基于加熱實(shí)驗(yàn)的涼山干旱河谷土壤斥水性研究

張 軍,賈春蓉,呂 威,張澤洪,曹鋆杰,黃瑜馨,余秋蓮

(1.西華師范大學(xué) a.地理科學(xué)學(xué)院,b.四川省干旱河谷土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與控制工程實(shí)驗(yàn)室,四川 南充 637009;2.大小涼山干旱河谷土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)野外科學(xué)觀測(cè)研究站,四川 喜德 616753)

火災(zāi)是森林系統(tǒng)的一個(gè)重要生態(tài)過程[1],它改變了地表覆被格局[2]以及森林土壤的物理、化學(xué)和生物等性質(zhì)[3-4],影響區(qū)域水文過程[5]。土壤斥水性(Soil Water Repellency,SWR)被認(rèn)為對(duì)土壤水運(yùn)移有強(qiáng)烈的影響[5],是火后地表徑流增加[4]、土壤侵蝕加劇[6]的主要原因,成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。土壤斥水性是指當(dāng)水與土壤表面接觸時(shí),土壤不能或很難被水分濕潤的現(xiàn)象[7],它是許多植被下土壤的共同特征,但在火災(zāi)后會(huì)發(fā)生顯著的變化。研究認(rèn)為,森林火災(zāi)引起的土壤斥水性與火強(qiáng)度[8]以及持續(xù)時(shí)間[9]密切相關(guān)。不同的火強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間對(duì)土壤斥水性強(qiáng)度和空間分布產(chǎn)生影響。王嚴(yán)等[10]對(duì)四川省雅江縣惡古溪流域火燒跡地現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),土壤斥水性具有較大的空間異質(zhì)性,火燒程度越高對(duì)斥水性影響的土層越深。Tessler等[11]通過對(duì)燃燒點(diǎn)和對(duì)照點(diǎn)土壤進(jìn)行原位斥水性測(cè)試發(fā)現(xiàn),燃燒點(diǎn)表層土壤的斥水性最高,且隨時(shí)間和土壤深度變化斥水性顯著降低。火后土壤斥水性的形成與有機(jī)質(zhì)密切相關(guān)[12]。實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)研究表明,土壤中有機(jī)物被加熱后釋放出脂肪族碳?xì)浠衔锕潭ㄔ谕寥李w粒表面形成防水層[13]。然而,當(dāng)超過某一溫度后,這些化合物會(huì)被破壞。除有機(jī)質(zhì)外,火后土壤斥水性與土壤質(zhì)地[14]、土壤礦物特性[15]等有關(guān)。火后土壤斥水性強(qiáng)度和空間分布格局對(duì)土壤水文和侵蝕產(chǎn)生影響,甚至誘發(fā)泥石流等自然災(zāi)害。大量研究表明,森林火災(zāi)發(fā)生后地表徑流量和侵蝕率提高了1～3倍[16],這主要?dú)w因于火后土壤表面形成的斥水層[17]。于振江等[18]對(duì)雅江縣米西溝林火受災(zāi)區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn),該區(qū)域在火災(zāi)后曾多次發(fā)生泥石流,認(rèn)為火后較強(qiáng)的土壤斥水性減少了土壤水分入滲,更易產(chǎn)生地表徑流,加劇土壤侵蝕,直接為火后泥石流提供物源啟動(dòng)條件。國內(nèi)已開展火后土壤侵蝕過程以及泥石流形成特征和誘發(fā)機(jī)制等研究[18-19],并取得了豐富的成果,但對(duì)火強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間對(duì)土壤斥水性影響的研究還相對(duì)較少。

涼山州干旱河谷地帶主要分布于西昌以南的金沙江、雅礱江和安寧河河谷。干旱河谷干濕分明,年平均氣溫20～27 ℃,年平均降水量600～800 mm。濕季(5—10月)降水豐富,旱季(11月—次年4月)降水稀少,由于全年蒸發(fā)量遠(yuǎn)高于降水量,導(dǎo)致該區(qū)生態(tài)脆弱,是四川省森林火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[20]。本文以涼山干旱河谷區(qū)森林土壤為研究對(duì)象,采用實(shí)驗(yàn)室加熱實(shí)驗(yàn),定量評(píng)估土壤斥水性與火強(qiáng)度以及持續(xù)時(shí)間的關(guān)系,為深入認(rèn)識(shí)火后土壤水文和侵蝕響應(yīng)關(guān)系,揭示火后泥石流產(chǎn)生機(jī)制提供參考。

1 材料與方法

1.1 土壤采樣和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤采樣點(diǎn)設(shè)在涼山州安寧河谷東側(cè)的喜德縣李子鄉(xiāng)大興村,該地是典型的干旱河谷區(qū)。選擇當(dāng)?shù)刈罹叽硇缘脑颇纤?Pinusyunnanensis)林地(102°12′E,28°1′N,海拔1 689 m)。為保證實(shí)驗(yàn)用土的相對(duì)一致性,將樣方(5 m×5 m)設(shè)置在同一林地下較為平坦的地方,然后在樣方內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)采樣。采集土樣前先清除枯落物和腐殖層,露出表土層,然后用直徑5 cm的環(huán)刀取表層原狀土,密封后送實(shí)驗(yàn)室備用。采樣時(shí)間為2022年3月17—21日。

加熱實(shí)驗(yàn)由于其較精準(zhǔn)的溫度控制,已廣泛用于模擬不同的火災(zāi)強(qiáng)度[2]。在進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)前,先在室溫(20 ℃)下測(cè)定原狀土的斥水性。根據(jù)前人的研究[21-22],加熱溫度設(shè)為50、100、150、200、250、300、500、800 ℃,每種溫度下設(shè)置1個(gè)重復(fù)。實(shí)驗(yàn)開始前,先將設(shè)備預(yù)熱至實(shí)驗(yàn)溫度,再放入樣品。實(shí)驗(yàn)時(shí),將土樣加熱30 min,取出土樣放入干燥皿中,待降至室溫后測(cè)定土壤斥水性,然后在設(shè)定溫度下繼續(xù)加熱30 min,測(cè)定土壤斥水性。如此往復(fù),使每種溫度下土樣加熱時(shí)間達(dá)到30、60、90、120 min。200 ℃以下加熱實(shí)驗(yàn)設(shè)備為烘干箱,200 ℃及以上加熱實(shí)驗(yàn)在馬弗爐中進(jìn)行。

1.2 土壤斥水性測(cè)定

土壤斥水性采用滴水穿透時(shí)間(Water Drop Penetration Time,WDPT)法測(cè)定,它反映土壤斥水性的持續(xù)時(shí)間[22]。實(shí)驗(yàn)時(shí),用滴管吸取去離子水滴于土樣表面,測(cè)定水滴滲入土壤所需時(shí)間,每個(gè)土樣在表面重復(fù)測(cè)試5次。每滴水約0.05 mL,滴水高度小于1 cm,以減小水滴沖擊對(duì)結(jié)果的影響。根據(jù)水滴入滲時(shí)間(t),將斥水性分為4個(gè)等級(jí)[10],親水性(t<5 s)、輕度斥水(5 s≤t<60 s)、中度斥水(60 s≤t<180 s)、嚴(yán)重斥水(t≥180 s)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 18.0中完成,采用方差分析比較不同加熱時(shí)間斥水性。繪圖在Origin 2020軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同加熱溫度土壤斥水性的變化特征

由表1可以看到,在室溫(20 ℃)下土樣的WDPT平均值最大,為250.80 s,屬嚴(yán)重斥水。隨著溫度的增加,WDPT平均值逐漸減小,表明土壤斥水性隨溫度的升高而降低。而在火后跡地測(cè)定的斥水性結(jié)果發(fā)現(xiàn),火燒嚴(yán)重區(qū)域土壤斥水性要高于低燃燒區(qū)[10],這可能是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)多為火災(zāi)發(fā)生后數(shù)月,甚至是數(shù)年。而隨著時(shí)間的推移,燃燒區(qū)植被和微生物的恢復(fù)導(dǎo)致斥水性增加[12,23]。此外,土壤類型也會(huì)影響火后土壤斥水性[15]。溫度達(dá)到300 ℃后,土壤由斥水性變?yōu)橛H水性,導(dǎo)致入滲率增加,可使火后徑流形成機(jī)制由超滲產(chǎn)流轉(zhuǎn)為蓄滿產(chǎn)流。飽和含水土壤容易降低土體抗剪強(qiáng)度,出現(xiàn)溜滑、滑坡等現(xiàn)象,這可能是涼山干旱河谷山區(qū)在高強(qiáng)度森林火災(zāi)后降雨易出現(xiàn)泥石流的一個(gè)原因。

表1 不同溫度土壤斥水性特征

由表1和圖1可見,土樣在20 ℃時(shí),WDPT的變異系數(shù)(CV)值為1.02,變異性較強(qiáng),且在除親水之外的其他3個(gè)等級(jí)中均有分布,這與自然狀態(tài)下土壤斥水性具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性的結(jié)論一致[7]。在50～150 ℃,土壤斥水性降低,但依然保持較強(qiáng)的空間異質(zhì)性,不過主要集中在輕度斥水等級(jí)。在200 ℃和250 ℃時(shí),土壤斥水性進(jìn)一步降低,而CV值達(dá)到峰值,土壤斥水性出現(xiàn)較大波動(dòng)。有研究認(rèn)為當(dāng)土壤溫度達(dá)到175～270 ℃時(shí),由于疏水性化合物凝結(jié)到土壤顆粒上形成防水層[24],增加土壤斥水性,但是否出現(xiàn)上述情況,還取決于土壤中有機(jī)質(zhì)含量[21]和土壤顆粒大小[25]。通常土壤有機(jī)質(zhì)含量越高,土壤顆粒表面積越小,火后土壤斥水性越強(qiáng)。此次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),200 ℃和250 ℃時(shí)土壤顏色變黑,但并未出現(xiàn)斥水性增強(qiáng)的情況,可能是因?yàn)樵搮^(qū)域土壤中有機(jī)質(zhì)含量較低,產(chǎn)生的揮發(fā)物質(zhì)不足以覆蓋土壤表面。300 ℃后,CV值迅速降低,土壤均為親水等級(jí),因?yàn)檩^高的溫度會(huì)破壞土壤斥水性[25],Doerr等[14]認(rèn)為破壞斥水性的溫度在280 ℃以上。森林火災(zāi)不僅毀壞了樹木和地表枯落物,而且土壤溫度升高使得土壤斥水性的空間異質(zhì)性減弱,使區(qū)域內(nèi)形成較為統(tǒng)一的水文單元,可能會(huì)增強(qiáng)水動(dòng)力過程,加劇土壤侵蝕。

2.2 不同加熱時(shí)間土壤斥水性的變化特征

由圖2和圖3可以看到,在各種實(shí)驗(yàn)溫度下,土壤WDPT值均隨加熱時(shí)間的延長而下降。加熱過程的前30 min,土壤斥水性下降最為明顯,說明火災(zāi)發(fā)生的前30 min是土壤理化性質(zhì)發(fā)生劇烈變化的時(shí)期。加熱到60、90、120 min,WDPT值沒有顯著差異,表明在火災(zāi)發(fā)生后60 min時(shí)土壤理化性質(zhì)已相對(duì)穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)溫度高于300 ℃時(shí),加熱30 min,WDPT值趨于穩(wěn)定;而低于300 ℃時(shí),該值還會(huì)緩慢降低,說明溫度越高,加熱時(shí)間對(duì)表層土壤斥水性的影響越弱。由于土壤導(dǎo)熱性較低[16],加熱時(shí)間可能對(duì)深層土壤的斥水性產(chǎn)生影響,進(jìn)而改變深層土壤的水文特征。

3 結(jié) 論

土壤斥水性在火后發(fā)生變化是一種普遍現(xiàn)象,這一現(xiàn)象的發(fā)生程度和持續(xù)性在空間和時(shí)間上高度可變,且與火災(zāi)的嚴(yán)重程度密切相關(guān)。本文通過室內(nèi)加熱實(shí)驗(yàn)?zāi)M火災(zāi)強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間,結(jié)果表明研究區(qū)森林表層土壤在室溫下斥水性具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性,隨著加熱溫度升高和加熱時(shí)間的延長,空間異質(zhì)性減弱。溫度低于300 ℃時(shí),土壤斥水性的變異系數(shù)表現(xiàn)為強(qiáng)變異性;超過300 ℃后變異系數(shù)降低,土壤主要表現(xiàn)為親水性。加熱過程的前30 min土壤斥水性急劇減弱;60 min后基本保持穩(wěn)定。土壤斥水性在加熱后降低,可能與研究區(qū)土壤質(zhì)地以及有機(jī)物含量有關(guān)。土壤斥水性減弱增強(qiáng)了土壤入滲率,因此涼山干旱河谷區(qū)火后降雨易形成蓄滿產(chǎn)流。火后土壤斥水性在空間上趨于一致,使區(qū)域內(nèi)形成較為統(tǒng)一的水文單元,可能會(huì)增強(qiáng)水動(dòng)力過程,加劇土壤侵蝕。本文豐富了干旱河谷區(qū)土壤斥水性的研究,希望為深入認(rèn)識(shí)火后土壤水文和侵蝕響應(yīng)關(guān)系,揭示火后泥石流產(chǎn)生機(jī)制提供參考。