王 瑞，蘭恒星,*，劉世杰，伍宇明

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054;2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100101)

0 引 言

森林火災(zāi)是一種常見的自然災(zāi)害，除了對植被、大氣環(huán)境和地表溫度等產(chǎn)生直接影響外，還會影響土壤的物理、化學(xué)、礦物學(xué)和生物學(xué)特性，使得植被覆蓋率和土壤的穩(wěn)定性遭受到破壞，導(dǎo)致土壤容易被侵蝕。土壤在燃燒過程后最直觀的變化是有機物的損失；根據(jù)火災(zāi)的嚴重程度，其對有機物的影響包括輕微蒸餾(次要成分揮發(fā))、碳化和完全氧化等?；馂?zāi)除了會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量和微生物生物量的顯著降低外，隨著火燒時間的延長，土壤表層C、N、P等含量明顯下降?；馂?zāi)過程對土壤物理特性的直接影響是產(chǎn)生一個平行于地表的連續(xù)防水鋒，從而降低土壤的滲透性，易產(chǎn)生坡面徑流。針對火燒跡地泥石流等災(zāi)害多發(fā)的地質(zhì)現(xiàn)象，Vega等研究發(fā)現(xiàn)火災(zāi)強度顯著影響研究區(qū)的年徑流量和侵蝕程度，年徑流量與枯枝落葉層厚度、裸露土壤和植被的百分比密切相關(guān)；王麗等發(fā)現(xiàn)火燒跡地枯枝落葉層和腐殖質(zhì)層的破壞，會嚴重降低土壤表層的持水能力，導(dǎo)致地表徑流的增加和水土流失災(zāi)害的加劇。加之火災(zāi)發(fā)生后，火燒跡地地表大片裸露，土體表面堆積了大量灰燼，一旦遭遇暴雨天氣，誘發(fā)火后泥石流的概率極大。

火燒跡地主要是指森林中經(jīng)火災(zāi)燒毀后尚未長起新林的土地?；馂?zāi)發(fā)生后植被覆蓋率顯著降低，火燒跡地土壤表面溫度升高。由于火災(zāi)發(fā)生后土壤組分及物理力學(xué)條件的變化，在集中降雨影響下，火燒跡地完全暴露的、不穩(wěn)定的土體表面容易引發(fā)泥石流、滑坡等二次災(zāi)害。例如，2018年，美國加利福尼亞州圣巴巴拉縣、文圖拉縣等火燒跡地遭遇暴雨，引起洪水和滑坡災(zāi)害，部分住房被摧毀，道路受阻，造成至少17人死亡、28人受傷；2020年，中國四川省涼山彝族自治州發(fā)生火后泥石流和滑坡災(zāi)害，386人緊急撤離，災(zāi)害造成房屋、橋梁等不同程度受損，直接經(jīng)濟損失高達數(shù)百萬元。

任云等在對火后泥石流成災(zāi)機理分析時指出，表層巖土經(jīng)林火烘烤后物理、水理、力學(xué)性質(zhì)均發(fā)生了改變；陳中學(xué)等研究發(fā)現(xiàn)黏粒含量顯著影響著泥石流災(zāi)害的啟動機制；Cook等研究認為火災(zāi)發(fā)生后泥石流等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)是土壤滲透率的降低增加了土壤結(jié)皮和促進了徑流趨勢造成的。不同于以上研究，本文工作主要針對火災(zāi)發(fā)生后土壤黏土礦物含量的微觀變化及土壤宏觀物理力學(xué)特性兩方面開展。

中國西南部具有較高的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害危險性。2020年3月30日，四川省西昌市森林火災(zāi)發(fā)生后，該地區(qū)泥石流、滑坡災(zāi)害多次復(fù)發(fā)，亟需對火后土體的物理力學(xué)性質(zhì)改變進行系統(tǒng)研究。因此，本文針對火災(zāi)發(fā)生后該地區(qū)滑坡、泥石流等災(zāi)害復(fù)發(fā)的地質(zhì)現(xiàn)象，對該地區(qū)未遭受火災(zāi)區(qū)域及遭受火災(zāi)區(qū)域的表層土體進行了對比研究，分析了火災(zāi)過程導(dǎo)致土壤有機質(zhì)含量、黏土礦物含量及土體力學(xué)特性的變化特征，研究了火災(zāi)過程對土壤物理力學(xué)性質(zhì)的影響機制，以期對火燒跡地地質(zhì)災(zāi)害防治提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域及采樣方法

2020年3月30日，四川省西昌市滬山發(fā)生森林火災(zāi)，火災(zāi)持續(xù)近10 d，各類土地過火總面積超過3 000 hm，綜合計算受害森林面積近800 hm，造成直接經(jīng)濟損失超過9 700萬元。西昌市植被為亞熱帶常綠闊葉林帶。根據(jù)美國國家航空航天局(NASA)定期發(fā)布的空間分辨率為250 m的MODIS數(shù)據(jù)，對火災(zāi)發(fā)生前后西昌市的歸一化植被指數(shù)(NDVI)進行了分析，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)導(dǎo)致該地區(qū)植被覆蓋率明顯降低(圖1)。

圖1 四川西昌地區(qū)火災(zāi)前后歸一化植被指數(shù)對比Fig.1 Comparison of NDVI in Xichang Area of Sichuan Before and After Fire

本次試驗所用土樣取自西昌市森林火災(zāi)發(fā)生后的一處火燒跡地(27°70′N，102°10′E)。該地區(qū)構(gòu)造變形強烈，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要地質(zhì)災(zāi)害問題是泥石流和滑坡。山地林火發(fā)生后，0～20 cm土壤溫度及土壤組分含量變化明顯。因此，本文對未遭受火災(zāi)區(qū)域和遭受火災(zāi)區(qū)域不同位置厚度為20 cm的表層土進行了采樣研究，采樣時間為2020年10月。取樣地未遭受火災(zāi)區(qū)域土體干密度為1.41 g·cm，天然含水率為19.1%；遭受火災(zāi)區(qū)域土體干密度為1.40 g·cm，天然含水率為18.6%。試驗前，首先對現(xiàn)場采集的土樣在105 ℃溫度環(huán)境下烘干48 h。為了排除大塊礫石(>2 mm)在實驗室樣品尺度帶來的差異，將烘干土經(jīng)過篩分后取粒徑小于2 mm的土樣進行試驗研究。如圖2所示，未遭受火災(zāi)區(qū)域的土樣呈黑灰色，土中含有較多的植物根系，土壤顆粒團聚體較多；遭受火災(zāi)區(qū)域土樣呈黃褐色，植物根系很少，顏色更淺。

圖2 西昌地區(qū)火災(zāi)火燒跡地土樣Fig.2 Soil Samples from the Burned Areas in Xichang Area

1.2 土壤顆粒直徑與微觀結(jié)構(gòu)

土壤顆粒直徑和結(jié)構(gòu)是其物理力學(xué)特性的影響因素。通過標準篩分析法得到未遭受火災(zāi)區(qū)域和遭受火災(zāi)區(qū)域兩種土樣0.075～2.000 mm粒徑范圍的粒徑數(shù)據(jù)，并通過Bettersize2000激光粒度分布儀得到粒徑()小于0.075 mm的粒徑分布數(shù)據(jù)，從而得到兩種土樣的粒組劃分(表1)和粒徑級配曲線(圖3)。根據(jù)DT-92-2版中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部土工試驗規(guī)程，粒徑小于0.005 mm的顆粒為黏粒。未遭受火災(zāi)區(qū)域土樣黏粒含量=1.267%(表示粒徑小于0.005 mm顆粒累積質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比)，遭受火災(zāi)區(qū)域土樣=3.122%。

表1 火燒跡地土樣粒組劃分Table 1 Classification of Grain Groups for Soil Samples in Burned Area

圖3 土樣粒徑級配曲線Fig.3 Grain Size Distribution Curves of Soil Samples

土體的微觀結(jié)構(gòu)作為土體的一個重要質(zhì)量指標，一方面反映了土體的形成條件，另一方面又是決定土體物理、力學(xué)及其他工程性質(zhì)的一個重要因素。通常，土壤中較小的土顆粒對環(huán)境變化(如水分、溫度和荷載等)非常敏感。火災(zāi)造成的土壤中細小顆粒含量的增加會改變土體的力學(xué)特性等。掃描電子顯微鏡(SEM)為研究巖土微觀結(jié)構(gòu)的常用手段。通過對烘干的散土試樣進行噴金導(dǎo)電處理，基于FEI Q45環(huán)境掃描電子顯微鏡，掃描得到了放大250倍的兩種土樣的顆粒尺寸圖像(圖4)。測試結(jié)果顯示遭受火災(zāi)區(qū)域的土壤顆粒粒徑更小。其原因有兩點：一是由于根系、落葉等的燃燒灰燼以細小顆粒的形式存在；二是火災(zāi)的高溫環(huán)境導(dǎo)致土壤中部分結(jié)合水汽化，土壤團聚體的穩(wěn)定性降低，在火災(zāi)發(fā)生后的風(fēng)化、降雨影響下，土壤團聚體更容易解體。

圖4 土樣電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM Photos of Samples

1.3 實驗方法

1.3.1 土壤組分研究

火災(zāi)過程對土壤組分最直觀的影響是有機物的損失及黏土礦物含量的變化。本研究基于CS-230碳硫分析儀，通過有機碳燃燒法對未遭受火災(zāi)區(qū)域和遭受火災(zāi)區(qū)域不同位置的土樣進行了總有機碳(TOC)的測定；基于X射線衍射分析(XRD)技術(shù)對土樣的黏土礦物含量進行了測試分析，每個區(qū)域測試3個土樣并取數(shù)據(jù)均值，所分析黏土礦物種類包括高嶺石(Kao)、伊利石/蛭石混層、蛭石(V)和伊利石(It)。

1.3.2 土壤力學(xué)特性研究

為研究火災(zāi)過程對土壤力學(xué)特性的影響，分別對未遭受火災(zāi)區(qū)域土樣和遭受火災(zāi)區(qū)域土樣進行了直接剪切試驗研究。取樣地的原狀土含有大量大于5 mm的較大粗礫粒，給試驗制樣帶來了一定困難，并且在實驗室樣品尺度(直剪樣品厚度20 mm)下，會帶來顯著的樣品差異性。因此，本文選取了篩分過后的重塑土，參考研究區(qū)土壤的物理性質(zhì)，通過干密度測定和擊實條件控制，配制試驗土樣含水率為19%，干密度為1.4 g·cm，試驗設(shè)置平行試樣3組。試驗中選取法向應(yīng)力為50、100、150、200 kPa。試驗通過ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀配合數(shù)字采集系統(tǒng)進行，試驗過程中全程記錄剪切位移、應(yīng)力環(huán)讀數(shù)等數(shù)據(jù)。試驗中設(shè)置剪切速率為0.8 mm·min，設(shè)置剪切試驗機上部剪切盒剪切位移為8 mm，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每間隔1 s記錄一次數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 火災(zāi)前后土壤組分變化

2.1.1 土壤總有機碳(TOC)變化特征

通過表2發(fā)現(xiàn)：火災(zāi)導(dǎo)致四川省西昌市遭受火災(zāi)區(qū)域土壤中總有機碳大幅減少，遭受火災(zāi)區(qū)域土樣較未遭受火災(zāi)區(qū)域土樣有機質(zhì)含量減少41.58%。這在一定程度上反映了火災(zāi)的嚴重程度，火災(zāi)造成土壤大部分有機質(zhì)、根系、原生動物和微生物等燒毀或死亡。細小的根系與土壤接觸面積大，是土壤有機質(zhì)的主要碳源?；馂?zāi)發(fā)生后土壤有機質(zhì)含量的大幅減少導(dǎo)致植物根系開始腐爛，微生物群落加速分解，這會導(dǎo)致土壤團粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，無機土壤裸露，再經(jīng)雨水沖刷，土壤團粒結(jié)構(gòu)容易解體。

表2 土樣中總有機碳Table 2 Total Organic Carbon of Soil Samples

2.1.2 土壤黏土礦物含量變化特征

X射線衍射分析結(jié)果如圖5所示?；馂?zāi)過程后高嶺石礦物相對含量減少了10%，伊利石/蛭石混層相對含量增加了1%，蛭石礦物相對含量增加了29%，伊利石礦物相對含量減少了20%。其中，伊利石(KAl[(Al,Si)SiO(OH)·HO])生長在低溫低壓環(huán)境；蛭石((Mg,Fe,Al)[(Si,Al)O(OH)]·4HO)具有多級層狀結(jié)構(gòu)，受熱高膨脹性是其獨特的特性?；馂?zāi)過程對土樣中這兩種黏土礦物含量影響最大。黏土礦物特別是表生黏土礦物含量的顯著變化，是由于在高溫作用下，黏土礦物層間交換反應(yīng)、失水改性等活動的進行?；馂?zāi)發(fā)生后土壤組分含量顯著變化，這也會影響土體特殊的物理、水理及力學(xué)特性，進而對土體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性具有重要的影響，導(dǎo)致土體宏觀力學(xué)性質(zhì)的改變。

圖5 黏土礦物相對含量變化Fig.5 Changes of Relative Contents of Clay Minerals

2.2 火災(zāi)前后土樣力學(xué)強度變化

未遭受火災(zāi)區(qū)域土樣和遭受火災(zāi)區(qū)域土樣剪切過程中剪切應(yīng)力-剪切位移曲線如圖6所示。根據(jù)直接剪切試驗結(jié)果，繪制得到土樣強度包絡(luò)線如圖7所示。

圖6 火燒跡地兩種土樣剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig.6 Shear Stress-shear Displacement Curves of Two Kinds of Soil Samples in Burned Area

圖7 抗剪強度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.7 Curves of Shear Strength-normal Stress

根據(jù)DT-92-2版中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部土工試驗規(guī)程，以剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線的峰值作為抗剪強度的取值，若無明顯峰值，則取剪切位移等于4 mm對應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強度。由圖6可以看出，在不同的法向應(yīng)力條件下，遭受火災(zāi)區(qū)域土樣比未遭受火災(zāi)區(qū)域土樣抗剪強度均明顯降低。計算得到未遭受火災(zāi)區(qū)域土樣黏聚力值為12.568 kPa，內(nèi)摩擦角值為10.642°；遭受火災(zāi)區(qū)域土樣黏聚力值為8.078 kPa，內(nèi)摩擦角值為9.375°?；馂?zāi)發(fā)生后土樣黏聚力值、內(nèi)摩擦角值均減小。土壤強度的衰減不利于巖土體的穩(wěn)定。

土樣黏聚力主要與含水率、顆粒之間的引力作用、膠結(jié)作用等有關(guān)，內(nèi)摩擦角主要與顆粒大小、結(jié)構(gòu)、形狀和密實度相關(guān)。在相同的干密度和含水率條件下，黏聚力值、內(nèi)摩擦角值減小的原因是火災(zāi)發(fā)生后，土壤顆粒之間的作用、粒徑、黏土礦物等基本性質(zhì)的改變影響了其力學(xué)性質(zhì)。

2.3 火災(zāi)前后強度衰減機制

參考火災(zāi)前后土壤組分變化特征測試結(jié)果，火災(zāi)發(fā)生后土壤中蛭石礦物相對含量為56%，成為主流黏土礦物，且蛭石礦物高溫膨脹后體密度減小，可能會導(dǎo)致土體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。為研究蛭石礦物相對含量的顯著增多對土壤力學(xué)特性的影響，在未遭受火災(zāi)區(qū)域土樣中摻入不同含量高溫處理過的蛭石礦物，設(shè)計配置了蛭石礦物相對含量為0%、1%、5%和10%的混合土樣，通過直接剪切試驗對土樣的抗剪強度進行了研究。實驗條件與第2.1節(jié)保持一致。不同蛭石礦物摻入比的混合土體剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖8所示。

根據(jù)圖8混合土體剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線可知：相同的法向應(yīng)力條件下，隨著蛭石礦物摻入比的增加，混合土體的抗剪強度明顯降低；在剪切過程中，蛭石礦物摻入比高的混合土體應(yīng)變軟化現(xiàn)象更為明顯，尤其是在50、100 kPa的低法向應(yīng)力狀態(tài)下，隨著剪切應(yīng)變的持續(xù)增大，蛭石礦物摻入比帶來的剪切應(yīng)力差距更大。如圖8(c)所示，隨著法向應(yīng)力持續(xù)增加，蛭石礦物混合土體在剪切過程中的應(yīng)變軟化現(xiàn)象變得不明顯，但在剪切位移達到5 mm后的局部剪切階段，蛭石礦物摻入比高的混合土體仍然會出現(xiàn)應(yīng)力衰減現(xiàn)象。土體在局部剪切階段的剪切應(yīng)力對土體承載能力的影響同樣重要，是滑坡穩(wěn)定性評價中的核心問題之一。應(yīng)變軟化現(xiàn)象容易導(dǎo)致雨后土質(zhì)邊坡的失穩(wěn)滑動。

圖8 混合土體剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig.8 Shear Stress-shear Displacement Curves of Mixed Soil

參考第2.1節(jié)，火災(zāi)對土壤中蛭石礦物的含量變化影響最為明顯。火災(zāi)發(fā)生后，蛭石礦物相對含量高達56%，且蛭石結(jié)構(gòu)中含有可膨脹的層間域；在高溫環(huán)境下，蛭石體積會發(fā)生膨脹轉(zhuǎn)化為膨脹蛭石，體積可膨脹10～30倍。通過光學(xué)顯微鏡觀察(圖9)，蛭石礦物的膨脹機理主要是層間水分子受熱汽化，體積變大，層間水是影響蛭石膨脹的主要因素。Robichaud等研究發(fā)現(xiàn)火燒跡地表面燃燒后礦物土壤上方的吸收和儲水能力大大降低(海綿效應(yīng))，火災(zāi)發(fā)生后膨脹蛭石含量的顯著增加會導(dǎo)致土體中水分分布不均勻。且由于火災(zāi)的高溫環(huán)境導(dǎo)致蛭石礦物體積膨脹，體密度減小，不利于土壤顆粒間的連接和膠結(jié)作用，故火災(zāi)發(fā)生后土體強度衰減和應(yīng)變軟化很大程度上是土壤中膨脹蛭石含量的增高造成的。黏土礦物顆粒及結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致土體的物理力學(xué)及工程特性發(fā)生改變。不同蛭石礦物摻入的設(shè)計試驗結(jié)果表明：火災(zāi)發(fā)生后蛭石礦物含量增高，體積膨脹，體密度減小，對火燒跡地土壤力學(xué)強度的衰減具有一定影響。

圖9 蛭石礦物微觀圖像Fig.9 Microscopic Images of Vermiculite

MacDonald等指出隨著時間的推移，火燒跡地植被和土壤功能逐漸恢復(fù)。火災(zāi)發(fā)生一年后，火燒跡地土壤物理特性無統(tǒng)計上的顯著差異，火燒跡地災(zāi)害規(guī)模及頻次明顯降低。這方面研究尚顯不足，后續(xù)可對火災(zāi)發(fā)生后火燒跡地土壤的恢復(fù)能力開展研究。

3 結(jié) 語

本文對四川省西昌市一處火燒跡地的土樣進行了土壤有機質(zhì)含量、粒徑級配和黏土礦物含量等基本物理特性的測試分析，研究了不同土樣的抗剪強度參數(shù)差異，并設(shè)計研究了不同蛭石礦物含量土樣的力學(xué)特性。

(1)火災(zāi)過程改變了土壤的有機質(zhì)含量和粒徑級配，由于植物根系、微生物等的燒毀和死亡，土壤有機質(zhì)含量減少，無機土壤裸露，土壤團聚體結(jié)構(gòu)性遭受破壞，更易解體潰散；火災(zāi)發(fā)生前后土壤黏粒含量增加，會阻塞土壤表層的孔隙，使得火燒跡地土壤表層容易板結(jié)。

(2)火災(zāi)的高溫環(huán)境導(dǎo)致土壤中黏土礦物含量大幅改變。高嶺石、伊利石礦物含量的降低會抑制土壤成孔效應(yīng)，改變孔隙狀態(tài)；蛭石礦物含量增加超一倍，且體積發(fā)生膨脹，使得火燒跡地表層土體密度減小，降低了土壤的持水能力。

(3)火災(zāi)發(fā)生后抗剪強度衰減明顯，黏聚力、內(nèi)摩擦角土體力學(xué)強度參數(shù)顯著減小。摻入不同含量蛭石礦物混合土樣的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線顯示：蛭石礦物含量高的土樣抗剪強度明顯衰減，在剪切過程中應(yīng)變軟化現(xiàn)象更為明顯。在集中降雨環(huán)境下，火燒跡地的泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育風(fēng)險顯著上升。