董红艳 代启亮 王宝龙 高贵全 雷腾云 宋永正

(1.云南农业大学水利学院，云南 昆明 650201； 2.云南农业大学教务处，云南 昆明 650201)



植被红土和非植被红土接触角测量的试验研究

董红艳1代启亮1王宝龙1高贵全2雷腾云1宋永正1

(1.云南农业大学水利学院，云南 昆明 650201； 2.云南农业大学教务处，云南 昆明 650201)

对云南农业大学某处的植被红土和非植被红土进行试验，测定了土体类别及其接触角范围，结果表明：植被红土和非植被红土均为黏性土，并由改进的Wilhelmy吊片法测得两者的接触角较小，都为亲水性土壤，具有较好的渗透能力，且植被对土体的斥水性存在影响。

红土，接触角，液限，塑限，渗透能力

1 概述

接触角是固液、固气间湿润程度的度量。接触角的大小是反映土壤渗透能力的重要指标，也是体现材料表面湿润能力的重要指标。土壤的渗透能力对土工建筑物的稳定性、农田灌溉中的水分利用率等方面存在重要影响，是土力学和土壤学的重要研究方向。液体在材料表面的湿润能力对材料保护、船舶防污等方面的理解存在重要意义[1-3]。接触角大小的改变会造成土壤的斥水性随之变化。土壤的斥水性可以减少土壤中的水分蒸发和保持其颗粒之间结构的稳定性[4，5]。但是同时也会使土壤的渗透性降低而抑制作物的生长率[6-8]，还增加了地下水污染的可能性[9]，所以了解土壤的斥水性是实现土壤利用最优化的重要因素。土壤斥水性的影响因素很多，国内外学者进行了大量研究探索。商艳玲[10]、陈俊英[11]和Diehl[12]等学者的研究表明：水质、含水率、有机质、pH值等因素均为土壤斥水性的主要影响因素。充分了解某一环境下土壤的斥水性的大小存在重要意义。

本文选取植被红土和非植被红土土样，首先进行液塑限的测定，以判定土体类别；再对土体在电子天平上通过改进的Wilhelmy吊片法进行接触角的测量。通过接触角的大小来判定植被红土和非植被红土的斥水性，从而判定其土壤的渗透能力。

2 试验方案及步骤

2.1 试验用土

试验用土取自云南农业大学校园内，其中植被红土取自同心亭的松树下，取土深度为距表层5 cm以内；非植被红土取自正在施工的基坑，取土深度为表层1 m以下，如图1所示。将采回的原状土样碾散、晒干并过2 mm筛，试验用土取其细粒部分。试验用土的基本物理参数指标见表1。

表1 试验红土基本物理参数指标

土样土粒相对密度Gs颗粒(mm)组成/%>0.050.05～0.005<0.005植被红土2.8249.438.512.1非植被红土2.8444.741.613.7

2.2 试验方法及试样制备

1)液塑限试验方法及试样制备。塑限的测定方法为原始的搓条法。将原状土体调成硬塑状态，然后用手掌将土体在毛玻璃板搓成直径为3 mm的土条，若此时有横向裂缝开裂现象，则此含水率即为塑限。液限的测定方法为液限仪法。将土体调成流塑状态，用调土刀将土体装入试样盒(装土盒)内，在此过程中要保证土体间的紧密无缝，并保证土体之间不出现气泡。在刮平的过程中只对试样刮两下，以防止多下刮磨使得试样盒内土体的含水率出现局部的不均匀现象。试样制备完成后即可使圆锥仪从距试样上表面3 cm左右处自由下落，若5 s锥尖上的黑划线刚好没入土体，则此时的含水率即为液限含水率。将满足液限、塑限试验条件的试样最终取样放入铝盒内，并放入烘箱内，在105 ℃的温度下，烘干8 h以上，以测其含水率。液限、塑限试验各进行三组。2)接触角测量方法及试样制备。将植被红土和非植被红土放在电子天平上，通过改进的Wilhelmy吊片法进行接触角的测量。首先准备好具有一定硬度的3.5 cm×2.0 cm矩形塑料片、双面胶及不具有弹性的线制备待测薄板。将线的一头固定于长为2.0 cm塑料片一侧的边缘处，然后将双面胶贴于薄片两侧，并使其表面均匀沾满待测土体。线的另一侧固定于空载的直剪仪量力钢环，以保证待测薄板可以匀速上升或下降。然后在带有刻度的玻璃杯内装入10 cm的水作为测试液体。将玻璃杯放于电子天平上，在待测薄板进、出测试液体时，天平显示的质量差值即可转化为相应土体进、出测试液体时所受的张力值。进而即可推出接触角的大小。土体的试验要重复进行3次，以减小误差。

3 结果与分析

搓条法测得的塑限结果及液限仪法测得的液限结果见表2。

表2 植被红土和非植被红土液限、塑限测量结果 %

植被红土和非植被红土的液限、塑限值取三组测量结果的平均值。植被红土的液限WL=57.3%，塑限WP=36.8%，由此可得塑性指数IP=20.5%；非植被红土的液限WL=57.6%，塑限WP=37.2%，由此可得塑性指数IP=20.4%。由土体的分类标准可知，当土体的塑性指数IP>17%时即为黏土，则此试验用土均为云南红黏土。通过改进的Wilhelmy吊片法对土体进行接触角测量的试验结果如表3所示。植被红土前进质量差Δm前=0.2 g，后退质量差Δm后=0.24 g。非植被红土前进质量差Δm前=0.22 g,后退质量差Δm后=0.25 g。将质量差换算为力差即为：植被红土前进力差ΔF前=2×10-3N, 后退力差ΔF后=2.4×10-3N。非植被红土前进力差ΔF前=2.2×10-3N，后退力差ΔF后=2.7×10-3N。

表3 改进的Wilhelmy吊片法测量结果 g

由Wilhelmy吊片法的试验公式：

ΔF=L×γ1-g×cosθ

(1)

其中，ΔF为力差值；L为浸入液面以下深度；γ1-g为液体表面张力系数；θ为接触角。

将所测植被红土前进力差ΔF前=2×10-3N, 后退力差ΔF后=2.4×10-3N；非植被红土前进力差ΔF前=2.2×10-3N，后退力差ΔF后=2.7×10-3N，浸入深度L=3.5 cm，水表面张力系数γ1-g=73×10-3N/m,代入式(1)，得出植被红土前进接触角θ前=38.5°，后退接触角θ后=20.1°。非植被红土前进接触角θ前=30.6°，后退接触角θ后=11.9°。由土壤学的相关知识可知，土体任意选取面的接触角θ满足：θ后≤θ≤θ前，所以试验所用的植被红土和非植被红土属亲水性土体，水分在土体中的入渗率较高。同时可知植被红土的接触角较非植被红土的接触角大，说明植被对土体的斥水性存在影响。

4 结语

1)对试验土体进行液、塑限的测量得出，试验的植被红土和非植被红土均为云南红黏土。2)通过改进的Wilhelmy吊片法测得试验土体的前进接触角和后退接触角，从而判断出，试验用土为亲水性土壤，具有较为理想的渗透能力，且植被对土体的斥水性存在影响。

[1] Santos，Mohamed，Bannwart，et al. Contact angle measurements and wetting behavior of inner surfaces of pipelines exposed to heavy crude oil and water[J]. JPetrol Eng，2006,51(1/2):9.

[2] Wouters，Ruiter. Contact-angle development of poly-mer melts[J]. Prog Org Coat，2003,48(2-4):207.

[3] Blake. The physics of moving wetting lines[J]. JColloid Interf Sci，2006,299(1):1-13.

[4] Mataix-Solera J.，Doerr S.H..Hydrophobicity and aggregate stability in calcareous topsoils from fire-affected pine forests in south-eastern Spain[J]. Geoderma，2004(118):77-88.

[5] Shokri N.，Lehmann P.，Or D..Characteristics of evaporation from partially wettable porous media[J].Water Resources Research，2009,45(2):2415.

[6] Hardie M.，Lisson S.，Doyle R.，et al.Determining the frequency，depth and velocity of preferential flow by high frequency soil moisture monitoring[J].Journal of Contaminant Hydrology，2013(144):66-77.

[7] Antonio J.，Lorena M. Z.，Alejandra L. N.，et al.Occurrence and hydrological effects of water repellency in different soil and land use types in Mexican volcanic highlands[J].Catena,2009(79):60-71.

[8] Diamantopoulos E.，Durner W.，Reszkowska A.，et al.Effect of soil water repellency on soil hydraulic properties estimated under dynamic conditions[J].Journal of Hydrology,2013(486):175-186.

[9] Blackwell P. S. Mangement of water repellency in Australia，and risks associated with preferential flow，pesticide concentration and leaching[J].Journal of Hydrology,2000(231):384-395.

[10] 商艳玲，李 毅，朱德兰.再生水灌溉对土壤斥水性的影响[J].农业工程学报，2012,28(21)：89-97.

[11] 陈俊英，吴普特，张智韬，等.土壤斥水性对含水率的响应模型研究[J].农业机械学报，2012，43(1)：63-67.

[12] Diehl D. Soil water repellency: Dynamics of heterogeneous surfaces[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects，2013(432):8-18.

Experimental study on contact angle measurement of vegetation red soil and non vegetation red soil

Dong Hongyan1Dai Qiliang1Wang Baolong1Gao Guiquan2Lei Tengyun1Song Yongzheng1

(1.YunnanAgriculturalUniversity，CollegeofWaterConservancy，Kunming650201，China2.YunnanAgriculturalUniversity，TechingAdministrationOffice，Kunming650201，China)

In this paper, a test was carried out on the vegetation red soil and non vegetation red soil in Yunnan Agricultural University, and the classification of soil and its contact angle range were determined. The results showed that the vegetation and non vegetation red soil were clay soil. The contact angle between the vegetation and non vegetation red soil was small, the two were hydrophilic soil, and the vegetation had a good effect on the water repellent properties of the soil, which was measured by the improved Wilhelmy method.

red soil, contact angle, liquid limit, plastic limit, penetration ability

1009-6825(2016)13-0075-02

2016-02-26

董红艳(1990- )，女，在读硕士； 代启亮(1983- )，男，硕士，讲师； 王宝龙(1990- )，男，在读硕士；

TU411

A

高贵全(1968- )，男，教授； 雷腾云(1986- )，男，硕士，讲师； 宋永正(1990- )，男，在读硕士