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樹(shù)輪地貌學(xué)方法在坡面土壤侵蝕調(diào)查中的應(yīng)用

2017-09-09 00:17程林李慶辰王艷霞
湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年15期

程林+李慶辰+王艷霞

摘要:通過(guò)對(duì)樹(shù)根解剖法的綜合分析,提出了基于全樹(shù)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(diǎn),對(duì)河北省環(huán)首都山地的坡面土壤侵蝕進(jìn)行了調(diào)查,探討了樹(shù)齡分析法在不同地貌部位、不同巖性、不同樹(shù)種條件下土壤侵蝕研究的可行性。結(jié)果表明,利用全樹(shù)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(shù)齡的樹(shù)輪地貌學(xué)方法對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕情況的時(shí)空變化特征具有更強(qiáng)的指示性和分辨率,實(shí)用性更高。

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

中圖分類號(hào):X4;Q948.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(xué)方法、水文學(xué)方法、測(cè)量學(xué)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(guó)部分陡坡侵蝕區(qū)域,其適用性仍需進(jìn)一步探討[4,5]。地球化學(xué)方法主要是通過(guò)同位素分析或稀土元素示蹤等途徑來(lái)測(cè)定一定時(shí)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(lái)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(duì)侵蝕量[1],且工作效率較低[6]。水文學(xué)觀測(cè)方法基于多年水文泥沙觀測(cè)資料[7],但泥沙資料缺乏溶解質(zhì)及推移質(zhì)泥沙信息,計(jì)算結(jié)果在反映坡面侵蝕總量方面存在一定誤差。測(cè)量學(xué)方法包括地面測(cè)量、航空遙感和原位定點(diǎn)觀測(cè)等[8],多以提供近年內(nèi)重復(fù)監(jiān)測(cè)期內(nèi)的土壤侵蝕速率為主。

樹(shù)輪定年方法以樹(shù)木年輪生長(zhǎng)特性及其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)為依據(jù)[9],具有定年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高的特點(diǎn),是使用最為廣泛的定年方法之一[10]。樹(shù)輪地貌學(xué)方法[11]是應(yīng)用樹(shù)輪定年技術(shù)并參考樹(shù)輪序列特征、樹(shù)木外表痕跡等信息[12]確定地貌事件的類型、強(qiáng)度、位置、影響區(qū)域、發(fā)生頻率等數(shù)據(jù)的方法。樹(shù)木地貌學(xué)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(lái),樹(shù)輪地貌學(xué)方法已經(jīng)開(kāi)始被用于確定坡面土壤侵蝕速率[24-26]。樹(shù)輪地貌學(xué)方法的應(yīng)用原理為通過(guò)測(cè)算樹(shù)木根系暴露時(shí)間及侵蝕量來(lái)計(jì)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(guò)量算裸露樹(shù)根的長(zhǎng)度、侵蝕高度、寬度等來(lái)復(fù)原被侵蝕土壤的體積[10,27]。侵蝕厚度量算法則是通過(guò)對(duì)根系頂面至根下部的當(dāng)前地表面的垂直距離[28,29]進(jìn)行計(jì)算,以確定侵蝕厚度,該方法使用較為廣泛。根系暴露時(shí)間的確定是侵蝕時(shí)長(zhǎng)測(cè)算的關(guān)鍵,目前能夠確定樹(shù)根暴露年份的方法為樹(shù)根解剖法。該方法通過(guò)樹(shù)根截面樣品與正常埋藏樹(shù)根分析樹(shù)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(lái)進(jìn)行研究的樹(shù)種最初以針葉樹(shù)為主。近年來(lái),闊葉樹(shù)種也開(kāi)始被納入研究范圍[32],如槭樹(shù)[10]、赤桉[33]等。

相對(duì)于其他方法,樹(shù)輪地貌學(xué)方法在小區(qū)域土壤侵蝕速率實(shí)測(cè)方面更加便捷、高效,可應(yīng)用于無(wú)資料區(qū)、無(wú)野外觀測(cè)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(shí)間分異特征。國(guó)外學(xué)者在西班牙[34]、比利時(shí)[27]、瑞士[24]、美國(guó)西部[25-28]等地開(kāi)展了研究,也證實(shí)了樹(shù)輪地貌法可被應(yīng)用于計(jì)算不同地貌部位的侵蝕量,如細(xì)溝的溝間侵蝕量[28,35]以及溝渠的侵蝕量[27,36]等。國(guó)內(nèi)的研究開(kāi)展相對(duì)較晚。羅美等[10]使用闊葉林樹(shù)種研究了樹(shù)木地貌學(xué)方法的可行性,并進(jìn)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(shù)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(shù)根解剖法為樹(shù)根所在地點(diǎn)的土壤侵蝕速率測(cè)算提供了直觀的計(jì)算方法,但是仍然存在一定不足。第一,樹(shù)根的生長(zhǎng)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(shí)間上會(huì)存在一定誤差;第二,土壤侵蝕可能導(dǎo)致樹(shù)木的多根樹(shù)根暴露,一棵樹(shù)木的不同樹(shù)根可能在不同的年份暴露,一根樹(shù)根年輪及侵蝕量的測(cè)算結(jié)果不能代表該調(diào)查點(diǎn)的整體情況;第三,截取樹(shù)根樣品的辦法會(huì)對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)造成一定的損害,在很多地區(qū)不被允許;第四,樹(shù)根解剖法的室內(nèi)分析工作費(fèi)時(shí)長(zhǎng),經(jīng)費(fèi)耗費(fèi)大,對(duì)植物學(xué)專業(yè)知識(shí)及分析設(shè)備要求高,應(yīng)用推廣受限。endprint

為使樹(shù)輪地貌學(xué)方法易于推廣使用,可采用基于全樹(shù)齡的分析方法,即侵蝕時(shí)長(zhǎng)因子采用調(diào)查樹(shù)木主干的樹(shù)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(jì)算結(jié)果為樹(shù)木生長(zhǎng)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(jìn)行了試驗(yàn),探討樹(shù)齡分析法在不同地貌部位、不同出露程度、不同巖性、不同樹(shù)種條件下土壤侵蝕觀測(cè)的可行性,并對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕速率的時(shí)空變化特征進(jìn)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(guó)第二、三級(jí)階梯的界線——太行山和燕山,是東亞季風(fēng)區(qū)夏季風(fēng)的迎風(fēng)坡,地形坡度大,夏季年均降水量大且多暴雨,水土流失較嚴(yán)重(圖1)。兩地區(qū)的自然地理特征見(jiàn)表1。

1.2 研究方法

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

參照Gartner[24]提出的基于樹(shù)根解剖法的土壤侵蝕速率,引入全樹(shù)的樹(shù)齡參數(shù)R,給出了基于樹(shù)齡法的土壤年侵蝕速率計(jì)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(shù)基部至當(dāng)前地表的高度,由現(xiàn)場(chǎng)量算獲得,單位為mm;R為樹(shù)齡,由樹(shù)輪樣品獲得,單位為a。

1.3 調(diào)查點(diǎn)與調(diào)查樣品分析

1.3.1 調(diào)查點(diǎn)環(huán)境特征 共獲得調(diào)查點(diǎn)30處(表2),其中1-15號(hào)調(diào)查點(diǎn)位于興隆縣,其余位于淶源縣。調(diào)查點(diǎn)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(shù)、孤樹(shù)草被、孤樹(shù)灌叢、稀樹(shù)草地、稀樹(shù)灌叢、稀樹(shù)灌草叢、樹(shù)叢草地、樹(shù)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(shù)輪取樣與分析過(guò)程 樹(shù)輪樣品的取樣難易程度及其年輪的辨識(shí)度對(duì)確定侵蝕速率至關(guān)重要。本次調(diào)查點(diǎn)的樹(shù)木類型有針葉林1種(油松)、闊葉林6種(包括核桃、榆樹(shù)、板栗、遼東櫟、刺槐、山楊)。代表性樹(shù)輪樣品見(jiàn)圖2。

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

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

1.4 全樹(shù)齡法與相關(guān)模型對(duì)比分析

各調(diào)查點(diǎn)的土壤侵蝕速率及侵蝕強(qiáng)度等級(jí)根據(jù)公式(1)及《土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[38]計(jì)算得出。為考察樹(shù)木地貌學(xué)方法的特點(diǎn),將計(jì)算數(shù)據(jù)與研究區(qū)域已有研究成果[39]進(jìn)行對(duì)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(diǎn)的土壤侵蝕速率介于8.4~31.6 mm/a,其中10個(gè)調(diào)查點(diǎn)的侵蝕速率小于10 mm/a,18個(gè)調(diào)查點(diǎn)的侵蝕速率介于10~20 mm/a, 2個(gè)調(diào)查點(diǎn)大于20 mm/a。根據(jù)《土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[39],調(diào)查點(diǎn)的侵蝕強(qiáng)度級(jí)別屬于極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕,這和調(diào)查點(diǎn)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(diǎn)均位于山地,坡度較陡,其中坡度大于30°的達(dá)28個(gè),其中大于等于45°的有8個(gè),發(fā)生土壤侵蝕的可能性較高;再次,調(diào)查點(diǎn)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(shù)或孤樹(shù)稀草,不利于水土保持。此外,調(diào)查點(diǎn)的基巖多為太古代、古生代、中生代時(shí)期形成的花崗巖、輝綠巖、片麻巖、灰?guī)r、角礫巖等,風(fēng)化嚴(yán)重,抗蝕能力差[40]。

2.2 侵蝕速率的時(shí)間變化特征

根據(jù)表2制作了不同樹(shù)齡的土壤侵蝕速率變化特征,見(jiàn)圖3。由圖3可知,興隆縣調(diào)查點(diǎn)的多年侵蝕速率范圍相對(duì)穩(wěn)定,為8.6~16.0 mm/a。淶源縣調(diào)查點(diǎn)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(diǎn)中樹(shù)齡為30~33 a[生長(zhǎng)時(shí)間范圍為(1983-1986年)至今]的樹(shù)木多年侵蝕速率多高于15 mm/a,最高達(dá)31.6 mm/a,但樹(shù)齡大于33 a的樹(shù)木及樹(shù)齡介于25~28 a(生長(zhǎng)時(shí)間范圍為1988-1991年)多低于15 mm/a,據(jù)此推測(cè)1983-1988年間出現(xiàn)了強(qiáng)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(dāng)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(yán)重。因此由不同數(shù)目侵蝕速率來(lái)分析土壤侵蝕的時(shí)間變化特征及推測(cè)強(qiáng)侵蝕事件是可行的。

2.3 全樹(shù)齡法與相關(guān)模型對(duì)比結(jié)果

基于RUSLE模型,以淶源縣為例,對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與基于RUSLE模型的計(jì)算數(shù)據(jù)[39]的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4與表3。由表3、圖4可知,基于樹(shù)齡法的侵蝕強(qiáng)度等級(jí)與RUSLE模型的計(jì)算結(jié)果均認(rèn)定該區(qū)域的侵蝕強(qiáng)度為強(qiáng)度侵蝕或以上,且大部分為極強(qiáng)度侵蝕或劇烈侵蝕。此外,除16、20、22、29、30號(hào)調(diào)查點(diǎn)的判斷結(jié)果一致外,其他均不一致。這是因?yàn)槭苓b感影像分辨率影響,該模型使用的坡度值低于實(shí)際值,而樹(shù)齡法使用了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)坡度,故模型法的計(jì)算結(jié)果多低于全樹(shù)齡法的實(shí)際測(cè)量值。這也體現(xiàn)了樹(shù)輪地貌學(xué)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(shù)輪地貌學(xué)方法建立在侵蝕年份、侵蝕量的測(cè)量基礎(chǔ)上,是土壤侵蝕速率現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的新途徑和新趨勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)方法,樹(shù)輪地貌學(xué)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(shù)齡的樹(shù)輪地貌學(xué)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(qiáng)的實(shí)用性。

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

利用不同樹(shù)齡的計(jì)算結(jié)果初步分析了兩調(diào)查點(diǎn)的土壤侵蝕速率的時(shí)空變化特征,結(jié)果顯示,兩調(diào)查點(diǎn)的侵蝕強(qiáng)度為極強(qiáng)度侵蝕至劇烈侵蝕;興隆縣調(diào)查點(diǎn)土壤侵蝕速率相對(duì)較低且多年變化幅度較小,淶源縣調(diào)查點(diǎn)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(xué)李大偉工程師為本文提供對(duì)比圖件,謹(jǐn)致謝忱!

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