树轮地貌学方法在坡面土壤侵蚀调查中的应用

程林+李庆辰+王艳霞

摘要：通过对树根解剖法的综合分析，提出了基于全树龄的坡面土壤侵蚀调查方法。利用该方法，选择河北省涞源县、兴隆县两地作为典型调查点，对河北省环首都山地的坡面土壤侵蚀进行了调查，探讨了树龄分析法在不同地貌部位、不同岩性、不同树种条件下土壤侵蚀研究的可行性。结果表明，利用全树龄分析方法所取得的坡面水土流失数据与RUSLE模型具有一定的可比性，而且基于全树龄的树轮地貌学方法对研究区土壤侵蚀情况的时空变化特征具有更强的指示性和分辨率，实用性更高。

关键词：树轮地貌学；土壤侵蚀速率；树龄分析法；河北省环首都山地

中图分类号：X4；Q948.2 文献标识码：A 文章编号：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

土壤侵蚀速率的研究方法包括模型法、地球化学方法、水文学方法、测量学方法[1]等。其中模型法应用较广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，在缓坡上应用效果较好，在中国部分陡坡侵蚀区域，其适用性仍需进一步探讨[4，5]。地球化学方法主要是通过同位素分析或稀土元素示踪等途径来测定一定时间段或坡段的土壤侵蚀速率。其中，同位素示踪分析方法（如137Cs等）主要反映核尘埃产生以来的土壤侵蚀情况；稀土元素示踪法多用于研究特殊地貌区的相对侵蚀量[1]，且工作效率较低[6]。水文学观测方法基于多年水文泥沙观测资料[7]，但泥沙资料缺乏溶解质及推移质泥沙信息，计算结果在反映坡面侵蚀总量方面存在一定误差。测量学方法包括地面测量、航空遥感和原位定点观测等[8]，多以提供近年内重复監测期内的土壤侵蚀速率为主。

树轮定年方法以树木年轮生长特性及其对环境变化的响应为依据[9]，具有定年准确、连续性强、分辨率高的特点，是使用最为广泛的定年方法之一[10]。树轮地貌学方法[11]是应用树轮定年技术并参考树轮序列特征、树木外表痕迹等信息[12]确定地貌事件的类型、强度、位置、影响区域、发生频率等数据的方法。树木地貌学方法已被广泛应用于如地震[13-15]、雪崩[16]、泥石流[17]、滚石[18]、滑坡[19，20]、洪水[21]、河道迁移[22]、甚至是湖泊水位变化[23]等方面的研究。1960年以来，树轮地貌学方法已经开始被用于确定坡面土壤侵蚀速率[24-26]。树轮地貌学方法的应用原理为通过测算树木根系暴露时间及侵蚀量来计算年侵蚀速率。其中侵蚀量或侵蚀体积的量算方法目前主要有侵蚀体积还原法和侵蚀厚度量算法。侵蚀体积还原法是通过量算裸露树根的长度、侵蚀高度、宽度等来复原被侵蚀土壤的体积[10，27]。侵蚀厚度量算法则是通过对根系顶面至根下部的当前地表面的垂直距离[28，29]进行计算，以确定侵蚀厚度，该方法使用较为广泛。根系暴露时间的确定是侵蚀时长测算的关键，目前能够确定树根暴露年份的方法为树根解剖法。该方法通过树根截面样品与正常埋藏树根分析树根年轮解剖结构变化，如年轮宽度变化、偏心、伤痕、导管和纤维面积变化等[24，30，31]。用来进行研究的树种最初以针叶树为主。近年来，阔叶树种也开始被纳入研究范围[32]，如槭树[10]、赤桉[33]等。

相对于其他方法，树轮地貌学方法在小区域土壤侵蚀速率实测方面更加便捷、高效，可应用于无资料区、无野外观测条件区域[33]及山体坡度变化大、地形破碎区域的土壤侵蚀状况，并且能反映土壤侵蚀的时间分异特征。国外学者在西班牙[34]、比利时[27]、瑞士[24]、美国西部[25-28]等地开展了研究，也证实了树轮地貌法可被应用于计算不同地貌部位的侵蚀量，如细沟的沟间侵蚀量[28，35]以及沟渠的侵蚀量[27，36]等。国内的研究开展相对较晚。罗美等[10]使用阔叶林树种研究了树木地貌学方法的可行性，并进一步分析了贵州喀斯特地貌区的土壤侵蚀速率；孙丽萍等[33]分析了云南金沙江干热河谷地区的土壤侵蚀速率；张丽云等[4]使用不同种类和年龄的树木分析了冀北地区土壤侵蚀速率的变化特征；Zhou等[37]使用云杉分析了祁连山东部地区的土壤侵蚀速率。树根解剖法为树根所在地点的土壤侵蚀速率测算提供了直观的计算方法，但是仍然存在一定不足。第一，树根的生长状况受多因素的综合影响，导管和纤维面积变化量在反映暴露时间上会存在一定误差；第二，土壤侵蚀可能导致树木的多根树根暴露，一棵树木的不同树根可能在不同的年份暴露，一根树根年轮及侵蚀量的测算结果不能代表该调查点的整体情况；第三，截取树根样品的办法会对树木的生长造成一定的损害，在很多地区不被允许；第四，树根解剖法的室内分析工作费时长，经费耗费大，对植物学专业知识及分析设备要求高，应用推广受限。endprint

为使树轮地貌学方法易于推广使用，可采用基于全树龄的分析方法，即侵蚀时长因子采用调查树木主干的树龄。在侵蚀厚度量算方法不变的前提下，相应的侵蚀速率计算结果为树木生长期的平均侵蚀速率。根据这种方法，研究组分别于2016年5月及7月在河北省环首都山地的兴隆县以及涞源县进行了试验，探讨树龄分析法在不同地貌部位、不同出露程度、不同岩性、不同树种条件下土壤侵蚀观测的可行性，并对研究区土壤侵蚀速率的时空变化特征进行了初步分析。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

涞源县及兴隆县分别位于中国第二、三级阶梯的界线——太行山和燕山，是东亚季风区夏季风的迎风坡，地形坡度大，夏季年均降水量大且多暴雨，水土流失较严重（图1）。两地区的自然地理特征见表1。

1.2 研究方法

在自然植被区或人类活动影响较小的地区选择有树根暴露的地点开展调查。采用侵蚀厚度量算法计算其侵蚀量，记录调查点的坡度、坡向，使用GPS确定调查点的经纬度及海拔，分析并记录调查点的岩性、地貌特征、植被与土壤、附近人类活动等特征。使用树木生长锥钻取树干离地面1.3 m处的树轮样品，并通過晾晒、打磨、年轮测算等程序确定调查地点的树龄。

参照Gartner[24]提出的基于树根解剖法的土壤侵蚀速率，引入全树的树龄参数R，给出了基于树龄法的土壤年侵蚀速率计算公式：

Era=Ex/R （1）

其中，Era为土壤侵蚀速率，单位为mm/a；Ex为侵蚀厚度，也即树基部至当前地表的高度，由现场量算获得，单位为mm；R为树龄，由树轮样品获得，单位为a。

1.3 调查点与调查样品分析

1.3.1 调查点环境特征 共获得调查点30处（表2），其中1-15号调查点位于兴隆县，其余位于涞源县。调查点海拔高度介于275～1 277 m，地表坡度介于26°～56°，研究区基岩类型包括白云岩、灰岩、片麻岩、角砾岩、花岗岩、凝灰岩、辉绿岩等，植被特征包括孤树、孤树草被、孤树灌丛、稀树草地、稀树灌丛、稀树灌草丛、树丛草地、树丛灌丛等，沉积物类型包括残积物、坡积物、残坡积物、冲积物。

1.3.2 树轮取样与分析过程 树轮样品的取样难易程度及其年轮的辨识度对确定侵蚀速率至关重要。本次调查点的树木类型有针叶林1种（油松）、阔叶林6种（包括核桃、榆树、板栗、辽东栎、刺槐、山杨）。代表性树轮样品见图2。

调查过程显示，在树轮获取难易程度方面，油松是分布相对广泛、取样程度最容易的树种。板栗、辽东栎、核桃等树种广泛分布于坡度较陡、农田及建设活动较少的地区，取样程度相对容易。刺槐、山杨、榆树等木质较硬或水分含量大，样品获取费时较长，难度相对较大。

在树轮辨识度方面，油松的早材和晚材色彩差异明显，可辨识度最高；其次为核桃、榆树、辽东栎等树种；刺槐、山杨辨识度相对较低。

1.4 全树龄法与相关模型对比分析

各调查点的土壤侵蚀速率及侵蚀强度等级根据公式（1）及《土壤侵蚀强度分级标准》[38]计算得出。为考察树木地貌学方法的特点，将计算数据与研究区域已有研究成果[39]进行对比。

2 结果与分析

2.1 侵蚀速率的空间变化特征

由表2可知，调查点的土壤侵蚀速率介于8.4～31.6 mm/a，其中10个调查点的侵蚀速率小于10 mm/a，18个调查点的侵蚀速率介于10～20 mm/a， 2个调查点大于20 mm/a。根据《土壤侵蚀强度分级标准》[39]，调查点的侵蚀强度级别属于极强度侵蚀和剧烈侵蚀，这和调查点选取的位置有关。首先，兴隆县与涞源县均属于暴雨集中地区；其次，调查点均位于山地，坡度较陡，其中坡度大于30°的达28个，其中大于等于45°的有8个，发生土壤侵蚀的可能性较高；再次，调查点附近大多未能形成较好的林灌草结构，多数侵蚀速率高值区的植被类型多为孤树或孤树稀草，不利于水土保持。此外，调查点的基岩多为太古代、古生代、中生代时期形成的花岗岩、辉绿岩、片麻岩、灰岩、角砾岩等，风化严重，抗蚀能力差[40]。

2.2 侵蚀速率的时间变化特征

根据表2制作了不同树龄的土壤侵蚀速率变化特征，见图3。由图3可知，兴隆县调查点的多年侵蚀速率范围相对稳定，为8.6～16.0 mm/a。涞源县调查点的侵蚀速率普遍较高，多数介于10～15 mm/a，但年较差大。涞源县调查点中树龄为30～33 a[生长时间范围为（1983-1986年）至今]的树木多年侵蚀速率多高于15 mm/a，最高达31.6 mm/a，但树龄大于33 a的树木及树龄介于25～28 a（生长时间范围为1988-1991年）多低于15 mm/a，据此推测1983-1988年间出现了强侵蚀事件。根据《涞源县水利志》记载，1988年全年降水量为775.2 mm，为1964-2003年间的极大值，当年雨季始于6月下旬，终于8月中旬，发生洪水灾害13次，土壤侵蚀严重。因此由不同数目侵蚀速率来分析土壤侵蚀的时间变化特征及推测强侵蚀事件是可行的。

2.3 全树龄法与相关模型对比结果

基于RUSLE模型，以涞源县为例，对土壤侵蚀强度进行了对比分析。实测数据与基于RUSLE模型的计算数据[39]的对比结果见图4与表3。由表3、图4可知，基于树龄法的侵蚀强度等级与RUSLE模型的计算结果均认定该区域的侵蚀强度为强度侵蚀或以上，且大部分为极强度侵蚀或剧烈侵蚀。此外，除16、20、22、29、30号调查点的判断结果一致外，其他均不一致。这是因为受遥感影像分辨率影响，该模型使用的坡度值低于实际值，而树龄法使用了现场实测坡度，故模型法的计算结果多低于全树龄法的实际测量值。这也体现了树轮地貌学方法应用于地形及坡度变化复杂地区的优越性。

3 结论endprint

樹轮地貌学方法建立在侵蚀年份、侵蚀量的测量基础上，是土壤侵蚀速率现场调查的新途径和新趋势。相对于传统方法，树轮地貌学方法在地形变化复杂区域的应用上有一定优越性，基于全树龄的树轮地貌学方法为侵蚀年份的确定提供了更加便捷的途径，在山区坡面土壤侵蚀调查中具有更强的实用性。

使用树轮地貌学方法对涞源县及兴隆县调查点进行了分析，结果表明，基于全树龄的研究方法可以应用于不同树种、不同岩性和不同地貌部位条件下的树木分析，其中在树种选择方面，针叶林及板栗、核桃等少数阔叶林树种取样与分析过程相对容易。将计算结果与常用的RUSLE模型计算结果进行对比，得出两者认定的侵蚀强度范围基本一致，调查点所在区域以强度侵蚀至剧烈侵蚀为主；但因模型坡度参数低于实际值，模型计算获得的侵蚀速率也低于实测值。

利用不同树龄的计算结果初步分析了两调查点的土壤侵蚀速率的时空变化特征，结果显示，两调查点的侵蚀强度为极强度侵蚀至剧烈侵蚀；兴隆县调查点土壤侵蚀速率相对较低且多年变化幅度较小，涞源县调查点土壤侵蚀速率普遍较高，年代际变化明显。

致谢：河北农业大学李大伟工程师为本文提供对比图件，谨致谢忱！

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