樹輪地貌學方法在坡面土壤侵蝕調查中的應用

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查點，對河北省環首都山地的坡面土壤侵蝕進行了調查，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。結果表明，利用全樹齡分析方法所取得的坡面水土流失數據與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。

關鍵詞：樹輪地貌學；土壤侵蝕速率；樹齡分析法；河北省環首都山地

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，在緩坡上應用效果較好，在中國部分陡坡侵蝕區域，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及推移質泥沙信息，計算結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]，多以提供近年內重復監測期內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境變化的響應為依據[9]，具有定年準確、連續性強、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]是應用樹輪定年技術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、影響區域、發生頻率等數據的方法。樹木地貌學方法已被廣泛應用于如地震[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構變化，如年輪寬度變化、偏心、傷痕、導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域土壤侵蝕速率實測方面更加便捷、高效，可應用于無資料區、無野外觀測條件區域[33]及山體坡度變化大、地形破碎區域的土壤侵蝕狀況，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果不能代表該調查點的整體情況；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，在很多地區不被允許；第四，樹根解剖法的室內分析工作費時長，經費耗費大，對植物學專業知識及分析設備要求高，應用推廣受限。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，相應的侵蝕速率計算結果為樹木生長期的平均侵蝕速率。根據這種方法，研究組分別于2016年5月及7月在河北省環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，并對研究區土壤侵蝕速率的時空變化特征進行了初步分析。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域

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）。兩地區的自然地理特征見表1。

1.2 研究方法

在自然植被區或人類活動影響較小的地區選擇有樹根暴露的地點開展調查。采用侵蝕厚度量算法計算其侵蝕量，記錄調查點的坡度、坡向，使用GPS確定調查點的經緯度及海拔，分析并記錄調查點的巖性、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 調查點與調查樣品分析

1.3.1 調查點環境特征 共獲得調查點30處（表2），其中1-15號調查點位于興隆縣，其余位于淶源縣。調查點海拔高度介于275～1 277 m，地表坡度介于26°～56°，研究區基巖類型包括白云巖、灰巖、片麻巖、角礫巖、花崗巖、凝灰巖、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重要。本次調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、農田及建設活動較少的地區，取樣程度相對容易。刺槐、山楊、榆樹等木質較硬或水分含量大，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 全樹齡法與相關模型對比分析

各調查點的土壤侵蝕速率及侵蝕強度等級根據公式（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，將計算數據與研究區域已有研究成果[39]進行對比。

2 結果與分析

2.1 侵蝕速率的空間變化特征

由表2可知，調查點的土壤侵蝕速率介于8.4～31.6 mm/a，其中10個調查點的侵蝕速率小于10 mm/a，18個調查點的侵蝕速率介于10～20 mm/a， 2個調查點大于20 mm/a。根據《土壤侵蝕強度分級標準》[39]，調查點的侵蝕強度級別屬于極強度侵蝕和劇烈侵蝕，這和調查點選取的位置有關。首先，興隆縣與淶源縣均屬于暴雨集中地區；其次，調查點均位于山地，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，發生土壤侵蝕的可能性較高；再次，調查點附近大多未能形成較好的林灌草結構，多數侵蝕速率高值區的植被類型多為孤樹或孤樹稀草，不利于水土保持。此外，調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、灰巖、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，興隆縣調查點的多年侵蝕速率范圍相對穩定，為8.6～16.0 mm/a。淶源縣調查點的侵蝕速率普遍較高，多數介于10～15 mm/a，但年較差大。淶源縣調查點中樹齡為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，據此推測1983-1988年間出現了強侵蝕事件。根據《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，發生洪水災害13次，土壤侵蝕嚴重。因此由不同數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 全樹齡法與相關模型對比結果

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。實測數據與基于RUSLE模型的計算數據[39]的對比結果見圖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模型的計算結果均認定該區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號調查點的判斷結果一致外，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，而樹齡法使用了現場實測坡度，故模型法的計算結果多低于全樹齡法的實際測量值。這也體現了樹輪地貌學方法應用于地形及坡度變化復雜地區的優越性。

3 結論endprint

樹輪地貌學方法建立在侵蝕年份、侵蝕量的測量基礎上，是土壤侵蝕速率現場調查的新途徑和新趨勢。相對于傳統方法，樹輪地貌學方法在地形變化復雜區域的應用上有一定優越性，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，在山區坡面土壤侵蝕調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查點進行了分析，結果表明，基于全樹齡的研究方法可以應用于不同樹種、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、核桃等少數闊葉林樹種取樣與分析過程相對容易。將計算結果與常用的RUSLE模型計算結果進行對比，得出兩者認定的侵蝕強度范圍基本一致，調查點所在區域以強度侵蝕至劇烈侵蝕為主；但因模型坡度參數低于實際值，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果初步分析了兩調查點的土壤侵蝕速率的時空變化特征，結果顯示，兩調查點的侵蝕強度為極強度侵蝕至劇烈侵蝕；興隆縣調查點土壤侵蝕速率相對較低且多年變化幅度較小，淶源縣調查點土壤侵蝕速率普遍較高，年代際變化明顯。

致謝：河北農業大學李大偉工程師為本文提供對比圖件，謹致謝忱！

參考文獻

[1] 南秋菊，華 珞.國內外土壤侵蝕研究進展[J].首都師范大學學報（自然科學版），2003，24（2）：86-95.

[2] WISCHMEIER W H，SMITH D D. Predicting Rainfall Erosion Losses：A Guide to Conservation Planning[M]. Washington，US：Department of Agriculture，1978.

[3] RENARD K G，FOSTER G R，WEESIES G A，et al. Predicting Rainfall Erosion Losses：A Guide to Conservation Planning with the Revised Universal Soil Loss Equation（RUSLE）[M]. Washington D C，US：Department of Agriculture，1997.

[4] 張麗云，蔡 湛，李慶辰，等.小灤河谷地土壤侵蝕速率的定量測算[J].湖北農業科學，2012，51（14）：2964-2967.

[5] 田 鵬，趙廣舉，穆興民，等.基于改進RUSLE模型的皇甫川流域土壤侵蝕產沙模擬研究[J].資源科學，2015，37（4）：832-840.

[6] 丁文峰，張平倉，王愛娟，等.幾種坡面土壤侵蝕測量方法的比較研究[J].長江科學院院報，2015，32（11）：14-18.

[7] 焦菊英，景 可，李林育，等.應用輸沙量推演流域侵蝕量的方法探討[J].泥沙研究，2008（4）：1-7.

[8] 唐 強，鮑玉海，賀秀斌，等.土壤侵蝕監測新方法和新技術[J].中國水土保持科學，2011，9（2）：11-18.

[9] 吳祥定.樹木年輪與氣候變化[M].北京：氣象出版社，1990.

[10] 羅 美，周運超.喀斯特地區樹根解剖特征與土壤侵蝕[J].林業科學，2012，48（3）：132-135.

[11] ALESTALO J. Dendrochronological interpretation of geomorphic processes[J].Fennia，1971，105（1）：1-140.

[12] 王秀麗，唐 亞.樹木地貌學在地質災害研究中的應用[J].山地學報，2014（6）：761-768.

[13] 韓同林.西藏當雄一帶地震形變帶發生年代確定的新方法——樹木年輪計算法[J].中國地質科學院院報，1983（2）：95-106.

[14] 楊 斌，劉百篪，周俊喜.甘肅古浪、景泰活斷層上的樹木地震學研究[J].地震地質，1995，17（2）：139-147.

[15] WILES G C，CALKIN P E，JACOBY G C. Tree-ring analysis and Quaternary geology：Principles and recent applications[J].Geomorphology，1996，16（3）：259-272.

[16] HEBERTSON E G，JENKINS M J. Historic climate factors associated with major avalanche years on the Wasatch Plateau， Utah[J].Cold Regions Science and Technology，2003，37（3）： 315-332.

[17] STOFFEL M，CONUS D，GRICHTING M A，et al. Unraveling the patterns of late Holocene debris-flow activity on a cone in the Swiss Alps：Chronology，environment and implications for the future[J].Global and Planetary Change，2008，60：222-234.

[18] PERRET，S，STOFFEL，M，KIENHOLZ H. Spatial and temporal rockfall activity in a forest stand in the Swiss Prealps—A dendrogeomorphological case study[J].Geomorphology，2006，74（1-4）：219-231.endprint

[19] GERS E，FLORIN N，GARTNER H，et al. Application of shrubs for dendrogeomorphological analysis to reconstruct spatial and temporal landslide movement patterns—A preliminary study[J].Zeitschrift Fur Geomorphologie Supplementband，2001，19：163-175.

[20] STEFANINI M C. Spatio-temporal analysis of a complex landslide in the Northern Apennines（Italy） by means of dendrochronology[J].Geomorphology，2004，63（3）：191-202.

[21] MEYER G A. Recent large-magnitude floods and their impact on valley-floor environments of northeastern Yellowstone[J].Geomorphology，2001，40（3）：271-290.

[22] MALIK I. Rates of lateral channel migration along the Mala Panew River （Southern Poland） based on dating riparian trees and coarse woody debris[J].Dendrochronologia，2005，23（1）：29-38.

[23] B？魪GIN Y. Tree-ring dating of extreme lake levels at the subarctic-boreal interface[J].Quaternary Research，2001，55（2）： 133-139.

[24] GARTNER H. Tree roots—Methodological review and new development in dating and quantifying erosive processes[J].Geomorphology，2007，86（3）：243-251.

[25] LAMARCHE J R V C. Origin and geologic significance of buttress roots of bristlecone pines，White Mountains，California[J].US Geological Survey Professional Paper，1963，475：148-149.

[26] EARDLEY A J，VIAVANT W. Rates of Denudation as Measured by Bristlecone Pines，Ceder Breaks，Utah[M].Utah：Geological and Mineralogical Survey，1967.

[27] VANDEKERCKHOVE L，MUYS B，POESEN J，et al. A method for dendrochronological assessment of medium-term gully erosion rates[J].Catena，2001，45（2）：123-161.

[28] CARRARA P E，CARROLL T R. The determination of erosion rates from exposed tree roots in the piceance basin，colorado[J].Earth Surface Processes，1979，4（4）：307-317.

[29] MCAULIFFE J R，SCUDERI L A，MCFADDEN L D. Tree-ring record of hillslope erosion and valley floor dynamics：Landscape responses to climate variation during the last 400yr in the Colorado Plateau，northeastern Arizona[J].Global and Planetary Change，2006，50（3）：184-201.

[30] BOLLSCHWEILER M，STOFFEL M，SCHNEUWLY D. Assessing the spatio-temporal debris-flow activity on a forested cone using tree-ring data[A].Proceedings of the Interpraevent International Symposium Disaster Mitigation of Debris Flows，Slope Failures and Landslides[C].Nagoya，Japan：Universal Academy Press，2006.597-604.

[31] GARTNER H，SCHWEINGRUBER F H，DIKAU R. Determination of erosion rates by analyzing structural changes in the growth pattern of exposed roots[J].Dendrochronologia，2001， 19（1）：81-91.endprint

[32] HITZ O M，G？魧RTNER H，HEINRICH I，et al. Wood anatomical changes in roots of European ash（Fraxinus excelsior L.） after exposure[J].Dendrochronologia，2008，25（3）：145-152.

[33] 孫麗萍，王小丹.基于根系解剖結構的金沙江干熱河谷土壤侵蝕速率估算[J].地理科學，2012，32（4）：492-498.

[34] P？魪REZ-RODR？魱GUEZ R，MARQUES M J，BIENES R. Use of dendrochronological method in Pinushalepensis to estimate the soil erosion in the South East of Madrid（Spain）[J].Science of the Total Environment，2007，378（1）：156-160.

[35] SCHNABEL S. Using botanical evidence for the determination of erosion rates in semi-arid tropical areas[J].Advances in Geoecology，1994，27：31-45.

[36] GRAF W L. The rate law in fluvial geomorphology[J].American Journal of Science，1977， 277（2）：178-191.

[37] ZHOU F，GOU X，ZHANG J，et al. Application of Picea wilsonii roots to determine erosion rates in eastern Qilian Mountains，Northwest China[J].Trees，2013，27（2）：371-378.

[38] SL190-2007，土壤侵蝕分類分級標準[S].

[39] 李大偉，趙文廷，尹海魁，等.淶源縣土壤侵蝕與地形分布特征研究[J].土壤學報，2016，47（3）：705-712.

[40] 賴發葉.試論母巖巖性與土壤侵蝕的關系[J].中國水土保持，1989（7）：41-43.endprint