火干擾對森林土壤斥水性的影響研究進展

劉發林,陳小偉,曾素平,彭早珍

1 中南林業科技大學林學院,長沙 410004 2 林業遙感大數據與生態安全湖南省重點實驗室,長沙 410004 3 南方森林資源經營與監測國家林業局重點實驗室,長沙 410004 4 數字洞庭湖南省重點實驗室,長沙 410004 5 攸縣林業局,株洲 412300

土壤斥水性(Soil Water Repellency,簡稱SWR)是指土壤不能或者很難被水分濕潤的現象,很多植被類型及氣候帶存在土壤斥水性現象,特別是火燒跡地[1- 2]。不同土地利用方式和植被類型的土壤斥水性差異顯著[3]。土壤斥水性通常在干燥條件下產生,而在長期濕潤條件下減弱或消失,與土壤類型、火強度、濕潤前土壤斥水性強度等有關。目前,相關研究主要集中在森林火災和計劃燒除對土壤斥水性的短期影響,而長期影響研究較少。大量研究表明,火干擾增強土壤斥水性,導致土壤入滲率下降,增加地表徑流和土壤侵蝕[4-6]。近幾十年來,火干擾對土壤斥水性的形成機理研究逐漸成為國外林火生態領域的研究熱點之一,而國內研究報道極少。大量野外對照研究結果表明,森林火災顯著增加土壤斥水性,并得到實驗室模擬和野外實驗進一步證實[7-9],其主要機理是燃燒過程導致凋落物和土壤中的疏水化合物揮發并冷凝于土壤表層,或者高溫高熱導致土壤中某些有機化合物分解后具有斥水性。火干擾過程中,溫度是斥水性變化的重要影響因子,當溫度達到175—200℃時土壤斥水性加劇,當溫度超過270—300℃時,土壤中的某些疏水性物質會遭到破壞[10-11]。

土壤斥水性在水平空間上分布不連續,在垂直空間上分布不均勻,基于同種植被類型的土壤斥水性持續時間和強度都不是一個固定值,呈現顯著的時空異質性[12-15]。斥水土壤的時空變異給斥水性的測定帶來不確定性。尤其基于大尺度的時空變異,難以定量研究火后土壤斑塊、灰燼、生物擾動、孔隙及燒毀的根系變化對地表徑流的影響。迄今為止的研究表明,斥水性嚴重影響火后地表徑流和土壤侵蝕過程,定量預測火災后土壤斥水性對水文過程的影響比較困難,因此,基于不同尺度和自然降雨的火災后斥水性對地表徑流和土壤侵蝕的實驗及長期定位觀測非常迫切。本文闡述了土壤斥水性概念、形成原因、火干擾后土壤斥水性的變化及其對地表徑流和土壤侵蝕的影響,以期為火干擾后斥水性土壤的修復及植被恢復提供理論參考。

1 土壤斥水性研究歷史

除南極洲外,從農田、草原到森林,各種氣候帶的土壤均發現斥水性土壤[6]。許多研究認為土壤斥水性是一種正常現象[16- 17],但斥水性僅發生于表層幾厘米的土壤,因為表層土壤中含有大量疏水性有機分子,如有的物種為了減少昆蟲、微生物的入侵和保持葉面干燥,常常在葉表面產生一些耐降解的疏水化合物,這種疏水化合物也是形成土壤斥水性的原因之一。1910年對美國加州的土壤斥水性研究表明,火燒跡地森林土壤很難通過人為灌溉、自然降雨或地下水分運動而變潮濕[7]。Miyamoto等研究發現土壤斥水性與土壤特定有機化合物組合關系緊密[18]。某些土壤和植被組合特別容易產生強烈的土壤斥水性現象,如灌木林、松柏類和桉樹林比闊葉落葉林更容易產生斥水性。另外,粗造土壤比細紋理土壤更容易形成斥水性,通常歸因于土壤顆粒表面積大小。許多研究認為斥水性是由覆蓋在土壤顆粒表面的疏水有機化合物引起的,表層土壤及土壤表面有機物燃燒產物在土壤中揮發和冷凝,誘發或加劇土壤斥水性[19]。總之,許多土壤類型在未經火干擾就具有斥水性,燃燒可以極大地影響土壤斥水性的規模和深度。

2 火干擾對土壤斥水性的影響

2.1 火干擾期間土壤斥水性變化

森林可燃物燃燒揮發疏水有機化合物,導致土壤斥水性,同時燃燒產生的熱量形成壓力梯度使土壤中化合物向上推移,土壤溫度隨土層深度的增加而下降,促進疏水化合物冷凝于土壤表層。燃燒產生的熱量不僅改變土壤中疏水物質,使某些化合物變成更具疏水性的結構,同時燃燒可以促進疏水化合物與土壤顆粒結合。火干擾期間溫度的變化會改變土壤斥水性,土壤溫度達175—270℃時加劇土壤斥水性,達270—400℃時土壤表層結構被毀,較長時間的低溫加熱會引起斥水性[20]。

森林可燃物燃燒后形成大量的礦物留存于土壤表面,而這些灰燼具有親水性而不是疏水性物質,當灰燼被移走后,土壤表面具有斥水層。燃燒對土壤斥水性的影響隨持續時間與火強度的變化而變化,主要取決于可燃物類型、可燃物消耗量、火持續時間和火強度等[21]。主要影響有：(1)燃燒可以使良好的土壤變成斥水性土壤[22]；(2)含水率低的土壤受熱后增強斥水性；(3)隨火強度增加,土壤斥水性深度增加；(4)對于含水率非常高的土壤,低強度火可以改良斥水性土壤。

2.2 火干擾后土壤斥水性變化

火干擾后土壤斥水性因土壤水分變化而迅速改變,更與火后植被恢復的速度及類型有關。燃燒對土壤斥水性、滲透率及土壤侵蝕的影響分為短期和長期影響。隨著土壤水分增加,過火林地土壤斥水性降低,甚至消失。斥水性土壤通常抵抗潤濕時間從幾秒到數天甚至數月[23],但強大的壓力梯度和大孔隙可以使水進入土壤。一定的土壤含水量(即臨界閾值)狀態下土壤可以慢慢由斥水土壤變為濕潤土壤,但時間很長,低有機物含量的沙質土壤的含水量閾值可以不到5%,而細質地土壤的閾值可以超過30%[24],研究表明,土壤水分閾值隨著火強度的增加而增加,但這種變化關系的機制尚不清楚。火后長時間的濕潤和干燥周期交替可引起土壤斥水性慢慢消失。大多數研究表明,燃燒產物對土壤斥水性的影響持續時間不相同。火災對土壤斥水性的影響最長記錄是俄勒岡州的松林高強度火燒跡地,土壤斥水性持續了3—4年,甚至達6年[25]；撒丁島灌木叢低強度火干擾后土壤斥水性增加,3年內恢復到火干擾前的水平[26]。西班牙松樹林火災后產生土壤斥水性,3年內基本恢復[27]。密歇根州混交林森林火災后1年內65%的過火面積土壤斥水性基本恢復[28]。加州混交林低強度火后2個月內土壤斥水性基本恢復到火燒前水平[29]。即使同一植被和土壤類型,火災后土壤斥水性的持續時間高度可變。Huffmann等研究發現,科羅拉多州松樹林火干擾后土壤斥水性持續了至少22個月,而附近營林用火后土壤斥水性持續1年左右[0]。澳大利亞桉樹林中、高強度火后土壤斥水性增加顯著,兩年內逐漸下降。MacDonald等觀測科羅拉多州火燒跡地,火干擾對0—3 cm層土壤產生斥水性[1],表層土壤斥水性減弱或消失主要歸因于物理凍融循環,但也與土壤生物活動、植被恢復及其他因素有關。研究愛達荷州灌木林地表明,太陽照曬影響土壤水分差異,由此產生的土壤濕度差異影響土壤斥水性變化和植被恢復[32]。

火干擾對土壤斥水性的長期影響是由于各種物理和化學過程共同作用的結果。大量研究認為火干擾的持續時間越長,土壤斥水性更嚴重,但火災后土壤斥水性隨著時間變化的規律不夠透徹。具體原因包括：(1)火災后土壤斥水性的短期影響研究較多,長期跟蹤調查相對較少；(2)影響土壤斥水性的因素較多(如土壤種類、含水率等),很少有人在一次實驗或研究中涉及所有影響因子；(3)土壤斥水性的診斷技術研究時間不長,起步較晚,主要為滴水穿透時間法與酒精溶液入滲法。

3 火干擾后土壤斥水性對水文過程的影響

火干擾后林地水文過程與土壤斥水性密切相關,土壤斥水性對水文過程的影響主要包括：(1)滲透率降低和地表徑流增加,(2)土壤滲透性和水分通量的空間變異性,造成土壤水分分布不均,(3)土壤侵蝕增加,(4)增加干燥土壤的風蝕,(5)降低土壤顆粒的凝聚力；(6)滲透率降低的次生影響主要表現在阻礙植物的萌發和生長(即影響火后植被恢復),從而影響火干擾后徑流和侵蝕持續時間,火燒跡地比未燒林地土壤斥水性更強更持久,因此火干擾后土壤斥水性已經引起特別關注,如地表枯枝落葉的損失、土壤結構的變化、土壤孔隙減少導致滲透下降、上層植被損失減少截留體等,被認為是增加地表徑流和土壤侵蝕的主要原因[3-34]。

3.1 土壤斥水性對水文效應的影響

最引人注目的土壤斥水性后果之一是滲透速率下降,斥水性土壤在強降雨期間也很難濕潤。森林火災過后,土壤滲透速率降低,截留體被燒毀,因此火干擾后一旦降雨,火燒跡地比未燒林地更容易形成地表徑流。如每小時40—46 mm的模擬降雨后,葡萄牙強斥水性森林土壤濕潤程度很低[35],80 mm模擬降雨,強斥水性土壤滲透率仍然很小,降雨持續3周,土壤下層仍保持干燥。DeBano發現第一個5分鐘滲透到斥水土壤的水分僅為飽和水的1%,降雨后土壤斥水性引起徑流,表面活性劑應用于裸露的強斥水性桉樹林土壤,模擬降雨后入滲率比對照土壤增加16倍[15]。常年積雪地區,很少出現土壤斥水性,因為融雪速度比降雨慢,最初的融雪通常會慢慢濕潤土壤到水分閾值,正好解釋了為什么落基山脈中部和北部地區冬、春季火燒跡地幾乎沒有地表徑流和土壤侵蝕。土壤水分低于臨界閾值時,干燥季節土壤斥水性對滲透和徑流影響更大[6-37]。特別干燥或火干擾后,澳大利亞桉樹林土壤斥水性顯著增強,導致地表徑流比其他林地增加10%[38]。

對5個火燒跡地和1個對照林地入滲率進行比較研究,兩個火燒跡地對入滲率沒有顯著影響,而其他3個火燒跡地滲透速率大大降低。相同降雨量情況下,火災后土壤斥水性導致地表徑流增加。大部分未燃燒林地滲透速率大于降雨強度,暴雨徑流主要為地下暴流及飽和坡面流[39]。在科羅拉多州低山林區,夏季雷暴雨強度達60—65 mm/h時,不會形成地表徑流和土壤侵蝕,但火災后兩年內,降雨強度達8—10 mm/h就形成地表徑流和侵蝕[40]。火災后位于斥水層上的濕潤表層土壤往往誘發淺層飽和坡面流。高強度火災后,土壤顆粒表面粗糙度降低,增加坡面流的速度和峰值流量[41]。降雨使暴露于雨滴濺擊、片蝕和細溝侵蝕的礦質土壤表面引起覆土,進一步降低滲透速率,這些變化的凈效應使峰值流量增加一個或多個數量級,如夏季亞利桑那州森林[42]和科羅拉多州[43]杰克松林火災后峰值流量是未燒林地的5—15倍。Scott等研究發現,基于同樣降雨量,南非松樹林火災后峰值流量比未燒林地增加2倍以上,這種差異與飽和坡面流有關[4]。燃燒損失上層植被,減少截留體和蒸騰速率,從而影響徑流量,至少在年降雨量450—500 mm區域才容易形成地表徑流,降雨量越大,徑流量越大。

土壤滲透速率的空間變異阻礙了土壤斥水性的大尺度效應。在科羅拉多和蒙大拿的火燒跡地密集采樣斥水性土壤后發現,自相關距離僅2 m[44],土壤斥水性的空間變異性與大多數其他研究結果一致[45-46]。未燒林地土壤入滲率遵循對數正態分布,并顯示低水平的空間相關性,表明坡面流的產生具有空間變異性,隨著空間尺度的增大可能誘導較高的滲透速率,在火燒跡地斥水區域產生的地表徑流也有部分通過被燒毀的植物根系形成的孔隙入滲到土壤下層[47]。

土壤斥水性的時空變異性是很難確定土壤斥水性對地表徑流的影響。火干擾后的徑流中含有大量沉積物和燃燒剩余物,很難精確測定森林火災后流域尺度徑流量[48]。Doerr等比較了葡萄牙未燒林地的峰值徑流沒有顯著差異[1],但潮濕條件下(無或弱斥水性)峰值徑流持續時間比火燒跡地大大減少。科羅拉多杰克松林燃燒后的強地表徑流和侵蝕率持續一年左右,火后一年大幅減弱。結果表明,土壤斥水性可以增加流域地表徑流,但土壤斥水性只是影響地表徑流的眾多因素之一,因此綜合多因素下火災對土壤斥水性的影響及災后水文過程研究非常迫切。

3.2 土壤斥水性對侵蝕的影響

火干擾燒除保護土壤表面的枯枝落葉,高強度火甚至消耗礦質土壤表層的有機物,降低土壤表面粗糙度,增加地表徑流速度,將進一步增加表面侵蝕率[49]。一般情況下,土壤斥水性對侵蝕的最大影響歸因于地表徑流。隨著地表徑流量的增加,速度增快,沖刷能力和運輸能力也增大,徑流受區域地形影響,變成許多細流,造成細溝侵蝕[50]。陡坡林地高強度火后,一旦降雨,表土層容易濕潤而變得飽和,孔隙壓力增加會降低剪切強度,在重力作用下,引起滑坡和小型泥石流[51]。對科羅拉多杰克松林火燒前后調查表明,高強度火后的第一次暴雨引起廣泛的細溝侵蝕,沖走地表約80%的泥沙[52-53],河道與洼地的沉積物顯著增加[54],坡面樣地移去地表覆蓋物與高強度火后導致的細溝侵蝕和土壤侵蝕量相當。然而某些土壤類型不容易發生細溝侵蝕,主要原因：(1)流水切應力比水滴濺小幾個數量級[55]；(2)一旦地表徑流集中,流水層可以減少水滴滴濺,但細溝侵蝕速率可能較高；(3)火燒后斥水土壤容易發生細溝侵蝕,歸因于地表的裂縫、燒毀的根洞及昆蟲和動物的洞穴對坡面流的攔截[56]。土壤斥水性直接影響土壤侵蝕率,實驗室測試表明,斥水土壤比濕潤土壤產生較少、較慢的移動噴射液滴,但斥水土壤上的水滴含有更多的沉淀物[57],連續降雨后,斥水土壤表面保持干燥和無粘性,盡管有水膜覆蓋,土壤顆粒容易被雨滴濺散,相反,模擬降雨引起的濕潤土壤表面密封和壓實,增加土壤被濺散的抵抗性。實驗室和野外對長期未燒斥水林地進行模擬降雨,得到結果一致[58],但自然降雨對剛剛過火的裸露斥水土壤的影響研究較少。

火干擾后土壤侵蝕率和土壤斥水性之間高度相關,表明火災后土壤斥水性強度和林地植被恢復決定了災后土壤侵蝕的動態。除了保護植被蓋度,土壤斥水性對表面侵蝕率的影響不僅取決于土壤斥水性強度和持久性,而且取決于時空分布與連續性,當然也與土壤質地、降水季節、融雪與降雨形成的地表徑流等有關。流水驅動表面侵蝕的情況下,燃燒大大增加風蝕率,歸因于森林火災消耗了林地植被及枯枝落葉,減少表層土壤水分,從而降低土壤顆粒凝聚力,林內風速增大,土壤斥水性在火燒跡地的風蝕中起重要作用[59]。

4 結論與展望

土壤斥水性是一個普遍存在的現象,火干擾特別是高強度火顯著增加土壤斥水性。火災破壞地表截留體,燃燒高溫(大于300℃)使有機化合物蒸發,部分疏水性化合物冷凝于土壤表層,形成極強的疏水層,導致滲透速率降低,從而引起地表徑流和侵蝕。火干擾增強土壤斥水性,降低滲透速率,是導致峰值流量和土壤侵蝕的主要原因,同時火干擾引起表層土壤和植被等一系列變化,也是增加地表徑流和土壤侵蝕的因素。

當前,火干擾對土壤斥水性影響研究存在的問題及對策可歸納為以下3個方面：(1)火干擾后土壤斥水性持續時間及植被恢復有待進一步研究；(2)由于土壤斥水性的時空變異性,很難定量研究,土壤斥水性對不同尺度生物擾動、植被恢復、地表徑流及土壤侵蝕等的影響,需要運用定量方法來獲取土壤斥水性的時、間變異特征；(3)森林火災后不同尺度、自然降雨條件下土壤斥水性及其對徑流和侵蝕的動態變化研究很少,因為火災后影響徑流和侵蝕的干擾因素較多,需要加強控制條件下的實驗研究。森林火災后經常產生土壤斥水性,或火燒增加土壤斥水性且持續時間更長,因此,不同植被類型火干擾后土壤斥水性持續時間及改良土壤斥水性的主要物理、化學和生物因素有待進一步研究。同時,火干擾后土壤斥水性與滲透速率之間的關系、不同尺度范圍內的徑流率預測、綜合多因素的土壤斥水性變化規律的研究沒有報道,因此,加強火干擾后不同尺度、自然降雨條件下土壤斥水性的動態變化及其與地表徑流和土壤侵蝕的關系研究將是今后的研究重點。