火烧迹地土壤团聚体稳定性原位快速测定方法

2024-01-18周永豪胡卸文段雯超龚学强席传杰曹希超

中国地质灾害与防治学报 2023年6期

周永豪，胡卸文，金涛，段雯超，龚学强，席传杰，曹希超

（西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 611756）

0 引言

近年来，川西南山区森林火灾频发，森林大火不仅造成生态系统破坏，还增大了火烧迹地暴发火后泥石流的可能性[1]。林火可以通过影响土壤斥水性、团聚体稳定性或有机质含量改变土壤的坡面径流和侵蚀响应[2]，尤其是通过清除保护性植被和枯枝落叶层，使团聚体稳定性成为火灾后影响土壤入渗能力和侵蚀敏感性的关键因素[3]。早期研究发现，火烈度会显著改变土壤团聚体稳定性[4-5]。在轻—中度火烧区土壤会产生或增强斥水性，斥水性降低了水和土壤团聚体或颗粒之间的吸引力，并起到了“黏合剂”的作用，增强了团聚体稳定性[6]。而重度火烧区，以有机质为主要稳定剂的土壤极易因高温而发生降解，导致团聚体失稳[7]，土壤保水能力降低，地表径流量增加，从而诱发火后泥石流[8]。因此合理的土壤团聚体稳定性测定方法对确定火烧迹地土壤稳定性，指导森林火灾后山坡土壤侵蚀、水土流失治理以及火后泥石流起动机理研究具有重要的意义[3,7]。

测试土壤团聚体稳定性的常规方法主要有固定水头水滴法、人工模拟降雨法、湿筛法、分散法、Emerson法、Le Bissonnais 法[9]、超声波测试法[10]等，其测试原理大多是模拟团聚体的破坏模式：摇动、黏土分散、黏土膨胀和雨滴影响[11-12]。固定水头水滴法、人工模拟降雨法等应用广泛但不适用于团聚体稳定性相对较强的土壤[9,11-12]。超声波等测试方法克服了这一缺陷，但不适用于模拟田间土壤分散[10,13]。大量学者采用水滴冲击试验（counting the number of water drop impacts，CND）来测定火烧迹地土壤团聚体稳定性[2,4-5]，其测定原理与传统水滴法相同，通过降雨模拟试验装置形成单个固定体积的液滴，撞击到单个土壤团聚体上以测定团聚体水稳性[13]；但该方法耗时较长，试验过程中水滴对准较困难，且不便于原位试验[6,14]。

目前，针对有机质含量高、稳定性水平分布广泛的火烧迹地土壤团聚体，还没有既能适用于原位试验，又能快速且定量评价其稳定性的测定方法。因此，本文针对火烧迹地土壤团聚体稳定性提出一种经济、高效且适用于原位试验的定量测定方法—基于冲击振荡破坏效应的团聚体稳定性测定方法（shock and vibration damage method，SVD）。通过室内火烧模拟试验制备了13 种类型的土壤团聚体，采用自制的试验仪器分别进行SVD 法正交试验和水滴冲击试验（CND 法）。并通过分析SVD 法与CND 法测定结果的一致性及相关性，来验证SVD 法的可信度和适用性。研究成果可为火烧迹地土壤团聚体稳定性测定提供一种适用于原位测试且高效便捷的新方法。

1 土壤团聚体稳定性测定方法

1.1 SVD 法

针对有机质含量高、稳定性水平分布广泛的火烧迹地土壤团聚体，本文提出的基于冲击振荡破坏效应的团聚体稳定性测定方法（SVD 法），是通过引入冲击振荡能，模拟火烧迹地土壤团聚体在坡面径流冲击振荡作用下受到的水分解、冲击和振荡崩解机制[10,13]，以确定团聚体的结构稳定性。参考水锤振荡器冲击力的计算原理[15]，结合动量定理得到冲击振荡能量的简易计算公式。其计算公式如下：

式中：W——冲击振荡能/J；

n——冲击次数；

F——团聚体受到水的最大冲击力/N；

m——容器和容器中水的总质量/kg；

h——冲击高度/m；

g——重力加速度/(m·s-2)；

vmax——容器撞击底板时，容器中水的最大速度/(m·s-1)；

ρ——容器中水的密度/（kg·m-3）；

s——容器底面面积/m2；

c——冲击时容器中水波传播速度/（m·s-1）；

k——水的弹性模量/Pa；

补语是除主语之外过程所要求的另一重要参与者角色，可以表达多种意义[14]。例如，在例句（24）中，其中，名词词组“他的方言”是主语，“很难”是这个小句的主要动词，“很难”后面的“让”字填充了小句的补语成分。可以用树形图表示如下，如图6所示：

d——塑料瓶直径/mm；

E——PET 塑料的弹性模量/Pa；

e——塑料瓶底板厚度/mm。

其试验装置如图1（a）所示。装置主要分为三个部分：模拟冲击振荡效应的塑料瓶、控制塑料瓶运动路径的PVC 管以及固定PVC 管的支架见图1（b）。出于便携考虑容器选用550 mL 的PET 塑料瓶。根据需要，设置5 根不同长度的PVC 管代表冲击高度即能量见图1（c）。试验时，先缓慢湿润土壤团聚体，使其达到饱和含水量[12]，并测定其初始饱和质量Ma。其次，按图1 所示装置进行试验：1）在塑料瓶中加入所需的水量；2）放入水饱和团聚体；3）从PVC 管顶端放入塑料瓶，使其自由落体。最后，将冲击振荡后的水和饱和团聚体过2.8 mm孔径的筛子[16]，测得直径>2.8 mm 饱和团聚体质量Mb，计算团聚体质量损失率（MLR）如式（4）所示：

图1 SVD 法测定装置Fig.1 Measurement setup for the SVD method

团聚体质量损失率（MLR）为

式中：MLR——土壤团聚体的质量损失率；

Ma、Mb——冲击振荡前饱和土壤团聚体重量和冲击振荡后饱和土壤团聚体重量/g。

1.2 CND 法

水滴试验在1944年首先被Mccalla 引入团聚体稳定性测定[17]。后经ABBAS 等[18]不断改进，逐渐标准化。本试验装置根据JORDAN 研究的试验要求进行改装[5]，如图2 所示。试验装置主要分为三个部分，控制水头高度和水滴大小的导水管、放置土壤团聚体的2.8 mm 筛网和固定下落高度的支架。

图2 CND 法试验装置Fig.2 Experimental setup for the CND method

试验时，将缓慢湿润饱和后的土壤团聚体，进行水滴冲击试验（CND 法）[5]。把直径为4～5 mm 的单一团聚体放在孔径为2.8 mm 的筛网表面，使体积约0.05 mL的去离子水滴落在其上，下落高度为1 m[19]，滴落速度为1 滴/秒。记录破坏每一团聚体所需的滴数。每类团聚体测定了20 个单独的团聚体，并选择平均破坏水滴数作为该类团聚体稳定性的指标。

2 试验设计

2.1 试验材料

本研究土壤样品取自四川省凉山彝族自治州冕宁县，该区属于亚热带季风气候，主要植被为云南松，岩性以千枚岩、泥页岩为主，土壤类型主要为壤质砂土[20]。2019年4 月，冕宁县腊窝乡长脚村突发森林火灾，同年7—8 月，位于火烧迹地的华岩子沟因夏季强降雨而暴发数次火后泥石流[20]。本文在该火后泥石流灾害点松林下未火烧区选取土壤样品，用于室内模拟火烧试验。

采用直径10 cm、高10 cm 的环刀收集了60 个原状土芯。将风干的原状土芯去除掉表面枯枝落叶和半分解层，按0～2 cm、2～4 cm 和4～6 cm，分层获取了直径为4～5 mm 的土壤团聚体干筛样[4]。充分考虑土壤斥水性[6]、有机质含量和土壤容重[2]对不同火烈度下团聚体稳定性的影响，通过室内模拟火烧试验[6]，制备了13 种土壤团聚体，分别用于SVD 法和CND 法测试，如表1 所示。其中，土壤初始有机质含量和容重分别由烧失量法[21]和环刀法[22]测定；土壤斥水性由水滴渗透时间（water drop penetration times，WDPT）测试测定[4]。研究区火烈度分区源自遥感解译并结合现场火烧后可燃物的消耗程度校核，将火烧迹地分为重度火烧、中度火烧、轻度火烧和未火烧区[20]。

2.2 SVD 法正交试验设计

为了确定SVD 法试验各参数，本文借助SPSS 22 软件通过正交试验设计选择部分最具有代表性的组合进行试验[24]，为了方便区分，后文用测试方案代替试验组合名称。如表2 所示，本文中SVD 法试验参数的影响因素有容器容水量（A）、冲击高度（B）、冲击次数（C）和单次测定所需土壤团聚体颗数（D）；每个因素考虑5 个试验水平。SVD 法测试时，表1 的13 种团聚体，分别按表2 的25 种测试方案进行试验。

表2 团聚体稳定性测定正交试验设计表Table 2 Table for orthogonal test design for determining aggregation stability

2.3 数据处理

本文通过SPSS 平台对SVD 法的测试结果与CND法测试结果进行Kendall 一致性检验[25]，判别SVD 法测试结果的可信度。通过Origin 22b 进行两种测试结果的相关性分析，利用质量管理统计软件Minitab 进行DOE 田口设计分析，确定SVD 法最佳的试验方案。一致性检验时，由于质量损失率与团聚体稳定呈负相关，水滴数与团聚体稳定性呈正相关，因此为了保证两种测试方法结果趋势一致性，将水滴滴数取相反数，进而评价测试方法的正确性和适用性。

3 结果与讨论

3.1 SVD 法与CND 法测定结果

如图3 所示，根据式（1）—（3）所计算的冲击振荡能，将SVD 法的25 种测试方法分为三个组合，强冲击振荡能组（简称强能组）、中冲击振荡能组（简称中能组）、低冲击振荡能组（简称低能组）。中能组中，见图3（b），0～2 cm 土壤层质量损失率随着土壤斥水性的增加而明显降低（P<0.05），平均质量损失率由亲水（ST-1）的84%，降至极端斥水（ST-13）的32%；2～4 cm 土壤层从亲水（ST-2）的71%，降为强烈斥水（ST-10）的51%；4～6 cm 也表现出相同的趋势，但差异不显著（P>0.05）。同一斥水性下（如ST-1～ST-3 所示），质量损失率由0～2 cm 土壤层的83%降为4～6 cm 土壤层的54%，其他各斥水性下质量损失率也明显随深度的增加而降低（P<0.05）。而在强能组和低能组中，见图3（a）和图3（c），各性质变化在统计学上均不显著，只略微表现出了质量损失率随土壤层深度和土壤斥水性增加而降低的趋势，如低能组的高温亲水样（ST-1～ST-3），质量损失率从0～2 cm 土壤层的59%变为4～6 cm 土壤层的38%（P<0.05）。此外，SVD 法所有测试结果都表现出，高温亲水组（ST-1～ST-3）因为高温烧毁了土壤的有机质组分，破坏了土壤斥水性[3]，与天然对照组（ST-4～ST-6）相比其团聚体稳定性更低（P<0.05）。

图3 SVD 法与CND 法测试结果Fig.3 Test results of the SVD method and CND method

分析低能组和强能组统计规律不显著的原因可能有以下两点：（1）斥水性增强了土壤团聚体的稳定性和固碳能力[26]。需要足够的冲击振荡能量才能破坏其团聚体稳定性，而低能组能量不足，导致结果差异性不显著。而强能组能量太高，大部分团聚体不能在该能量区间下维持稳定性，因此导致各类型土壤团聚体差异不显著。（2）正交试验本身相互独立，并不是每一种试验方案都能合理表现出不同土壤团聚体稳定性的差异，因此统计各方案的整体测试结果标准误差较大，导致统计结果不显著。

CND 法的测定结果如图3（d）所示：在同一斥水性等级下，土壤团聚体稳定性会随着土壤层深度的增加而增加。在同一深度土壤层下，团聚体稳定性随着斥水性的增加而增加，且与天然对照组相比，高温会显著破坏团聚体的稳定性。两种测定方法的结果具有相同的规律，且与ZAVALA 等的研究是相符的[2,4,6,14]。

3.2 SVD 法与CND 法测定结果一致性检验

由于正交试验设计是选取最优试验组合的工具，不是每一种方案都适用于火烧迹地土壤团聚体的稳定性测定[23]。因此需要对两种测定方法的测定结果进行一致性分析，判断SVD 法测定方案的可信度。将SVD 法正交试验结果与CND 法测定结果进行Kendall 一致性检验，结果如表4 所示。25 组正交试验方案组合中，方案6、方案11 和方案16 与CND 法检验结果呈现出显著性（P值分别为0.041，0.045，0.037，均<0.05），其他方案不满足一致性要求（P>0.05），测试结果不具有可信度。然后将方案MT-6、MT-11、MT-16 和CND 法共同进行一致性分析，如表4 最后一行数据所示。四者检验结果呈现出显著性（P=0.000<0.05），Kendall 协调系数值为0.797，该值接近0.8，意味着一致性水平很强；说明选择4 种测定方案之一用于火烧迹地土壤的团聚体稳定性测定，其测定结果均具有一致性且可信。

3.3 最佳SVD 法测定方案的确定

通过将三种SVD 法测定方案与CND 法的测定结果进行函数拟合，其结果用散点图进行展示见图4（a）—（c）。结果表明，三种方案都与CND 法具有良好的函数拟合关系（MT-6、11、16 的决定系数R2分别为0.634 3、0.583 5 和0.694 3）。虽然方案16 与CND 法测定结果拟合程度最高，但如图4（d）所示其质量损失率全部小于40%，而MT-6 的质量损失率主要（61.5%）集中在40%～60%，该质量损失区间被认为可以最好地揭示不同地点或处理之间的差异，即区分度最好[19]。而方案11 只有15.4%的结果位于该区间。

图4 SVD 法与CND 法函数拟合关系（b、c、d）及SVD 法测试结果区分度分析（a）Fig.4 Relationship between SVD method and CND method function fitting (b,c,d) and discriminative analysis of discriminative analysis of (a)

由于本文中判别SVD 法测试结果质量的评价指标之一是区分度（质量损失率位于40%～60%之间的占比），取土壤类型4（ST-4）的所有SVD 法测试结果与50%差值的绝对值，作为SVD 法质量损失率的反映值，它反映的是所测结果与50%的距离，其值越小，证明区分度越好。将其与正交试验设计表（表2）导入质量管理统计软件Minitab，通过DOE 田口设计分析得到各试验参数的均值主效应图[27]，如图5 所示。从图上看出，容器容水量40%、冲击高度0.8 m、冲击5 次、所需团聚体20 颗是最佳的试验参数。所有方案中，MT-6（容器容水量40%、冲击高度1 m、冲击5 次、所需团聚体20颗）的试验参数与图5 所得结果最相近，而且MT-6 也位于中能组，能量输入合适。综上所述，将MT-6 作为SVD法的最优试验方案。

图5 SVD 法各试验参数均值主效应图Fig.5 Main effects diagram of mean value of each test parameter for SVD method

3.4 应用前景

本文提出的基于冲击振荡破坏效应的团聚体稳定性测定方法（SVD 法）可以很好适应火烧迹地土壤团聚体稳定性测定。不同团聚体类型的测定结果，具有良好的区分度，且与火烧迹地土壤团聚体稳定性的CND 法测定结果相符。CND 法针对火烧迹地团聚体稳定性的测定，所需时间较长（如表3 所示，水滴数多上千，测定一组平均需要3 h），而且测定时瞄准水滴困难和不确定性较大[17]。与CND 法相比，SVD 法耗时短（只需冲击5次，测试一组约5 min），且测定结果区分度较高。此外，SVD 法试验装置结构简单，进行原位测定时，可通过多种方式（卷尺、皮尺、固定长度的铁杆等）确定冲击高度。利用塑料瓶，就可快速且定量地获取不同火烈度下土壤团聚体稳定性。将SVD 法作为火烧迹地土壤团聚体稳定性的测定方法，不仅可以满足火烧迹地土壤团聚体稳定性的原位测定需要，而且其测定结果区分度较好，可以为火烧迹地山坡土壤侵蚀、火后泥石流和水土流失治理等研究提供重要的参考依据。此外，由于火烧迹地土壤团聚体稳定性水平分布广泛，包含了稳定性极端弱与稳定性极端强的特殊情况，因此该方法适用于大多数地区的不同类型土壤。在接下来的研究中，我们会将本试验方法拓展到更多土壤类型团聚体稳定性的测试中。