火烧迹地土壤斥水性和渗透性变化特性

2019-12-09胡卸文于振江曹希超

水文地质工程地质 2019年6期

王严，胡卸文,2，杨瀛，于振江，曹希超

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031；2.西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，四川成都 610031)

火烧迹地土壤层会明显新增和加强土壤斥水性(也称“疏水性”)[1]。其原因是，高温林火致使土壤表层的斥水性有机化合物向下扩散[2]以及原状土壤中天然斥水性物质富集[3]。土壤斥水性对火后初期流域内地表产流率激增具有极大的促进作用，这是火后次生灾害形成过程中不可忽视的重要因素，尤其是在高海拔山区，地形陡峭，火烧迹地斥水性造成的地表产流激增是火后泥石流形成的重要条件[4]，而径流诱发的面蚀对泥石流的形成至关重要[5]。斥水性的空间分布和强弱及其对土壤入渗能力的改变是影响坡面产流系数和产流方式的主要因素[6]。已有研究成果表明，斥水性土壤在火烧迹地的分布规律与火烧严重程度密切相关[7]，同时受到土壤块碎石含量的影响[8]。刘发林等[9]通过临界表面张力测定土壤斥水性实验，认为高强度和中强度的火烧造成土壤平均斥水性较强。土壤斥水性的增加直接导致土壤水分入渗能力的下降[10]。Sarah等[11]研究了斥水性土壤入渗过程中体积含水率的变化，Wallis等[12]对比发现亲水性土壤的稳定入渗率比相邻斥水性土壤增加了4.5倍，而Debano等[13]的研究结果是增加了24倍。Moody等[14]基于室内重塑土的渗透实验，研究了土壤斥水性造成水分入渗过程中的吸渗率和饱和导水率2个参数降低。

已有资料显示，即使是在未火烧区也存在不同强度的斥水性土壤，且斥水性强度的空间分布具有明显的空间差异性，林火对这一分布规律的影响程度有待进一步研究。本文以四川省雅江县恶古乡恶古溪流域左侧火烧迹地为野外实验基础，基于统计数据研究不同火烈度斥水性强度分布规律，定量评估土壤斥水性强度与水力参数之间的关系，为揭示火烧迹地火后泥石流的快速产流机制和物源起动机理提供理论依据。

1 研究区地质环境条件概述

四川省雅江县恶古乡恶古溪流域左侧火烧迹地地层岩性以三叠系八角楼组变质板岩为主，表层坡残积为砾质壤土，地貌条件为中高山峡谷地貌。海拔高程3 029～4 474 m，主要植被类型为马尾松针叶林和青岗树阔叶林，研究对象为针叶林林下土壤。2018年2月16日(农历正月初一)，由于当地祭祀用火处理不当，造成森林大火，过火面积达20.59km2(图1)，火烧前恶古溪流域的植被覆盖率约98%。林火高温烧焙火烧迹地土壤，严重影响了土壤层的结构变化和物质迁移，引起土壤层水文地质条件的改变(表1)。

图1 雅江县恶古乡恶古溪流域2018-02-16火灾火烈度分布图(火烈度dNBR分级标准参考Key等[15])

2 试验方法

2.1 土壤斥水性测定

基于现场试验数据统计研究林火强度对土壤斥水性空间差异性分布规律的影响，斥水性采用水滴入渗实验测定。水滴入渗实验以土壤表面水滴入渗时间(Water Drop Penetration Time,下文简称WDPT)评价土壤的斥水性强度，在一定程度上间接反映了水滴与土壤表面接触角的动态演变，野外实验时除去土壤表层有机物燃烧残留草木灰，在露出的土壤层进行滴水实验，选取土壤表层0，-1，-2，-3 cm 4个深度进行斥水性强度测定。

表1 雅江县恶古乡恶古溪流域火烧迹地基本特征参数

2.2 土壤入渗特征参数测定

土壤渗透性常用双环法测定[16]，但此法在高海拔山区无水源的条件下实施困难，所以本研究采用美国Decagon公司的微型圆盘入渗仪(Mini disk infiltrometer)测定，这是基于三维张力入渗原理的一款便携式渗透计，其主要是测定土壤基质的渗透性。土壤大孔隙(如裂缝)不会入渗，避免了随机分布的土壤扰动开裂和大孔隙对实验结果的影响，因而常被用于测定斥水性土壤入渗能力[17]。随机选取不同火烈度区域表层土壤测定其渗透性，同时在距放置圆盘10 cm以内的地方进行水滴入渗试验，在保证两点斥水性特征相同或相近的条件下，建立土壤斥水性强度与入渗特征的联系。

3 试验结果

3.1 不同火烈度火烧迹地土壤斥水性分布特点

水滴在土壤表面的停留时间与土壤斥水性的强度呈正比，因此，根据水滴入渗时间对土壤斥水性强度进行分级，分级标准参考文[18～19]，水滴入渗时间小于5s为亲水，5～60s为轻度斥水，60～180s为中度斥水，大于180s为严重斥水。

图2为不同深度土壤斥水性分布统计(样本数为567处)，数据显示土壤斥水性强度分布呈现显著的空间异质性，斥水性土壤百分含量与火烈度成正比，而亲水性土壤百分含量与火烈度成反比。在土壤表层，以严重斥水性土壤占比变化最大，在未火烧区，仅有5.71%的土壤表现出严重斥水性，而轻度火烧、中度火烧和严重火烧区域，严重斥水性土壤占比分别增加了0.88倍、5.3倍、10.8倍，严重火烧区中约67.62%的土壤表现出严重斥水性。表层以下土壤均表现出以亲水性为主，对于-2～0 cm深度土壤，随着火烈度增加，增加最为明显的是轻度斥水性土壤分布，在-2 cm深度处未火烧区和轻度火烧区土壤斥水性未见明显区别，在-3 cm深度处4种火烈度区域土壤斥水性也未见明显区别，即对于恶古乡火烧迹地，林火对土壤斥水性的影响深度在轻度火烧区为2 cm，在中度和严重火烧区为3 cm。

因为火灾过程中土壤斥水性的变化受到土壤烧焙温度和持续时间的影响，显然这两个因素与火烈度呈正比，与土壤深度呈反比，但土壤结构、有机质含量、地表可燃物储量以及火灾过后土壤的反复干湿循环都是影响土壤斥水性强度空间分布差异性的重要原因，这些因素主要影响土壤中斥水性化合物的富集以及消散过程。

图2 火烈度区不同深度土壤表层斥水性分布统计

3.2 基于斥水层的火烧迹地土壤水分入渗试验

决定水分入渗快慢的2个重要参数为吸渗率和饱和导水率(稳定渗透系数)，前者主要影响初渗过程，受到土壤基质势控制，后者主要影响稳渗过程，同时受到土壤重力势和基质势控制。两者可以通过圆盘入渗实验获得，以此研究土壤斥水性对土壤初渗和稳渗的影响。根据Philip下渗公式，将圆盘累积入渗曲线拟合成基于时间平方根(t1/2)的二项式(图3)：

(1)

式中：I——累积入渗量/cm；

t——入渗历时/s；

C1(m/s1/2)、C2(m/s)——与土壤入渗相关的系数。

图3 不同斥水性强度土壤累积入渗曲线及其拟合方程

在水分入渗的初始阶段以毛细管作用为主，入渗模式可近似看做一维入渗，可用C1代表吸渗率S，截取水分入渗前300s的数据计算土壤吸渗率[20]，圆盘入渗测定的土壤稳渗状态下的近饱和导水率可近似为饱和导水率，计算方法采用Zhang[21]提出的基于van Genuchten土壤水分特征曲线的公式计算：

S=C1

(2)

(3)

式中：kfs——野外测得土壤近饱和导水率/(cm·s-1)；

A——给定土壤类型、渗透负压和圆盘半径条件下的van Genuchten模型参数，此处取3.89。

图3中曲线显示恶古乡火烧迹地土壤入渗速率与斥水性强度呈反比。这是由于火灾过程中产生的斥水化合物包裹在土颗粒表面，在土壤孔隙表面形成一层内衬薄膜，降低了土壤中的毛管力，在不同程度上阻止了重力水的通过，造成土壤水分入渗过程中的吸渗率和导水率下降(图4)，土壤饱和导水率和吸渗率与水滴入渗时间之间的关系可用幂函数拟合曲线表示：S=0.0034(WDPT)-0.29,Kfs=0.012(WDPT)-0.26。两者与斥水性强度呈反比，但是由于土壤斥水性和渗透性受到多因素制约。指数关系式中的系数值受到土壤物质组成、结构特征以及初始含水率等因素的影响。由表2可知，由于斥水性降低土壤的渗透性，火烧迹地土壤饱和导水率和吸渗率随火烈度增加而降低，其变异系数反而增大，主要是因为土壤斥水性强度的空间差异性分布造成的渗透性差异。

在不同火烈度亲水性土壤的渗透参数对比中(图5)，严重火烧区亲水性土壤出现了饱和导水率增加现象，但其对应的土壤孔隙比数据(图6)显示严重火烧区的孔隙比反而降低，这是由于高强度的火烧虽然造成土壤孔隙比减小，但是局部温度过高也会造成土壤斥水性破坏，从而导致饱和导水率增加，Savage[22]等通过室内试验研究指出，当土壤烧焙温度超过270～300℃时，斥水性会被破坏。所以，土壤斥水性的增强是恶古村火烧迹地土壤渗透性降低的主要因素，但不排除其他因素如燃烧残留细颗粒物质对表层土壤空隙的充填或者是土壤孔隙度减小造成土壤渗透性降低，因为孔径分布对渗透性影响显著[23]。

图4 土壤水滴入渗时间与吸渗率和饱和导水率的关系图

表2 不同火烈度入渗参数统计结果

图5 不同火烈度亲水性土壤孔隙比对比

图6 不同斥水性强度入渗延迟时间对比

本次研究以圆盘与土壤接触到入渗仪储水室出现气泡之间的时间作为入渗延迟时间，图6显示斥水性土壤相比于亲水性土壤出现明显入渗延迟现象，其入渗延迟时间与斥水性强度呈正比，圆盘入渗延迟时间与土壤水滴入渗时间之间的关系可用幂函数进行拟合。这是因为土壤中斥水性化合物(如燃烧形成的油脂等)阻止水分入渗，土壤在水分浸润条件下，斥水性逐渐降低而容许水分入渗。