火燒跡地土壤斥水性和滲透性變化特性

王 嚴(yán)，胡卸文,2，楊 瀛，于振江，曹希超

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 610031)

火燒跡地土壤層會明顯新增和加強土壤斥水性(也稱“疏水性”)[1]。其原因是，高溫林火致使土壤表層的斥水性有機化合物向下擴散[2]以及原狀土壤中天然斥水性物質(zhì)富集[3]。土壤斥水性對火后初期流域內(nèi)地表產(chǎn)流率激增具有極大的促進(jìn)作用，這是火后次生災(zāi)害形成過程中不可忽視的重要因素，尤其是在高海拔山區(qū)，地形陡峭，火燒跡地斥水性造成的地表產(chǎn)流激增是火后泥石流形成的重要條件[4]，而徑流誘發(fā)的面蝕對泥石流的形成至關(guān)重要[5]。斥水性的空間分布和強弱及其對土壤入滲能力的改變是影響坡面產(chǎn)流系數(shù)和產(chǎn)流方式的主要因素[6]。已有研究成果表明，斥水性土壤在火燒跡地的分布規(guī)律與火燒嚴(yán)重程度密切相關(guān)[7]，同時受到土壤塊碎石含量的影響[8]。劉發(fā)林等[9]通過臨界表面張力測定土壤斥水性實驗，認(rèn)為高強度和中強度的火燒造成土壤平均斥水性較強。土壤斥水性的增加直接導(dǎo)致土壤水分入滲能力的下降[10]。Sarah等[11]研究了斥水性土壤入滲過程中體積含水率的變化，Wallis等[12]對比發(fā)現(xiàn)親水性土壤的穩(wěn)定入滲率比相鄰斥水性土壤增加了4.5倍，而Debano等[13]的研究結(jié)果是增加了24倍。Moody等[14]基于室內(nèi)重塑土的滲透實驗，研究了土壤斥水性造成水分入滲過程中的吸滲率和飽和導(dǎo)水率2個參數(shù)降低。

已有資料顯示，即使是在未火燒區(qū)也存在不同強度的斥水性土壤，且斥水性強度的空間分布具有明顯的空間差異性，林火對這一分布規(guī)律的影響程度有待進(jìn)一步研究。本文以四川省雅江縣惡古鄉(xiāng)惡古溪流域左側(cè)火燒跡地為野外實驗基礎(chǔ)，基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)研究不同火烈度斥水性強度分布規(guī)律，定量評估土壤斥水性強度與水力參數(shù)之間的關(guān)系，為揭示火燒跡地火后泥石流的快速產(chǎn)流機制和物源起動機理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件概述

四川省雅江縣惡古鄉(xiāng)惡古溪流域左側(cè)火燒跡地地層巖性以三疊系八角樓組變質(zhì)板巖為主，表層坡殘積為礫質(zhì)壤土，地貌條件為中高山峽谷地貌。海拔高程3 029～4 474 m，主要植被類型為馬尾松針葉林和青崗樹闊葉林，研究對象為針葉林林下土壤。2018年2月16日(農(nóng)歷正月初一)，由于當(dāng)?shù)丶漓胗没鹛幚聿划?dāng)，造成森林大火，過火面積達(dá)20.59km2(圖1)，火燒前惡古溪流域的植被覆蓋率約98%。林火高溫?zé)夯馃E地土壤，嚴(yán)重影響了土壤層的結(jié)構(gòu)變化和物質(zhì)遷移，引起土壤層水文地質(zhì)條件的改變(表1)。

圖1 雅江縣惡古鄉(xiāng)惡古溪流域2018-02-16火災(zāi)火烈度分布圖(火烈度dNBR分級標(biāo)準(zhǔn)參考Key等[15])

2 試驗方法

2.1 土壤斥水性測定

基于現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計研究林火強度對土壤斥水性空間差異性分布規(guī)律的影響，斥水性采用水滴入滲實驗測定。水滴入滲實驗以土壤表面水滴入滲時間(Water Drop Penetration Time,下文簡稱WDPT)評價土壤的斥水性強度，在一定程度上間接反映了水滴與土壤表面接觸角的動態(tài)演變，野外實驗時除去土壤表層有機物燃燒殘留草木灰，在露出的土壤層進(jìn)行滴水實驗，選取土壤表層0，-1，-2，-3 cm 4個深度進(jìn)行斥水性強度測定。

表1 雅江縣惡古鄉(xiāng)惡古溪流域火燒跡地基本特征參數(shù)

2.2 土壤入滲特征參數(shù)測定

土壤滲透性常用雙環(huán)法測定[16]，但此法在高海拔山區(qū)無水源的條件下實施困難，所以本研究采用美國Decagon公司的微型圓盤入滲儀(Mini disk infiltrometer)測定，這是基于三維張力入滲原理的一款便攜式滲透計，其主要是測定土壤基質(zhì)的滲透性。土壤大孔隙(如裂縫)不會入滲，避免了隨機分布的土壤擾動開裂和大孔隙對實驗結(jié)果的影響，因而常被用于測定斥水性土壤入滲能力[17]。隨機選取不同火烈度區(qū)域表層土壤測定其滲透性，同時在距放置圓盤10 cm以內(nèi)的地方進(jìn)行水滴入滲試驗，在保證兩點斥水性特征相同或相近的條件下，建立土壤斥水性強度與入滲特征的聯(lián)系。

3 試驗結(jié)果

3.1 不同火烈度火燒跡地土壤斥水性分布特點

水滴在土壤表面的停留時間與土壤斥水性的強度呈正比，因此，根據(jù)水滴入滲時間對土壤斥水性強度進(jìn)行分級，分級標(biāo)準(zhǔn)參考文[18～19]，水滴入滲時間小于5s為親水，5～60s為輕度斥水，60～180s為中度斥水，大于180s為嚴(yán)重斥水。

圖2為不同深度土壤斥水性分布統(tǒng)計(樣本數(shù)為567處)，數(shù)據(jù)顯示土壤斥水性強度分布呈現(xiàn)顯著的空間異質(zhì)性，斥水性土壤百分含量與火烈度成正比，而親水性土壤百分含量與火烈度成反比。在土壤表層，以嚴(yán)重斥水性土壤占比變化最大，在未火燒區(qū)，僅有5.71%的土壤表現(xiàn)出嚴(yán)重斥水性，而輕度火燒、中度火燒和嚴(yán)重火燒區(qū)域，嚴(yán)重斥水性土壤占比分別增加了0.88倍、5.3倍、10.8倍，嚴(yán)重火燒區(qū)中約67.62%的土壤表現(xiàn)出嚴(yán)重斥水性。表層以下土壤均表現(xiàn)出以親水性為主，對于-2～0 cm深度土壤，隨著火烈度增加，增加最為明顯的是輕度斥水性土壤分布，在-2 cm深度處未火燒區(qū)和輕度火燒區(qū)土壤斥水性未見明顯區(qū)別，在-3 cm深度處4種火烈度區(qū)域土壤斥水性也未見明顯區(qū)別，即對于惡古鄉(xiāng)火燒跡地，林火對土壤斥水性的影響深度在輕度火燒區(qū)為2 cm，在中度和嚴(yán)重火燒區(qū)為3 cm。

因為火災(zāi)過程中土壤斥水性的變化受到土壤燒焙溫度和持續(xù)時間的影響，顯然這兩個因素與火烈度呈正比，與土壤深度呈反比，但土壤結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量、地表可燃物儲量以及火災(zāi)過后土壤的反復(fù)干濕循環(huán)都是影響土壤斥水性強度空間分布差異性的重要原因，這些因素主要影響土壤中斥水性化合物的富集以及消散過程。

圖2 火烈度區(qū)不同深度土壤表層斥水性分布統(tǒng)計

3.2 基于斥水層的火燒跡地土壤水分入滲試驗

決定水分入滲快慢的2個重要參數(shù)為吸滲率和飽和導(dǎo)水率(穩(wěn)定滲透系數(shù))，前者主要影響初滲過程，受到土壤基質(zhì)勢控制，后者主要影響穩(wěn)滲過程，同時受到土壤重力勢和基質(zhì)勢控制。兩者可以通過圓盤入滲實驗獲得，以此研究土壤斥水性對土壤初滲和穩(wěn)滲的影響。根據(jù)Philip下滲公式，將圓盤累積入滲曲線擬合成基于時間平方根(t1/2)的二項式(圖3)：

(1)

式中：I——累積入滲量/cm；

t——入滲歷時/s；

C1(m/s1/2)、C2(m/s)——與土壤入滲相關(guān)的系數(shù)。

圖3 不同斥水性強度土壤累積入滲曲線及其擬合方程

在水分入滲的初始階段以毛細(xì)管作用為主，入滲模式可近似看做一維入滲，可用C1代表吸滲率S，截取水分入滲前300s的數(shù)據(jù)計算土壤吸滲率[20]，圓盤入滲測定的土壤穩(wěn)滲狀態(tài)下的近飽和導(dǎo)水率可近似為飽和導(dǎo)水率，計算方法采用Zhang[21]提出的基于van Genuchten土壤水分特征曲線的公式計算：

S=C1

(2)

(3)

式中：kfs——野外測得土壤近飽和導(dǎo)水率/(cm·s-1)；

A——給定土壤類型、滲透負(fù)壓和圓盤半徑條件下的van Genuchten模型參數(shù)，此處取3.89。

圖3中曲線顯示惡古鄉(xiāng)火燒跡地土壤入滲速率與斥水性強度呈反比。這是由于火災(zāi)過程中產(chǎn)生的斥水化合物包裹在土顆粒表面，在土壤孔隙表面形成一層內(nèi)襯薄膜，降低了土壤中的毛管力，在不同程度上阻止了重力水的通過，造成土壤水分入滲過程中的吸滲率和導(dǎo)水率下降(圖4)，土壤飽和導(dǎo)水率和吸滲率與水滴入滲時間之間的關(guān)系可用冪函數(shù)擬合曲線表示：S=0.0034(WDPT)-0.29,Kfs=0.012(WDPT)-0.26。兩者與斥水性強度呈反比，但是由于土壤斥水性和滲透性受到多因素制約。指數(shù)關(guān)系式中的系數(shù)值受到土壤物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征以及初始含水率等因素的影響。由表2可知，由于斥水性降低土壤的滲透性，火燒跡地土壤飽和導(dǎo)水率和吸滲率隨火烈度增加而降低，其變異系數(shù)反而增大，主要是因為土壤斥水性強度的空間差異性分布造成的滲透性差異。

在不同火烈度親水性土壤的滲透參數(shù)對比中(圖5)，嚴(yán)重火燒區(qū)親水性土壤出現(xiàn)了飽和導(dǎo)水率增加現(xiàn)象，但其對應(yīng)的土壤孔隙比數(shù)據(jù)(圖6)顯示嚴(yán)重火燒區(qū)的孔隙比反而降低，這是由于高強度的火燒雖然造成土壤孔隙比減小，但是局部溫度過高也會造成土壤斥水性破壞，從而導(dǎo)致飽和導(dǎo)水率增加，Savage[22]等通過室內(nèi)試驗研究指出，當(dāng)土壤燒焙溫度超過270～300℃時，斥水性會被破壞。所以，土壤斥水性的增強是惡古村火燒跡地土壤滲透性降低的主要因素，但不排除其他因素如燃燒殘留細(xì)顆粒物質(zhì)對表層土壤空隙的充填或者是土壤孔隙度減小造成土壤滲透性降低，因為孔徑分布對滲透性影響顯著[23]。

圖4 土壤水滴入滲時間與吸滲率和飽和導(dǎo)水率的關(guān)系圖

表2 不同火烈度入滲參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

圖5 不同火烈度親水性土壤孔隙比對比

圖6 不同斥水性強度入滲延遲時間對比

本次研究以圓盤與土壤接觸到入滲儀儲水室出現(xiàn)氣泡之間的時間作為入滲延遲時間，圖6顯示斥水性土壤相比于親水性土壤出現(xiàn)明顯入滲延遲現(xiàn)象，其入滲延遲時間與斥水性強度呈正比，圓盤入滲延遲時間與土壤水滴入滲時間之間的關(guān)系可用冪函數(shù)進(jìn)行擬合。這是因為土壤中斥水性化合物(如燃燒形成的油脂等)阻止水分入滲，土壤在水分浸潤條件下，斥水性逐漸降低而容許水分入滲。

4 結(jié)論

(1)土壤斥水性強度分布呈現(xiàn)顯著的空間異質(zhì)性，隨著火烈度增加，斥水性土壤百分含量增加。在土壤表層，增加最大的是嚴(yán)重斥水土壤百分含量。在表層以下則是輕度斥水土壤。林火對土壤斥水性的影響深度在輕度火燒區(qū)為2 cm，在中度和嚴(yán)重火燒區(qū)為3 cm。

(2)研究區(qū)火燒跡地土壤滲透性與斥水性強度呈反比，土壤飽和導(dǎo)水率和吸滲率與水滴入滲時間之間遵循冪函數(shù)分布，其變異系數(shù)隨著火烈度增加而增加，但嚴(yán)重火燒區(qū)部分土壤卻由于高溫致使斥水性破壞，最終造成飽和導(dǎo)水率增大。

(3)火燒跡地斥水性土壤由于斥水性化合物阻止水分入滲，相較于親水性土壤出現(xiàn)明顯的入滲延遲現(xiàn)象，圓盤入滲延遲時間與土壤水滴入滲時間可用冪函數(shù)擬合表示。