基于树木年轮重建密云小西天流域泥石流事件

王志兰，马 超，吴佳亮，苗 绿，路 璐

（1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2.北京市地质研究所，北京 100120）

引言

泥石流运动过程中携带的块石、泥沙会撞击、淤埋树干，对树轮生长造成干扰［1-2］：如伤疤和愈伤组织、创伤性树脂管［3-4］、生长抑制和释放［5］、弯曲木［6-7］、偏心生长［8］等。这些不同类型的扰动造成树木外部形态、年轮宽度以及组织结构等的异常证据，常用来确定灾害发生的时间、频率、强度等，即树轮地貌法［9］。

国外利用树轮地貌法重建泥石流活动研究较早，大部分主要集中于年表构建［10-11］，时空分布特征［12-13］，规模和重现期［14-16］，堆积扇演变以及灾害发展趋势［17-18］等方面。国内方面，有研究人员通过偏心指数重建了磨西河流域20年间的2次泥石流活动和5次洪水活动［19］；通过年轮生长抑制和释放百分比，在北京市密云区重建了两条沟道的8次山洪泥石流事件［20］。总体而言，国内外大部分基于树轮地貌法重建泥石流活动都是采用针叶树进行分析，较少利用阔叶木的生长扰动响应开展泥石流灾害史的重建研究。针叶树在受到泥石流淤埋或者冲刷后，树轮生长抑制和释放滞后时间较短［21］，而阔叶木由于主根埋藏较深，根系展布范围更大，生长抑制和释放的滞后时间可能会有不同。此外，树龄大小也是影响滞后时间的重要因素之一。文中以北京市密云区小西天沟为例，基于树干伤疤和响应指数对泥石流灾害史进行重建，依据已知和重建灾害年份扰动木的空间位置确定泥石流的空间分布模式，并讨论阔叶树（主要以栾树为主，其他种类的阔叶树有山杨、槭树和槲栎等所占采样树数量比例较小）树轮生长对泥石流活动的生长抑制和释放的滞后效应。研究结果以期为区域基于阔叶树树轮重建泥石流灾害史、区域气候变化和山地灾害史研究提供支撑。

1 小西天沟概况

小西天沟地处北京市密云区冯家峪镇番字牌乡北部，距密云水库25 km。流域南高北低，高差约582 m，面积7.15 km2，沟长4.50 km，主沟纵比降129‰［22］。研究区位于东西向构造带和新华夏构造带的交汇处，处于燕山余脉军都山中山区。山坡陡峭，岩石破碎。流域地层岩性主要为白云岩、砾岩、片麻岩、花岗岩［23-24］（图1）。

图1 研究区概况图Fig.1 Simplified map showing the Xiaoxitian watershed

研究区气候类型为暖温带大陆性季风气候，多年平均温度为8.5℃。降水量多集中在6～8月份，占全年总降水量的70%以上，7月多年月平均降水量达196.9 mm。据资料记载，该沟曾发生过2次大型泥石流事件：1989年7月21日全天降雨量达362.1 mm，最大雨强为58.7 mm/h，高强度、长历时的暴雨导致沟道内多处发生滑坡，并参与泥石流过程；1991年6月10日暴雨历时及强度均小于1989年泥石流事件，活动规模稍小，这2次事件为本研究利用树轮地貌法重建灾害史提供验证［25-26］。此外，1977年夏季该沟可能发生过泥石流，但具体灾害信息不详。

2 树轮采集与分析

为尽可能获取过去泥石流活动情况，在有明显泥石流活动迹象的区域（如：泥石流冲刷形成的沟道以及堆积区等）进行取样［27］。通常沿着泥石流冲刷方向，在胸高位置钻取样芯至髓芯，见图2（f）。每棵树1～2个样芯，记录采样点位置，树高、胸径和干扰类型等基本信息［28］。对伤疤木，尽量靠近伤疤位置处和伤口对侧取样［29］。小西天流域1994-1997年进行了综合治理，建有3座拦砂坝，见图2（e）。由于不同规模泥石流活动范围以及对树木生长的扰动程度差异明显［30］，研究以3处拦砂坝和沟道交汇点O为界，将流域划分为AO、OB、BC、CP段（表1，图2）。AO段位于两条沟的交汇处，汇水量大，共采样64棵干扰木，平均树龄为27.84；OB和BC段位于沟道中游，由于拦砂坝阻挡，受到泥石流影响较小，分别采集到19、20棵干扰木，平均树龄为20.26、24.55；上游CP段是泥石流活动最强烈的区域，采集到93棵干扰木，平均树龄为25.89。

图2 采样点位分布及拦砂坝、野外取样图Fig.2 Location of sampling sites，check dams and tree ring distribution

表1 沟道不同分区年轮样本信息Table 1 The tree ring samplings information in four channel segments

树轮样本制备和分析步骤按照标准树轮地貌程序进行处理，包括样品通风、晾晒、固定；依次用由粗到细的砂纸（300～1 500目）打磨，直至在显微镜下年轮宽度和界限清晰可见［31-32］；然后用LinTabTSAPWin6.0年轮分析仪测量年轮宽度；通过COFECHA程序检验交叉定年的质量，剔除与主序列相关性较差的样芯［33-34］；最后共留下227个样芯可供树轮地貌法分析（表1），AO、OB、BC、CP段样芯数分别为86、21、25和95。

泥石流事件造成的树木年轮生长抑制和释放会有不同程度的滞后，而伤疤和愈伤组织是最直接的证据［35-36］。由于采样树都是沿着沟道分布，用于分析的伤疤和愈伤组织的位置朝着泥石流冲刷的方向，且1989和1991年记载的大规模泥石流事件过后，遗留在岸坡上的松散结构物质较少；另一方面，滑坡和崩塌的物质多为岩质，质地坚硬，重量和冲击力大，通常会造成树木树冠断裂，或者压力过大而导致树木弯曲甚至折断，基于这两点原因，基本可以排除崩塌和滑坡等因素造成的树木损伤对研究产生的干扰［37-38］。研究基于半定量的方法：即至少两棵树在同一年、同一分段区域内出现伤疤或愈伤组织，即确定泥石流事件的发生［39-40］。为了避免用于分析的样本量增加而高估年轮中出现的干扰，用“响应指数”（It）进一步分析重建年内树木的扰动比例，对事件年做进一步验证［41］：

式中：Rt为t年受泥石流影响的干扰木数量；At为t年中所采样品中存活树木数量。国内外有将It＞5%确定为灾害事件年份［8］，也有认为样本量为150时，It＞2%可以精确重建78%的泥石流事件［42］；本研究基于已知泥石流事件年份（1989、1991年）的It值，对其他灾害年份事件造成的扰动情况进行分析。此外，由于复本量随着树龄的增加而减少会导致重建年表的可信度降低，本研究定年要求当年采样树数量不低于5棵［28，43］。

3 结果与讨论

3.1 泥石流年表

AO段取样的64棵树中有32棵伤疤木，识别出44个愈伤组织（表1），重建了10个泥石流历史事件年：1977、1989、1991、2001、2004、2005、2007、2009-2011年，It的平均值（9.5%）代表每个泥石流事件平均造成近10%的树木产生伤疤和愈伤组织，重建最远的泥石流可追溯到1977年，当时有20%的取样树木受到影响，其他具有相对较高It值的年份是：1989、1991、2001（均≥10%），见图3（a）。

OB段重建的3个事件年为：2007、2008和2012年，It值分布均匀，就扰动树木比例而言，3个事件年份相同，见图3（b）。BC段调查的采样树中有13棵伤疤木，识别出了21个愈伤组织，重建了6个历史事件年份，分别为：1991、1996、2001、2005、2007和2011年，It平均值为22.6%，1991年的响应指数值最大（40%），其他高于平均值的年份有：2005（25%）和2007（25%）年，见图3（c）。

图3 分段区域泥石流年表及“响应指数”Fig.3 Chronology and“response index”of debris flow in segmented area

CP段中伤疤木和识别出的愈伤组织数量较多，重建了12个历史泥石流年份，分别为：1989、1991、1997、1998、2001、2005、2007、2009、2011、2012、2014、2015年；It的平均值为8.5%，高于平均值的年份有：1989（19.4%）、1991（20.0%）、2007（9.8%）和2011（8.7%）年，见图3（d）。定年结果表明：AO和CP段重建的泥石流较多，OB和BC段较少。

基于树木生长扰动的年代测定和响应树比例分析，共重建了自1968-2018年中的17个泥石流事件年份：1977、1989、1991、1996-1998、2001、2004-2005、2007-2012、2014-2015年（图4）。各重建的泥石流事件年份的响应树木、当年存活的树木数量和响应指数（It）值如表2所示，It的平均值为6.4%，高于平均值的年份有：

1977（14.3%）、1989（12.9%）、1991（21.1%）、2001

（10.3%）、2005（9.8%）、2007（10.8%）和2011（8.2%）年。其中，1977、1989和1991年泥石流事件造成的扰动木比例最大，与历史记载相吻合。从图4中也可以看出，样本量随着时间拉近逐渐增大，提取可利用的信息越多，越有助于泥石流事件的重建；而距离现在的时间间隔越长，例如：在20世纪80年代以前留下来的样本数量较小，可能识别出的泥石流事件相对的就少。对于1989和1991年泥石流，AO和CP段都精确定年，而OB段1989、1991年和BC段1989年没有被定年的原因是复本量不足。据档案记载，1989年的泥石流事件规模大于1991年，而本研究结果显示1991年It值较大，很可能是1989年的泥石流强大的冲击力带走了沿途很多的树木，限制了伤疤树的数量。

图4 小西天流域泥石流年表及“响应指数”Fig.4 Chronology and“response index”of Xiaoxitian watershed debris flow

表2 重建泥石流年份响应树木、采样树木以及响应指数（It）值Table 2 Reconstruction of response tree，sampling tree and response index（It）value of debris flow year

3.2 泥石流重现期

基于树轮地貌法定年的结果，1968-2018年各个分段区域的泥石流重现期情况（图5）：（1）AO段：5年期频率为1，即平均每5年暴发一次泥石流事件，最多的5年期中有3年发生了泥石流事件；（2）OB段：5年期频率为0.30，2006-2010年间隔期内有2个泥石流事件年，2011-2015年有1个泥石流事件年；（3）BC段：5年期频率为0.60，2001-2005年泥石流活动最活跃，5年中有2年都为事件年；（4）CP段：5年期频率为1.2，因是沟道上游泥石流活动最频繁，1996-2000、2001-2005、2006-2010都有2个事件年，2011-2015中有4个都为泥石流事件年份。图6中显示，小西天沟在最近23年中，泥石流活动显著增强（17个事件年中的14个），196棵树的平均年龄为25.85，足够的树木数量，覆盖的平均可靠时间为25.85年，进一步证明了事件重建的准确性。近50年泥石流事件的5年期平均频率为1.70，

图5 分段区域泥石流5年期频率Fig.5 Five-year frequency of debris flow in segmented area

平均每5年发生1.70次泥石流事件。2006-2010年和2011-2015年重建的泥石流事件年最多，5年中有4年都是事件年；其他的间隔期中有2个5年期 频 数 为3，3个5年 期 频 数 为1。1968-1970、

1971-1975、1981-1985年以及2015-2018年这几个时间间隔内，没有明显的泥石流迹象。

3.3 泥石流的空间分布

泥石流历史活动的空间范围是依据响应（伤疤和愈伤组织）树木的位置来进行确定。总体而言，流域上游重建的事件最多，沟道中游OB和BC段重建的年份较少。据已知、重建的事件年份，可以区分两种基本的泥石流空间分布模式，第1种为全流域型泥石流：分段的4个小区域范围内至少有3个在同一年重建了泥石流事件，代表性的年份有1991和1989年，泥石流活动范围波及整个小西天沟，规模和强度最大，扰动树木较均匀分布在整个沟道，见图7（a）、（b）。其余的重建年份中，2001、2005、2007以及2011的泥石流也推测在整个流域内发生，强度相对较小；第2种为局部型泥石流：这类泥石流对周围树木以及环境造成的危害较全流域型泥石流而言小的多，仅同时在沟道的2段小区域及局部范围内活动，代表性年份为2012和1977年，见图7（c）、（d），响应树木较少，且只集中在小范围内。

图6 小西天流域泥石流5年期频率Fig.6 Five-year frequency of debris flow in Xiaoxitian watershed

图7 小西天沟泥石流事件的空间分布范围Fig.7 Spatial distribution of debris flow events in Xiaoxitian watershed

3.4 代表性年份树木生长对泥石流事件响应的滞后效应

重建的泥石流历史事件结果证实了1977年泥石流事件的发生。因此，选用代表性年份：1977、1989和1991年为例，讨论分析该研究区内树木生长对泥石流事件响应的滞后效应。对年轮宽度变化的分析表明，1977年泥石流事件，14棵现存树木，共有11棵树木年轮宽度有明显变化，包括4次生长抑制，7次生长释放（表3）。

表3 1977、1989和1991年生长抑制和释放概况表Table 3 Growth suppression and release in 1977，1989 and 1991

图8 典型树轮生长对泥石流事件的抑制和释放响应Fig.8 Examples of growth suppression and release in 1977，1989 and 1991

图8（a）和（b）中显示了4棵与1977年事件相关的干扰示例。例如，图8（a）中第1棵树木生长曲线表明，1977年泥石流事件发生之后，1978年树轮宽度并没有表现出明显的变化，而是在1979至1980年出现了连续2年的明显减少的现象；图8（b）中编号为3的树木同样是抑制现象，1978年树轮宽度显示了大幅度减少的特征且只持续了1年。1977年对事件响应的干扰木中，树木年轮宽度出现明显增加的现象，滞后0～2年出现，持续1～2年，图8（a）中编号2的树木生长释放滞后1年至1978年出现，持续1年；编号4，释放滞后0年，持续2年。

对74个样本生长曲线的分析结果显示，1989和1991年的泥石流事件，突然的生长抑制是最常见的扰动。1989年的抑制占55.41%，响应滞后0～1年，持续1～3年。例如，图8（c）中的编号为5的树木，1989年的事件之后，1990年树轮宽度明显减少且持续3年到1992年。1989年泥石流造成的树木生长释放占35.14%，滞后0～2年出现，持续1～2年。图8（c）中编号6的树木年轮，1989年表现出了明显增大的现象且持续2年。1991年的泥石流事件，树木年轮出现的生长抑制现象占56.76%，滞后0～1年，持续1～2年；图8（d）中编号7的树木年轮宽度1991年表现出明显减小的现象且持续2年；生长释放占35.14%，滞后0～2年出现，持续1～3年，编号为8的树木，生长释放，滞后1年，持续3年到1994年。

将1977年与1989、1991年滞后效应的结果相比较，1977年用于滞后效应分析的树木树龄较大，生长抑制滞后1～3年，滞后效应比较明显，而1989和1991年的采样树树龄较小，生长抑制都只滞后了0～1年，滞后效应相对较弱；生长释放的滞后效应没有显示出明显的差异。由于研究区为阔叶树的主要生长地，采样点位于沟道内，没有针叶树生长，所以没有对该区域的针叶树进行生长抑制和释放滞后效应的研究，但在奥地利阿尔卑斯山有研究人员利用针叶树进行滞后效应的研究时发现，泥石流造成其树轮生长抑制滞后时间在0～2年的范围内，而树轮生长释放的滞后时间在不同泥石流事件年也没有表现出明显差异［21］。造成生长抑制滞后时间不同的原因有很多，最重要的原因可能是本研究所采用的阔叶木根系主根埋藏较深，根系展布范围更大，其受到泥石流扰动后造成的滞后时间要长。

4 泥石流事件年验证

本研究利用树轮地貌学对北京市密云区小西天流域的泥石流历史事件进行重建，共识别出了1968-2018年的17个泥石流事件年份，1977、1989、1991、1996-1998、2001、2004-2005、2007-2012、2014-2015年。历史记载的番字牌乡周边泥石流事件有：1977年7月7日、1989年7月21日、1991年6月10日，与重建的事件吻合。此外，历史记载该时间段有7次暴雨事件（表4），时间为：1994年7月12日、1997年7月19日、2005年8月14日、2008年6月25日、2011年7月24日、2012年7月21日以及2013年7月15日，其中5次事件与重建年份相同。这些资料记载进一步加强了重建的准确性［44-45］。其中，1994和2013年没有定年的原因可能一方面是由于暴雨雨强不足，难以激发泥石流；另一方面可能是采样没有涉及到受灾害扰动的树木。

表4 1968-2018年暴雨与山洪泥石流历史事件Table 4 Historical events of torrents and debris flows from 1968 to 2018

5 结论

文中以北京市密云区冯家峪镇小西天泥石流沟为研究对象，通过采集的树芯样本，基于树轮地貌学的方法，重建了该地区的泥石流事件年份，并对频率、空间分布模式以及滞后效应进行了讨论分析，结果表明：

（1）通过对伤疤和愈伤组织分析，共重建了1968-2018年间17个不同大小规模的泥石流事件：1977、1989、1991、1996-1998、2001、2004-2005、2007-2012、2014-2015年。1968-2018年小西天沟泥石流5年期频率为1.70。20世纪末和21世纪初泥石流频率逐渐增大。未来该研究区泥石流可能多以中小规模为主，但仍需加强和重视灾害的预警预报工作。

（2）确定了泥石流活动的2种基本空间模式：一种为至少在3段小区域内同时发生的全流域型泥石流：1989、1991、2001、2005、2007和2011年；另一种为仅在2段小区域及以下范围内发生的局部型泥石流：1977、1996-1998、2004、2008-2010、2012、2014-2015年。

（3）树轮生长对泥石流活动响应的滞后效应结果显示，1977、1989、1991年事件造成的树轮生长抑制分别滞后1～3、0～1、0～1年出现；树轮生长释放都滞后0～2年出现。造成生长抑制滞后的差异性可能是因为不同树龄对事件响应的敏感性程度不同，生长释放没有表现出差异性的原因有待进一步探索。