楊晨欣，蘇常紅*，李宗善

（1. 山西大學(xué) 黃土高原研究所，山西 太原 030006；1*. 天津師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津 300387；2. 中國科學(xué)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(yīng)十分靈敏，自然環(huán)境的突變可能會導(dǎo)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(dá)性差的地區(qū)因歷史資料匱乏造成的數(shù)據(jù)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(zāi)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(xiàn)出來，樹木年輪的變化為重建自然災(zāi)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(fēng)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(yán)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(xué)，重點研究了植被對地貌過程的響應(yīng)［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(xiàn)，認(rèn)為暴露根系的細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化是根系失去上覆土層保護(hù)后正常的生理反應(yīng)，即根系暴露后，細(xì)胞結(jié)構(gòu)會發(fā)生變異以適應(yīng)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(dǎo)管面積是反演侵蝕過程的敏感指標(biāo)，早材導(dǎo)管面積的變異是確定根系暴露時間的重要依據(jù)之一［8］。此外研究人員還對不同生境下土壤侵蝕的原因進(jìn)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(guān)系。結(jié)果表明，區(qū)域內(nèi)以喬灌草復(fù)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(zhì)疏松、土壤顆粒細(xì)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(yán)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(yán)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(jié)構(gòu)與土壤侵蝕信息結(jié)合起來，對基于樹木根系年輪在土壤侵蝕分析的可行性進(jìn)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(fù)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(guān)縣天峰坪鎮(zhèn)。偏關(guān)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(nèi)蒙古自治區(qū)的交界處［11］。研究區(qū)位于東經(jīng)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(fù)雜多山，丘陵溝壑縱橫，總體呈現(xiàn)東高西低的地勢，土壤貧瘠，主要類型為固定風(fēng)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(jìn)行調(diào)查與采樣（圖1），樣地內(nèi)楊樹根系侵蝕呈現(xiàn)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(jìn)行調(diào)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(jìn)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(xì)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(shù)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(jìn)行處理，計算平均導(dǎo)管面積、平均早材導(dǎo)管面積和年輪內(nèi)的導(dǎo)管數(shù)量等。小葉楊早晚材之間的分界線不明顯，取年輪內(nèi)前50%導(dǎo)管面積的平均值為平均早材導(dǎo)管面積，根據(jù)根系早材導(dǎo)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(dǎo)管面積顯著減小、導(dǎo)管排列緊密作為判定根系暴露年份的指標(biāo)。通過樹木根系解剖結(jié)構(gòu)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(dāng)前輪徑；R2為樹根被侵蝕當(dāng)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(shù)目。

2.4 影響因素分析與數(shù)據(jù)來源

本文對導(dǎo)致研究區(qū)土壤侵蝕的因素進(jìn)行分析，主要分析了降水和風(fēng)速這兩個因素，氣象月值數(shù)據(jù)均下載于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（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(fēng)速氣象數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 暴露根系年輪解剖結(jié)構(gòu)分析

樹木根系早材導(dǎo)管主要是輸送水分和無機鹽。根據(jù)其輸送營養(yǎng)物質(zhì)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(dǎo)管對土壤厚度變化的感應(yīng)十分敏感，可通過其細(xì)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(dǎo)管細(xì)胞面積的變化圖。樹木根系2007－2009 年為正常生長，根系顯微結(jié)構(gòu)為典型的散孔結(jié)構(gòu)，早晚材導(dǎo)管面積無顯著性差異。2010 年早材細(xì)胞面積開始顯著減小，為2 253 μm2，而該年的降水量達(dá)411.74 mm，據(jù)此判定該根系樣本2010年開始暴露。從2010－2012 年早材導(dǎo)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(xì)胞結(jié)構(gòu)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(dǎo)管細(xì)胞面積的變化圖。根據(jù)顯微照片和下方折線圖可見，2011－2012 年間，早材細(xì)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(dǎo)管細(xì)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(jié)構(gòu)屬正常散孔結(jié)構(gòu)。折線圖表明，2007 年到2008 年，根系導(dǎo)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(dǎo)管面積保持逐年下降趨勢，據(jù)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(dǎo)管細(xì)胞面積的變化圖。顯微照片顯示此根系的早材導(dǎo)管細(xì)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(dǎo)管細(xì)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(dǎo)管細(xì)胞面積的變化圖。折線圖顯示，2008 年之后細(xì)胞面積一直維持小幅度波動，2016 年根系導(dǎo)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(jié)果

早材導(dǎo)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(shù)及測算結(jié)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(yuǎn)，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(jié)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(dǎo)管細(xì)胞面積與降雨量的相關(guān)性分析

降水是造成土壤侵蝕的潛在因素［20-21］。根系導(dǎo)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(yīng)年份的導(dǎo)管細(xì)胞面積相關(guān)性可知，13 個樣本中，除2 號和11 號外，其余樣本均呈一定負(fù)相關(guān)趨勢，其中1 號和9 號顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）（表3）。因此，降水是導(dǎo)致研究區(qū)根系暴露和土壤侵蝕的主要因素。

表3 根系導(dǎo)管細(xì)胞面積與降雨量相關(guān)性Table 3 Correlation between root vessel cell areas and rainfall

3.3.2 根系導(dǎo)管細(xì)胞面積與風(fēng)速的相關(guān)性分析

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

表4 根系導(dǎo)管細(xì)胞面積與風(fēng)速相關(guān)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(fēng)速越大，根系暴露越嚴(yán)重，侵蝕量相應(yīng)也越高，可見降雨和風(fēng)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(dǎo)管細(xì)胞面積與風(fēng)速顯著相關(guān)的樣本數(shù)量更多，表明研究區(qū)土壤侵蝕的影響因素中，風(fēng)蝕的影響更為突出。目前在黃土高原土壤侵蝕相關(guān)研究中，降雨的侵蝕效應(yīng)研究較多，對風(fēng)蝕的研究少見。風(fēng)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(xiàn)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(tuán)粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少降雨和風(fēng)蝕對土壤的直接沖刷和刮削；與蹄子溝相比，井溝地形復(fù)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(dǎo)致蹄子溝的土壤侵蝕程度整體小于井溝。

與傳統(tǒng)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(guān)，為土壤侵蝕驅(qū)動機制的深入挖掘提供了可能。另外，與傳統(tǒng)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(zāi)害事件的發(fā)生會影響樹木根系年輪的生長，使其出現(xiàn)缺年、偽輪的情況，影響對樹木定年的精確度，進(jìn)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(shù)據(jù)來提高定年準(zhǔn)確性，在應(yīng)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(jìn)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(jìn)一步探討，對降雨格局、土壤質(zhì)地在抗蝕性方面的潛在因素未進(jìn)行分析，這也是我們未來需要拓展的內(nèi)容。目前當(dāng)?shù)貙Ρ┞陡档拈L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(shù)據(jù)，為生態(tài)治理措施的實施提供堅實可信的理論依據(jù)。

5 結(jié)論

偏關(guān)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(dǎo)管細(xì)胞面積隨降雨量和風(fēng)速的增大而減小，說明降水和風(fēng)蝕是導(dǎo)致樹木根系暴露和土壤侵蝕的主要因素。