选用表土层进行实验分析，采用100cm3环刀进行原状土的采集，每个设置取3次重复。将样品带回实验室后，采用离子溅射仪在样品抛光表面镀上厚约 10~20 nm的金薄膜，然后置于扫描电镜下，利用扫描电镜直接观测复配土微观结构体单元大小、形态分布、孔隙特征及土粒间连接关系等微形态特征。采用Mastersizer3000型激光粒度分析仪测定砒砂岩、沙及其复配土颗粒的组成。测试时土样各取10ｇ，每种土样重复测定３次。称取200g原状风干土样放入孔径依次分别为10、7.5、5、2、1、0.5及0.25 mm的套筛最上面，底层安放底盒，顶部盖筛盖，用振荡式筛分机械在运动频率60次/min上振荡1 min后，从上部依次取筛称重进行团聚体测定。采用Excel对实验数据进行整理和绘图。

3.结果与讨论

3.1砒砂岩的粘土矿物形态

砒砂岩是一种复杂的矿物，结晶较好的石英颗粒与风化程度不一的粘土矿物惨杂交错在一起。由于砒砂岩的沉积环境是在氧化或还原条件下，河流相和陆相交替作用的碎屑岩沉积，其颗粒间的连接方式主要以胶结连接为主。而颗粒间的胶结物质是直接从粒间溶液中沉淀出来的化学沉淀物，主要有粘土矿物、碳酸盐、硅质矿物等，他们主要是在成岩阶段形成的自身矿物，颗粒间的胶结物，胶结物质的成分、形貌特征和含量对于岩土的特性具有较大的影响。由图1、图2可知，砒砂岩中的粘土矿物间相互紧密胶结，形成了丰富的孔隙结构，具有较高亲水的，较大比表面和层间空间，并且由于蒙脱石和绿蒙混层的层间联系力弱，易膨胀，具有较强的离子交换性质。由于其粒表存在的蜂窝状和薄膜状的粘土矿物绿蒙混层，这些粘土矿物呈现出不连续包裹颗粒，并向外衍生。这种产状的粘土矿物自形程度很高，晶体延长方向和颗粒没有明显的垂直或平行的关系，当多个绿泥石相互聚合在一起时，有的边与边接触，有的边与面接触而形成玫瑰花状绿泥石集合体，有的则呈分散片状，具有较强的胶结潜力。

           图1 砒砂岩孔隙结构                图2砒砂岩蜂窝状和薄膜状粘土矿物层

3.2砒砂岩与沙复配后土体微观结构

由砒砂岩与沙复配土表面形貌图3分析可知，风沙土的微团聚体中孔隙分布不良，砒砂岩与沙复配土的孔隙结构主要为堆积状和狭缝状孔隙，孔径范围较广，具有级细、细、中、大孔。砒砂岩与沙复配后土壤颗粒相互接触，连接紧密，孔隙变小，颗粒间胶结物质丰富。土体颗粒表面有较多的附着物，而且颗粒之间多为面接触，颗粒和颗粒之间有较多的胶结物质将其很好的粘结起来，保有一定孔隙的同时土壤具有良好的团聚性。这是由于在多年的作物种植过程中，灌溉施肥、植物根系分泌物、土壤中生物活动及其产物、以及腐殖质等增加了土壤有机质含量，使得土壤团聚的更好，土体结构得到很大的改善和提升。

图3 砒砂岩与沙复配土电镜图（a 100倍）、（b 2000倍）

3.3砒砂岩与沙复配后土壤质地与团聚体

砒砂岩的松散结构和易风化特点，使其具有成土母质最基本的特性。但砒砂岩中缺乏有机质和植物生长所需的营养元素，营养物质的累积较慢，使得成土过程十分缓慢。鉴于其优异的胶结性能，将砒砂岩与沙进行复配培育后进行土壤质地和团聚体进行分析（图4、5），结果表明：砒砂岩与沙1:5处理和全沙处理的粘粒含量差异显著，其中砒砂岩与沙1:5处理较全沙处理增加了1.23个百分点，砒砂岩的添加对沙土粘粒含量具有较大影响。并且，砒砂岩与沙1:1、1:2、1:5处理相比全沙处理中粘粒含量均有显著增高趋势，砒砂岩的投加量对沙土质地影响较大，且随着砒砂岩投加量的增加，土壤团聚体中细颗粒物质呈上升趋势，对沙土团聚结构有显著改良效果。砒砂岩与沙在质地结构（颗粒粒度组成特征）上的互补性，成为了砒砂岩具有显著固沙作用的一个重要原因，因此可以将砒砂岩作为成土母质改良沙地质地。

图4 砒砂岩与沙复配土土壤质地

图5 砒砂岩与沙复配土土壤团聚体

4.结论

（1）砒砂岩中的粘土矿物以多棱角、杂乱无序的风尘颗粒为主。砒砂岩的胶结物质中自生粘土以蒙脱石和绿蒙混层为主，夹杂少量的伊利石。砒砂岩是使沙地孔隙度降低的重要因素，它的胶结作用主要体现在堵塞砂粒的大孔隙，但不减小粒间体积，并且形成了孔径大小不一的孔道，且因其膨胀性，可将极性水分子吸入晶层间使晶体膨胀，吸水膨胀作为蒙脱石的一大特性可以有效地结对沙地土体结构漏水漏肥的问题。

（2）随着复配土中砒砂岩含量的增加，土粒变得越来越细，砒砂岩的添加能有效改善沙土的颗粒组成。砒砂岩与沙比例为1:1的复配土比沙的粘粒和粉粒含量均有显著提高，由于耕作活动以及植物根系和土壤中微生物等活动，复配土的土粒在不断细化，土壤颗粒分布更加合理。砒砂岩可以作为一种天然的沙地土体改良剂用于沙地土体结构的改良，为植物的生长提供基本的保水保肥条件，满足植物根系附着生长的需求。

基金项目：陕西省土地工程建设集团有限责任公司内部项目；（DJNY-YB-2023-27）、（DJNY2024-21）

参考文献：

[1]王本龙,周春生,娄雨欣,等.膨润土对沙地土壤改良与朝天椒农艺性状及产量的影响  [J/OL].节水灌溉, 1-15[2024-04-26].   

[2]安立伟,李志刚.退化荒漠草地恢复对土壤有机碳及其驱动因子的影响[J/OL].生态学报, 1-13[2024-04-26].

[3]王德富,董凌勃,李澳,等.毛乌素沙地不同植被恢复类型的土壤碳水效应[J/OL]. 水土保持学报, 1-11[2024-04-26].  

[4]蒙雯洋,饶良懿.砒砂岩覆土区典型小流域土壤可蚀性K值空间变异特征 [J].水土保持研究,  2024, 31 (03): 10-19.

[5]姚文艺,王文彪,申震洲,等.砒砂岩区生态治理-生态衍生产业协同发展关键技术与模式 [J/OL].人民黄河, 1-10[2024-04-26].   

[6] 柴雅心,聂扬眉,田静,等.  膨润土与芽孢杆菌配施对毛乌素沙地土壤剖面养分蓄持的影响[J/OL].农业环境科学学报, 1-13[2024-04-26].   

[7]赵婉婷,王艳茹,谢远云,等.东北沙地化学风化强度的空间分布特征及其影响因素  [J/OL].沉积学报, 1-16[2024-04-26].

[8] 梁止水,陈煜,孙悦,等.砒砂岩坡面侵蚀产沙规律及多元回归估算模型研究[J].水土保持研究, 2024, 31 (02): 11-17.

[9] 胡建忠.  我国四大沙地适生水土保持植物资源 [J].中国水土保持, 2023, (02): 1-6. 

[10] 叶万军,吴云涛,杨更社,等.干湿循环作用下古土壤细微观结构及宏观力学性能变化规律研究[J].岩石力学与工程学报, 2019, 38 (10): 2126-2137. 

[11] 史保华,任伟,许巍,等.抗耐土壤稳定剂加固细粒土的微观结构分析 [J].科学技术与工程, 2013, 13 (19): 5719-5723.