对各种施工机械复垦土壤颗粒的构成进行分析

　　不同的土壤因颗粒的组成、结构和孔隙状况不同，持水与持肥特征也不一样匕1」。土壤粒径分布强烈地影响着土壤的水力特性、土壤肥力状况以及土壤侵蚀等，是重要的土壤物理特性之一。由于不同粒径的土粒其理化性质有所不同，因此土壤的粒径分布在某种程度上决定了土壤的结构和性质，这在农业利用中具有极其重要的意义团。国外许多研究表明:现代复垦技术研究的重点应是土壤因素的重构，而不仅仅是作物因素的建立，为使复垦土壤达到最优的生产力，构造一个最优的土壤条件是最基本的。在采煤塌陷地区进行土地复垦，大型机械的使用必然会扰动土壤，使复垦土壤的物理、化学和生物特性发生巨大的变化，造成复垦土壤严重压实，导致土壤容重增加、结构破坏、质地粘重、透气性差、土壤团聚体结构及数量发生变化，因此土壤环境发生了较大变化，严重影响土壤微生物量和活性，影响土壤养分的转化和存在方式，进而影响农作物的正常生长，减少农作物的产量。国外研究主要集中在土壤压实后对土壤特性影响的方面:M.A.Hamza和W.K.Anderson进行土壤压实对土壤有机质和土壤微生物活性的影响研究，M.Pagliai等研究了不同的压实程度对土壤孔隙度、透气性、透水性的影响。国内许多学者也对复垦土壤的理化性状进行了大量研究，但在土壤压实机理、不同施工机械压实过程对土壤颗粒的影响等方面研究较少。因此，本研究在大田条件下建造试验区，对不同施工机械复垦土壤颗粒的组成进行分析，讨论对应土壤颗粒组成规律，探究出不同的施工机械临界碾压次数，对实际复垦工作的机械使用提供一定的参考。

　　1 试验设计及样品处理

　　1.1 试验区自然条件

　　试验区设在山东农业大学南校区试验田内，地理位置是东经117. 080，北纬36. 200。本地区属暖温带半湿润大陆性季风气候。四季分明，春季十燥多风，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷少雪。多年平均气温13.2C，多年平均降水量803.7mm。

　　1.2 试验设计

　　试验以国家自然科学基金为依托建立模拟试验区，2011年7月在试验区内对煤矿区土地复垦的主要类型进行施工模拟。分别以建筑垃圾、粉煤灰、煤研石为填允材料，选择2种复垦机械，分别为型号NT855-B280的履带式推土机和东风EQ3060型自卸汽车，模拟5次碾压(1,3,5,7,9次)，以允填土壤灌水自然沉实作为对照，总计31块样地，试验具体设计如图1所示。

　　1.3 样品处理

　　采用winner2000激光颗粒仪对土壤样品进行土壤颗粒组成分析。由于复垦表土为粉砂质壤土，为了大范围地掌握试验样区的土壤颗粒组成状况，量程设计为0^300pm。在土壤样品进行上机测试之前，首先要过1mm筛，然后称取0.3g放入20ml容量瓶中，加入0.25mol/I二草酸钠5ml，加入蒸馏水定容到20ml。将容量瓶内的全部溶液加入winner2000激光颗粒仪的加样槽内进行土壤颗粒粒径的分析。

　　2 结果与分析

　　2.1 不同施工机械复垦土壤粒径组成的变化

　　土壤肥力水平的高低，除取决于大、小粒级微团聚体的自身作用外，它们的数量比也是一个非常重要的因素，因为在存在适当比例的大、小粒级微团聚体的情况下，持水与释水、保蓄养分与释供养分之问才能得到很好的协调。将不同复垦机械压实的3种复垦材料的土壤颗粒组成进行统计分析，根据我国土壤质地分类标准，2种施工机械下复垦土壤的颗粒组成变化如表1所示。由表1可知:对照耕地中粉粒(粒径0.002-0.05mm)与砂粒(粒径0.05一1mm)含量基本为1，且粉粒(粒径0.002^0.05mm)含量中粗粉粒(粒径0.O1-0.05mm)的含量比例较高，占粉粒(粒径0.002-0.05mm)含量的3/5还多，细粉粒(粒径0.002^0.005mm)与中粉粒(粒径0.005^-0.O1mm)的含量则差不多，为标准的粉砂质壤土。

　　从表1中可以明显看出，随着碾压次数的改变，复垦土壤粒径出现了明显的变化特征，且出现一定的规律。

　　总体来看，通过复垦碾压土壤中砂粒含量减少，粉粒含量增多，粘粒含量始终为0。这是因为在碾压的过程中，由于受压力的作用，土壤组成颗粒遭机械破坏，砂粒被碾碎分裂为粉粒。

　　采用不同的机械复垦，要接近天然正常的土壤粒径组成，压实次数是不同的。在自卸汽车复垦碾压过程中，砂粒含量先增多后减少，而其他颗粒则变化相对平稳，究其原因可能是受压力变化作用，土壤颗粒粘结后分裂。通过表2的相似度分析，在碾压3次时土壤颗粒组成与对照耕地的相似度最高，达到U.9537,碾压5次时的相关系数为U.9223，也相对较高，碾压9次时土壤颗粒组成的相关性最低，为U.699U，故自卸汽车复垦碾压3一5次时最接近正常土壤中各粒径土壤含量比例，在碾压次数超过5次后，砂粒含量急剧降低，影响土壤的透气透水性能。在履带式推土机复垦碾压过程中，细粉粒与中粉粒含量随着碾压次数的增加呈增长趋势，而砂粒含量则逐渐降低。通过表2的相似度分析，在碾压5次时土壤颗粒组成与对照耕地的相似度最高，达到U.9945,碾压7次时土壤颗粒组成的相关性最低，为U.6892，故自卸汽车复垦碾压5次时最接近正常土壤中各粒径土壤含量比例。

　　2.2 土壤颗粒均匀度变化分析

　　土壤均匀指数是累计分数60%的颗粒所对应的颗粒直径和10%的颗粒所对应的颗粒直径的比值，常用来描述土壤质地均-程度，即土壤是由截然不同的颗粒组成的，还是由比较单一的，或由连续的、均匀的各种粒径颗粒组成，如果完全由同样大小的颗粒组成的土壤存在的话，其均匀指数是1。一般的，均匀指数越小，质地越均一，分级良好的土壤的均匀指数也越大。综合统计煤研石、粉煤灰、建筑垃圾3种不同填允材料的2种复垦机械压实下的土壤均匀指数变化关系如图3所示。自卸汽车压实复垦下，随着压实次数的增加，土壤颗粒均匀指数呈现“W”形变化。在压实1次和压实9次时的土壤颗粒均匀指数最高<10.24)，即在这2个压实次数的压强范围下土壤粒径变化比较大;在复垦压实7次时土壤颗粒均匀指数最低为4.71，即在压实7次时土壤颗粒均匀度比较高，土壤组成颗粒比较均一。究其原因，不难发现，虽然压实1次与9次的土壤颗粒均匀指数相同，但原因是不同的。在复垦压实1次的情况下，砂粒含量比较高而细粉粒含量较低，高含量的砂粒起了决定作用，土壤质地差别较大，故土壤均匀指数比较大;在复垦压实9次的时候，虽然总体土壤质地较均匀，细粉粒含量百分比升高，但是因为在粗粉粒粒径范围内小粒径颗粒含量较低，大粒径颗粒含量高，所以造成了土壤均匀指数也比较高;在复垦压实7次时，细粉粒与中粉粒含量百分比相差不大，粗粉粒含量比较高，砂粒含量明显降低，土壤粒径基本在粉粒粒径范围内波动，故土壤质地比较均一，土壤颗粒均匀指数低。

　　履带式推土机压实复垦下，随着压实次数的增加，土壤颗粒均匀指数呈现倒“v”形变化，即随着压实次数的增加，土壤颗粒均匀指数先增加后减少。在压实5次的时候土壤颗粒均匀指数是最高的，指数值与自卸汽车复垦1次，9次压实下的土壤颗粒均匀指数是基本相同的;在压实9次时，均匀指数4.71，为最低。这是因为，随着压实次数的增加，在到达临界5次时细粉粒含量一直是增加的，使到达10%的颗粒所对应的颗粒直径值减小，而累计分数60%的颗粒所对应的颗粒直径变化又很小，故土壤颗粒均匀指数一直增加;而复垦压实5次以后细颗粒含量增加明显，大颗粒含量减少，土壤质地越来越均一，故土壤颗粒均匀指数又逐渐降低。

　　2.3 复垦土壤物理性粘粒分析，在实际应用时，常将1-0.O1mm的颗粒称为“物理性砂粒”，把<0.O1mm的颗粒称为“物理性粘粒”。“物理性砂粒”一般无可塑性和胀缩性，“物理性粘粒”则有明显的可塑性和胀缩性，但无透水性，吸湿力、保肥力和粘结力等都有突跃性增加.吕〕。试验中特别对不同复垦机械的土壤颗粒在物理性粘粒的百分含量做了重点分析。

　　2.3.1 自却汽车复垦土壤物理性粘粒分析如图4所示，自卸汽车复垦的土壤，土壤颗粒组成呈现一定的规律性，虽然填允材料不同，但是总体变化趋势是相同的。随着碾压次数的增加，土壤颗粒“物理性粘粒”含量总体上与碾压次数呈正相关关系，且随着土壤颗粒粒径的增加，各土壤粒径百分含量先增后减。
 

　　3种填允复垦模式下，粒径都是在5. 86 pm处为波峰，是“物理性粘粒”中含量的最高值，含量百分比在3.080^-10.89%之问，在以煤研石作为填允材料的复垦方式下碾压9次时到达最高值10.890。在粒径4.83^-7.11m之问，土壤各粒径土粒受碾压次数的影响较大，同时在此粒径范围内，土壤颗粒含量也是最高的。

　　在粒径<3.28pm和粒径>8.64pm的范围内，土壤颗粒组成比较稳定，土壤质地受碾压次数的影响较小，在煤研石作为填允材料的复垦方式下，即使碾压9次，其颗粒组成差值最大才不过相差2.3400。并且由图4可以看出，机械碾压对土壤“物理性粘粒”的影响主要集中在4.83^-7.11m范围内。通过图4不难发现，不管是哪种复垦方式，在“物理性粘粒”范围内粒径组成碾压3次与对照耕地最为接近，即碾压3次达到对照耕地的物理性粘粒水平。碾压3次后增加碾压次数可能会导致土壤压实度过高，影响作物生长。因此采用自卸汽车复垦碾压次数最好控制在3次以内。

　　2.3.2 履带式推土机复垦土壤物理性粘粒分析以煤研石作为允填材料的复垦方式下的土壤质地变化曲线与其他2种复垦方式的变化趋势是不同的，进行1次碾压土壤“物理性粘粒”的含量百分比大于对照耕地，且在5.86pm粒径的波峰处土壤颗粒含量为6.5800。究其原因，可能是因为履带式推土机与地面的接触面积较大，同时由于机械较沉产生压强差大，加之复垦土壤底部填允的是煤研石，质地较硬，1次碾压造成土壤中物理性粘粒的百分含量增多。其他2种复垦方式下，随着碾压次数的增加，土壤颗粒“物理性粘粒”含量总体上是与碾压次数呈正相关关系的，且变化规律与自卸汽车碾压下的变化规律相同，即各土壤粒径百分含量先增后减，在“物理性粘粒”范围内粒径组成碾压5次与对照耕地最为接近，即碾压5次达到对照耕地的物理性粘粒水平。

　　3种填允复垦模式下，粒径都是在5.86pm处为波峰，是“物理性粘粒”中含量的最高值，含量在2.09%一12.20%之问，在以煤研石作为填允材料的复垦方式下碾压9次时到达最高值12.200。对比自卸汽车碾压复垦下，机械碾压对土壤“物理性粘粒”的影响范围要大，尤其是以粉煤灰作为填允材料的复垦方式下的变化趋势表现更为明显，履带式推土机碾压影响范围集中在3.98^8.64pm范围内。

　　3 结论

　　(1)复垦中通过1,3,5,7,9次机械碾压，不同的复垦机械作用下，土壤各粒径中砂粒(粒径0. 05 ^-1 mm)含量减少，粉粒(粒径0.002^0.05mm)含量增多，颗粒组成有细化现象。

　　(2)通过土壤组成颗粒相似度分析，自卸汽车复垦碾压3次时土壤中各粒径的含量比例与对照耕地的相似度最高，在碾压次数超过3次后，砂粒含量急剧降低，影响土壤的透气透水性能。履带式推土机复垦碾压5次时土壤中各粒径土壤的比例与对照耕地的相似度最高。

　　(3)自卸汽车复垦，随着压实次数的增加，土壤颗粒均匀指数呈现“W”形变化。碾压1次和碾压9次土壤颗粒均匀指数最高为10.240履带式推土机复垦，随着压实次数的增加，土壤颗粒均匀指数呈现倒“V”形变化，均匀指数最低为4.710。

　　<4)2种机械复垦的土壤“物理性粘粒”在5.86pm处达到峰值。自卸汽车碾压对土壤“物理性粘粒”的影响主要集中在4.83^-7.11m范围内，而履带式推土机碾压对土壤“物理性粘粒”的影响主要集中在3.98-8.64pm范围内。自卸汽车复垦土壤经过3次碾压与对照耕地的土质曲线拟合度最高;履带式推土机复垦，以煤研石作为填允材料时是比较特殊的，而用其他2种材料填允复垦时5次是碾压的临界次数，增加碾压次数会影响作物生长。

　　(5)为达到理想的复垦土壤状态，提高复垦耕地的土壤肥力，在实际操作中要根据复垦耕地性质选择合适的复垦机械工具。