火燒跡地土壤團聚體穩定性原位快速測定方法

周永豪，胡卸文，金 濤，段雯超，龔學強，席傳杰，曹希超

（西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 611756）

0 引言

近年來，川西南山區森林火災頻發，森林大火不僅造成生態系統破壞，還增大了火燒跡地暴發火后泥石流的可能性[1]。林火可以通過影響土壤斥水性、團聚體穩定性或有機質含量改變土壤的坡面徑流和侵蝕響應[2]，尤其是通過清除保護性植被和枯枝落葉層，使團聚體穩定性成為火災后影響土壤入滲能力和侵蝕敏感性的關鍵因素[3]。早期研究發現，火烈度會顯著改變土壤團聚體穩定性[4-5]。在輕—中度火燒區土壤會產生或增強斥水性，斥水性降低了水和土壤團聚體或顆粒之間的吸引力，并起到了“黏合劑”的作用，增強了團聚體穩定性[6]。而重度火燒區，以有機質為主要穩定劑的土壤極易因高溫而發生降解，導致團聚體失穩[7]，土壤保水能力降低，地表徑流量增加，從而誘發火后泥石流[8]。因此合理的土壤團聚體穩定性測定方法對確定火燒跡地土壤穩定性，指導森林火災后山坡土壤侵蝕、水土流失治理以及火后泥石流起動機理研究具有重要的意義[3,7]。

測試土壤團聚體穩定性的常規方法主要有固定水頭水滴法、人工模擬降雨法、濕篩法、分散法、Emerson法、Le Bissonnais 法[9]、超聲波測試法[10]等，其測試原理大多是模擬團聚體的破壞模式：搖動、黏土分散、黏土膨脹和雨滴影響[11-12]。固定水頭水滴法、人工模擬降雨法等應用廣泛但不適用于團聚體穩定性相對較強的土壤[9,11-12]。超聲波等測試方法克服了這一缺陷，但不適用于模擬田間土壤分散[10,13]。大量學者采用水滴沖擊試驗（counting the number of water drop impacts，CND）來測定火燒跡地土壤團聚體穩定性[2,4-5]，其測定原理與傳統水滴法相同，通過降雨模擬試驗裝置形成單個固定體積的液滴，撞擊到單個土壤團聚體上以測定團聚體水穩性[13]；但該方法耗時較長，試驗過程中水滴對準較困難，且不便于原位試驗[6,14]。

目前，針對有機質含量高、穩定性水平分布廣泛的火燒跡地土壤團聚體，還沒有既能適用于原位試驗，又能快速且定量評價其穩定性的測定方法。因此，本文針對火燒跡地土壤團聚體穩定性提出一種經濟、高效且適用于原位試驗的定量測定方法—基于沖擊振蕩破壞效應的團聚體穩定性測定方法（shock and vibration damage method，SVD）。通過室內火燒模擬試驗制備了13 種類型的土壤團聚體，采用自制的試驗儀器分別進行SVD 法正交試驗和水滴沖擊試驗（CND 法）。并通過分析SVD 法與CND 法測定結果的一致性及相關性，來驗證SVD 法的可信度和適用性。研究成果可為火燒跡地土壤團聚體穩定性測定提供一種適用于原位測試且高效便捷的新方法。

1 土壤團聚體穩定性測定方法

1.1 SVD 法

針對有機質含量高、穩定性水平分布廣泛的火燒跡地土壤團聚體，本文提出的基于沖擊振蕩破壞效應的團聚體穩定性測定方法（SVD 法），是通過引入沖擊振蕩能，模擬火燒跡地土壤團聚體在坡面徑流沖擊振蕩作用下受到的水分解、沖擊和振蕩崩解機制[10,13]，以確定團聚體的結構穩定性。參考水錘振蕩器沖擊力的計算原理[15]，結合動量定理得到沖擊振蕩能量的簡易計算公式。其計算公式如下：

式中：W——沖擊振蕩能/J；

n——沖擊次數；

F——團聚體受到水的最大沖擊力/N；

m——容器和容器中水的總質量/kg；

h——沖擊高度/m；

g——重力加速度/(m·s-2)；

vmax——容器撞擊底板時，容器中水的最大速度/(m·s-1)；

ρ——容器中水的密度/（kg·m-3）；

s——容器底面面積/m2；

c——沖擊時容器中水波傳播速度/（m·s-1）；

k——水的彈性模量/Pa；

補語是除主語之外過程所要求的另一重要參與者角色，可以表達多種意義[14]。例如，在例句（24）中，其中，名詞詞組“他的方言”是主語，“很難”是這個小句的主要動詞，“很難”后面的“讓”字填充了小句的補語成分?？梢杂脴湫螆D表示如下，如圖6所示：

d——塑料瓶直徑/mm；

E——PET 塑料的彈性模量/Pa；

e——塑料瓶底板厚度/mm。

其試驗裝置如圖1（a）所示。裝置主要分為三個部分：模擬沖擊振蕩效應的塑料瓶、控制塑料瓶運動路徑的PVC 管以及固定PVC 管的支架見圖1（b）。出于便攜考慮容器選用550 mL 的PET 塑料瓶。根據需要，設置5 根不同長度的PVC 管代表沖擊高度即能量見圖1（c）。試驗時，先緩慢濕潤土壤團聚體，使其達到飽和含水量[12]，并測定其初始飽和質量Ma。其次，按圖1 所示裝置進行試驗：1）在塑料瓶中加入所需的水量；2）放入水飽和團聚體；3）從PVC 管頂端放入塑料瓶，使其自由落體。最后，將沖擊振蕩后的水和飽和團聚體過2.8 mm孔徑的篩子[16]，測得直徑>2.8 mm 飽和團聚體質量Mb，計算團聚體質量損失率（MLR）如式（4）所示：

圖1 SVD 法測定裝置Fig.1 Measurement setup for the SVD method

團聚體質量損失率（MLR）為

式中：MLR——土壤團聚體的質量損失率；

Ma、Mb——沖擊振蕩前飽和土壤團聚體重量和沖擊振蕩后飽和土壤團聚體重量/g。

1.2 CND 法

水滴試驗在1944年首先被Mccalla 引入團聚體穩定性測定[17]。后經ABBAS 等[18]不斷改進，逐漸標準化。本試驗裝置根據JORDAN 研究的試驗要求進行改裝[5]，如圖2 所示。試驗裝置主要分為三個部分，控制水頭高度和水滴大小的導水管、放置土壤團聚體的2.8 mm 篩網和固定下落高度的支架。

圖2 CND 法試驗裝置Fig.2 Experimental setup for the CND method

試驗時，將緩慢濕潤飽和后的土壤團聚體，進行水滴沖擊試驗（CND 法）[5]。把直徑為4～5 mm 的單一團聚體放在孔徑為2.8 mm 的篩網表面，使體積約0.05 mL的去離子水滴落在其上，下落高度為1 m[19]，滴落速度為1 滴/秒。記錄破壞每一團聚體所需的滴數。每類團聚體測定了20 個單獨的團聚體，并選擇平均破壞水滴數作為該類團聚體穩定性的指標。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

本研究土壤樣品取自四川省涼山彝族自治州冕寧縣，該區屬于亞熱帶季風氣候，主要植被為云南松，巖性以千枚巖、泥頁巖為主，土壤類型主要為壤質砂土[20]。2019年4 月，冕寧縣臘窩鄉長腳村突發森林火災，同年7—8 月，位于火燒跡地的華巖子溝因夏季強降雨而暴發數次火后泥石流[20]。本文在該火后泥石流災害點松林下未火燒區選取土壤樣品，用于室內模擬火燒試驗。

采用直徑10 cm、高10 cm 的環刀收集了60 個原狀土芯。將風干的原狀土芯去除掉表面枯枝落葉和半分解層，按0～2 cm、2～4 cm 和4～6 cm，分層獲取了直徑為4～5 mm 的土壤團聚體干篩樣[4]。充分考慮土壤斥水性[6]、有機質含量和土壤容重[2]對不同火烈度下團聚體穩定性的影響，通過室內模擬火燒試驗[6]，制備了13 種土壤團聚體，分別用于SVD 法和CND 法測試，如表1 所示。其中，土壤初始有機質含量和容重分別由燒失量法[21]和環刀法[22]測定；土壤斥水性由水滴滲透時間（water drop penetration times，WDPT）測試測定[4]。研究區火烈度分區源自遙感解譯并結合現場火燒后可燃物的消耗程度校核，將火燒跡地分為重度火燒、中度火燒、輕度火燒和未火燒區[20]。

2.2 SVD 法正交試驗設計

為了確定SVD 法試驗各參數，本文借助SPSS 22 軟件通過正交試驗設計選擇部分最具有代表性的組合進行試驗[24]，為了方便區分，后文用測試方案代替試驗組合名稱。如表2 所示，本文中SVD 法試驗參數的影響因素有容器容水量（A）、沖擊高度（B）、沖擊次數（C）和單次測定所需土壤團聚體顆數（D）；每個因素考慮5 個試驗水平。SVD 法測試時，表1 的13 種團聚體，分別按表2 的25 種測試方案進行試驗。

表2 團聚體穩定性測定正交試驗設計表Table 2 Table for orthogonal test design for determining aggregation stability

2.3 數據處理

本文通過SPSS 平臺對SVD 法的測試結果與CND法測試結果進行Kendall 一致性檢驗[25]，判別SVD 法測試結果的可信度。通過Origin 22b 進行兩種測試結果的相關性分析，利用質量管理統計軟件Minitab 進行DOE 田口設計分析，確定SVD 法最佳的試驗方案。一致性檢驗時，由于質量損失率與團聚體穩定呈負相關，水滴數與團聚體穩定性呈正相關，因此為了保證兩種測試方法結果趨勢一致性，將水滴滴數取相反數，進而評價測試方法的正確性和適用性。

3 結果與討論

3.1 SVD 法與CND 法測定結果

如圖3 所示，根據式（1）—（3）所計算的沖擊振蕩能，將SVD 法的25 種測試方法分為三個組合，強沖擊振蕩能組（簡稱強能組）、中沖擊振蕩能組（簡稱中能組）、低沖擊振蕩能組（簡稱低能組）。中能組中，見圖3（b），0～2 cm 土壤層質量損失率隨著土壤斥水性的增加而明顯降低（P<0.05），平均質量損失率由親水（ST-1）的84%，降至極端斥水（ST-13）的32%；2～4 cm 土壤層從親水（ST-2）的71%，降為強烈斥水（ST-10）的51%；4～6 cm 也表現出相同的趨勢，但差異不顯著（P>0.05）。同一斥水性下（如ST-1～ST-3 所示），質量損失率由0～2 cm 土壤層的83%降為4～6 cm 土壤層的54%，其他各斥水性下質量損失率也明顯隨深度的增加而降低（P<0.05）。而在強能組和低能組中，見圖3（a）和圖3（c），各性質變化在統計學上均不顯著，只略微表現出了質量損失率隨土壤層深度和土壤斥水性增加而降低的趨勢，如低能組的高溫親水樣（ST-1～ST-3），質量損失率從0～2 cm 土壤層的59%變為4～6 cm 土壤層的38%（P<0.05）。此外，SVD 法所有測試結果都表現出，高溫親水組（ST-1～ST-3）因為高溫燒毀了土壤的有機質組分，破壞了土壤斥水性[3]，與天然對照組（ST-4～ST-6）相比其團聚體穩定性更低（P<0.05）。

圖3 SVD 法與CND 法測試結果Fig.3 Test results of the SVD method and CND method

分析低能組和強能組統計規律不顯著的原因可能有以下兩點：（1）斥水性增強了土壤團聚體的穩定性和固碳能力[26]。需要足夠的沖擊振蕩能量才能破壞其團聚體穩定性，而低能組能量不足，導致結果差異性不顯著。而強能組能量太高，大部分團聚體不能在該能量區間下維持穩定性，因此導致各類型土壤團聚體差異不顯著。（2）正交試驗本身相互獨立，并不是每一種試驗方案都能合理表現出不同土壤團聚體穩定性的差異，因此統計各方案的整體測試結果標準誤差較大，導致統計結果不顯著。

CND 法的測定結果如圖3（d）所示：在同一斥水性等級下，土壤團聚體穩定性會隨著土壤層深度的增加而增加。在同一深度土壤層下，團聚體穩定性隨著斥水性的增加而增加，且與天然對照組相比，高溫會顯著破壞團聚體的穩定性。兩種測定方法的結果具有相同的規律，且與ZAVALA 等的研究是相符的[2,4,6,14]。

3.2 SVD 法與CND 法測定結果一致性檢驗

由于正交試驗設計是選取最優試驗組合的工具，不是每一種方案都適用于火燒跡地土壤團聚體的穩定性測定[23]。因此需要對兩種測定方法的測定結果進行一致性分析，判斷SVD 法測定方案的可信度。將SVD 法正交試驗結果與CND 法測定結果進行Kendall 一致性檢驗，結果如表4 所示。25 組正交試驗方案組合中，方案6、方案11 和方案16 與CND 法檢驗結果呈現出顯著性（P值分別為0.041，0.045，0.037，均<0.05），其他方案不滿足一致性要求（P>0.05），測試結果不具有可信度。然后將方案MT-6、MT-11、MT-16 和CND 法共同進行一致性分析，如表4 最后一行數據所示。四者檢驗結果呈現出顯著性（P=0.000<0.05），Kendall 協調系數值為0.797，該值接近0.8，意味著一致性水平很強；說明選擇4 種測定方案之一用于火燒跡地土壤的團聚體穩定性測定，其測定結果均具有一致性且可信。

3.3 最佳SVD 法測定方案的確定

通過將三種SVD 法測定方案與CND 法的測定結果進行函數擬合，其結果用散點圖進行展示見圖4（a）—（c）。結果表明，三種方案都與CND 法具有良好的函數擬合關系（MT-6、11、16 的決定系數R2分別為0.634 3、0.583 5 和0.694 3）。雖然方案16 與CND 法測定結果擬合程度最高，但如圖4（d）所示其質量損失率全部小于40%，而MT-6 的質量損失率主要（61.5%）集中在40%～60%，該質量損失區間被認為可以最好地揭示不同地點或處理之間的差異，即區分度最好[19]。而方案11 只有15.4%的結果位于該區間。

圖4 SVD 法與CND 法函數擬合關系（b、c、d）及SVD 法測試結果區分度分析（a）Fig.4 Relationship between SVD method and CND method function fitting (b,c,d) and discriminative analysis of discriminative analysis of (a)

由于本文中判別SVD 法測試結果質量的評價指標之一是區分度（質量損失率位于40%～60%之間的占比），取土壤類型4（ST-4）的所有SVD 法測試結果與50%差值的絕對值，作為SVD 法質量損失率的反映值，它反映的是所測結果與50%的距離，其值越小，證明區分度越好。將其與正交試驗設計表（表2）導入質量管理統計軟件Minitab，通過DOE 田口設計分析得到各試驗參數的均值主效應圖[27]，如圖5 所示。從圖上看出，容器容水量40%、沖擊高度0.8 m、沖擊5 次、所需團聚體20 顆是最佳的試驗參數。所有方案中，MT-6（容器容水量40%、沖擊高度1 m、沖擊5 次、所需團聚體20顆）的試驗參數與圖5 所得結果最相近，而且MT-6 也位于中能組，能量輸入合適。綜上所述，將MT-6 作為SVD法的最優試驗方案。

圖5 SVD 法各試驗參數均值主效應圖Fig.5 Main effects diagram of mean value of each test parameter for SVD method

3.4 應用前景

本文提出的基于沖擊振蕩破壞效應的團聚體穩定性測定方法（SVD 法）可以很好適應火燒跡地土壤團聚體穩定性測定。不同團聚體類型的測定結果，具有良好的區分度，且與火燒跡地土壤團聚體穩定性的CND 法測定結果相符。CND 法針對火燒跡地團聚體穩定性的測定，所需時間較長（如表3 所示，水滴數多上千，測定一組平均需要3 h），而且測定時瞄準水滴困難和不確定性較大[17]。與CND 法相比，SVD 法耗時短（只需沖擊5次，測試一組約5 min），且測定結果區分度較高。此外，SVD 法試驗裝置結構簡單，進行原位測定時，可通過多種方式（卷尺、皮尺、固定長度的鐵桿等）確定沖擊高度。利用塑料瓶，就可快速且定量地獲取不同火烈度下土壤團聚體穩定性。將SVD 法作為火燒跡地土壤團聚體穩定性的測定方法，不僅可以滿足火燒跡地土壤團聚體穩定性的原位測定需要，而且其測定結果區分度較好，可以為火燒跡地山坡土壤侵蝕、火后泥石流和水土流失治理等研究提供重要的參考依據。此外，由于火燒跡地土壤團聚體穩定性水平分布廣泛，包含了穩定性極端弱與穩定性極端強的特殊情況，因此該方法適用于大多數地區的不同類型土壤。在接下來的研究中，我們會將本試驗方法拓展到更多土壤類型團聚體穩定性的測試中。

表3 SVD 法各方案與CND 法的一致性檢驗結果Table 3 Consistency test results between various schemes of the SVD method and the CND method

4 結論

（1）本文提出的基于沖擊振蕩破壞效應的團聚體穩定性測定方法（SVD 法）可以通過模擬土壤團聚體受到的沖擊、消散和振蕩破壞效應，來測定團聚體的質量損失率。相比廣泛應用于火燒跡地土壤團聚體穩定性測定的CND 法，測試效率更高。

（2）通過室內火燒模擬試驗，得出松林下火燒跡地土壤團聚體穩定性有如下規律：與天然對照樣相比，高溫（>600 °C）會顯著破壞團聚體穩定性；團聚體穩定性與土壤斥水性及土壤層深度均成正比關系。

（3）研究表明，采用“沖擊高度1 m、含水量40%、沖擊5 次、所需測定團聚體20 顆”作為SVD 法的標準測定方案，其測定結果區分度最佳，可以滿足不同火烈度下火燒跡地土壤團聚體穩定性的測定需要。