樹輪地貌學方法在坡面土壤侵蝕調(diào)查中的應(yīng)用

程林+李慶辰+王艷霞

摘要：通過對樹根解剖法的綜合分析，提出了基于全樹齡的坡面土壤侵蝕調(diào)查方法。利用該方法，選擇河北省淶源縣、興隆縣兩地作為典型調(diào)查點，對河北省環(huán)首都山地的坡面土壤侵蝕進行了調(diào)查，探討了樹齡分析法在不同地貌部位、不同巖性、不同樹種條件下土壤侵蝕研究的可行性。結(jié)果表明，利用全樹齡分析方法所取得的坡面水土流失數(shù)據(jù)與RUSLE模型具有一定的可比性，而且基于全樹齡的樹輪地貌學方法對研究區(qū)土壤侵蝕情況的時空變化特征具有更強的指示性和分辨率，實用性更高。

關(guān)鍵詞：樹輪地貌學；土壤侵蝕速率；樹齡分析法；河北省環(huán)首都山地

中圖分類號：X4；Q948.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）15-2850-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.15.014

Abstract： Through comprehensive analyzing of the root anatomical methods， this paper puts forwards a method based on whole-tree age analyzing. By the whole-tree age analyzing based method， the rate of Hebei Mountain around Beijing was investigated， taking Laiyuan and Xinglong as a representative. Through investigating， the feasibility of whole-tree age analyzing based method on slope soil erosion under different geomorphology， lithology and tree species was explored. The results showed that the investigating date was in agreement with the RUSLE model. Besides， the whole-tree age analyzing based method has a higher indicative effect and resolution in the temporal and spatial variation of slope soil erosion research in Hebei.

Key words： dendrogeomorphological methods； soil erosion rate of slope； whole-tree age analyzing based method； Hebei Mountains around Beijing

土壤侵蝕速率的研究方法包括模型法、地球化學方法、水文學方法、測量學方法[1]等。其中模型法應(yīng)用較廣泛的有土壤通用流失模型（USLE）[2]、修正通用土壤流失模型（RUSLE）[3]等，在緩坡上應(yīng)用效果較好，在中國部分陡坡侵蝕區(qū)域，其適用性仍需進一步探討[4，5]。地球化學方法主要是通過同位素分析或稀土元素示蹤等途徑來測定一定時間段或坡段的土壤侵蝕速率。其中，同位素示蹤分析方法（如137Cs等）主要反映核塵埃產(chǎn)生以來的土壤侵蝕情況；稀土元素示蹤法多用于研究特殊地貌區(qū)的相對侵蝕量[1]，且工作效率較低[6]。水文學觀測方法基于多年水文泥沙觀測資料[7]，但泥沙資料缺乏溶解質(zhì)及推移質(zhì)泥沙信息，計算結(jié)果在反映坡面侵蝕總量方面存在一定誤差。測量學方法包括地面測量、航空遙感和原位定點觀測等[8]，多以提供近年內(nèi)重復(fù)監(jiān)測期內(nèi)的土壤侵蝕速率為主。

樹輪定年方法以樹木年輪生長特性及其對環(huán)境變化的響應(yīng)為依據(jù)[9]，具有定年準確、連續(xù)性強、分辨率高的特點，是使用最為廣泛的定年方法之一[10]。樹輪地貌學方法[11]是應(yīng)用樹輪定年技術(shù)并參考樹輪序列特征、樹木外表痕跡等信息[12]確定地貌事件的類型、強度、位置、影響區(qū)域、發(fā)生頻率等數(shù)據(jù)的方法。樹木地貌學方法已被廣泛應(yīng)用于如地震[13-15]、雪崩[16]、泥石流[17]、滾石[18]、滑坡[19，20]、洪水[21]、河道遷移[22]、甚至是湖泊水位變化[23]等方面的研究。1960年以來，樹輪地貌學方法已經(jīng)開始被用于確定坡面土壤侵蝕速率[24-26]。樹輪地貌學方法的應(yīng)用原理為通過測算樹木根系暴露時間及侵蝕量來計算年侵蝕速率。其中侵蝕量或侵蝕體積的量算方法目前主要有侵蝕體積還原法和侵蝕厚度量算法。侵蝕體積還原法是通過量算裸露樹根的長度、侵蝕高度、寬度等來復(fù)原被侵蝕土壤的體積[10，27]。侵蝕厚度量算法則是通過對根系頂面至根下部的當前地表面的垂直距離[28，29]進行計算，以確定侵蝕厚度，該方法使用較為廣泛。根系暴露時間的確定是侵蝕時長測算的關(guān)鍵，目前能夠確定樹根暴露年份的方法為樹根解剖法。該方法通過樹根截面樣品與正常埋藏樹根分析樹根年輪解剖結(jié)構(gòu)變化，如年輪寬度變化、偏心、傷痕、導(dǎo)管和纖維面積變化等[24，30，31]。用來進行研究的樹種最初以針葉樹為主。近年來，闊葉樹種也開始被納入研究范圍[32]，如槭樹[10]、赤桉[33]等。

相對于其他方法，樹輪地貌學方法在小區(qū)域土壤侵蝕速率實測方面更加便捷、高效，可應(yīng)用于無資料區(qū)、無野外觀測條件區(qū)域[33]及山體坡度變化大、地形破碎區(qū)域的土壤侵蝕狀況，并且能反映土壤侵蝕的時間分異特征。國外學者在西班牙[34]、比利時[27]、瑞士[24]、美國西部[25-28]等地開展了研究，也證實了樹輪地貌法可被應(yīng)用于計算不同地貌部位的侵蝕量，如細溝的溝間侵蝕量[28，35]以及溝渠的侵蝕量[27，36]等。國內(nèi)的研究開展相對較晚。羅美等[10]使用闊葉林樹種研究了樹木地貌學方法的可行性，并進一步分析了貴州喀斯特地貌區(qū)的土壤侵蝕速率；孫麗萍等[33]分析了云南金沙江干熱河谷地區(qū)的土壤侵蝕速率；張麗云等[4]使用不同種類和年齡的樹木分析了冀北地區(qū)土壤侵蝕速率的變化特征；Zhou等[37]使用云杉分析了祁連山東部地區(qū)的土壤侵蝕速率。樹根解剖法為樹根所在地點的土壤侵蝕速率測算提供了直觀的計算方法，但是仍然存在一定不足。第一，樹根的生長狀況受多因素的綜合影響，導(dǎo)管和纖維面積變化量在反映暴露時間上會存在一定誤差；第二，土壤侵蝕可能導(dǎo)致樹木的多根樹根暴露，一棵樹木的不同樹根可能在不同的年份暴露，一根樹根年輪及侵蝕量的測算結(jié)果不能代表該調(diào)查點的整體情況；第三，截取樹根樣品的辦法會對樹木的生長造成一定的損害，在很多地區(qū)不被允許；第四，樹根解剖法的室內(nèi)分析工作費時長，經(jīng)費耗費大，對植物學專業(yè)知識及分析設(shè)備要求高，應(yīng)用推廣受限。endprint

為使樹輪地貌學方法易于推廣使用，可采用基于全樹齡的分析方法，即侵蝕時長因子采用調(diào)查樹木主干的樹齡。在侵蝕厚度量算方法不變的前提下，相應(yīng)的侵蝕速率計算結(jié)果為樹木生長期的平均侵蝕速率。根據(jù)這種方法，研究組分別于2016年5月及7月在河北省環(huán)首都山地的興隆縣以及淶源縣進行了試驗，探討樹齡分析法在不同地貌部位、不同出露程度、不同巖性、不同樹種條件下土壤侵蝕觀測的可行性，并對研究區(qū)土壤侵蝕速率的時空變化特征進行了初步分析。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

淶源縣及興隆縣分別位于中國第二、三級階梯的界線——太行山和燕山，是東亞季風區(qū)夏季風的迎風坡，地形坡度大，夏季年均降水量大且多暴雨，水土流失較嚴重（圖1）。兩地區(qū)的自然地理特征見表1。

1.2 研究方法

在自然植被區(qū)或人類活動影響較小的地區(qū)選擇有樹根暴露的地點開展調(diào)查。采用侵蝕厚度量算法計算其侵蝕量，記錄調(diào)查點的坡度、坡向，使用GPS確定調(diào)查點的經(jīng)緯度及海拔，分析并記錄調(diào)查點的巖性、地貌特征、植被與土壤、附近人類活動等特征。使用樹木生長錐鉆取樹干離地面1.3 m處的樹輪樣品，并通過晾曬、打磨、年輪測算等程序確定調(diào)查地點的樹齡。

參照Gartner[24]提出的基于樹根解剖法的土壤侵蝕速率，引入全樹的樹齡參數(shù)R，給出了基于樹齡法的土壤年侵蝕速率計算公式：

Era=Ex/R （1）

其中，Era為土壤侵蝕速率，單位為mm/a；Ex為侵蝕厚度，也即樹基部至當前地表的高度，由現(xiàn)場量算獲得，單位為mm；R為樹齡，由樹輪樣品獲得，單位為a。

1.3 調(diào)查點與調(diào)查樣品分析

1.3.1 調(diào)查點環(huán)境特征 共獲得調(diào)查點30處（表2），其中1-15號調(diào)查點位于興隆縣，其余位于淶源縣。調(diào)查點海拔高度介于275～1 277 m，地表坡度介于26°～56°，研究區(qū)基巖類型包括白云巖、灰?guī)r、片麻巖、角礫巖、花崗巖、凝灰?guī)r、輝綠巖等，植被特征包括孤樹、孤樹草被、孤樹灌叢、稀樹草地、稀樹灌叢、稀樹灌草叢、樹叢草地、樹叢灌叢等，沉積物類型包括殘積物、坡積物、殘坡積物、沖積物。

1.3.2 樹輪取樣與分析過程 樹輪樣品的取樣難易程度及其年輪的辨識度對確定侵蝕速率至關(guān)重要。本次調(diào)查點的樹木類型有針葉林1種（油松）、闊葉林6種（包括核桃、榆樹、板栗、遼東櫟、刺槐、山楊）。代表性樹輪樣品見圖2。

調(diào)查過程顯示，在樹輪獲取難易程度方面，油松是分布相對廣泛、取樣程度最容易的樹種。板栗、遼東櫟、核桃等樹種廣泛分布于坡度較陡、農(nóng)田及建設(shè)活動較少的地區(qū)，取樣程度相對容易。刺槐、山楊、榆樹等木質(zhì)較硬或水分含量大，樣品獲取費時較長，難度相對較大。

在樹輪辨識度方面，油松的早材和晚材色彩差異明顯，可辨識度最高；其次為核桃、榆樹、遼東櫟等樹種；刺槐、山楊辨識度相對較低。

1.4 全樹齡法與相關(guān)模型對比分析

各調(diào)查點的土壤侵蝕速率及侵蝕強度等級根據(jù)公式（1）及《土壤侵蝕強度分級標準》[38]計算得出。為考察樹木地貌學方法的特點，將計算數(shù)據(jù)與研究區(qū)域已有研究成果[39]進行對比。

2 結(jié)果與分析

2.1 侵蝕速率的空間變化特征

由表2可知，調(diào)查點的土壤侵蝕速率介于8.4～31.6 mm/a，其中10個調(diào)查點的侵蝕速率小于10 mm/a，18個調(diào)查點的侵蝕速率介于10～20 mm/a， 2個調(diào)查點大于20 mm/a。根據(jù)《土壤侵蝕強度分級標準》[39]，調(diào)查點的侵蝕強度級別屬于極強度侵蝕和劇烈侵蝕，這和調(diào)查點選取的位置有關(guān)。首先，興隆縣與淶源縣均屬于暴雨集中地區(qū)；其次，調(diào)查點均位于山地，坡度較陡，其中坡度大于30°的達28個，其中大于等于45°的有8個，發(fā)生土壤侵蝕的可能性較高；再次，調(diào)查點附近大多未能形成較好的林灌草結(jié)構(gòu)，多數(shù)侵蝕速率高值區(qū)的植被類型多為孤樹或孤樹稀草，不利于水土保持。此外，調(diào)查點的基巖多為太古代、古生代、中生代時期形成的花崗巖、輝綠巖、片麻巖、灰?guī)r、角礫巖等，風化嚴重，抗蝕能力差[40]。

2.2 侵蝕速率的時間變化特征

根據(jù)表2制作了不同樹齡的土壤侵蝕速率變化特征，見圖3。由圖3可知，興隆縣調(diào)查點的多年侵蝕速率范圍相對穩(wěn)定，為8.6～16.0 mm/a。淶源縣調(diào)查點的侵蝕速率普遍較高，多數(shù)介于10～15 mm/a，但年較差大。淶源縣調(diào)查點中樹齡為30～33 a[生長時間范圍為（1983-1986年）至今]的樹木多年侵蝕速率多高于15 mm/a，最高達31.6 mm/a，但樹齡大于33 a的樹木及樹齡介于25～28 a（生長時間范圍為1988-1991年）多低于15 mm/a，據(jù)此推測1983-1988年間出現(xiàn)了強侵蝕事件。根據(jù)《淶源縣水利志》記載，1988年全年降水量為775.2 mm，為1964-2003年間的極大值，當年雨季始于6月下旬，終于8月中旬，發(fā)生洪水災(zāi)害13次，土壤侵蝕嚴重。因此由不同數(shù)目侵蝕速率來分析土壤侵蝕的時間變化特征及推測強侵蝕事件是可行的。

2.3 全樹齡法與相關(guān)模型對比結(jié)果

基于RUSLE模型，以淶源縣為例，對土壤侵蝕強度進行了對比分析。實測數(shù)據(jù)與基于RUSLE模型的計算數(shù)據(jù)[39]的對比結(jié)果見圖4與表3。由表3、圖4可知，基于樹齡法的侵蝕強度等級與RUSLE模型的計算結(jié)果均認定該區(qū)域的侵蝕強度為強度侵蝕或以上，且大部分為極強度侵蝕或劇烈侵蝕。此外，除16、20、22、29、30號調(diào)查點的判斷結(jié)果一致外，其他均不一致。這是因為受遙感影像分辨率影響，該模型使用的坡度值低于實際值，而樹齡法使用了現(xiàn)場實測坡度，故模型法的計算結(jié)果多低于全樹齡法的實際測量值。這也體現(xiàn)了樹輪地貌學方法應(yīng)用于地形及坡度變化復(fù)雜地區(qū)的優(yōu)越性。

3 結(jié)論endprint

樹輪地貌學方法建立在侵蝕年份、侵蝕量的測量基礎(chǔ)上，是土壤侵蝕速率現(xiàn)場調(diào)查的新途徑和新趨勢。相對于傳統(tǒng)方法，樹輪地貌學方法在地形變化復(fù)雜區(qū)域的應(yīng)用上有一定優(yōu)越性，基于全樹齡的樹輪地貌學方法為侵蝕年份的確定提供了更加便捷的途徑，在山區(qū)坡面土壤侵蝕調(diào)查中具有更強的實用性。

使用樹輪地貌學方法對淶源縣及興隆縣調(diào)查點進行了分析，結(jié)果表明，基于全樹齡的研究方法可以應(yīng)用于不同樹種、不同巖性和不同地貌部位條件下的樹木分析，其中在樹種選擇方面，針葉林及板栗、核桃等少數(shù)闊葉林樹種取樣與分析過程相對容易。將計算結(jié)果與常用的RUSLE模型計算結(jié)果進行對比，得出兩者認定的侵蝕強度范圍基本一致，調(diào)查點所在區(qū)域以強度侵蝕至劇烈侵蝕為主；但因模型坡度參數(shù)低于實際值，模型計算獲得的侵蝕速率也低于實測值。

利用不同樹齡的計算結(jié)果初步分析了兩調(diào)查點的土壤侵蝕速率的時空變化特征，結(jié)果顯示，兩調(diào)查點的侵蝕強度為極強度侵蝕至劇烈侵蝕；興隆縣調(diào)查點土壤侵蝕速率相對較低且多年變化幅度較小，淶源縣調(diào)查點土壤侵蝕速率普遍較高，年代際變化明顯。

致謝：河北農(nóng)業(yè)大學李大偉工程師為本文提供對比圖件，謹致謝忱！

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