NaCl與Na2SO4風(fēng)沙土鹽結(jié)皮力學(xué)特性比較分析?

李勝輝，李誠(chéng)志，付小磊

(新疆大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院 教育部綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830017)

0 引言

風(fēng)沙土在我國(guó)分布面積大、范圍廣，結(jié)構(gòu)松散極易風(fēng)蝕形成沙塵暴，給我國(guó)北方地區(qū)帶來極大的危害[1]，急需開展固沙治理.土壤鹽結(jié)皮（Soil Salt Crust,SSC）是易溶性鹽晶體膠結(jié)土壤顆粒，在土壤表層或土壤內(nèi)部形成的位于土壤上層的鹽-土膠結(jié)層[2].鹽結(jié)皮的形成改變了土壤上表層物理、化學(xué)性質(zhì)，極大地提高了風(fēng)沙土抗風(fēng)蝕能力.在降水量少、蒸發(fā)強(qiáng)的干旱、半干旱地區(qū)的低洼區(qū)域自然鹽結(jié)皮較為常見[3?6].在地表植被匱乏的荒漠地區(qū)，鹽結(jié)皮對(duì)增強(qiáng)土壤抗風(fēng)蝕能力、減弱風(fēng)沙流動(dòng)具有極大的作用[7?11].學(xué)者對(duì)鹽結(jié)皮的關(guān)注越來越高.

鹽結(jié)皮的形成受多種因素影響.毛管水的蒸發(fā)速度是影響結(jié)皮形成的重要因素之一[12].不同的蒸發(fā)速度使晶體在土壤中析出位置不同.根據(jù)晶體析出位置，結(jié)皮可分為兩種：上表面結(jié)皮（顯性結(jié)皮）、下表面結(jié)皮（隱性結(jié)皮）[12].晶體在風(fēng)沙土上表面析出形成上表面結(jié)皮，晶體在風(fēng)沙土孔隙中析出形成下表面結(jié)皮.根據(jù)上表面結(jié)皮的形態(tài)，可將上表面結(jié)皮分為補(bǔ)丁狀（patchy）及殼狀（crusty）[13].上表面結(jié)皮的兩種形態(tài)與多孔介質(zhì)的孔隙度有關(guān)，NaCl在大孔隙中形成補(bǔ)丁狀結(jié)皮，在小孔隙中形成殼狀結(jié)皮[13].另外，鹽種類也影響結(jié)皮的形成位置.在常溫下，NaCl趨于形成上表面結(jié)皮，Na2SO4趨于形成下表面結(jié)皮[14?18].

土壤表層鹽結(jié)皮能有效增強(qiáng)土壤抗風(fēng)蝕能力.結(jié)皮厚度、鹽-土膠結(jié)形式、結(jié)晶形態(tài)對(duì)土壤抗風(fēng)蝕能力都有一定影響[10,18?20].目前，學(xué)者對(duì)鹽種類（單鹽）、多孔介質(zhì)特性影響鹽結(jié)皮形成過程已有了較為清晰的認(rèn)知，但對(duì)鹽與土壤膠結(jié)形成結(jié)皮力學(xué)性質(zhì)究較少.我國(guó)西部風(fēng)沙土中Na+、Cl?、SO24?三種離子含量較大，本文選擇NaCl、Na2SO4兩種鹽與風(fēng)沙土膠結(jié)形成鹽結(jié)皮，對(duì)比分析兩種鹽結(jié)皮的特性.觀測(cè)NaCl、Na2SO4兩種單鹽形成結(jié)皮的表觀形態(tài)、抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-進(jìn)深曲線、結(jié)皮厚度、結(jié)皮下方鹽土膠結(jié)顆粒的質(zhì)量等，探究鹽種類和鹽濃度對(duì)鹽結(jié)皮物理性質(zhì)的影響，為沙化土地治理與抗風(fēng)蝕模型參數(shù)的修正提供計(jì)算指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用的風(fēng)沙土取自古爾班通古特沙漠流動(dòng)沙丘的上表層（0～20 cm）.用震動(dòng)篩篩分風(fēng)沙土樣，土樣粒徑分布質(zhì)量為：150～300 μm粒徑占13.5%、100～150 μm粒徑占68.5%、其他粒徑占18%.為保證實(shí)驗(yàn)用土的均勻性、代表性，消除土壤粒徑差異的影響，實(shí)驗(yàn)選用100～150 μm粒徑的風(fēng)沙土.用去離子水清洗風(fēng)沙土，用電導(dǎo)率儀檢測(cè)清洗液的電導(dǎo)率.多次清洗后，風(fēng)沙土清洗液的電導(dǎo)率穩(wěn)定在50～60 μs/cm即可（此時(shí)風(fēng)沙土中存留的少量可溶鹽離子對(duì)結(jié)皮實(shí)驗(yàn)影響不大）.將洗凈的風(fēng)沙土烘干備用.鹽采用研究型的無水Na2SO4（Na2SO4在30℃的溶解度為40.8 g）和NaCl（99.99%純度），溶劑為去離子水.

1.2 結(jié)皮實(shí)驗(yàn)

結(jié)合自然結(jié)皮的含鹽量及前期實(shí)驗(yàn)室研究成果[21].本文共設(shè)置6個(gè)鹽濃度梯度，分別為0.1 mol/L、0.5 mol/L、1 mol/L、1.5 mol/L、2 mol/L、2.5 mol/L.在直徑6 cm、高5 cm的塑料圓柱中裝入質(zhì)量260 g的風(fēng)沙土.根據(jù)設(shè)置的鹽濃度梯度配置鹽溶液（Na2SO4溶液溫度控制在30 ℃），將配置好的溶液（55 mL）加入上述塑料圓柱中（此時(shí)圓柱風(fēng)沙土被鹽溶液完全浸潤(rùn)），每個(gè)鹽濃度梯度做6個(gè)重復(fù).為模擬晝夜溫差，白天將制作好的樣品置于60 ℃的烘箱中干燥，夜間關(guān)閉烘箱使樣品溫度隨室溫變化.樣品的結(jié)皮形成后，每天定時(shí)稱量樣品重量，當(dāng)樣品質(zhì)量幾乎達(dá)到恒重時(shí)，取出樣品，觀察結(jié)皮的表觀形態(tài)，測(cè)量結(jié)皮強(qiáng)度、結(jié)皮層厚度，破壞結(jié)皮土體內(nèi)的鹽-土膠結(jié)顆粒質(zhì)量.

1.3 數(shù)據(jù)獲取與處理

1.3.1 結(jié)皮表鹽覆蓋度

將烘干的樣品置于光強(qiáng)恒定的密閉箱中，用固定高拍儀（良田S580P）對(duì)樣品表面進(jìn)行拍攝.拍攝圖片根據(jù)樣品大小進(jìn)行裁剪，圖像進(jìn)行二值化處理，白色部分為鹽晶體，黑色部分為風(fēng)沙土.根據(jù)白色、黑色區(qū)域的像素?cái)?shù)，可以通過下列公式計(jì)算鹽晶體覆蓋度：

其中：n是鹽晶體的像素?cái)?shù)，N是整個(gè)結(jié)皮所占像素?cái)?shù)，P是鹽晶體覆蓋度.

1.3.2 結(jié)皮厚度

從6個(gè)重復(fù)樣品中取出3個(gè)樣品進(jìn)行結(jié)皮厚度測(cè)試.用電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量結(jié)皮厚度，每個(gè)結(jié)皮樣測(cè)量3次，共9組數(shù)據(jù)，取9組數(shù)據(jù)均值為結(jié)皮厚度值.

1.3.3 結(jié)皮抗壓強(qiáng)度、鹽土膠結(jié)顆粒質(zhì)量

將剩余3個(gè)樣品放置在搭載HP-1000N（量程為1 000 N，分度值為0.1 N，誤差為±0.2 N）數(shù)字式電子壓力計(jì)的HSV-500立柱式電動(dòng)工作臺(tái)上，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試.壓力計(jì)探頭為V型，直徑為10 mm，探頭下降速度設(shè)為150 mm/min.壓力計(jì)給結(jié)皮表面一個(gè)垂直向下的軸向壓力，壓力計(jì)軟件自動(dòng)記錄應(yīng)力-時(shí)間曲線.用應(yīng)力-時(shí)間曲線分析結(jié)皮抗壓強(qiáng)度和結(jié)皮韌性.壓力計(jì)以恒定速度下降，應(yīng)力-時(shí)間曲線可以轉(zhuǎn)化為應(yīng)力-進(jìn)深曲線.當(dāng)結(jié)皮破碎時(shí)，應(yīng)力-進(jìn)深曲線達(dá)到峰值.應(yīng)力-進(jìn)深曲線峰值出現(xiàn)的次數(shù)可以表示結(jié)皮層數(shù).應(yīng)力-進(jìn)深曲線的最大峰值作為結(jié)皮抗壓強(qiáng)度，3個(gè)樣品抗壓強(qiáng)度的平均值為該鹽濃度下的結(jié)皮抗壓強(qiáng)度.選取與抗壓強(qiáng)度均值接近的應(yīng)力-進(jìn)深曲線進(jìn)行結(jié)皮韌性分析.

結(jié)皮強(qiáng)度測(cè)量完成后，將樣品表層結(jié)皮層去除，結(jié)皮層下的風(fēng)沙土倒入60目（300 μm，遠(yuǎn)大于單粒風(fēng)沙土粒徑）的篩子中過篩，稱取篩子中剩余大顆粒物的質(zhì)量，3個(gè)樣品的大顆粒質(zhì)量均值作為土體內(nèi)部鹽土膠結(jié)顆粒物的質(zhì)量.

1.3.4 結(jié)皮微觀結(jié)構(gòu)

鹽結(jié)皮的鹽-土膠結(jié)形式影響結(jié)皮的力學(xué)特性.為比較結(jié)晶形態(tài)和結(jié)晶位置對(duì)結(jié)皮性質(zhì)的影響，本文運(yùn)用體式顯微鏡觀察結(jié)皮上表面、土體內(nèi)部鹽-土膠結(jié)體.

選取部分結(jié)皮樣品，用SZX-12體式電子顯微鏡觀測(cè)鹽結(jié)皮的上、下表面，觀察鹽與風(fēng)沙土膠結(jié)形式、鹽晶體形態(tài).觀測(cè)結(jié)皮結(jié)構(gòu)時(shí)，先用低倍鏡觀測(cè)，找到鹽土膠結(jié)區(qū)域，再換成高倍鏡對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行觀察，獲取微觀結(jié)構(gòu)圖.

2 結(jié)果

2.1 結(jié)皮表觀特征

風(fēng)沙土孔隙中，鹽離子隨水流動(dòng)而遷移，在蒸發(fā)面鹽濃度不斷增加，當(dāng)鹽濃度超過其溶解度時(shí)結(jié)晶體析出[22]，鹽晶體與風(fēng)沙土膠結(jié)形成鹽結(jié)皮.鹽濃度和鹽種類會(huì)對(duì)結(jié)皮表觀形態(tài)產(chǎn)生影響.

由圖1可知，NaCl、Na2SO4鹽形成的結(jié)皮具有不同的表面形態(tài).NaCl鹽結(jié)皮隨著濃度的增加，表面析出的鹽晶體逐步增加，表面由平整逐步變?yōu)榇植?NaCl濃度小于1 mol/L時(shí)，表面鹽晶體析出較少且成斑塊狀，表面較為光滑；濃度大于1 mol/L時(shí)，表面有大量鹽晶體析出，結(jié)皮表面開始變粗糙；濃度為2.5 mol/L時(shí)，表面有大量晶體簇出現(xiàn)，呈現(xiàn)粗糙麻面狀.Na2SO4鹽結(jié)皮隨著Na2SO4濃度的增加，表面鹽晶體增加，裂縫逐漸減少.Na2SO4濃度小于1 mol/L時(shí)，表面鹽結(jié)晶較少，裂紋較多，局部出現(xiàn)掉皮現(xiàn)象；濃度大于1 mol/L后，表面鹽結(jié)晶量增加，裂紋逐漸減少；濃度達(dá)到2 mol/L后，結(jié)皮表面逐漸形成一個(gè)致密的半透明結(jié)晶層，結(jié)晶層又出現(xiàn)少量裂縫.整體而言，NaCl鹽結(jié)皮均是一個(gè)整體，未出現(xiàn)開裂，表面相對(duì)平整光滑；Na2SO4鹽結(jié)皮容易開裂，表面較為粗糙.

圖1 NaCl、Na2SO4鹽結(jié)皮表面圖

由圖1可知，隨著鹽溶度增加，樣品表面的鹽晶體覆蓋度逐漸增加，但樣品表面晶體沉積位置具有一定隨機(jī)性.本文利用Matlab軟件將樣品表面晶體進(jìn)行二值化處理，并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖2所示.由圖2可知，NaCl晶體覆蓋度隨鹽濃度的增加而增加，樣品的鹽晶體覆蓋度方差較小，NaCl晶體覆蓋度在樣品間分布較為均勻.Na2SO4晶體覆蓋度隨鹽濃度的變化比較復(fù)雜，晶體覆蓋度呈現(xiàn)先上升后下降再上升的過程.Na2SO4鹽濃度小于0.5 mol/L時(shí)，晶體覆蓋度隨鹽溶度的增加而增加；0.5 mol/L～1.5 mol/L時(shí)，晶體覆蓋度隨鹽溶度的增加而減??；溶度大于1.5 mol/L后，晶體覆蓋度隨鹽濃度增加再次增加.Na2SO4晶體覆蓋度的方差比NaCl晶體覆蓋度的方差大，Na2SO4晶體在結(jié)皮表面具有較大的異質(zhì)性.

圖2 晶體覆蓋度隨鹽濃度變化圖

2.2 鹽結(jié)皮抗壓強(qiáng)度

土壤抗壓強(qiáng)度在一定程度上可以反映土壤的抗風(fēng)蝕能力[23].抗壓強(qiáng)度越大，其抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng).

NaCl、Na2SO4與風(fēng)沙土膠結(jié)形成的結(jié)皮抗壓強(qiáng)度如圖3所示.隨著鹽濃度的增加，NaCl、Na2SO4兩種鹽結(jié)皮表現(xiàn)出不同的力學(xué)特征.NaCl鹽結(jié)皮的抗壓強(qiáng)度隨著鹽濃度的增加而增加，且具有良好的線性關(guān)系，擬合方程為：y=347x+15.15，R2=0.968 9，P ＜0.05.Na2SO4鹽結(jié)皮的抗壓強(qiáng)度隨鹽濃度的增加先增加后減小，當(dāng)鹽濃度達(dá)到1.5 mol/L時(shí)，結(jié)皮抗壓強(qiáng)度最大，為1 271.1 N/cm2，之后結(jié)皮抗壓強(qiáng)度快速降低.

圖3 鹽結(jié)皮抗壓強(qiáng)度

對(duì)比兩種鹽不同鹽濃度下鹽結(jié)皮的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差可以發(fā)現(xiàn)：相同鹽濃度下，NaCl鹽結(jié)皮的抗壓強(qiáng)度的波動(dòng)較小，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差為4.05～70.04；Na2SO4鹽結(jié)皮的抗壓強(qiáng)度的波動(dòng)值均較大，鹽濃度為1.5 mol/L時(shí)，Na2SO4鹽結(jié)皮抗壓強(qiáng)度的波動(dòng)值最大，達(dá)292.11 N/cm2.

2.3 土體內(nèi)鹽-土膠結(jié)顆粒

隨著水分蒸發(fā)，土壤鹽濃度不斷增加，當(dāng)鹽濃度超過其溶解度后鹽晶體析出，在表層析出的晶體與風(fēng)沙土膠結(jié)形成鹽結(jié)皮，在土體內(nèi)毛管中析出的晶體與風(fēng)沙土膠結(jié)形成鹽-土膠結(jié)顆粒（圖4）.結(jié)皮下方鹽-土膠結(jié)顆粒數(shù)量研究有利于揭示鹽在風(fēng)沙土中的沉積方式和結(jié)皮對(duì)鹽水運(yùn)移的影響.

圖4 樣品內(nèi)鹽-土膠結(jié)顆粒及樣品實(shí)物圖

結(jié)皮下方鹽-土膠結(jié)顆粒質(zhì)量統(tǒng)計(jì)如圖5所示.鹽濃度不超過1.5 mol/L時(shí)，兩種鹽結(jié)皮下方的鹽-土膠結(jié)顆粒質(zhì)量隨鹽濃度的變化趨勢(shì)相同.樣品間鹽-土膠結(jié)顆粒質(zhì)量方差較小，膠結(jié)顆粒的數(shù)量相近.鹽濃度大于1.5mol/L時(shí)，兩種鹽結(jié)皮土體內(nèi)鹽-土膠結(jié)顆粒質(zhì)量隨鹽濃度變化存在明顯差異.鹽濃度為1.5～2.5 mol/L時(shí)，NaCl鹽結(jié)皮土體內(nèi)鹽-土膠結(jié)顆粒質(zhì)量隨鹽濃度增加呈現(xiàn)先減后增趨勢(shì)；而Na2SO4鹽結(jié)皮土體內(nèi)鹽-土膠結(jié)顆粒質(zhì)量則隨鹽濃度增加逐漸增大.Na2SO4鹽濃度為1.5～2 mol/L時(shí)，土體內(nèi)鹽-土膠結(jié)顆粒質(zhì)量增幅較大；2～2.5 mol/L時(shí)，土體內(nèi)鹽-土膠結(jié)顆粒質(zhì)量增幅有所降低.鹽濃度大于1.5 mol/L時(shí)，NaCl鹽結(jié)皮土體內(nèi)鹽-土膠結(jié)顆粒質(zhì)量在鹽濃度為2 mol/L時(shí)樣品的標(biāo)準(zhǔn)差最大，值為3.25；Na2SO4鹽結(jié)皮土體內(nèi)鹽-土膠結(jié)顆粒質(zhì)量在鹽濃度為1.5 mol/L時(shí)樣品的標(biāo)準(zhǔn)差最大，值為2.03.

圖5 大顆粒質(zhì)量隨鹽濃度變化

2.4 鹽結(jié)皮厚度

在土壤表層鹽與風(fēng)沙土膠結(jié)形成結(jié)皮層，表層鹽-土膠結(jié)量越大其結(jié)皮越厚.結(jié)皮厚度能反映結(jié)皮的抗壓強(qiáng)度和抗風(fēng)蝕能力，結(jié)皮越厚其抗壓強(qiáng)度和抗風(fēng)蝕能力就越強(qiáng)[24?25].

兩種鹽的結(jié)皮厚度如圖6所示.兩種鹽的結(jié)皮厚度都隨鹽濃度的增加而增加.隨鹽濃度增加NaCl鹽結(jié)皮厚度緩慢增加，樣品的標(biāo)準(zhǔn)差較小，結(jié)皮厚度比較穩(wěn)定.隨鹽濃度增加Na2SO4結(jié)皮厚度也隨之增加，但增加速度比NaCl結(jié)皮稍大.鹽濃度為0～2 mol/L時(shí)，Na2SO4鹽結(jié)皮厚度隨鹽濃度增加而緩慢增長(zhǎng)，樣品的標(biāo)準(zhǔn)差較小，結(jié)皮厚度較為穩(wěn)定.鹽濃度為2～2.5 mol/L時(shí)，Na2SO4結(jié)皮厚度出現(xiàn)一個(gè)較大增加量，結(jié)皮厚度的標(biāo)準(zhǔn)差變大，結(jié)皮厚度均值達(dá)到最大，為11.43 mm.

圖6 結(jié)皮厚度隨鹽濃度的變化趨勢(shì)

2.5 鹽結(jié)皮應(yīng)力-進(jìn)深曲線

鹽結(jié)皮應(yīng)力-進(jìn)深曲線可以反映結(jié)皮受力時(shí)的形變能力.壓力計(jì)第一次峰值點(diǎn)的斜率可以表示鹽結(jié)皮破壞前的韌性；應(yīng)力-進(jìn)深曲線第一次峰值點(diǎn)的斜率越小，結(jié)皮的韌性越大；反之則韌性越小.峰值出現(xiàn)的次數(shù)可以反映結(jié)皮層數(shù).

兩種鹽結(jié)皮的應(yīng)力-進(jìn)深曲線如圖7所示.鹽濃度小于1 mol/L時(shí)，兩種鹽結(jié)皮的韌性較小.鹽濃度為0.1 mol/L時(shí)，兩種鹽結(jié)皮的韌性幾乎相同，之后隨鹽濃度的增加，兩種鹽結(jié)皮的韌性表現(xiàn)出不同的趨勢(shì).NaCl鹽結(jié)皮的韌性隨鹽濃度的增加而增加；Na2SO4鹽結(jié)皮的韌性隨鹽濃度的增加先增加后減小，鹽濃度為1.5 mol/L時(shí)，結(jié)皮的韌性達(dá)到最大.

圖7 結(jié)皮應(yīng)力-進(jìn)深曲線

NaCl鹽結(jié)皮多為雙層結(jié)皮，只有鹽濃度為0.1 mol/L時(shí)，為單層結(jié)皮.Na2SO4鹽結(jié)皮多為單層結(jié)皮，僅在鹽濃度為1 mol/L和2 mol/L時(shí)存在雙層結(jié)皮現(xiàn)象.鹽濃度較低時(shí)，兩種鹽鹽結(jié)皮的力學(xué)結(jié)構(gòu)相似.當(dāng)鹽濃度為0.1 mo/L時(shí)，兩種鹽結(jié)皮的應(yīng)力-進(jìn)深曲線基本一致.鹽濃度為0.5 mol/L時(shí)，NaCl形成雙層結(jié)皮，當(dāng)?shù)谝粚咏Y(jié)皮破碎后，第二層結(jié)皮的應(yīng)力-進(jìn)深曲線與Na2SO4鹽結(jié)皮的應(yīng)力-進(jìn)深曲線走勢(shì)基本一致.而后，兩種鹽結(jié)皮形成的應(yīng)力-進(jìn)深曲線的差異不斷增大.Na2SO4兩層鹽結(jié)皮的層間距離隨鹽濃度增加而增加，鹽濃度為1 mol/L時(shí)，結(jié)皮層間距離較小；鹽濃度為2 mol/L時(shí)，結(jié)皮層間距離較大.另外，第一層結(jié)皮的韌性明顯大于第二層結(jié)皮.

2.6 鹽結(jié)皮微觀結(jié)構(gòu)

2.6.1 NaCl鹽結(jié)皮微觀結(jié)構(gòu)

NaCl鹽結(jié)皮的顯微鏡觀察圖如圖8所示.NaCl鹽晶體開始在風(fēng)沙土顆粒表面沉積，然后逐漸包裹風(fēng)沙土顆粒，形成銀白色的晶體團(tuán).鹽濃度較小時(shí)，NaCl晶體主要吸附在風(fēng)沙土表面，鹽晶體包裹風(fēng)沙土顆粒表面形成透明的結(jié)晶層（圖8，0.1上）.隨著鹽濃度增加，NaCl晶體逐步包裹風(fēng)沙土顆粒表面，并在晶體表面生長(zhǎng)，形成枝狀結(jié)構(gòu)或大體積的晶體顆粒（圖8，0.5上、1上、1.5上），或形成白色或銀白色團(tuán)狀結(jié)晶簇（圖8，2上）.當(dāng)鹽濃度達(dá)到2.5 mol/L時(shí)，晶體簇相互融合形成具有一定厚度的晶體膠結(jié)層（圖8，2.5上）.

由圖8可知，在土體內(nèi)部NaCl結(jié)晶先在風(fēng)沙土顆粒間沉積，之后晶體體積逐步增長(zhǎng)形成大的晶體顆粒（圖8，0.5下、1下、2.5下）.隨著濃度增加，在土體內(nèi)部的NaCl晶體數(shù)量逐步增加，但在土體內(nèi)部的NaCl結(jié)晶方式與其在表面的結(jié)晶方式存在差異.在土體內(nèi)部，一部分鹽結(jié)晶形成獨(dú)立的正方體或長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)（圖8，0.1下、1下、1.5下），一部分鹽晶體與結(jié)皮表面的晶體生長(zhǎng)方式相同，從結(jié)晶沉降點(diǎn)向遠(yuǎn)離風(fēng)沙土顆粒的方向生長(zhǎng)（圖8，0.1下、1下、2.5下）.

圖8 NaCl結(jié)皮微觀結(jié)構(gòu)圖

注：數(shù)字表示鹽濃度，上表示照片取自結(jié)皮上表面、下表示照片取自結(jié)皮下表面.如0.1上表示濃度為0.1 mol/L的結(jié)皮上表面的微觀結(jié)構(gòu)圖，0.1下表示濃度為0.1 mol/L的結(jié)皮下表面的微觀結(jié)構(gòu)圖（下同）.

2.6.2 Na2SO4鹽結(jié)皮微觀結(jié)構(gòu)

Na2SO4鹽結(jié)皮的顯微鏡觀察圖如圖9所示.Na2SO4鹽結(jié)皮表層的晶體數(shù)量隨濃度的增加而逐步增加，晶體主要呈塊狀.鹽濃度為0.1 mol/L時(shí)，鹽晶體吸附在風(fēng)沙土表面呈斑點(diǎn)狀.鹽濃度為0.5 mol/L時(shí)，斑點(diǎn)狀的鹽晶體進(jìn)一步擴(kuò)散，在風(fēng)沙土顆粒表面形成一層致密的結(jié)晶層，部分風(fēng)沙土顆粒表面出現(xiàn)枝狀晶體.鹽濃度為1 mol/L時(shí)，顆粒表面結(jié)晶層變厚，有部分鱗片狀晶體簇.鹽濃度為1.5 mol/L時(shí)，風(fēng)沙土孔隙幾乎全被結(jié)晶層所覆蓋，晶體體積變大，部分產(chǎn)生樹枝狀晶體.鹽濃度大于1.5 mol/L后，晶體形成鱗片狀的結(jié)晶層，然后在結(jié)晶層上生長(zhǎng)，形成枝狀或棒狀結(jié)構(gòu)（圖9，2上、2.5上）.土體內(nèi)Na2SO4晶體數(shù)量隨鹽濃度的增加而增加，晶體形態(tài)較為一致，均是在風(fēng)沙土顆粒間形成球晶須狀結(jié)構(gòu)（圖9，0.1下、0.5下、2.5下），在風(fēng)沙土顆粒表面，以針狀、片狀形態(tài)存在.

圖9 Na2SO4結(jié)皮微觀結(jié)構(gòu)圖

3 討論

3.1 鹽結(jié)皮形態(tài)

結(jié)皮表觀形態(tài)受鹽種類、鹽濃度的影響[21].NaCl、Na2SO4兩種鹽結(jié)皮的表觀形態(tài)具有明顯的差異.NaCl結(jié)皮表面完整，無開裂.鹽濃度較高時(shí)，NaCl結(jié)皮表面有粗糙的晶體簇.Na2SO4結(jié)皮表面大部分存在裂縫.在低濃度時(shí)，Na2SO4結(jié)皮表面裂縫較多，隨鹽濃度增加結(jié)皮表面裂縫減少.Na2SO4濃度較高時(shí)，表面形成一個(gè)較薄的致密鹽殼，但鹽殼表面仍存在少量裂縫.

兩種鹽結(jié)皮的表觀形態(tài)差異是由晶體形態(tài)及晶體結(jié)晶性質(zhì)引起的.NaCl結(jié)晶呈立方體或較小的NaCl晶體聚集形成團(tuán)聚體，晶體結(jié)晶結(jié)構(gòu)單一.晶體與風(fēng)沙土連接方式簡(jiǎn)單.析出的晶體在風(fēng)沙土顆粒表面沉積，并逐步擴(kuò)展填充風(fēng)沙土孔隙，結(jié)皮表面較為光滑.隨著鹽濃度的增加，晶體析出量增加，形成鹽瘤，結(jié)皮表面逐漸粗糙，這一點(diǎn)可以由圖1和圖2進(jìn)行佐證.由圖8可以看到方形、團(tuán)聚體的NaCl結(jié)晶體，一些學(xué)者也有相似的研究結(jié)果.NaCl晶體在PVDF（Polyvinylidene Fluoride）表面生長(zhǎng)形成立方體狀的晶格結(jié)構(gòu)[26?29].

Na2SO4鹽溶液析出的結(jié)晶產(chǎn)物受溫度、濕度、鹽濃度等因素的影響.Na2SO4溶液有兩種結(jié)晶產(chǎn)物，分別為Na2SO4、Na2SO4·10H2O.Na2SO4·10H2O晶體的體積是Na2SO4晶體體積的4.18倍[30?31].在風(fēng)沙土孔隙中結(jié)晶的Na2SO4轉(zhuǎn)化為Na2SO4·10H2O會(huì)擠壓土壤孔隙，破壞土壤結(jié)構(gòu)；反之，Na2SO4·10H2O失水形成Na2SO4晶體，晶體體積減小，土壤大孔隙坍塌，導(dǎo)致土壤收縮出現(xiàn)裂縫.Na2SO4鹽結(jié)皮裂縫產(chǎn)生的根本原因是由鹽晶體的體積變化改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)造成的[12,32].樣品烘干過程中，模擬白天和夜間的溫度變化，從而使Na2SO4·10H2O晶體發(fā)生相變，導(dǎo)致土壤孔隙變化，在鹽結(jié)皮的表面形成裂縫，這一點(diǎn)可以由圖9進(jìn)行佐證，圖9中的結(jié)皮上表面可以觀察到斑點(diǎn)狀、枝狀、鱗片狀等不同形態(tài)的結(jié)晶晶體.同時(shí)，結(jié)皮表面形態(tài)受連接風(fēng)沙土顆粒的晶體數(shù)量影響.鹽在風(fēng)沙土孔隙中結(jié)晶，鹽晶體與風(fēng)沙土顆粒膠結(jié)形成鹽鍵，鹽鍵的膠結(jié)力隨鹽晶體數(shù)量的增加而增加，隨著鹽濃度的增加，鹽鍵膠結(jié)力逐漸增加，從而高鹽濃度結(jié)皮表面的縫隙減小.關(guān)于這一現(xiàn)象仍需進(jìn)一步研究.

3.2 結(jié)皮抗壓強(qiáng)度機(jī)理分析

鹽晶體與土壤顆粒膠結(jié)可改變其結(jié)構(gòu)，增加其抗壓強(qiáng)度.結(jié)皮中鹽晶體數(shù)量、晶體的形態(tài)都是影響結(jié)皮抗壓強(qiáng)度的重要因素.NaCl結(jié)皮的抗壓強(qiáng)度隨鹽濃度的增加而增加.通過2.6.1節(jié)分析發(fā)現(xiàn)，NaCl晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鹽溶液的體積固定，鹽濃度越大結(jié)皮表面和內(nèi)部晶體析出數(shù)量越大，其抗壓強(qiáng)度隨鹽濃度增加呈線性增大.Na2SO4結(jié)皮的抗壓強(qiáng)度隨鹽濃度的增加呈先增加后減小的趨勢(shì).鹽濃度為1.5 mol/L時(shí)結(jié)皮抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大.這一現(xiàn)象可能是Na2SO4結(jié)晶形態(tài)和位置變化引起的.鹽濃度較低時(shí)，Na2SO4鹽晶體吸附在風(fēng)沙土顆粒表面，增加了風(fēng)沙土顆粒間的摩擦力[32].隨晶體結(jié)晶數(shù)量增加，顆粒間摩擦力也增加，結(jié)皮強(qiáng)度增加.鹽濃度較高時(shí)，晶體開始在風(fēng)沙土孔隙中結(jié)晶，Na2SO4鹽晶體填充風(fēng)沙土孔隙，增加顆粒間連接性，提高結(jié)皮整體性，鹽晶體起骨架作用，增加抗壓強(qiáng)度[33].Na2SO4結(jié)晶相態(tài)變化會(huì)產(chǎn)生鹽脹，進(jìn)而對(duì)結(jié)皮產(chǎn)生破壞.鹽濃度大于1.5 mol/L后，Na2SO4結(jié)晶相的變化產(chǎn)生鹽脹，土體結(jié)構(gòu)破壞，結(jié)皮抗壓強(qiáng)度降低.圖5中，鹽濃度為1.5～2 mol/L時(shí)，Na2SO4結(jié)皮土體內(nèi)大顆粒質(zhì)量快速增加，這一現(xiàn)象表明鹽濃度大于1.5 mol/L時(shí)，大量的鹽晶體沉積在風(fēng)沙土內(nèi)部，內(nèi)部晶體可能存在相變，晶體膨脹使土體結(jié)構(gòu)破壞，結(jié)皮抗壓強(qiáng)度迅速降低.

3.3 結(jié)皮抗風(fēng)蝕性能

鹽結(jié)皮的抗風(fēng)蝕性可以通過結(jié)皮抗壓強(qiáng)度、結(jié)皮韌性、結(jié)皮層數(shù)三個(gè)方面進(jìn)行考慮[21,34?36].

鹽結(jié)皮抗壓強(qiáng)度有兩個(gè)來源.一種是鹽晶體吸附在顆粒表面，顆粒表面粗糙度增加，從而增強(qiáng)了滑動(dòng)摩擦力，增加其抗壓強(qiáng)度[20,32].另一種是鹽晶體填充孔隙，增加顆粒間連接性，提高土體整體性，鹽晶體起骨架作用，增加抗壓強(qiáng)度[35].這兩種來源都通過改變風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)增加結(jié)皮抗壓強(qiáng)度.然而，從結(jié)皮強(qiáng)度增加的幅度來看，第一種晶體膠結(jié)模式對(duì)結(jié)皮強(qiáng)度影響較小，隨含鹽量增加結(jié)皮強(qiáng)度增幅也較??；第二種晶體膠結(jié)模式對(duì)結(jié)皮抗壓強(qiáng)度影響較大，隨含鹽量增加結(jié)皮強(qiáng)度快速增加.從土壤風(fēng)蝕角度來看，第二種結(jié)晶膠結(jié)模式明顯優(yōu)于第一種晶體膠結(jié)模式.由于第二種膠結(jié)模式受鹽晶體形態(tài)影響較大，因此第二種膠結(jié)模式要考慮鹽晶體的結(jié)晶形態(tài).

結(jié)皮層覆蓋于松散風(fēng)沙土上，使風(fēng)沙土免受風(fēng)力侵蝕.如果上表層的結(jié)皮層破裂，松散的風(fēng)沙土暴露，鹽結(jié)皮的抗風(fēng)蝕能力將急劇下降.如果存在多層鹽結(jié)皮，上述情況將會(huì)有很大的改善，即使上表層的結(jié)皮層破裂，下層的結(jié)皮仍可以抵抗風(fēng)力侵蝕，土壤抗侵蝕能力不會(huì)急劇下降.因此，多層鹽結(jié)皮有助于增強(qiáng)和保持風(fēng)沙土的抗風(fēng)蝕能力.通過對(duì)結(jié)皮的應(yīng)力-進(jìn)深曲線分析，NaCl形成的結(jié)皮多為雙層結(jié)皮，Na2SO4形成的結(jié)皮多為單層結(jié)皮.因此，NaCl形成的雙層結(jié)皮抗風(fēng)蝕性可能優(yōu)于Na2SO4形成的單層結(jié)皮[21].

結(jié)皮韌性反映了結(jié)皮受力后的應(yīng)變能力.通過結(jié)皮的應(yīng)力-進(jìn)深曲線發(fā)現(xiàn)：Na2SO4形成結(jié)皮的韌性要優(yōu)于NaCl形成結(jié)皮的韌性.考慮到結(jié)皮層數(shù)、結(jié)皮韌性、結(jié)皮抗壓強(qiáng)度等因素，Na2SO4鹽濃度為1.5 mol/L時(shí)形成的結(jié)皮抗風(fēng)蝕能力較好.

4 結(jié)論

通過對(duì)NaCl、Na2SO4兩種鹽結(jié)皮的表觀特征、抗壓強(qiáng)度、晶體覆蓋度、大顆粒膠結(jié)體質(zhì)量、應(yīng)力-進(jìn)深曲線、微觀形態(tài)進(jìn)行分析討論，得出以下結(jié)論：

（1）NaCl鹽結(jié)皮抗壓強(qiáng)度與土壤含鹽量相關(guān)性較大.隨含鹽量的增加NaCl鹽結(jié)皮的抗壓強(qiáng)度呈線性增大.Na2SO4鹽結(jié)皮的抗壓強(qiáng)度既受含鹽量的影響又受晶體形態(tài)的影響.含鹽量較低時(shí)，Na2SO4鹽結(jié)皮強(qiáng)度受含鹽量的影響較大；含鹽量較高時(shí)，Na2SO4鹽結(jié)皮強(qiáng)度受晶體形態(tài)影響更大.

（2）鹽濃度較低時(shí)，Na2SO4鹽結(jié)皮表面會(huì)產(chǎn)生較大破壞，Na2SO4結(jié)晶體相變?cè)斐傻木w體積變化是導(dǎo)致鹽結(jié)皮破壞的主要原因.

（3）相同鹽濃度下，Na2SO4鹽結(jié)皮的韌性比NaCl鹽結(jié)皮的韌性大.考慮結(jié)皮抗壓強(qiáng)度、表面晶體分布，鹽濃度為1.5 mol/L的Na2SO4溶液形成的結(jié)皮抗風(fēng)蝕能力最強(qiáng).