1. 引言
红黏土是在碳酸盐岩经过红土化作用逐渐形成的高塑性土壤。分布在全球范围内的诸多国家，特别是湿热地区，更是红黏土现身之处，这样的环境为红黏土的形成与存续提供了较为适宜的条件[1] [2]。骊山红黏土在外观颜色方面，一般呈现出或深或浅的棕色，辨识度极高。在物理特性上，天然含水率偏高可达到20%~60%之间。孔隙率一般在1.4~1.7，最高可达2.0，较大的孔隙率意味着其内部有着较为疏松的结构[3]。因此，骊山红黏土对外界环境的水分含量具有高敏感性，降雨量高时水分会渗入土体内，填充孔隙，使土体整体膨胀；气候干燥时，水分子蒸发失散到外界环境，周围的土壤颗粒在自身重力以及颗粒间相互作用力影响下，会逐渐向孔隙处靠近、堆积，使得孔隙体积减小，最终导致土体整体收缩。据统计，高速公路建设中，红黏土分布的高速公路里程占比大[4]。红黏土这种吸水膨胀，失水紧缩的性质严重影响了高速公路两侧的边坡稳定[5]。在雨季节时，骊山红黏土遭受降雨的冲刷后，土质结构极为脆弱，无植被生长。严重时会导致山体滑坡，造成大量人员伤亡和进行损失。因此亟需解决骊山红黏土边坡蓄水固土差、植被存活率低的问题。
保水剂是一种高分子聚合物材料，也常被称作吸水剂、高吸水性树脂等。通过交联形成三维网状结构能够吸收并储存大量的水分，并且在一定条件下可以缓慢释放所吸收的水分。具有高吸水性、保水性、缓慢释放性，释放水分利用率最高可达95% [6]。近年来，保水剂凭借保水、保肥等特点，在土壤改良领域展现出了巨大的潜力[7]。张阁艳[8]研究了在荒漠草原条件下，施加保水剂后观察植物生长形势，发现保水剂大大改善草群生物量、种类、高度，对植物生长状况有促进作用。袁惠艳[9]采用不同浓度保水剂对种子影响，在120 g/m2溶度浓度时土壤含水率最高，减缓了土壤蒸发率，提高了种子的发芽率，同时对幼苗生长有提升作用。安彦勇[10]探讨新型固化剂有机高分子羟乙基纤维素保水剂对土壤改良的影响，能有效提高固化土的强度满足地基要求，以及增强了土壤的水稳性。王小彬[11]研究保水剂和有机高分子材料聚丙烯酰胺、交联性丙烯酰胺、乳化沥青对土壤的性能的影响；聚丙烯酰胺对土壤水稳性影响最大，可运用在旱地保护上；交联性丙烯酰胺对固结力和水稳性影响不大，可使土壤保水保肥；乳化沥青可增强土壤固结力，适合抗水固沙。以上可说明，保水剂可改善土壤结构、提高保水性、促进植物生长作用。
现有研究中，将保水剂材料对红黏土改良及植被生长情况的影响研究极少。因此本文采用有机高分子保水剂材料对骊山红黏土改良，在掺入不同含量的保水剂后，探究改良土的持水能力、蒸发性、以及植物适用性效果，该研究可为改良骊山红黏土和植被治理提供科学依据。
2. 试验材料和方法
2.1. 试验材料
本次试验红黏土来自陕西省西安市临潼区骊山浅丘处，选取坡底1~2米处位置进行取样。土体颜色呈砖红色，质地均匀。将取样的土碾碎、风干，过2 mm筛子，然后进行一系列物理特性试验，根据《公路土工试验规程(JTG 3430-2020)》进行试验，可得到红黏土基本物理指标如表1所示。红黏土液限18.4%，塑限30.3%，塑性指数11.9，属低液限粉质粘土。在塑性图中分布如图1所示。可以看出，红黏土位于A线以上、B线以左，按照塑性图的分类，属于低液限粘土(CL)。采用筛分法和密度计法得到的红黏土颗粒粒径分析结果见于表2。粉粒含量(0.005 mm~0.075 mm)占比70.88%；其次为砂粒，含量(0.075 mm~2 mm)占比22.52%，且以细砂为主(占总砂粒含量80.86%)；粘粒含量占比很小，仅有6.53%。
新型保水剂以生物可降解有机高分子材料为主要成分，经过化学接枝和表面改性形成三维多孔结构，利用多孔结构的中大量孔隙进行保水。高密度微孔成型技术利用成熟的有机化学接枝反应，形成具有一定力学强度的超轻多孔材料，使得孔隙比占总体积80%以上，孔隙直径在100 nm至100 μm之间，使得材料本身具有显著的毛细管效应，从而获得优良的保水性能。
本实验选用紫花苜蓿作为盆栽植物。紫花苜蓿属于豆科，根系较为发达，主根尤为粗大，最深可入数米，实验观察较为方便；此外，发达的主根亦能吸收深层的水分，因此比较容易存活。紫花苜蓿被人们称为“牧草之王”，广泛适应各种生存环境，尤其是温暖、半湿润的气候条件；该植株对土壤的适应性较强，可在大多数除重黏土、贫瘠薄土壤及过酸碱土壤上生长，在疏松土壤以及且钙含量较高的壤土中生长最好。
Table 1. Basic physical indicators of red clay
表1. 红黏土基本物理指标
比重GS |
天然含水量w/% |
天然干密度ρ/(g/cm3) |
塑限WP/% |
液限WL/% |
塑性指数IP |
2.73 |
13.09% |
1.325 |
18.4 |
30.3 |
11.9 |
Figure 1. Plasticity chart
图1. 塑性图
Table 2. Results of red clay particle analysis
表2. 红黏土颗粒分析结果
粒组统称 |
粒组名称 |
粒径(d)/mm |
含量/% |
合计/% |
备注 |
粗粒 |
砾粒 |
d > 2 |
0.08 |
0.08 |
湿筛法 |
粗砂 |
2 ≥ d > 0.5 |
2.67 |
22.52 |
中砂 |
0.5 ≥ d > 0.25 |
1.64 |
细砂 |
0.25 ≥ d > 0.075 |
18.21 |
细粒 |
粉粒 |
0.075 ≥ d > 0.045 |
22.61 |
70.88 |
激光粒度仪 |
0.045 ≥ d > 0.020 |
29.58 |
0.020 ≥ d > 0.010 |
12.42 |
0.010 ≥ d > 0.005 |
6.27 |
粘粒 |
0.005 ≥ d > 0.002 |
4.51 |
6.53 |
0.002 ≥ d > 0.0001 |
1.42 |
0.001 ≥ d > 0.0005 |
0.58 |
d ≤ 0.0005 |
0.02 |
2.2. 试样制备与测试方法
2.2.1. 持水特性试验
试验采用土柱模型进行模拟土壤持水特性，模型主体结构采用内径d = 100 mm、高h = 120 mm的亚克力材质无底筒体，置于金属托盘中，盘中铺设厚度为30 mm的砂土渗透层，用于模型内土柱排气排水。筒底与砂土接触面放置一层滤纸，而后松散堆积60 mm后土体材料，整平后再铺设一层滤纸，其上部再铺设厚度30 mm的砂土渗透层，装置示意图与实物图如图2所示。试验步骤具体如下：
1) 将试验前准备好的亚克力材质无底筒体放置在铺设20 mm厚度砂土透水层的金属托盘上，管柱底部铺设滤纸以观察底部水量渗流情况，并分别称重各组试验器材的质量；
2) 向对应标签的管柱内添加对应试验前配制好的土壤试样，统一添加高度为600 mm的土柱，并分别记录对应添加试样的干质量；
3) 在土柱上添加厚度为300 mm的砂土防渗层，接触面铺设滤纸，防止注水压力和上部水量游走对土柱造成的扰动，并记录对应添加试样的干质量；
4) 依次向各组试样管柱中缓慢注入蒸馏水，当达到土柱顶部30 mm时停止注水，静待水量自然下降，下降一定程度后继续加水，等上部加水量与底部出水量一致后，认为土柱不再吸水，达到最大持水量；
5) 称量试样总质量，依次计算出稳定的最大持水量；首先将散状黄土风干过筛(0.5 mm)处理，随后根据配合比称取一定质量的粉煤灰、PP纤维和蒸馏水(误差不大于0.01 g)，与之混合均匀。粉煤灰含量、PP纤维含量分别固定至20%和0.5%，含水率设置13%、16%、19%、22%、25%五档。在金属环刀模具底部放上滤纸，然后将制备好的混合物依据最大干密度1.64 g/cm3到标准模具中(直径61.8 mm，高20 mm)。最后将成型的试样密封并静置在室内7天，温度恒定为20.0℃ ± 2℃。而后，将土样放置在冻融试验箱中进行冻融循环，首先在−20℃条件下冻结12小时，而后在20℃的环境中融化12小时，并将此过程重复0、1、2、3、5、7和10次。直剪试验用仪器为ZJ型应变控制式直剪仪，应变速率控制在0.8 mm/min。以试样产生6 mm剪切位移作为破坏标准。
Figure 2. Schematic diagram and physical diagram of modified red clay water capacity test device
图2. 改良红黏土持水量试验装置示意图与实物图
2.2.2. 蒸发特性试验
为了研究保水剂在提高红黏土保水能力方面的作用，采用室内蒸发试验，研究5种干密度(1.25, 1.30, 1.35, 1.40, 1.45 g/cm3)和5种改良剂使用量(0%, 0.5%, 1%, 3%, 5%)对最大持水量的影响。本次试验在温室中进行，室内温度控制于26℃，同时保持阳光充足，各组试样自然蒸发，每隔6 h称量记录试样质量变化情况，直至质量不再发生变化及蒸发结束截止试验。干密度组：将红黏土按干密度为1.25、1.30、1.35、1.40、1.45 g/cm3分为五组，并制备含水率为26%的试样分别加入对应编号的器皿中，称取各组试样质量；改良剂组：将改良剂掺量按质量分数为0%、0.5%、1%、3%、5%制备试样，并控制含水率至26%，干密度为1.35 g/cm3分别加入对应编号的器皿中，称取各组试样质量。
2.2.3. 植物适用性试验
为了研究土壤改良材料是否会对植物生长产生影响，设计并进行了室内盆栽试验。根据花盆体积计算所需改良材料和土壤质量，设定混合材料质量500 g，随后将改良材料按0%、0.5%、1%、3%、5%的质量分数与土样充分混合，并控制含水率一定的条件下进行填充入相应花盆内，编号记录；为能够对不同改良剂材料掺量下红黏土种植物出苗率、生长状况等指标进行准确观测和统计，本试验采用紫花苜蓿单一植物作为试种对象，周期28 d，并控制每个试样的播种量为1.0 g/m2，约30粒种子，晚间播种，盆栽试验设计参数如表3。播种后，按照一定时间间隔，对不同改良剂掺量下紫花苜蓿的出苗率、生长状况和根系发展情况进行连续观测并记录。
Table 3. Design parameters of pot experiment
表3. 盆栽试验设计参数
试样 |
土质 |
种子数(粒) |
改良材料掺量(%) |
A |
红黏土 |
30 |
0 |
B |
红黏土 |
30 |
0.5 |
C |
红黏土 |
30 |
1 |
D |
红黏土 |
30 |
3 |
E |
红黏土 |
30 |
5 |
3. 结果与讨论
3.1. 改良红黏土持水特性试验
由图3可以看出，在红黏土中掺入改良剂可以有效提高土壤的持水性能，并随着改良剂含量的增加，土壤的持水量呈现增长趋势，因为新型土壤改良剂作为具有一定力学强度的超轻多孔材料，孔隙比占总体积80%以上，空隙直径在100 nm至100 μm之间，使得材料本身具有显著的毛细管效应，具有获得优良的保水性能。在灌水或降雨后，有效提高土壤基质的整体保水能力。
Figure 3. Effect of the content of the same modifier on the maximum water holding capacity of red clay
图3. 不同改良剂含量对红黏土最大持水量的影响
由试验结果可以看出，在按照0.5%、1%、3%、5%质量分数掺入改良材料时，红黏土最大持水量由改良前39.1%增至54.4%、70.2%、115.6%、140.5%，增幅分别为39.1%、79.5%、195.7%、259.3%，说明改良剂对红黏土持水性的改善效果十分明显。
3.2. 改良红黏土蒸发特性试验
由图4得出土壤的压实效果影响红黏土的蒸发量，并随着密度的增加，土壤的蒸发量呈缓慢降低趋势，因为压实过程中红粘性土的孔隙结构变密实，孔隙中的弱游离水不易蒸发，但随着压实密度的增加，土壤的渗透性也将随之降低，同时对土壤植被生态存在一定的影响。
Figure 4. Effect of dry density on evaporation of red clay
图4. 干密度对红黏土蒸发的影响
由图5可以看出，对比添加改良材料的红黏土，在干密度一定条件下，随改良材料的增加，其蒸发量逐渐降低，且最终试样的含水率均高于无改良材料红黏土，改良材料一定程度上提高了土壤的保水能力，抑制了蒸发效应，对于提高植被水分的利用效率具有积极意义。另外，也可观察到，改良材料的质量分数在3%时对土壤的蒸发影响最大，在5%的高掺量下，改良材料的高比表面积特征使土体与空气接触面增大，从而降低了改良土的抗蒸发能力。
Figure 5. Effect of modifier content on evaporation of red clay
图5. 改良剂掺量对红黏土蒸发的影响
3.3. 改良红黏土植物适用性试验
研究五种不同改良剂掺量下红黏土对植物出苗率的影响，不同掺量下7 d、14 d出苗率柱状图如图6所示。可见，在一定条件下，改良材料的掺量会影响紫花苜蓿种子的出苗率。主要表现为种子出苗率随着改良材料掺量的增加呈线性增长趋势，在5%情况下，种子的发芽率最高为70%，而相对于未添加改良材料的试验，种子的出苗率却只有16.7%。对比7 d与14 d的出苗率可以得出，在未添加改良材料的试样中，植物出苗率出现负增长，而添加改良材料的试样中，植物出苗率出现增长。说明保水剂的添加有效提高出苗率，对紫花苜蓿生长有促进作用。其结果与文献[12]研究结果一致，即保水剂的添加对植物在苗期的含水率有促进作用。
Figure 6. Effect of improved material content on plant emergence rate
图6. 改良材料掺量对植物出苗率的影响
五种不同改良剂掺量下红黏土对植物生长状况的影响如图7所示。可见，植物生长14 d后，基本呈现出随改良材料掺量的增加，紫花苜蓿叶片大小以及株高都会增加的趋势，当掺量达到1%时，植物生长的最好；在对比7 d与14 d的植物生长状况后可以得出，在第7 d，A组盆栽中紫花苜蓿明显出现倒苗现象，14 d时仅少数幼苗存活，随后其他掺量下的试验组也陆续出现该现象，此外通过对比盆栽表面裂纹可以发现，随着干湿循环的进行，土壤表面裂纹随改良材料掺量的增加，逐渐减少，由此可见改良材料具有一定的保水能力，对土壤的蒸发渗透有一定的抑制作用，对自然恶劣环境具有一定的适应性。
Figure 7. The growth of plants on 7 d and 14 d was improved with different dosage
图7. 不同掺量改良材料植物7 d、14 d生长状况
4. 结论
1) 改良红黏土持水蒸发特性研究：最大持水性试验表明，按照0.5%、1%、3%、5%质量分数掺入改良材料时，红黏土最大持水量由改良前39.1%增至54.4%、70.2%、115.6%、140.5%，增幅分别为39.1%、79.5%、195.7%、259.3%，改良剂对红黏土持水性的改善效果十分明显。
2) 改良红黏土持水蒸发特性研究：自然蒸发试验表明，随改良材料的增加，红黏土的保水能力得到了提高，但当改良材料超过3%后，改良材料的高比表面积特征使土体与空气接触面增大，从而降低了改良土的抗蒸发能力，因此，在抵抗蒸发方面，改良材料的最后配比为3%。
3) 改良红黏土植物适应性研究：在干旱环境下，红黏土在使用改良材料后，植物发芽率与生长状况均要好于纯黄土。随着改良剂掺量由0.5%增至5%，植物发芽率由改良前23.3%增涨至40%、50%、53.3%、60%。在植物生长状况方面，改良剂掺量较高的组植物株长势较高，未改良的红黏土组在7 d时即出现苗株缺水倒苗现象，0.5%掺量组在14 d时也出现倒苗现象，其他组苗株长势良好。添加改良剂对植物生长的作用主要体现在改良剂较好的持水保水特性。
基金项目
骊山浅丘区水土流失生态治理与成效评价技术研究(S202412715054)。