基于加热实验的凉山干旱河谷土壤斥水性研究

张 军,贾春蓉,吕 威,张泽洪,曹鋆杰,黄瑜馨,余秋莲

(1.西华师范大学 a.地理科学学院,b.四川省干旱河谷土壤侵蚀监测与控制工程实验室,四川 南充 637009;2.大小凉山干旱河谷土壤侵蚀与生态修复野外科学观测研究站,四川 喜德 616753)

火灾是森林系统的一个重要生态过程[1],它改变了地表覆被格局[2]以及森林土壤的物理、化学和生物等性质[3-4],影响区域水文过程[5]。土壤斥水性(Soil Water Repellency,SWR)被认为对土壤水运移有强烈的影响[5],是火后地表径流增加[4]、土壤侵蚀加剧[6]的主要原因,成为国内外研究的热点。土壤斥水性是指当水与土壤表面接触时,土壤不能或很难被水分湿润的现象[7],它是许多植被下土壤的共同特征,但在火灾后会发生显著的变化。研究认为,森林火灾引起的土壤斥水性与火强度[8]以及持续时间[9]密切相关。不同的火强度和持续时间对土壤斥水性强度和空间分布产生影响。王严等[10]对四川省雅江县恶古溪流域火烧迹地现场试验发现,土壤斥水性具有较大的空间异质性,火烧程度越高对斥水性影响的土层越深。Tessler等[11]通过对燃烧点和对照点土壤进行原位斥水性测试发现,燃烧点表层土壤的斥水性最高,且随时间和土壤深度变化斥水性显著降低。火后土壤斥水性的形成与有机质密切相关[12]。实验和现场研究表明,土壤中有机物被加热后释放出脂肪族碳氢化合物固定在土壤颗粒表面形成防水层[13]。然而,当超过某一温度后,这些化合物会被破坏。除有机质外,火后土壤斥水性与土壤质地[14]、土壤矿物特性[15]等有关。火后土壤斥水性强度和空间分布格局对土壤水文和侵蚀产生影响,甚至诱发泥石流等自然灾害。大量研究表明,森林火灾发生后地表径流量和侵蚀率提高了1～3倍[16],这主要归因于火后土壤表面形成的斥水层[17]。于振江等[18]对雅江县米西沟林火受灾区调查发现,该区域在火灾后曾多次发生泥石流,认为火后较强的土壤斥水性减少了土壤水分入渗,更易产生地表径流,加剧土壤侵蚀,直接为火后泥石流提供物源启动条件。国内已开展火后土壤侵蚀过程以及泥石流形成特征和诱发机制等研究[18-19],并取得了丰富的成果,但对火强度及持续时间对土壤斥水性影响的研究还相对较少。

凉山州干旱河谷地带主要分布于西昌以南的金沙江、雅砻江和安宁河河谷。干旱河谷干湿分明,年平均气温20～27 ℃,年平均降水量600～800 mm。湿季(5—10月)降水丰富,旱季(11月—次年4月)降水稀少,由于全年蒸发量远高于降水量,导致该区生态脆弱,是四川省森林火灾高风险区[20]。本文以凉山干旱河谷区森林土壤为研究对象,采用实验室加热实验,定量评估土壤斥水性与火强度以及持续时间的关系,为深入认识火后土壤水文和侵蚀响应关系,揭示火后泥石流产生机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 土壤采样和实验设计

土壤采样点设在凉山州安宁河谷东侧的喜德县李子乡大兴村,该地是典型的干旱河谷区。选择当地最具代表性的云南松(Pinusyunnanensis)林地(102°12′E,28°1′N,海拔1 689 m)。为保证实验用土的相对一致性,将样方(5 m×5 m)设置在同一林地下较为平坦的地方,然后在样方内进行随机采样。采集土样前先清除枯落物和腐殖层,露出表土层,然后用直径5 cm的环刀取表层原状土,密封后送实验室备用。采样时间为2022年3月17—21日。

加热实验由于其较精准的温度控制,已广泛用于模拟不同的火灾强度[2]。在进行加热实验前,先在室温(20 ℃)下测定原状土的斥水性。根据前人的研究[21-22],加热温度设为50、100、150、200、250、300、500、800 ℃,每种温度下设置1个重复。实验开始前,先将设备预热至实验温度,再放入样品。实验时,将土样加热30 min,取出土样放入干燥皿中,待降至室温后测定土壤斥水性,然后在设定温度下继续加热30 min,测定土壤斥水性。如此往复,使每种温度下土样加热时间达到30、60、90、120 min。200 ℃以下加热实验设备为烘干箱,200 ℃及以上加热实验在马弗炉中进行。

1.2 土壤斥水性测定

土壤斥水性采用滴水穿透时间(Water Drop Penetration Time,WDPT)法测定,它反映土壤斥水性的持续时间[22]。实验时,用滴管吸取去离子水滴于土样表面,测定水滴渗入土壤所需时间,每个土样在表面重复测试5次。每滴水约0.05 mL,滴水高度小于1 cm,以减小水滴冲击对结果的影响。根据水滴入渗时间(t),将斥水性分为4个等级[10],亲水性(t<5 s)、轻度斥水(5 s≤t<60 s)、中度斥水(60 s≤t<180 s)、严重斥水(t≥180 s)。

1.3 统计分析

统计分析在SPSS 18.0中完成,采用方差分析比较不同加热时间斥水性。绘图在Origin 2020软件中完成。

2 结果与分析

2.1 不同加热温度土壤斥水性的变化特征

由表1可以看到,在室温(20 ℃)下土样的WDPT平均值最大,为250.80 s,属严重斥水。随着温度的增加,WDPT平均值逐渐减小,表明土壤斥水性随温度的升高而降低。而在火后迹地测定的斥水性结果发现,火烧严重区域土壤斥水性要高于低燃烧区[10],这可能是因为现场实验多为火灾发生后数月,甚至是数年。而随着时间的推移,燃烧区植被和微生物的恢复导致斥水性增加[12,23]。此外,土壤类型也会影响火后土壤斥水性[15]。温度达到300 ℃后,土壤由斥水性变为亲水性,导致入渗率增加,可使火后径流形成机制由超渗产流转为蓄满产流。饱和含水土壤容易降低土体抗剪强度,出现溜滑、滑坡等现象,这可能是凉山干旱河谷山区在高强度森林火灾后降雨易出现泥石流的一个原因。

表1 不同温度土壤斥水性特征

由表1和图1可见,土样在20 ℃时,WDPT的变异系数(CV)值为1.02,变异性较强,且在除亲水之外的其他3个等级中均有分布,这与自然状态下土壤斥水性具有很强的空间异质性的结论一致[7]。在50～150 ℃,土壤斥水性降低,但依然保持较强的空间异质性,不过主要集中在轻度斥水等级。在200 ℃和250 ℃时,土壤斥水性进一步降低,而CV值达到峰值,土壤斥水性出现较大波动。有研究认为当土壤温度达到175～270 ℃时,由于疏水性化合物凝结到土壤颗粒上形成防水层[24],增加土壤斥水性,但是否出现上述情况,还取决于土壤中有机质含量[21]和土壤颗粒大小[25]。通常土壤有机质含量越高,土壤颗粒表面积越小,火后土壤斥水性越强。此次实验发现,200 ℃和250 ℃时土壤颜色变黑,但并未出现斥水性增强的情况,可能是因为该区域土壤中有机质含量较低,产生的挥发物质不足以覆盖土壤表面。300 ℃后,CV值迅速降低,土壤均为亲水等级,因为较高的温度会破坏土壤斥水性[25],Doerr等[14]认为破坏斥水性的温度在280 ℃以上。森林火灾不仅毁坏了树木和地表枯落物,而且土壤温度升高使得土壤斥水性的空间异质性减弱,使区域内形成较为统一的水文单元,可能会增强水动力过程,加剧土壤侵蚀。

2.2 不同加热时间土壤斥水性的变化特征

由图2和图3可以看到,在各种实验温度下,土壤WDPT值均随加热时间的延长而下降。加热过程的前30 min,土壤斥水性下降最为明显,说明火灾发生的前30 min是土壤理化性质发生剧烈变化的时期。加热到60、90、120 min,WDPT值没有显著差异,表明在火灾发生后60 min时土壤理化性质已相对稳定。实验温度高于300 ℃时,加热30 min,WDPT值趋于稳定;而低于300 ℃时,该值还会缓慢降低,说明温度越高,加热时间对表层土壤斥水性的影响越弱。由于土壤导热性较低[16],加热时间可能对深层土壤的斥水性产生影响,进而改变深层土壤的水文特征。

3 结 论

土壤斥水性在火后发生变化是一种普遍现象,这一现象的发生程度和持续性在空间和时间上高度可变,且与火灾的严重程度密切相关。本文通过室内加热实验模拟火灾强度和持续时间,结果表明研究区森林表层土壤在室温下斥水性具有较强的空间异质性,随着加热温度升高和加热时间的延长,空间异质性减弱。温度低于300 ℃时,土壤斥水性的变异系数表现为强变异性;超过300 ℃后变异系数降低,土壤主要表现为亲水性。加热过程的前30 min土壤斥水性急剧减弱;60 min后基本保持稳定。土壤斥水性在加热后降低,可能与研究区土壤质地以及有机物含量有关。土壤斥水性减弱增强了土壤入渗率,因此凉山干旱河谷区火后降雨易形成蓄满产流。火后土壤斥水性在空间上趋于一致,使区域内形成较为统一的水文单元,可能会增强水动力过程,加剧土壤侵蚀。本文丰富了干旱河谷区土壤斥水性的研究,希望为深入认识火后土壤水文和侵蚀响应关系,揭示火后泥石流产生机制提供参考。