基于加热实验的凉山干旱河谷土壤斥水性研究.pdf

第 卷 第 期 西 华 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 版)()年 月.:./.收稿日期:基金项目:西华师范大学英才基金项目()西华师范大学博士启动项目()作者简介:张军()男博士副教授主要从事土壤侵蚀和水土保持研究通信作者:贾春蓉()女副教授主要从事区域地理与社会经济发展研究:.引文格式:张军贾春蓉吕威等.基于加热实验的凉山干旱河谷土壤斥水性研究.西华师范大学学报(自然科学版)():.()():.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(.西华师范大学.地理科学学院.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.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)摘 要:森林火灾影响地表覆被和土壤性质改变土壤斥水性而土壤斥水性被认为是影响土壤水文和侵蚀过程的直接原因 本文采集四川省凉山干旱河谷区表层原状森林土样通过加热实验分析不同温度和时间土壤斥水性的变化特征 结果显示:未加热情况下土壤斥水性具有较强的空间异质性随着加热温度升高和时间延长空间异质性减弱 土壤斥水性随温度升高而降低 后土壤斥水性被破坏 土壤斥水性随加热时间延长而降低前 最为明显 后基本保持稳定但温度达到 后加热时间对表层土壤斥水性的影响减弱关键词:土壤斥水性干旱河谷森林火灾温度时间中图分类号:.文献标志码:文章编号:()火灾是森林系统的一个重要生态过程它改变了地表覆被格局以及森林土壤的物理、化学和生物等性质影响区域水文过程 土壤斥水性()被认为对土壤水运移有强烈的影响是火后地表径流增加、土壤侵蚀加剧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以及持续时间密切相关 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 等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 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 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、土壤矿物特性等有关 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 倍这主要归因于火后土壤表面形成的斥水层 于振江等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 年平均降水量 湿季(月)降水丰富旱季(月次年 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 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 第 卷第 期 张 军等:基于加热实验的凉山干旱河谷土壤斥水性研究 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 材料与方法.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()林地(海拔 )为保证实验用土的相对一致性将样方()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 的环刀取表层原状土密封后送实验室备用 采样时间为 年 月 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 在进行加热实验前先在室温()下测定原状土的斥水性 根据前人的研究加热温度设为、每种温度下设置 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 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 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、以下加热实验设备为烘干箱 及以上加热实验在马弗炉中进行.土壤斥水性测定土壤斥水性采用滴水穿透时间()法测定它反映土壤斥水性的持续时间 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 次 每滴水约.滴水高度小于 以减小水滴冲击对结果的影响 根据水滴入渗时间()将斥水性分为 个等级亲水性()、轻度斥水()、中度斥水()、严重斥水().统计分析统计分析在 .中完成采用方差分析比较不同加热时间斥水性 绘图在 软件中完成 结果与分析.不同加热温度土壤斥水性的变化特征由表 可以看到在室温()下土样的 平均值最大为.属严重斥水 随着温度的增加 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 此外土壤类型也会影响火后土壤斥水性 温度达到 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表 不同温度土壤斥水性特征 温度/最大值最小值平均值标准差变异系数.西华师范大学学报(自然科学版):./年产流转为蓄满产流 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?1Fig.1 Distribution of SWR at different temperature?8005003002502001501005020?/?/%1007550250由表 和图 可见土样在 时的变异系数()值为.变异性较强且在除亲水之外的其他 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 在 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 和 时土壤斥水性进一步降低而 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 时由于疏水性化合物凝结到土壤颗粒上形成防水层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和土壤颗粒大小 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 和 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 后 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 等认为破坏斥水性的温度在 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.不同加热时间土壤斥水性的变化特征由图 和图 可以看到在各种实验温度下土壤 值均随加热时间的延长而下降 加热过程的前 土壤斥水性下降最为明显说明火灾发生的前 是土壤理化性质发生剧烈变化的时期 加热到、值没有显著差异表明在火灾发生后 时土壤理化性质已相对稳定 实验温度高于 时加热 值趋于稳定而低于 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?2Fig.2 Variation of SWR at different heating time?3Fig.3 Difference of SWR at different heating time6005004003002001000600250200150100500WDPT/sWDPT?/s?/min?/min50100150200 250300500800 0 30 60 90 1200 30 60 90 120abbccc 第 卷第 期 张 军等:基于加热实验的凉山干旱河谷土壤斥水性研究 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 时土壤斥水性的变异系数表现为强变异性超过 后变异系数降低土壤主要表现为亲水性 加热过程的前 土壤斥水性急剧减弱 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参考文献:.:.:.:.:.():.陈小伟刘发林韩育明.火干扰后枫香次生林不同土层土壤理化性质研究.自然灾害学报():.():.():.刘发林陈小伟曾素平等.火干扰对森林土壤斥水性的影响研究进展.生态学报():.():.:.王严胡卸文杨瀛等.火烧迹地土壤斥水性和渗透性变化特性.水文地质工程地质():.():.:.():.:.():.():.?.():.:.():.刘发林杨继敏.火干扰对径流及土壤侵蚀的模拟研究.土壤通报():.于振江胡卸文曹希超.火烧迹地土壤斥水特性研究及其对火后泥石流诱发机理.地质灾害与环境保护():.胡卸文王严杨瀛.火后泥石流成灾特点及研究现状.工程地质学报():.胡卸文金涛殷万清等.西昌市经久乡森林火灾火烧区特点及火后泥石流易发性评价.工程地质学报():.西华师范大学学报(自然科学版):./年 .:.:.:.():.:.():.():.(.):().: