游離氧化鐵對崩崗不同土層土壤脹縮特性的影響

盧政鏵, 陳文祥, 李燦娥, 章 智, 張 越, 蔣芳市, 葛宏力, 黃炎和, 林金石

(1.福建農林大學資源與環境學院,福建 福州 350002;2.福建省水利建設中心,福建 福州 350001)

我國南方地區高溫多雨,崩壁土體在一系列不連續的高溫、降雨等干濕脹縮作用下發生變形,產生裂隙,在水力和重力共同作用下發生剝落崩塌,進而發育成崩崗[1-3]。崩崗是我國南方紅壤區常見的土壤侵蝕類型。近年來崩壁土壤脹縮性能及其影響因素方面的研究備受關注。研究[4-5]表明膨脹土是由強親水性黏土礦物組成,脹縮性強[4-5]。黃丁俊等[6]對南方紅土的脹縮特性與自身干密度、初始含水率[7]、干濕循環作用[8]的關系進行了深入研究。連彬彬[9]研究發現黏土礦物含量以及陽離子吸附會影響崩崗的膨脹特性。章智[10]研究發現,崩崗土壤初始含水率與無荷膨脹率和線性收縮率之間均呈指數關系。在土壤干濕交替過程中土壤電解質濃度的變化會使土壤膠體擴散層中滑動層厚度發生改變,進而改變顆粒間距離[11]。丁武泉等[12]推導出單一電解質體系下擴散雙電層中滑動層厚度的計算公式,為研究土壤微觀結構提供了一個新的視角。我國南方花崗巖區土壤富含的鐵氧化物會影響土壤膠體顆粒表面的電荷性質[13]。本研究以福建省安溪縣龍門鎮洋坑村的典型崩崗土體為研究對象,通過無荷膨脹試驗和線性收縮試驗研究游離氧化鐵對崩崗不同土層土壤脹縮特性的影響,并探討游離氧化鐵含量與無荷膨脹率和線性收縮率之間的相關性,為研究崩崗侵蝕的發生、發育機理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

研究區位于福建省安溪縣龍門鎮洋坑村(118°05′E,24°57′N)。在研究區內選擇典型崩崗,崩崗自上而下為紅土層、砂土層、碎屑層。采用5點混合法采樣,將采集的土樣作好標記,帶回實驗室,自然風干;將土樣研磨至粒徑小于2 mm,再裝袋、密封保存。

1.2 典型崩崗土壤基本理化性質的測定

采用容重圈法[14]測定土壤容重;采用中性乙酸銨法[14]測定土壤陽離子交換量;采用原子吸收分光光度法[14]測定土壤游離氧化鐵含量。典型崩崗土壤理化性質的檢測結果如表1所示。

表1 典型崩崗土壤的理化性質Table 1 Physical and chemical properties of typical collapsing hill soil

1.3 預處理土樣特性的測定

根據土壤游離氧化鐵含量設置土樣處理組,其中紅土層設置5個處理(H1、H2、H3、H4、H5),砂土層和碎屑層各4個處理(S1、S2、S3、S4和X1、X2、X3、X4)。去除游離氧化鐵后的各土層土壤與自然風干原土按不同比例混合,結果見表2。

表2 崩崗各土層的預處理土樣特性Table 2 Property of pretreated soil samples from each soil layer of collapsing hill

采用連二亞硫酸鈉—檸檬酸鈉—碳酸氫鈉法[15]分別對各土層粒徑小于2 mm的土壤進行去除游離氧化鐵處理,再用去離子水清洗,重復3～5次,洗凈殘留的化學試劑和亞鐵離子。

將去除游離氧化鐵的土樣與風干土樣按不同比例放入燒杯中,加入超純水并混合均勻,55 ℃下烘干土樣并過2 mm篩[16],測定各處理的游離氧化鐵含量,結果見表2。

1.4 土壤無荷膨脹試驗

根據各土層容重(表1)和15%目標含水率配制土樣,稱取各土層土樣制備環刀試樣,環刀直徑61.8 mm,高度20 mm,設置5個重復[17-18]。

每2 s采集1次數據,時長24 h,試驗結束時記錄膨脹變化曲線,并計算無荷膨脹率[10]。

1.5 土壤線性收縮試驗

樣品制備方法與1.3相同,每60 s采集1次數據,時長96 h;開啟室內干燥機無間斷吸濕;試驗結束后繪制收縮變化曲線,并計算土壤無荷膨脹率和線性收縮率[10,17]。

(1)

式中:δt為土壤無荷膨脹率;z0為位移傳感器初始讀數(mm);zt為試驗結束時位移傳感器讀數(mm);h0為試樣初始高度(mm)。

(2)

式中:δst為土壤線性收縮率;x0為位移傳感器初始讀數(mm);xt為試驗結束時位移傳感器讀數(mm);h0為試樣初始高度(mm)。

無荷膨脹試驗和線性收縮試驗均在溫度低于30 ℃下進行。TKA-PZY-1型膨脹儀、TKA-SSY-1型收縮儀、TKA-DAI-8D型數據采集盒、V2.1型數據采集軟件和室內吸濕機均由南京泰克奧科技有限公司提供[10]。

1.6 土壤滑動層厚度的計算

采用靜水沉降法提取各土層土壤中粒徑小于1 000 nm的膠體顆粒,根據聯合測定法[19]測定土壤膠體的表面電荷性質,設置3個重復,并計算滑動層厚度[12]。

1.7 土壤膠體顆粒Zeta電位的測定

NaNO3電解質體系:在土壤膠體顆粒中分別加入10 mL 0.000 2、0.000 5、0.001、0.005、0.010 mol·L-1NaNO3。Ca(NO3)2電解質體系:在土壤膠體顆粒中分別加入10 mL 0.000 2、0.000 5、0.001、0.005、0.010 mol·L-1Ca(NO3)2。使用NanoBrook Omni型Zeta電位儀測定NaNO3、Ca(NO3)2電解質體系的Zeta電位。

1.8 數據處理

采用Excel 2021對試驗數據進行統計、作圖;利用SPSS 21.0進行相關性分析與回歸分析,使用Origin 21制圖。

2 結果與分析

2.1 游離鐵氧化物含量對崩崗土體膨脹特性的影響

由無荷膨脹試驗得到的無荷膨脹率隨時間的變化曲線如圖1所示。在相同初始含水率下崩崗各處理土樣的無荷膨脹率均隨時間的延長而增大,且在0～0.5 h土樣進入快速膨脹階段,0.5～15.0 h土樣進入緩慢膨脹階段,15.0 h后土樣進入穩定膨脹階段,這與大多數研究[20-22]得到的結論一致。在試驗結束時崩崗各處理土樣的無荷膨脹率表現為紅土層>砂土層>碎屑層。

圖1 崩崗不同處理組各土層無荷膨脹率隨時間的變化曲線Fig.1 Time variation curve of no-loading expansion rate of each soil layer in different treatments

對各處理土壤不同含量游離氧化鐵與無荷膨脹率的關系進行回歸分析,結果如圖2所示。從圖2可知:同一土層中無荷膨脹率隨游離氧化鐵含量的提高而增大,表現為紅土層>碎屑層>砂土層。由擬合結果可知,游離氧化鐵含量與各處理無荷膨脹率之間均存在線性關系,擬合方程決定系數(R2)均大于0.719。擬合方程為:

圖2 各土層中游離氧化鐵含量與無荷膨脹率的擬合曲線Fig.2 Fitting relationship curve between free iron oxide content and no-loading expansion rate in each soil layer

δt=ax+b

(3)

式中:δt為無荷膨脹率;a、b為回歸方程參數(與土壤性質有關);x為游離氧化鐵含量。

2.2 游離鐵氧化物含量對崩崗土體收縮特性的影響

由線性收縮試驗得到的線性收縮率隨時間的變化曲線如圖3所示。在相同初始含水率下崩崗各處理土樣的線性收縮率均隨時間的延長而增大,且在0～5 h土樣進入快速收縮階段,5～30 h土樣進入緩慢收縮階段,30 h后土樣進入穩定收縮階段,這與大多數研究[4,22-23]得出的結論一致。崩崗不同處理土壤的線性收縮率總體上表現為紅土層>砂土層>碎屑層。

圖3 崩崗不同處理組各土層線性收縮率隨時間的變化曲線Fig.3 Time variation curve of linear shrinkage rate of each soil layer in different treatments

對各處理土壤不同游離氧化鐵含量與線性收縮率的關系進行回歸分析,結果如圖4所示。同一土層中隨著游離氧化鐵含量的提高,線性收縮率整體呈下降趨勢,下降幅度表現為紅土層>砂土層>碎屑層。由擬合結果可知:游離氧化鐵含量與紅土層、砂土層的線性收縮率之間存在線性關系,R2均大于0.830;而游離氧化鐵含量與碎屑層之間無明顯相關性。擬合方程為:

圖4 各土層中游離氧化鐵含量與線性收縮率的擬合曲線Fig.4 Fitting relationship curve between free iron oxide content and linear shrinkage rate in each soil layer

δst=ax+b

(4)

式中:δst為線性收縮率;a、b為回歸方程參數(與土壤性質有關);x為游離氧化鐵含量。

2.3 游離鐵氧化物含量對崩崗土體滑動層厚度的影響

崩崗不同處理組在NaNO3電解質體系下的滑動層厚度如表3所示。從表3可知:隨著NaNO3濃度的升高,崩崗各土層土壤膠體顆粒的滑動層厚度呈減小趨勢,與前人研究[12,24]結果一致。在相同電解質濃度下滑動層厚度表現為紅土層﹥砂土層﹥碎屑層;紅土層土壤的滑動層厚度隨游離氧化鐵含量的提高而增大;電解質濃度越低滑動層厚度的增大幅度越大,電解質濃度越高滑動層厚度的增大幅度越小。隨著游離氧化鐵含量的提高,最低與最高電解質濃度下滑動層厚度之間的差值呈增大趨勢;在砂土層土壤中滑動層厚度與游離氧化鐵含量之間的變化規律與紅土層一致;而碎屑層土壤滑動層厚度呈先減小再增大的變化趨勢,最低與最高電解質濃度下滑動層厚度之間的差值也呈先減小后增大的變化趨勢。

表3 不同處理組NaNO3電解質體系中土壤膠體顆粒的滑動層厚度Table 3 Thickness of sliding layer of soil colloidal particles under NaNO3 electrolyte system in different treatments

Ca(NO3)2電解質體系下滑動層厚度如表4所示。崩崗崩壁各土層土壤膠體顆?；瑒訉雍穸鹊淖兓幝膳cNaNO3電解質體系一致。在Ca(NO3)2電解質濃度相同的情況下各土層土壤的滑動層厚度均遠小于NaNO3電解質體系。這是因為二價陽離子對于滑動層的壓縮能力遠大于一價陽離子,這與相關研究[12]的結果一致。

表4 不同處理組Ca(NO3)2電解質體系中土壤膠體顆粒的滑動層厚度Table 4 Thickness of sliding layer of soil colloidal particles under Ca(NO3)2 electrolyte system in different treatments

2.4 崩崗土體脹縮性能與滑動層厚度的關系

由表5可知:紅土層、砂土層土壤的游離氧化鐵含量與無荷膨脹率和滑動層厚度間呈極顯著正相關(P<0.01),與線性收縮率呈顯著負相關(P<0.05);而碎屑層土壤游離氧化鐵含量與無荷膨脹率、滑動層厚度和線性收縮率無顯著相關性。由此可知,游離氧化鐵含量是影響崩崗土壤脹縮性能和土壤膠體顆?；瑒訉雍穸鹊闹匾蛩?。

表5 各土層中游離氧化鐵含量與土壤脹縮特性及NaNO3電解質體系下滑動層厚度的相關性1)Table 5 Correlation between free iron oxide content and swelling-shrinkage property of each soil layer and sliding layer thickness under NaNO3 electrolyte system

為探究土壤滑動層厚度對脹縮性能的影響,對紅土層、砂土層各處理在NaNO3電解質濃度下土壤滑動層厚度與脹縮性能進行相關性分析,結果如表6所示。由表6可知:各處理滑動層厚度與無荷膨脹率之間均存在正相關關系(P<0.05),與收縮率之間存在負相關關系(P<0.05)。

表6 紅土層、砂土層土壤脹縮性能與NaNO3電解質體系下滑動層厚度的相關性1)Table 6 Correlation between swelling-shrinkage property of red soil layer and sandy soil layer and sliding layer thickness under NaNO3 electrolyte system

對各處理在NaNO3電解質體系下的滑動層厚度與土壤脹縮性進行回歸性分析,結果如圖5所示。由表6、圖5可知:紅土層、砂土層各處理土壤膠體擴散層的滑動層厚度與無荷膨脹率之間均存在顯著線性遞增關系,R2均大于0.915;與線性收縮率之間均存在顯著線性遞減關系,R2均大于0.794;土壤膠體顆?；瑒訉雍穸入S著游離氧化鐵含量的提高而增大。土壤滑動層厚度增大可使無荷膨脹率增大,線性收縮率減小。

圖5 NaNO3電解質體系下各土層滑動層厚度與脹縮性能的擬合關系Fig.5 Fitting relationship between sliding layer thickness and swelling-shrinkage property of each soil layer under NaNO3 electrolyte system

3 討論與小結

本研究結果表明:土壤游離氧化鐵含量與無荷膨脹率總體上呈線性正相關(P<0.05),土壤無荷膨脹率隨游離氧化鐵含量的提高而增大,這與張雪蓮等[25]的研究結果一致,表明游離氧化鐵能提高土壤膨脹性能。土壤游離氧化鐵含量與線性收縮率總體上呈線性負相關(P<0.05),土壤線性收縮率隨游離氧化鐵含量的提高而減小,表明游離氧化鐵能降低土壤收縮性能,這與牛庚等[26-27]的研究結果一致。在NaNO3和Ca(NO3)2電解質溶液中,土壤滑動層厚度均隨著土壤游離氧化鐵含量的提高而增大,表明游離氧化鐵是影響滑動層厚度的重要因素之一。章智[10]研究表明減小土壤膠體顆?；瑒訉雍穸瓤墒雇寥朗湛s,增大滑動層厚度可使土壤膨脹。本研究結果表明,游離氧化鐵含量與土壤膠體顆?；瑒訉雍穸乳g具有相關性(P<0.05),滑動層厚度與無荷膨脹率和線性收縮率之間也具有相關性(P<0.05),即土壤滑動層厚度隨著游離氧化鐵含量的提高而增大,增大滑動層厚度可使無荷膨脹率增大、線性收縮率減小?？梢?游離氧化鐵能影響崩崗土壤膠體顆粒的滑動層厚度,進而影響土壤脹縮性能。