陕西省地方标准制修订工作程序.docx
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陕西省地方标准制修订工作程序
附件2:
陕西省地方标准编制说明
标准名称:
砒砂岩与沙复配成土造田工程标准
起草单位:
陕西省土地工程建设集团有限责任公司
陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司
编制时间:
2016年11月28日
《砒砂岩与沙复配成土造田工程标准》编制说明
一、工作简况:
包括任务来源、协作单位、主要工作过程、起草组组成成员及其所做的主要工作等;
任务来源:
本标准来源于国土资源部公益性行业科研专项经费项目“毛乌素沙地土地综合整治技术研究及示范应用(201411008)”相关要求。
根据《陕西省质量技术监督局关于下达2016年第一批地方标准制修订项目计划的通知》(陕质监标[2016]7号文件),“砒砂岩与沙复配成土造田工程标准”(项目编号:
SDBXM62-2016)于2016年4月15日正式下达编制任务,标准起草组于2016年12月提出标准的征求意见稿。
主要工作过程:
本标准以国土资源部公益性行业科研专项经费项目“毛乌素沙地土地综合整治技术研究及示范应用(201411008)”相关研究成果为基础,在成立标准起草工作组基础上,拟定编写工作计划,通过开展调查研究,安排砒砂岩与沙复配成土技术相关试验验证,在总结研究成果的基础上,形成《砒砂岩与沙复配成土造田工程标准(征求意见稿)》。
二、标准编制原则和确定标准主要内容:
包括技术指标、参数、公式、性能要求、试验方法、检验规则等的依据(包括试验、统计数据);地方标准修订项目还应当列出和原标准主要差异情况;
(一)编制原则
本标准的编制依据《中华人民共和国标准法》和《地方标准管理办法》的规定进行编制。
(二)标准主要内容
1、范围
根据目前砒砂岩与沙复配成土大规模应用推广实际,确定本标准的适用范围。
2、术语和定义
本标准涉及的术语除已在相关技术资料有明确的定义外,还有部分重要术语需要加以界定。
因此,对本标准中砒砂岩、土体有机重构、土体颗粒重构、土体剖面重构和土体化学重构做了相应的定义。
3、土体有机重构工程标准
土体有机重构工程标准从颗粒重构、剖面重构、化学重构以及生物营养保障四方面做了规范。
通过砒砂岩与沙复配首先达到适宜作物生长的土壤颗粒级配,随后优化土体剖面结构,构建合适的耕作层构型,调节土壤各化学指标达到作物生长适宜范围,最后调节土体养分,满足生命体生长需求。
4、配套工程标准
配套工程标准包括灌溉与排水工程、输配电工程、道路工程、农田防护与生态环境保持工程。
配套工程标准参考现行国标、行业标准及地方标准而制定。
三、试验验证:
包括试验(或验证)准确度、可靠性、稳定性的分析和说明,实验结果综述等;
配套工程标准参考现行标准而制定,无需进行试验验证,本标准试验验证内容主要为砒砂岩与沙二者复配成土的可行性、不同作物适宜的复配比例、示范推广的可行性验证。
标准制定工作组进行了多年的室内实验和模拟试验,通过田间试验、工程实践不断验证,从而确定本标准。
(一)砒砂岩与沙复配成土可行性研究
1、砒砂岩与沙的特性研究
(1)砒砂岩与沙的机械组成
本标准研究所用砒砂岩与沙机械组成见表1。
按照美国制质地划分标准,则砒砂岩的机械组成达到粉壤土的标准。
表1砒砂岩与沙的机械组成的实验室分析(%)
试验材料
颗粒组成
2-0.05mm
0.05-0.002mm
<0.002mm
砒砂岩
20
73
7
沙
91
6
3
(2)砒砂岩与沙的容重及孔隙度
容重的大小反映出土壤透水性、通气性和根系伸展时的阻力状况,直接影响着土壤蓄水和通气性能,并间接影响到土壤肥力状况。
土壤容重低、孔隙度高的土壤持水性好、透水性差,反之持水性差而透水性强。
砒砂岩与沙相比容重小,毛管孔隙度大,可以作为复合成土过程中的保水物质。
表2砒砂岩的容重及毛管孔隙度
试验材料
容重(g/cm3)
毛管孔隙度(%)
砒砂岩
1.53
44.94
沙
1.57
26.33
(3)砒砂岩与沙的水理特征
以室内实验为基础,对装填后的砒砂岩与沙样本缓慢灌水,直到地表出现明水面且不会快速消失,即充分饱和后,分别于灌水后的0.5h、6.5h、21.5h、44.5h、51.5h,按照0~5cm、5~10cm、10~15cm、15~20cm分层采样,测定土壤含水率。
灌水0.5h后,地表明水面消失进行第一次取样,此时土壤含水率反应了土壤的持水能力。
表3实验测定砒砂岩与风沙土容积含水率
深度(cm)
砒砂岩
风沙土
0.5h
6.5h
21.5h
44.5h
51.5h
0.5h
6.5h
21.5h
44.5h
51.5h
0-5
0.286
0.210
0.172
0.191
0.146
0.140
0.058
0.036
0.025
0.011
5-10
0.233
0.200
0.173
0.185
0.175
0.184
0.051
0.036
0.046
0.026
10-15
0.230
0.235
0.217
0.213
0.180
0.213
0.044
0.039
0.038
0.029
15-20
0.237
0.188
0.185
0.123
0.174
0.224
0.043
0.036
0.097
0.026
由上表可知,砒砂岩在0.5h后上层(0~5cm)与下层(5~20cm)相比含水率下降明显,表明部分无效水分含量,以下层渗漏的形式损失。
6.5h~51.5h,各土层深度的含水量变化不大,表明除上部土层因蒸发损失部分水量外,砒砂岩土深层土壤具有较好的持水性,渗漏损失小,。
对实验测定的含水率及测样时间进行绘图,0~5cm、5~10cm、10~15cm和15~20cm各分层的土壤含水率随时间变化如图1所示:
a砒砂岩b.沙
图1不同土壤分层含水率随时间变化
对实验测定的含水率及土层深度进行绘图,不同的蒸发时间0.5h、6.5h、21.5h、44.5h、51.5h下,土壤含水量随土层深度变化情况见图2。
a砒砂岩b.沙
图2土壤含水率与土层深度的关系
砒砂岩在0~5cm、5~10cm、10~15cm三个分层的土壤含水率随蒸发时间的加长含水率呈下降趋势,表明上层土壤受蒸发影响明显,且越靠近大气层含水率的下降速度越快;15-20cm分层在第51.5小时含水率有所回升,表明砒砂岩透水性差,具有良好的持水性。
向装有沙土的容器中灌水,直至下部有水渗出。
分别于灌水后6h、18h、30h、42h、54h、102h、294h、318h、342h、390h、438h、510h、606h、678h、798h、894h、990h、1110h,测定的沙土体的含水率及测样时间进行绘图如图3所示。
风沙土不分层的情况下,含水率随渗漏时间的增加呈快速下降趋势,在前54个小时变化明显,后期土壤含水率仅3%,表明沙土保水性较差,不能长期提供并维持作物生长所需要的水分。
图3风沙土含水率随时间变化
试验测得砒砂岩与沙的饱和含水量、田间持水量、凋萎含水量及有效含水量等指标见表4。
由表4可知,风沙土田间持水量及有效持水量都很小,在非灌溉条件下不足以支持作物生长所必需的水分。
表4砒砂岩与沙样本的持水性指标(cm3/cm3)
样本
饱和持水量
田间持水量
凋萎持水量
有效持水量
砒砂岩
0.414
0.379
0.069
0.31
沙土
0.345
0.072
0.05
0.022
(4)砒砂岩与沙性质对比讨论
除砒砂岩与沙以外,将项目区分布的黄土作为对照,充分明确砒砂岩的可耕性及养分特性,主要的对比项为物理化学性质、保水持水性及养分特性等。
表5砒砂岩、沙与黄土性质对比
土类
砒砂岩
黄土
沙土
粒径比例
(%)
砂粒
20
43
91
粉粒
73
42
6
粘粒
7
15
3
质地
粉壤土
壤土
砂土
容重
1.53
1.25-1.42
1.57
结构
粒状块状层状
粒状块状
无结构
毛管孔隙度(%)
44.94
49.76
26.33
密实程度
紧密
上层疏松,下层紧密
疏松
养分
有机质(%)
0.3-0.5
0.4-0.8
0.1-0.3
N(g/kg)
0.035
0.029
0.03
P(g/kg)
0.0019
0.002
0.0026
K(g/kg)
0.06
0.086
0.088
pH
8.35
8.9
8.85
矿物组成
SiO2
64.67
45.52
78.05
CaO
1.64
8.40
2.08
Al2O3
12.83
11.63
11.84
Na2O
1.15
1.81
K2O
3
1.94
2.16
矿物组成:
砒砂岩SiO2、A12O3、CaO等主要矿物的含量与风沙土相当,且明显高于黄土,表明河湖相沉积的砒砂岩与以风成为主的黄土的化学元素有较大差异,同时说明砒砂岩可能是毛乌素沙漠中风成沙的物质来源。
结构:
砒砂岩土体干时胶结松散,遇水则迅速膨胀,具有较好的持水与保水性。
沉积层透水性差且地表呈层状板结紧实,植物根系下扎极为困难。
而风沙土通体无结构,干湿状况下均有较好的透水性,保水持水性差。
因二者水物理性质优势互补,且项目区内砒砂岩与沙土相间分布,故可采用砒砂岩与沙土相混合的办法来改善土壤质地,进而改良项目区内的农业耕作条件。
养分特性:
砒砂岩、黄土和风沙土养分含量普遍很低,砂岩和黄土经相接近,平均有机质含量0.5%左右,风沙土平均有机含量0.2%左右。
但砒砂岩中所含植物所需的K、Na、Ca元素含量高于黄土和风沙土,这对植物生长是有利的。
利用砒砂岩与沙土混合的方法进行沙土质地的改良,并在自然培肥或人工培肥的运用下满足植物生长的需要,并借助植物生长有效提高土壤有机质的含量,使土壤质地得到持续不断的发展。
2、砒砂岩与沙复配成土组合方案实验
实验室组合方案研究分为三大部分:
第一部分是通过对砒砂岩与沙不同混合比例的多项指标的研究,分析比较不同混合比例的土壤物理性质的变化特征;第二部分,针对不同颗粒级配下的砒砂岩保水性和持水性研究,分析颗粒级配对砒砂岩与沙混合物含水量的影响;第三部分,根据前两步拟确定的级配和混合比例,分析混合后砒砂岩、砒砂岩与沙混合物的持水和保水特征。
技术路线见图4。
图4实验室砒砂岩与沙成土组合方案研究技术路线
(1)颗粒分析
随沙中混合砒砂岩比例增加,砂粒含量不断减少,粉粒含量大幅度增加。
沙和砒砂岩的粘粒含量都属于较低水平。
二者混合后,随砒砂岩比例增加,粘粒含量增加,砒砂岩混合比例大于1:
1后粘粒含量不再提高。
因此,砒砂岩与沙混合后,随着砒砂岩比例增加,砂粒含量降低,粉粒含量增加,粘粒含量增加幅度较小,在比例为1:
1时达到最高。
表6砒砂岩与沙不同混合比例下的土壤质地性质
混合比例(砒砂岩:
沙)
0:
1
1:
5
1:
2
1:
1
2:
1
5:
1
1:
0
粒径比例
(%)
砂粒
91.39
74.79
64.67
46.84
33.76
20.61
19.57
粉粒
5.51
20.08
30.04
44.92
58.58
72.18
70.94
粘粒
3.10
5.13
5.29
8.24
7.66
7.21
7.49
质地
砂土
砂壤
砂壤
壤土
粉壤
粉壤
粉壤
有机质(%)
0.053
0.043
0.048
0.042
0.077
0.105
0.106
Ks(mm/min)*
7.10
1.61
0.49
0.26
0.13
0.10
0.07
毛管孔隙度(%)
26.33
28.17
30.13
33.89
38.18
42.20
44.94
图5不同砒砂岩与沙混合比例的土壤质地分布(美国质)
砒砂岩与沙混合的土壤质地也随着砒砂岩混合比例的增大,从砂土-砂壤-壤土-粉壤土。
土壤质地的粗细直接影响土壤蓄水性、透气性和保肥性。
可见,不良的砂土质地得到了显著改良。
由图5查得,砒砂岩与沙的混合比例为1:
5是土壤质地由砂土变为砂壤的临界值;砒砂岩与沙的混合比例大于1:
1时,土壤质地为粉壤,且随着比例提高土壤质地不再发生变化。
从土壤质地变化角度分析,砒砂岩与沙混合的比例为:
1:
5≤砒砂岩与沙混合的比例≤1:
1。
(2)有机质分析
有机质含量变化范围从砒砂岩与沙混合比例的0:
1到1:
0为0.043-0.106%,有机质含量非常低,属于全国耕地土壤养分分级标准中有机质分级的六级(<0.6%)。
该有机质含量不能满足实际农业生产的需要,后期必须通过施用有机肥、种植绿肥、秸秆还田等措施来提高它的含量。
(3)饱和导水率变化
不同砒砂岩与沙混合比例的实测饱和导水率变化见图6。
从图中可以看出砒砂岩与沙混合后饱和导水率是随着砒砂岩比例的增加而显著降低的。
图6不同砒砂岩与沙混合比例的饱和导水率
(4)毛管孔隙度
毛管孔隙度随着砒砂岩混合比例的增加从26.33%提高到了44.94%。
由于实验设计中不同混合比例的容重相同,则土壤总孔隙度相等,说明沙中混合砒砂岩后,土壤毛管孔隙和非毛管孔隙的分配发生了改变,部分非毛管孔隙向毛管孔隙转变。
(5)水力学特性
分别利用HYPRES和Rosetta模型预测了不同砒砂岩与沙混合比例的土壤水力学参数,其混合比例的变化如图7所示。
结合实测的饱和导水率与HYPRES和Rosetta模型预测的饱和导水率可以看出:
两种模型预测的土壤水力学参数变化趋势基本一致,但HYPRES模型预测的饱和导水率变化趋势和实测结果更为相近,因此,选择HYPRES模型预测的结果来分析不同砒砂岩与沙混合比例的水力学性质。
利用田间持水量、萎蔫点和有效水含量来描述不同砒砂岩与沙混合比例下的土壤持水性能,有效水含量为田间持水量和萎蔫含水量之差。
从图2-10中可以看出,HYPRES模型预测的有效含水量(田间持水量-萎蔫点)随着砒砂岩与沙砒砂岩混合比例的增大而增大,在砒砂岩与沙混合比例为2:
1时增加趋于平缓。
从饱和含水量、田间持水量和萎蔫点三者的关系来看:
随着混合土壤中砒砂岩比例的增加,饱和含水量与萎蔫点差的变幅不大。
但当砒砂岩与沙混合比例为1:
2附近时,是θs-FC与FC-θwp大小关系从大到小的转折点,说明随着混合土壤中砒砂岩比例的增高,混合土壤的有效水含量开始提升,混合土壤的持水性能在逐渐增强。
从土壤贮水能力来看:
不同砒砂岩与沙混合比例的贮水能力具有显著的差异。
对土壤来说,灌溉量超过田间持水量就会导致水分向下渗漏。
以30cm的耕层来考虑砒砂岩与沙混合的贮水量:
砒砂岩与沙混合比例0:
1、1:
5、1:
2、1:
1、2:
1、5:
1、1:
0的土壤理论贮水量分别为26.4、48.9、59.7、69.9、79.2、87.9和91.2mm,说明砒砂岩混合比例提高,土壤贮水能力增加,向下层的土壤渗漏损失减少,持水能力提高。
因此,不同砒砂岩与沙混合比例对土壤水力学特性影响显著,决定了土壤吸持水分的能力和水分利用效率。
表7砒砂岩与沙不同混合比例下的土壤水力学性质
混合比例(砒砂岩:
沙)
0:
1
1:
5
1:
2
1:
1
2:
1
5:
1
1:
0
HYPRES
θwp(cm3/cm3)
0.004
0.026
0.032
0.050
0.052
0.052
0.053
FC(cm3/cm3)
0.092
0.189
0.231
0.283
0.316
0.345
0.357
θs(cm3/cm3)
0.334
0.382
0.415
0.433
0.444
0.451
0.460
AWC(cm3/cm3)
0.088
0.163
0.199
0.233
0.264
0.293
0.304
Ks(mm/min)
0.66
0.25
0.23
0.15
0.09
0.05
0.05
Rosetta
θwp(cm3/cm3)
0.050
0.044
0.055
0.063
0.062
0.068
0.069
FC(cm3/cm3)
0.072
0.169
0.223
0.287
0.327
0.368
0.379
θs(cm3/cm3)
0.345
0.365
0.374
0.367
0.373
0.404
0.414
AWC(cm3/cm3)
0.022
0.125
0.168
0.224
0.265
0.300
0.310
Ks(mm/min)
3.41
0.49
0.43
0.24
0.31
0.41
0.45
注:
θwp萎蔫点;FC田间持水量;θs土壤饱和含水量;Ks饱和导水率;AWC:
availablewatercapacity有效持水量,有效持水量等于田间持水量减去萎蔫点;Ks饱和导水率,有*为实验室实测值,无*为对应传递函数估算值。
HYPRES模型预测Rosetta模型预测
图7不同砒砂岩与沙混合比例的土壤水力学参数变化
(6)砒砂岩与沙混合土壤持水、保水性
砒砂岩与沙混合后机械组成、毛管孔隙度、饱和导水率等土壤物理性质得到了改善,土壤质地由砂土变为粉壤土,毛管孔隙度、土壤有效含水率逐渐增加,土壤渗漏逐渐降低,土壤具备了较好的持水性和保水性。
下面将进一步探讨砒砂岩与沙混合后,土壤保水性能和持水性能。
将砒砂岩、沙和砒砂岩与沙1:
2的混合物充分饱和后,分别于灌水后的0.5h、6.5h、21.5h、44.5h、51.5h,按照0-5cm、5-10cm、10-15cm、15-20cm分层采样,测定三种土壤的含水率。
图8砒砂岩、沙和二者混合物土壤含水率随时间的变化
如图8,灌水0.5h后,地表明水面消失进行第一次取样,此时土壤含水率反应了土壤的持水能力。
0-5cm土壤表层砒砂岩、沙、砒砂岩与沙1:
2混合物的含水率分别为13.99%、28.62%、16.24%,即含水率由大到小依次为砒砂岩>砒砂岩与沙1:
2混合物>沙,5-10cm、10-15cm和15-20cm土层含水率为砒砂岩最高,沙的含水率大于砒砂岩与沙1:
2混合物。
说明在持水性能方面,砒砂岩最优,砒砂岩与沙混合物和沙次之。
51.5h内无降雨,土壤水分没有补给,均为蒸发损失。
0~5cm、5~10cm、10~15cm和15~20cm4个土层土壤含水率均随着时间的延长而降低。
砒砂岩、沙、1:
2混合物的含水率各层都表现为砒砂岩>1:
2混合物>沙,砒砂岩含水率最高,较砒砂岩与沙1:
2混合物含水率高46.89~74.63%,较沙含水量高72.16~92.42%。
反映了3种土壤保水性能的强弱顺序为:
砒砂岩>1:
2混合物>沙。
6.5h内土壤水分损失量最大,0~5cm表层砒砂岩、沙、1:
2混合物水分损失量分别为7.63%、8.15%和7.5%,占51.5h总水分损失量的54.27%、63.22%和59.74%,其余各层土壤也有类似的规律,说明灌水后沙的土壤水分损失最快,砒砂岩和1:
2混合物次之,且一半以上水分损失发生在灌水后6.5h内。
灌水后21.5h,砒砂岩、沙和1:
2混合物3种土壤各层水分损失的平均量分别占51.5h损失的量的73.41%、90.96%和78.33%。
随时间的延长,水分损失的量减少,且损失速率逐渐降低。
沙的土壤水分损失最快,砒砂岩略慢于砒砂岩与沙1:
2混合物。
51.5h内的土壤水分损失量和损失速率,反应了土壤的持水能力和供水能力的强弱。
水分损失速率取决于土壤初始含水量的高低(即持水能力)和保水能力。
如图9可知,从51.5h内各层土壤水分的损失速率来看,0~5cm土层受大气控制最为显著,三种土壤水分损失速率相当,5cm以下各层土壤水分损失速率为:
沙>1:
2混合物>砒砂岩,说明砒砂岩自身的保水能力最强,1:
2混合物次之,沙最差。
图9砒砂岩、沙和二者混合物土壤水分损失速率
综合以上试验得出砒砂岩与沙复配成土具有一定的可行性。
砒砂岩:
沙为1:
5是土壤质地由沙土成为砂壤的临界点,砒砂岩与沙比例大于等于2:
1时,土壤质地为粉壤,不随砒砂岩比例增加而改变。
因此,从质地角度出发,砒砂岩与沙混合的比例范围为大于等于1:
5,砒砂岩与沙混合比例1:
5~1:
2能够达到较为理想的导水范围,砒砂岩与沙混合有效提高了土壤的保水性。
砒砂岩与沙混合后,改善了砒砂岩和沙的不良特性,产生了新的土壤特性,为植物生长提供了有利的生存条件,不同的植物对土壤质地、孔隙、结构、水分、肥力等条件的适应性不同,因此适合不同作物生长的土壤条件通过田间试验进一步验证。
(二)不同作物适宜的复配比例田间试验
1、试验方案
根据砒砂岩与沙成土组合方案的室内研究结果,在田间试验条件下以五种比例混合(砒砂岩与沙1:
1、1:
2、1:
5,黄土与沙1:
2,以及全沙等五种混合比例)的砒砂岩与沙为培养介质,种植了玉米和马铃薯等作物。
通过检测砒砂岩与沙的合成“土壤”的基本理化性质、作物的产量及相关农艺性状等,分析评价砒砂岩与沙快速成土的效果以及各种作物在合成“土壤”上的种植适宜性。
图10研究技术路线图
田间试验在陕西省土地工程建设集团富平中试基地进行。
考虑砒砂岩与沙混合比例、灌溉水量、种植作物种类以及农艺处理4因素。
因素水平表如表8所示。
表8因素水平表
水平
试验因素
混合比例
灌溉水量(m3/小区)
种植作物
农艺处理
1
1:
1
0.2
玉米
无
2
1:
2
0.4
大豆
草
3
1:
5
0.6
马铃薯
秸秆
在试验基地布设15个小区,每个小区尺寸为2m×2m×1m。
根据小区立地条件,考虑光照、微地形等因素的均一性,15个处理采取自南向北“一”字型布设。
通常土壤耕作层深度为20-40cm,因此试验小区设计将砒砂岩与沙的混合层次设为0-30cm,模拟实地条件,30-70cm完全用沙填装。
混合比例1:
1、1:
2、1:
5的小区分别覆砒砂岩(黄土)15、10和5cm(即0.6、0.4和0.2m3),而后将表层30cm的砒砂岩(黄土)与沙进行充分混合。
该试验为4因素3水平实验,采取正交设计,共9个处理,即处理1到处理9。
处理10到处理14不限制灌水量,作为试验的补充处理。
处理15是在表层混合黄土,视为对比试验,分析沙与砒砂岩混合和与黄土混合对作物产量的影响。
小区试验进行了两次,试验方案分别如表9和表10所示。
表9第一次正交设计试验方案
小区编号
试验因素
混合比例
灌溉水量(m3/小区)
种植作物
农艺处理
0
1(黄土):
2
0.6
玉米
秸秆还田
1
1:
1
0.2
玉米
无
2
1:
1
0.4
大豆
草
3
1:
1
0.6
马铃薯
秸秆
4
1:
2
0.2
大豆
秸秆
5
1:
2
0.4
马铃薯
无
6
1:
2
0.6
玉米
草
7
1:
5
0.2
马铃薯
草
8
1:
5
0.4
玉米
秸秆
9
1:
5
0.6
大豆
无
10
1:
2
不控制
玉米
绿肥
11
1:
2
0.4
玉米
秸秆还田
12
1:
2
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