降雨入渗将导致土体颗粒间连接弱化, 土体内部孔隙水压力增加，抗剪强度降低，这是导致滑坡、崩塌、泥流等地质灾害的诱因之一^[1]。而在火灾后，森林土壤本身的性质发生巨大变化，森林火灾会从颗粒粒径、矿物含量和强度参数3个方面显著影响土壤的物理力学性质，导致土体抗剪强度降低；土壤表层斥水性明显增强，使坡面更易产生坡面径流，导致土壤侵蚀程度加深^[2]；特别是在火烧程度严重的区域，土壤渗透性发生显著变化，增大土壤的入渗能力^[3]。在强降雨条件下，将导致坡体静水压力增大，随着降雨时间的延长和降雨强度的增加将增大边坡失稳的概率从而导致火烧迹地遭受泥石流，滑坡等地质灾害的风险增加^[4]。因此，研究火烧过后林地土的土水特征和渗透性至关重要。

土壤饱和渗透系数是表征土壤渗透性能的重要参数，反映土壤在不同环境条件下对土壤水分入渗性能的影响，其易受土壤密度、质地、土壤结构、有机质含量、土地利用类型等诸多因素的影响^[5]。土-水特征曲线主要描述基质吸力与含水率之间的关系，对非饱和土体的气-水迁移特性和力学强度特性方面具有重要意义，以往学者提出SWCC的拟合模型，如：van-Genuchten(VG)、Fredlund-Xing、brooks-Corey，其中VG水土特征曲线模型是较为广泛的数学模型^[6]。在当前研究中，大量学者对含根土体的渗透特性和水力特性进行研究和讨论，蒋希雁等^[7]研究发现，随着含根量的增加，根土复合体的饱和渗透系数逐渐减小，含根量越高的土壤减少水分入渗有着更加显著的效果。部分学者对火灾迹地的森林土壤进行调查和分析，秦倩倩等^[8]发现火烧改变土壤结构原有的垂直分布特征和季节动态规律，火烧后2个月土壤＞5、＞2~5和＞1~2 mm团聚体含量和土壤密度显著增加，其余指标均显著减少，然而火烧过后根系腐烂死亡对土壤渗透特征影响的机理的解释尚存在模糊性。

2022年8月21日，接连的高温干旱天气导致缙云山自然保护区森林大火，笔者在缙云山自然保护区火烧迹地开展调查，采集土样测定土壤的饱和渗透系数和土-水特征曲线，研究火灾过程对土壤水力特性的响应机制，以期为火烧迹地地质灾害的防治提供参考。

研究区位于重庆市北碚区缙云山国家级自然保护区虎头村(E 106°17′~106°24′、N 29°41′~29°52′)，具有亚热带季风湿润性气候特征，年平均气温13.6 ℃，年均降水量1 611.8 mm，年平均蒸发量777.1 mm，年均日照时间1 293.9 h，为典型的中亚热带常绿阔叶林带，以及生长着大面积的毛竹(Phyllostachys pubescens)和马尾松(Pinus massoniana)林。研究区土壤为三迭纪须家河组厚层石英砂岩、岩质页岩和泥质砂岩为母质风化而成的酸性黄壤及水稻土。

本次试验所用土样取自重庆缙云山森林火灾后的火烧迹地，根据火烈度将火烧等级分为3级(图 1)，中度和重度火烧迹地大部分以马尾松和杉木为主的混交林，少部分为竹林，林地内地表灌木和草本基本全部烧毁，部分乔木烧伤甚至烧死。因此，本研究调查和试验样地为马尾松林和毛竹林。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区火烧等级划分图 Fig. 1 Classification map of burned degrees in the study area

本研究在2种林地、3个火烧等级的火灾迹地进行植物根系调查和土样采集，在斜坡上遭受火灾的区域各选取3个平行取样点，选取马尾松和毛竹单株木为研究对象，在其半径1 m处开挖剖面，开挖深度为30 cm。沿剖面固定网格尺统计各径级的根系数量如图 2所示，使用电子游标卡尺测量根系上中下3个部位的直径并取平均值记录，根据0~2、≥2~4、≥4~6、≥6~8和≥8 mm的范围划分为5个根系径级，统计开挖深度范围内的根系数量。根系调查结束后，采用120 mm³的取土环刀在竖直剖面上每隔10 cm采集土样，同层土采集3个重复试样。

图 2(Fig. 2)

图 2 根系生物量调查 Fig. 2 Root biomass survey

笔者取马尾松林与竹林的火烧迹地与对照样地表层土(0~30 cm)，采用变水头法测定马尾松林与毛竹林不同火烧程度和不同土层厚度下的浅表层含根土饱和渗透系数，试验装置由供水瓶、变水头管、进水管、渗透容器以及套筒组成，将装有试样的环刀装入渗透容器，放入透水石，并压入止水套圈，用螺母旋紧，保证不漏水不漏气。连接渗透容器的进水口与变水头管，连接排气水管和出水管，打开进水管夹使水流渗入渗透容器，容器侧立打开排气阀，出水管有水溢出，排除渗透容器底部的空气，直至溢出水中无气泡后关闭排气阀。在水头作用下静置一段时间，待出水管口有水溢出时说明试样基本饱和，再次注水待出水管口有水溢出时，开始测记变水头管中起始水头高度和起始时刻。待水位变化稳定后，按预定时间间隔记录时间并测读水头高度，并测记出水口的水温。根据达西定律计算其饱和渗透系数k_s，为避免温度变化引起的试验误差，笔者以20 ℃为标准温度，标准温度下的渗透系数按下式计算：

式中：k₂₀为标准温度20 ℃时试样渗透系数，cm/s；k_T为其他温度下测定的渗透系数；η_T为T ℃时水的动力黏滞系数，kPa·s；η₂₀为20 ℃时水的动力黏滞系数，kPa·s。

笔者采用颗粒级配曲线来估计SWCC，根据Malvern 3000激光粒度分析仪测定马尾松林与竹林的火烧迹地与对照样地表层土壤(0~30 cm)中＞0.500~1.000、＞0.250~0.500、＞0.100~0.250、＞0.050~0.100、＞0.025~0.050、＞0.010~0.025和＞0.001~0.010 mm的粒径分布，根据其级配曲线测出d₆₀和d₁₀，采用平衡锥式液限仪法测其液限。

导入RETC软件拟合马尾松林与毛竹林不同火烧程度和不同土层厚度下的浅表层含根土土水特征参数，采用VG模型来描述体积含水率θ、基质吸力ψ和饱和度S_e的关系，表达式为：

式中：θ为体积含水率，%；θ_s和θ_r分别为饱和含水率及残余含水率，%，其中θ_r由模型拟合；ψ为基质吸力，kPa；α、n和m均为模型拟合参数，且m=1-1/n。

表 1为不同火烧程度土壤的基本物理性质，可以发现马尾松林地和毛竹林林地浅表层土壤的密度，含水率，液限性质随之降低，其孔隙度、饱和含水率，毛管持水量随火烧程度的加剧而升高。

表 1(Tab. 1)

表 1 土壤的基本物理性质 Tab. 1 Basic physical properties of soil 火烧程度 Burned degree 林分 Stand 土层厚度 Soil thickness/ cm 土壤密度 Soil density/ (g·cm-3) 毛管持水量 Capillary capacity/ (g·kg-1) 孔隙度 Porosity/% 含水率 Water content/% 液限 Liquid limit/% 饱和含水率 Saturated water content/% 轻度火烧 Mildly burned 马尾松林 Pinus massoniana 0~10 1.179 28.5 57.48 29.78 36.3 38.81 10~20 1.179 25.6 55.72 28.20 36.3 38.10 20~30 1.179 24.2 56.85 27.30 36.3 37.20 毛竹林 Phyllostachys pubescens 0~10 1.143 27.8 57.61 28.40 33.5 39.50 10~20 1.143 26.5 55.56 27.30 33.5 39.10 20~30 1.143 24.3 53.09 26.40 33.5 38.30 中度火烧 Moderately burned 马尾松林 Pinus massoniana 0~10 1.202 31.8 53.52 23.20 31.3 41.82 10~20 1.202 26.5 52.32 24.40 31.3 41.84 20~30 1.202 24.6 51.23 25.60 31.3 39.80 毛竹林 Phyllostachys pubescens 0~10 1.052 32.8 55.25 22.80 43.0 40.20 10~20 1.052 24.8 54.30 24.60 43.0 39.40 20~30 1.052 23.9 53.25 23.20 43.0 38.60 重度火烧 Severely burned 马尾松林 Pinus massoniana 0~10 1.202 34.2 62.29 18.40 41.3 43.30 10~20 1.202 29.2 56.25 19.40 41.3 42.60 20~30 1.202 25.1 53.25 23.20 41.3 39.40 毛竹林 Phyllostachys pubescens 0~10 1.131 32.9 60.36 17.40 38.2 47.73 10~20 1.131 26.8 56.25 19.20 38.2 46.54 20~30 1.131 25.1 54.62 24.20 38.2 45.75 未遭受火烧 Unburned 马尾松林 Pinus massoniana 0~10 1.307 22.3 51.25 30.10 39.0 37.10 10~20 1.307 21.4 51.65 30.80 39.0 37.00 20~30 1.307 23.4 52.31 29.45 39.0 36.20 毛竹林 Phyllostachys pubescens 0~10 1.272 22.8 51.58 31.29 45.0 38.60 10~20 1.272 22.3 50.23 29.25 45.0 38.60 20~30 1.272 21.8 51.95 28.60 45.0 38.60

表 1 土壤的基本物理性质 Tab. 1 Basic physical properties of soil

马尾松林和毛竹林未被火烧及火烧迹地的不同径级根系数量如图 3所示，火烧后马尾松林0~2 mm径级的根系数量减少程度最大，约30%~50%，≥2~4 mm径级的根系数量重度火烧下也减少了50%左右。0~2、≥2~4和≥4~6 mm径级的根系数量随火烧程度减少的趋势相同，重度火烧下根系数量均减少40%左右。

图 3(Fig. 3)

图 3 未被火烧及火烧迹地的不同径级根系数量 Fig. 3 Number of root systems at different diameter classes in unburned and burned areas

马尾松林与竹林的火烧迹地与对照样地表层土(0~30 cm)的饱和渗透系数如图 4所示，在未发生火灾的区域，马尾松林地0~10、10~20和20~30 cm土壤的饱和渗透系数分别为5.84×10^-6、1.95×10^-6和1.02×10^-6 m/s，对于轻、中和重3种火烧程度，火烧后其饱和渗透系数均显著提高，综合比较3种火烧程度对表层土饱和渗透系数的影响，重度火烧区表层土的渗透系数影响最大，提高50倍以上。

图 4(Fig. 4)

图 4 未被火烧及火烧迹地的饱和渗透系数 Fig. 4 Saturated permeability coefficients of unburned and burned areas

对于竹林而言，在土壤表层0~10 cm，轻度火烧程度的饱和渗透系数提高22.9倍，中度火烧程度的饱和渗透系数提高24.9倍，重度火烧程度的饱和渗透系数提高16.07倍，对于土壤表层10~20 cm，轻度火烧程度和中度火烧程度的饱和渗透系数均提高5倍左右，重度火烧程度的饱和渗透系数提高12.52倍，对于20~30 cm的土壤表层，3种火烧程度的饱和渗透系数均发生变化，其中重度火烧程度变化最大其饱和渗透系数提高162.24倍，轻度和中度火烧程度区域的土壤饱和渗透系数均提高52倍左右。

表 2和表 3为未被火烧及火烧迹地马尾松和毛竹林不同土层厚度的粒径级配，可见火烧迹地的土壤颗粒粒径更小。其可能是由于根系、枯落物等燃烧后以细小颗粒的形式存在，此外火灾导致土壤团聚体的稳定性降低，在火灾后遭受风力侵蚀和水力侵蚀，土壤团聚体更容易解体。

表 2(Tab. 2)

表 2 未被火烧及火烧迹地马尾松林浅表层土壤粒径级配 Tab. 2 Particle size gradation of Pinus massoniana shallow surface soil in unburned and burned areas  % 火烧程度 Burned degree 土层厚度 Soil thickness/cm ≤1.000 mm ≤0.500 mm ≤0.250 mm ≤0.100 mm ≤0.050 mm ≤0.025 mm ≤0.010 mm ≤0.001 mm 未遭受火烧 Unburned 0~10 100 97.8 82.1 70.3 63.2 49.6 43.4 23.1 10~20 100 97.5 78.1 64.5 48.3 42.1 38.4 20.2 20~30 100 97.5 75.1 62.3 45.6 41.1 36.1 19.2 轻度火烧 Mildly burned 0~10 100 94.3 79.2 69.3 64.3 53.4 47.2 24.3 10~20 100 95.6 78.6 65.5 49.5 43.1 39.5 20.5 20~30 100 97.6 74.3 61.6 44.8 42.3 35.6 18.6 中度火烧 Moderately burned 0~10 100 92.5 78.3 68.4 64.6 56.2 49.5 26.2 10~20 100 93.4 76.2 64.6 49.8 45.1 39.7 23.2 20~30 100 96.5 75.4 61.8 46.8 43.9 36.2 19.1 重度火烧 Severely burned 0~10 100 88.2 74.3 65.3 66.9 59.8 53.4 26.5 10~20 100 89.3 75.6 64.4 64.2 58.3 45.8 23.5 20~30 100 92.6 75.6 63.2 48.8 45.5 39.8 21.2

表 2 未被火烧及火烧迹地马尾松林浅表层土壤粒径级配 Tab. 2 Particle size gradation of Pinus massoniana shallow surface soil in unburned and burned areas

表 3(Tab. 3)

表 3 未被火烧及火烧迹地毛竹林浅表层土壤粒径级配 Tab. 3 Particle size gradation of Phyllostachys pubescens shallow surface soil in unburned and burned areas  % 火烧程度 Burned degree 土层厚度 Soil thickness/ cm ≤1.000 mm ≤0.500 mm ≤0.250 mm ≤0.100 mm ≤0.050 mm ≤0.025 mm ≤0.010 mm ≤0.001 mm 未遭受火烧 Unburned 0~10 100 95.8 84.2 73.3 66.2 53.6 45.4 25.3 10~20 100 96.5 77.8 61.3 44.7 39.3 36.4 18.2 20~30 100 96.4 73.8 59.3 41.8 37.1 32.1 16.2 轻度火烧 Mildly burned 0~10 100 92.6 82.3 72.8 64.3 54.9 47.2 27.8 10~20 100 95.4 77.1 60.9 45.6 40.8 36.8 19.0 20~30 100 96.1 72.9 58.7 42.3 37.4 31.8 16.5 中度火烧 Moderately burned 0~10 100 91.2 81.2 72.1 64.2 54.8 46.3 27.2 10~20 100 93.4 75.3 60.4 46.8 41.9 38.2 19.8 20~30 100 95.9 73.0 59.2 41.8 38.5 32.5 17.1 重度火烧 Severely burned 0~10 100 88.3 78.4 71.4 62.3 56.2 47.8 28.3 10~20 100 92.1 73.2 60.6 48.9 43.3 39.6 20.4 20~30 100 94.1 71.4 59.6 42.2 39.9 34.1 18.5

表 3 未被火烧及火烧迹地毛竹林浅表层土壤粒径级配 Tab. 3 Particle size gradation of Phyllostachys pubescens shallow surface soil in unburned and burned areas

在VG模型中，参数α和n是影响拟合SWCC几何形态和弯曲程度的重要参数。很多学者认为α值的倒数大致与进气值接近^[9]，从曲线形状而言，当其他参数不变时，α的值越小，其拐点越小，n的取值与土壤孔隙大小分布有关，n越小，拟合的SWCC的脱水斜率越小，SWCC越平缓。在图 5和表 4为马尾松林未被火烧及火烧迹地浅表层土壤的SWCC以及拟合参数，可以看出马尾松林土层厚度为0~10、10~20和20~30 cm土壤中重度火烧程度SWCC均最先下降，对应进气值参数α最小，其中在重度火烧下土层厚度0~10 cm的土壤进气值参数α最小。当基质吸力逐渐增大时，4种林地SWCC均呈下降趋势。重度火烧迹地的SWCC斜率最大，其拟合参数n最大，中度火烧迹地斜率次之，轻度火烧迹地和未发生火烧林地的SWCC下降趋势较为接近，其拟合参数n较为接近。

图 5(Fig. 5)

图 5 马尾松林未被火烧及火烧迹地的土-水特征曲线 Fig. 5 Soil water characteristic curve of Pinus massoniana forest unburned and burned areas

表 4(Tab. 4)

表 4 马尾松林van-Genuchten模型拟合参数结果 Tab. 4 Fitted parameters of van-Genuchten model for Pinus massoniana forest 火烧程度 Burned degree 土层厚度 Soil thickness/cm α n 饱和体积含水率Saturated volumetric water content θs/(cm3·cm-3) 残余体积含水率Residual volumetric water content θr/(cm3·cm-3) 未遭受火烧Unburned 0~10 0.438 1.365 0.409 0.167 10~20 0.441 1.362 0.389 0.177 20~30 0.445 1.264 0.379 0.187 轻度火烧Mildly burned 0~10 0.431 1.424 0.387 0.162 10~20 0.436 1.395 0.380 0.163 20~30 0.435 1.302 0.371 0.166 中度火烧Moderately burned 0~10 0.423 1.603 0.393 0.148 10~20 0.428 1.562 0.390 0.149 20~30 0.433 1.422 0.382 0.151 重度火烧Severely burned 0~10 0.415 1.893 0.418 0.133 10~20 0.412 1.752 0.430 0.130 20~30 0.423 1.712 0.397 0.137

表 4 马尾松林van-Genuchten模型拟合参数结果 Tab. 4 Fitted parameters of van-Genuchten model for Pinus massoniana forest

图 6和表 5为毛竹林未被火烧及火烧迹地浅表层土壤的SWCC和拟合参数。可知，重度火烧程度的下降斜率明显大于中度火烧程度，对应表 5重度与中度火烧的拟合参数α相近但重度火烧的拟合参数n大于中度火烧拟合参数n。随着基质吸力的增加，轻度火烧程度和未遭受火烧程度的毛竹林浅表层土壤的SWCC不再处于稳定状态，也开始随着基质吸力的增加呈下降趋势。从整体观察，轻度火烧程度与未遭受火烧的毛竹林浅表层土壤SWCC曲线较为接都较为接近，其拟合参数α和n比较接近，在土层厚度0~20 cm中，中度火烧程度和重度火烧程度毛竹林浅表层土壤的进气值参数α接近，但中度火烧程度的浅表层土壤的持水性能明显优于重度火烧程度的浅表层土壤。在土层厚度20~30 cm中，毛竹林未遭受火灾林地、轻度火烧迹地、中度火烧迹地的SWCC相似，重度火烧迹地斜率最大，其持水性能最差。

图 6(Fig. 6)

图 6 毛竹林未被火烧及火烧迹地的土-水特征曲线 Fig. 6 Soil-water characteristic curve of unburned and burned Phyllostachys pubescens forest

表 5(Tab. 5)

表 5 毛竹林van-Genuchten模型拟合参数结果 Tab. 5 Fitted parameters of van-Genuchten model for Phyllostachys pubescens forest 火烧程度 Burned degree 土层厚度 Soil thickness/cm α n 饱和体积含水率Saturated volumetric water content θs/(cm3·cm-3) 残余体积含水率Residual volumetric water content θr/(cm3·cm-3) 未遭受火烧Unburned 0~10 0.642 1.509 0.386 0.190 10~20 0.645 1.481 0.376 0.200 20~30 0.644 1.412 0.376 0.200 轻度火烧Mildly burned 0~10 0.632 1.611 0.401 0.186 10~20 0.635 1.582 0.394 0.189 20~30 0.641 1.453 0.386 0.191 中度火烧Moderately burned 0~10 0.624 1.791 0.432 0.170 10~20 0.628 1.716 0.432 0.175 20~30 0.627 1.625 0.393 0.187 重度火烧Severely burned 0~10 0.601 1.963 0.465 0.148 10~20 0.602 1.982 0.435 0.158 20~30 0.610 1.862 0.417 0.150

表 5 毛竹林van-Genuchten模型拟合参数结果 Tab. 5 Fitted parameters of van-Genuchten model for Phyllostachys pubescens forest

笔者研究发现对于未被火烧的健康根系，细根数量较多，且分布于整个土层中，对于火后的根系数量，表层细根数量相比于未被火烧的树木有所降低，且不同径级根系的减少程度对不同火烧程度敏感性不同，在重度火烧和中度火烧区域的2 mm的根系数量衰减最为明显。有大量学者研究发现灾后根系数量随火烧时间增加而大幅下降，细根相较于粗根腐烂速度更快，数量降低幅度更大^[10]，这与笔者研究结果相一致。森林火灾对浅表层土的根系数量的影响最终会改变根土-复合体的水文特性^[11]。

饱和渗透系数k_s是代表土渗透性强弱的指标，含根土的渗透特性是决定植被护坡水力特性的重要参数，也是影响植被边坡稳定性的重要因素，土体的许多性质对渗透系数有很大的影响，如：粒径大小与级配、孔隙比、结构、饱和度等性质。试验研究发现：火烧迹地浅表层含根土的饱和渗透系数随火烧程度的加剧而增大，这与之前许多学者的研究^[12]一致，一方面，森林火灾通过影响浅表层土壤的粒径大小与级配，饱和度等性质直接对其饱和渗透系数k_s产生影响^[13]，这可能与火烧迹地中产生的水力侵蚀有关，水力侵蚀可冲走土壤中的灰分和疏水化合物，从而导致其粒径发生变化，土壤疏水性降低；另一方面植被根系的吸水能力使其通过影响土壤中水分的传递而影响到土壤的渗透系数^[14]，经过森林火灾浅表层土壤中的根系数量大量腐烂，烂根系形成的通道可产生界面优先流，从而增加根系的水力传导性，这从宋维峰等^[15]对根系固土作用的研究可以得到佐证。

根据本文试验结果分析得马尾松林地和毛竹林地浅表层土壤的进气值参数α以及其持水性能随火烧程度的加剧整体呈现降低的趋势，大量的研究表明进气值参数α的大小与土壤密度相关^[16]，根据试验表明两种林地的浅表层土壤在遭受火烧后密度降低，故其进气值拟合参数α随土壤密度的变化相一致随火烧程度的加剧而减小，拟合参数n的取值随火烧程度的加剧呈上升趋势，这与根系数量的变化基本呈现一致性，根据雷鸣宇等^[17]的大量研究得到森林火灾造成植被死亡根系腐烂，土中产生大孔隙，导致了土壤结构的改变，尤其是细根系对土壤大孔隙的产生具有更高的贡献^[18]，随着火烧程度的加剧，从孔径分布的角度上来看，这一观点与本研究具有一致性，同样也可从廖红建等^[19]研究的持水特性与土壤孔径分布特征中的到佐证。

1) 对于未被火烧的健康根系，细根数量较多，且分布于整个土层中，对于火后的根系结构，表层细根数量相比于未被火烧的树木有所降低，且细根在土层中分布不均匀。

2) 对于轻、中和重3种火烧程度，马尾松林火烧后其饱和渗透系数均提高，在重度火烧区表层土的渗透系数提高58.26倍。对于毛竹林而言，其导水率变化规律与马尾松林相似，而且渗透系数的变化程度更大，尤其在重度火烧区表层土的渗透系数提高162.24倍。

3) 森林火灾会导致火烧迹地浅表层含根土土-水特征曲线进气值参数α随火烧程度的加剧而降低3.0%~6.8%，其拟合参数n随火烧程度的加剧而增大6%~30%，导致浅层土持水性能降低。