基于根系年輪的晉西北土壤侵蝕速率研究

楊晨欣，蘇常紅*，李宗善

（1. 山西大學 黃土高原研究所，山西 太原 030006；1*. 天津師范大學 地理與環(huán)境科學學院，天津 300387；2. 中國科學院 生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085）

0 引言

樹木根系年輪對周圍環(huán)境變化的響應十分靈敏，自然環(huán)境的突變可能會導致樹木根系發(fā)生不同程度的暴露。通過樹木根系年輪判斷微地貌變化發(fā)生的時間、位置、強度等信息，可以彌補可達性差的地區(qū)因歷史資料匱乏造成的數據獲取的不便［1］，為水土保持研究提供了一種全新的方法與思路。某些具有災害性的地貌活動會給樹木帶來毀滅性的打擊，但如果強度較小，很多樹木會存活下來，但都會受到不同程度的損傷，比如泥石流沖擊的痕跡，樹木傾斜或折斷，而這些損傷都會通過樹木年輪的異常變化表現出來，樹木年輪的變化為重建自然災害或人為影響造成的土壤侵蝕事件提供了可行的方法［2-3］。降水、風速、植被覆蓋度等自然環(huán)境因素及其綜合影響，都是造成土壤侵蝕的潛在原因［4］。土壤侵蝕會降低土壤肥力，對下游水庫造成泥沙淤積，對人類福祉造成嚴重的影響［4-5］。

目前基于根系年輪的土壤侵蝕研究相對較少，Ballesteros-Cánovas 等綜述了用于土壤侵蝕測量的樹木地貌學，重點研究了植被對地貌過程的響應［6］。Stoffel 等回顧了暴露根系對理解侵蝕過程及地貌演化的貢獻，認為暴露根系的細胞結構變化是根系失去上覆土層保護后正常的生理反應，即根系暴露后，細胞結構會發(fā)生變異以適應新的生存策略，且這種變異普遍存在［7］。孫麗萍等在金沙江干熱河谷龍川江流域的研究表明，根系導管面積是反演侵蝕過程的敏感指標，早材導管面積的變異是確定根系暴露時間的重要依據之一［8］。此外研究人員還對不同生境下土壤侵蝕的原因進行了分析識別，張雨以南方暴露馬尾松根系為研究對象，探討了土壤侵蝕強度與各環(huán)境因子間的關系。結果表明，區(qū)域內以喬灌草復合植被覆蓋條件下的樣地侵蝕速率最小，人類活動強度對土壤侵蝕劇烈程度有一定的影響，但不及植被覆蓋類型的影響大［9］。

黃土高原位于黃河流域中游，土質疏松、土壤顆粒細小，加上地面坡度大、夏季多發(fā)暴雨，加速了水土流失，是世界上水土流失最嚴重的地區(qū)之一。晉西北地區(qū)在長期流水侵蝕下地面植被稀疏，水土流失嚴重［10］。本文以黃土高原晉西北地區(qū)的天峰坪鎮(zhèn)為研究區(qū)，通過踏查將小葉楊（Populus simonii）根系定為研究對象，通過將植物解剖結構與土壤侵蝕信息結合起來，對基于樹木根系年輪在土壤侵蝕分析的可行性進行探討，拓展土壤侵蝕研究的方法與思路，為生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)修復在理論與實踐方面提供可供借鑒的案例。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于山西省忻州市偏關縣天峰坪鎮(zhèn)。偏關縣西鄰黃河，北接長城，全縣總面積為1 685.4 km2，處于山西省西北部與內蒙古自治區(qū)的交界處［11］。研究區(qū)位于東經111°22′～11°01′，北緯39°12′～39°40′，海拔在900 m～1 000 m。該區(qū)域地貌復雜多山，丘陵溝壑縱橫，總體呈現東高西低的地勢，土壤貧瘠，主要類型為固定風沙土，屬北溫帶大陸性氣候，年平均氣溫5 ℃～9 ℃，年平均降水量為415.3 mm［12］。

研究區(qū)樹種較為單一，以小葉楊為單一優(yōu)勢物種。通過踏查，選擇天峰坪鎮(zhèn)2 個較大的有侵蝕痕跡的樣地，分別是井溝和蹄子溝，進行調查與采樣（圖1），樣地內楊樹根系侵蝕呈現局部暴露、全部暴露、和淺埋多種形式。

2 研究方法

2.1 樣本采集

2019 年7 月19 日―2019 年7 月21 日對研究區(qū)進行調查采樣，共采集小葉楊根系樣品13 個。用手鋸在距離樹干水平距離大于0.5 m 之處采樣［13-14］，每個根系樣本的平均長度約為12 cm ～17 cm，按照根系不同暴露方式分3 種情況進行采樣：①正常生長根系（對照樣），采集距地表1、3、5 和7 cm的根系（圖1a）；②局部暴露根系，根系約暴露出2/3 左右（圖1b）；③淺露根系，根系暴露程度小于根系直徑的1/3（圖1c）。同時詳細記錄采樣點的地貌特征、采樣點距離樹干的距離和根系上表皮到土壤表面的垂直距離等。

圖1 研究區(qū)域位置圖及采樣點實景圖Fig. 1 Study area and photograph of sampling sites

2.2 樣本處理及分析

將采集的根系樣品在干燥陰涼處晾置1 個月左右，晾干后取厚度為3 cm 的根系圓盤。用不同粒徑（p240、p400、p800、p1200）的砂紙依次打磨根系圓盤橫截面，至年輪清晰可見。處理后的樣品使用數碼顯微鏡觀測，并沿圓盤直徑連續(xù)拍攝顯微照片。將顯微照片用Adobe Photoshop CS6 軟件拼接后使用Image-Pro Plus 圖像處理軟件進行處理，計算平均導管面積、平均早材導管面積和年輪內的導管數量等。小葉楊早晚材之間的分界線不明顯，取年輪內前50%導管面積的平均值為平均早材導管面積，根據根系早材導管面積的變化確定根系首次暴露時間。

2.3 土壤侵蝕速率估算方法

本文以小葉楊早材導管面積顯著減小、導管排列緊密作為判定根系暴露年份的指標。通過樹木根系解剖結構變化計算土壤侵蝕速率需確定2 個變量，即根系暴露厚度和根系暴露年份。參照前人研究方法［15-17］，建立基于根系的土壤侵蝕速率估算方程如下（公式（1）、（2），圖2）：

圖2 土壤侵蝕速率計算方程示意圖Fig. 2 Schematic diagram of equation for calculating soil erosion rate

式中，Er為侵蝕厚度；Ex為根系上表皮距地面的高度；Era為年侵蝕率；R1為當前輪徑；R2為樹根被侵蝕當年的輪徑；B1為根系上表皮的樹皮厚度；B2為根系下表皮的樹皮厚度；NRex為自暴露至采樣時的年輪數目。

2.4 影響因素分析與數據來源

本文對導致研究區(qū)土壤侵蝕的因素進行分析，主要分析了降水和風速這兩個因素，氣象月值數據均下載于中國氣象科學數據共享服務網（http：//data.cma.cn/），并基于Arcgis 克里格插值法插值得到研究區(qū)年平均降水和風速氣象數據。

3 結果與分析

3.1 暴露根系年輪解剖結構分析

樹木根系早材導管主要是輸送水分和無機鹽。根據其輸送營養(yǎng)物質的效率，可以間接反映根系生長狀況、受環(huán)境影響程度等信息，且導管對土壤厚度變化的感應十分敏感，可通過其細胞面積變化確定根系開始暴露的時間［18-19］。圖3a 為3 號樣本的顯微照片和早材導管細胞面積的變化圖。樹木根系2007－2009 年為正常生長，根系顯微結構為典型的散孔結構，早晚材導管面積無顯著性差異。2010 年早材細胞面積開始顯著減小，為2 253 μm2，而該年的降水量達411.74 mm，據此判定該根系樣本2010年開始暴露。從2010－2012 年早材導管面積持續(xù)減小，直到2012 年減少至1 447 μm2。

圖3 暴露根系細胞結構變化圖Fig. 3 Structural changes of exposed root cells

圖3b 為7 號樣本的顯微照片和早材導管細胞面積的變化圖。根據顯微照片和下方折線圖可見，2011－2012 年間，早材細胞的面積顯著減小，與2011 年相比，平均面積減少了2 454 μm2，因此可判斷該根系樣本在2012 年暴露，且2012 年之后面積持續(xù)下降，土壤持續(xù)受到侵蝕。

圖3c 為4 號樣本的顯微照片和早材導管細胞面積的變化圖。由顯微照片可見，2005－2007 年樹木根系為正常生長，根系顯微結構屬正常散孔結構。折線圖表明，2007 年到2008 年，根系導管面積發(fā)生驟減，從上一年的5 825 μm2降至3 913 μm2，2008 年之后，根系導管面積保持逐年下降趨勢，據此判定該根系樣本是在2008 年暴露。

圖3d 為8 號樣本的顯微照片和早材導管細胞面積的變化圖。顯微照片顯示此根系的早材導管細胞面積較其他根系偏大，與4 號樣本類似，折線圖顯示，此樣本的早材導管細胞面積也在2007 年到2008 年間發(fā)生了驟減，從上一年的21 607 μm2降至11 607 μm2，可判斷該根系樣本在2008 年暴露。

圖3e 為11 號樣本的顯微照片和早材導管細胞面積的變化圖。折線圖顯示，2008 年之后細胞面積一直維持小幅度波動，2016 年根系導管面積從17 929 μm2驟然減小至8 159 μm2，判定此根系樣品在2016 年開始暴露。

3.2 土壤侵蝕速率估算結果

早材導管面積的變異可確定根系首次暴露時間，計算各樣本侵蝕量及土壤侵蝕速率如表1 所示，2 號樣本的侵蝕量最低，7 號樣本的侵蝕量最高，6 號樣本的侵蝕速率最低，9 號樣本的侵蝕速率最高。

表1 各樣本參數及測算結果Table 1 Parameters and measurement results of sample

如表2 所示，雖然研究區(qū)兩個采樣點相距不遠，但其受到侵蝕的劇烈程度不同，井溝比蹄子溝的平均土壤侵蝕速率要大。

表2 兩個樣地的土壤侵蝕速率測算結果Table 2 Calculation results of soil erosion rate of two sample plots

3.3 影響因素分析

3.3.1 根系導管細胞面積與降雨量的相關性分析

降水是造成土壤侵蝕的潛在因素［20-21］。根系導管面積越小表示根系暴露程度越大，而根系暴露量越大，則表明土壤侵蝕的程度越重。分析研究區(qū)14年的平均降雨量與對應年份的導管細胞面積相關性可知，13 個樣本中，除2 號和11 號外，其余樣本均呈一定負相關趨勢，其中1 號和9 號顯著負相關（P＜0.05）（表3）。因此，降水是導致研究區(qū)根系暴露和土壤侵蝕的主要因素。

表3 根系導管細胞面積與降雨量相關性Table 3 Correlation between root vessel cell areas and rainfall

3.3.2 根系導管細胞面積與風速的相關性分析

風是導致土壤風蝕的直接動力，而風蝕的強弱則取決于風速的大?。?2］。表4 為天峰坪鎮(zhèn)從2005年到2018 年的導管細胞面積與風速的相關性分析結果，13 個樣本中有11 個樣本的導管細胞面積與風速呈負相關（P＜0.05），其中3 號、4 號、6 號和7 號樣本與降雨量呈顯著負相關關系，根系導管面積隨風速變大而減小，土壤侵蝕程度增加，表明風速也是導致根系暴露和土壤侵蝕的重要因素。

表4 根系導管細胞面積與風速相關性Table 4 Correlation between root vessel cell areas and wind speed

4 討論

本研究表明，降雨量越高，風速越大，根系暴露越嚴重，侵蝕量相應也越高，可見降雨和風蝕是造成研究區(qū)土壤侵蝕的重要原因。但與降雨量相比，導管細胞面積與風速顯著相關的樣本數量更多，表明研究區(qū)土壤侵蝕的影響因素中，風蝕的影響更為突出。目前在黃土高原土壤侵蝕相關研究中，降雨的侵蝕效應研究較多，對風蝕的研究少見。風蝕對土壤侵蝕的影響是迄需加強的研究方向。

通過比較蹄子溝和井溝兩個樣地的土壤侵蝕程度，發(fā)現蹄子溝的侵蝕度要弱于井溝。其原因在，蹄子溝坡度較小，植被好于井溝，植被冠層可滯留降水，有效阻擋雨水對土層的直接破壞，且林下草本和枯枝落葉層較多，凋落物亦可增加土壤團粒結構穩(wěn)定性，減少降雨和風蝕對土壤的直接沖刷和刮削；與蹄子溝相比，井溝地形復雜，坡度更大，植被稀疏，灌木和草本植物零星分布，土壤裸露面積大，抗蝕能力弱，導致蹄子溝的土壤侵蝕程度整體小于井溝。

與傳統的土壤侵蝕分析方法相比，基于根系年輪的土壤侵蝕測算法有其獨有的優(yōu)勢。首先，基于根系年輪的土壤侵蝕分析可以確定根系開始暴露的時間，為探索土壤侵蝕隨時間的變化提供了新的思路；此外，根系年輪寬度的變化與環(huán)境變化息息相關，為土壤侵蝕驅動機制的深入挖掘提供了可能。另外，與傳統方法相比，樹木根系年輪的測量和分析相對省時省力［23］。不足之處在于，各種氣候或災害事件的發(fā)生會影響樹木根系年輪的生長，使其出現缺年、偽輪的情況，影響對樹木定年的精確度，進而影響侵蝕率的估算精度［24-25］。因此需要更多的生態(tài)水文數據來提高定年準確性，在應用此方法估算土壤侵蝕速率值的同時，降低誤差，精確定年。

本研究對研究區(qū)土壤侵蝕狀況及其影響因素進行了分析，但仍有不足，如對地形、植被、人類活動等對土壤侵蝕影響的分析仍需要進一步探討，對降雨格局、土壤質地在抗蝕性方面的潛在因素未進行分析，這也是我們未來需要拓展的內容。目前當地對暴露根系的長期監(jiān)測十分缺乏，這會直接影響我們對研究區(qū)土壤侵蝕影響因素的定量評價，因此對該區(qū)樹木根系生理生長狀況的監(jiān)測工作十分必要，以期通過監(jiān)測得到精確數據，為生態(tài)治理措施的實施提供堅實可信的理論依據。

5 結論

偏關縣蹄子溝和井溝的土壤侵蝕量分別為7.77 和14.00 mm，平均土壤侵蝕速率分別為1.11、3.35 mm/a，侵蝕度較高。影響因素分析表明，根系導管細胞面積隨降雨量和風速的增大而減小，說明降水和風蝕是導致樹木根系暴露和土壤侵蝕的主要因素。