樹輪地貌學(xué)重建滑坡事件研究進(jìn)展

洪婷， 白世彪， 王建

1)南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京，210023； 2) 南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，210023； 3)江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210023；

內(nèi)容提要: 樹輪地貌學(xué)以其定年準(zhǔn)確、分辨率高和時(shí)間跨度長(zhǎng)等特點(diǎn)在地表過程的研究中具有極其重要的作用。樹木年輪可以作為一個(gè)可靠的工具來獲得滑坡過去活動(dòng)的歷史證據(jù)，進(jìn)而解釋現(xiàn)在正在發(fā)生的并窺探滑坡的變形信息。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外樹輪地貌學(xué)方法在滑坡事件研究中的現(xiàn)狀和取得的成果進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)闡釋了樹輪地貌學(xué)的原理和樹輪地貌學(xué)重建滑坡活動(dòng)跡象與時(shí)空分布的研究進(jìn)展，并討論了該方法存在的不足,展望了我國(guó)利用樹輪地貌學(xué)開展滑坡事件研究的前景。

據(jù)國(guó)際工程地質(zhì)與環(huán)境協(xié)會(huì)(IAEG)滑坡委員會(huì)的不完全估計(jì)，在過去的約1ka內(nèi)，在自然災(zāi)害造成的人員傷亡中，約有14%是由滑坡造成的。滑坡災(zāi)害是我國(guó)最主要的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害類型之一，給人類生命安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來的危害和損失日益增多(殷坤龍等，1986)。2008年5月12日，我國(guó)發(fā)生的汶川地震誘發(fā)了數(shù)萬處滑坡、崩塌等災(zāi)害，導(dǎo)致了約兩萬人死亡(Huang Runqiu et al.，2008；Cui Peng et al，2009；Yin Yueping et al.，2009)；根據(jù)中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院發(fā)布的地質(zhì)災(zāi)害通報(bào)，2012 年1～9 月，全國(guó)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害14032 起，其中滑坡10738 起和崩塌2015 起，地質(zhì)災(zāi)害共造成348 人死亡失蹤、246人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失51.6 億元。目前滑坡災(zāi)害研究的熱點(diǎn)，主要集中在單體滑坡形成機(jī)理與動(dòng)力學(xué)過程研究、滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警、滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理、滑坡防治工程技術(shù)研究等4個(gè)方面，其中滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理技術(shù)方法的研究成為滑坡災(zāi)害的研究熱點(diǎn)之一(吳樹仁等，2012)，滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究?jī)?nèi)容主要包括滑坡易發(fā)程度評(píng)價(jià)、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(石菊松等，2007；崔鵬等，2008；劉希林等，2011, 吳樹仁等，2012)。

目前滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估處于從定性到定量估算的發(fā)展階段，存在很大技術(shù)難點(diǎn)和問題(Van Westen et al., 2006; 石菊松等，2007)。Guzzetti等(1999)對(duì)滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的定義做了修正，認(rèn)為滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)包含了滑坡發(fā)生的位置、時(shí)間和規(guī)模，從最初的定義“特定時(shí)間和空間范圍內(nèi)，潛在破壞現(xiàn)象的發(fā)生概率”(Varnes，1984)，發(fā)展到“不僅要表示特定區(qū)域內(nèi)形成滑坡的概率，同時(shí)也要表示遠(yuǎn)處的不穩(wěn)定斜坡對(duì)該區(qū)域造成影響的概率”(Spiker et al.，2003)。即必須要預(yù)測(cè)哪里最容易發(fā)生滑坡、什么時(shí)間或者將要發(fā)生頻率和滑坡發(fā)生的規(guī)模三個(gè)方面。其中滑坡時(shí)間和空間預(yù)測(cè)的不確定性為難點(diǎn)之一，滑坡時(shí)間概率也即滑坡發(fā)生的頻率，通常采用年概率來表征，是滑坡危險(xiǎn)性評(píng)估的關(guān)鍵內(nèi)容之一(吳樹仁等，2012)。利用歷史滑坡編錄數(shù)據(jù)能夠重建滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律，進(jìn)一步分析滑坡災(zāi)害誘發(fā)因素、發(fā)生機(jī)制和預(yù)測(cè)滑坡災(zāi)害變化趨勢(shì)(黃潤(rùn)秋，2004)。只有定量地重建了滑坡災(zāi)害時(shí)空分布?xì)v史和預(yù)測(cè)未來變化趨勢(shì)，才能進(jìn)行滑坡風(fēng)險(xiǎn)定量地評(píng)估(Bai Shibiao et al.， 2009, 2010, 2011)。當(dāng)前具備滑坡發(fā)生位置和時(shí)間等屬性信息完備的歷史滑坡編錄數(shù)據(jù)十分罕見(Aleotti et al.，1999； Casadei et al.，2003； 石菊松等，2008)，導(dǎo)致當(dāng)前滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估大量的研究都局限于滑坡的易發(fā)程度性評(píng)價(jià)(殷坤龍等，1993；許沖等，2011)，鮮有研究從滑坡災(zāi)害的術(shù)語(yǔ)定義本身進(jìn)行區(qū)域滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)(Saez et al.，2012a)，而且當(dāng)前大量的基于統(tǒng)計(jì)分析模型和確定性模型的研究，均不能重建過去的滑坡時(shí)空分布模式和預(yù)測(cè)未來變化趨勢(shì)(Saez et al.，2012b)。樹木年輪的主要優(yōu)勢(shì)在于記錄了滑坡歷史活動(dòng)的證據(jù)，在一定程度上能夠窺探滑坡的緩慢變形和滑坡再次發(fā)生，可以為滑坡風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估的時(shí)間概率計(jì)算提供依據(jù)。

1 樹輪地貌學(xué)的原理

在樹輪年代學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，從樹木年輪序列中提取各種環(huán)境信息的樹木年輪學(xué)，其分支學(xué)科目前主要包括樹輪氣候?qū)W、樹輪水文學(xué)、樹輪生態(tài)學(xué)和樹輪地貌學(xué)等(高琳琳等，2011)。1971年Alestalo闡述了樹輪地貌學(xué)研究方法，并指出樹輪地貌學(xué)是利用從樹輪中獲得的數(shù)據(jù)研究地貌過程并給出地貌過程未來發(fā)展趨勢(shì)的學(xué)科(Alestalo，1971)。早在1893年McGee(1893)就使用樹輪記錄來恢復(fù)滑坡發(fā)生的時(shí)間，隨后大量的利用樹輪重建地貌過程和外部干擾事件發(fā)生時(shí)間研究(Braam et al.，1987a，1987b；Shroder，1980；Butler et al.，1987)開始涌現(xiàn)，使樹輪地貌學(xué)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。在1990年，吳祥定先生的《樹木年輪與氣候變化》一書中就把年輪地質(zhì)學(xué)作為樹輪年代學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科進(jìn)行闡述，認(rèn)為地震、滑坡和泥石流等，亦使受影響范圍內(nèi)樹木生長(zhǎng)與其它地區(qū)有差異，這種差異在年輪變化上有所反映，從而為研究歷史上這些災(zāi)害的源地、頻率提供新的資料(吳祥定，1990)。

年輪寬度是樹輪地貌學(xué)進(jìn)行滑坡災(zāi)害事件的相關(guān)研究最主要的指標(biāo)，它指示著樹木徑向生長(zhǎng)量，每一輪的形成及其寬窄不僅取決于當(dāng)年即生長(zhǎng)前期的許多氣候因子的綜合影響，還受到坡度、坡向和坡位等立地環(huán)境，以及樹木種類、土壤、污染、滑坡、泥石流、地震和林內(nèi)干擾等因素的影響。盡管年輪寬度可能與樹種、樹木立地環(huán)境和災(zāi)害干擾等有關(guān)，但主要還是與所處大環(huán)境的降水和溫度關(guān)系最為密切(王婷等，2003)?；谏鲜鰳淠旧韺W(xué)基礎(chǔ)，在利用年輪寬度開展自然災(zāi)害研究時(shí)，可利用復(fù)本原理來減小單株及個(gè)別樣地的隨機(jī)影響，通過借助均一性原理來反演過去的生長(zhǎng)環(huán)境的變化。

樹木年輪在其生長(zhǎng)過程中，由于受到自然災(zāi)害等地貌過程的影響會(huì)有如下的變化記錄在年輪中(圖1)：① 樹木傷疤；② 樹干傾斜；③ 樹木斷頭和枝杈的減少；④ 根部暴露；⑤ 周圍樹木消失。許多樹種可以存活幾個(gè)世紀(jì)甚至更長(zhǎng)的時(shí)間(Brown，1996)，在缺乏較長(zhǎng)歷史記載的地區(qū)，應(yīng)用樹輪來確定諸如滑坡、崩塌和泥石流等災(zāi)害事件的發(fā)生時(shí)間具有重要的意義。雖然一次災(zāi)害性的事件可能會(huì)毀滅其上生長(zhǎng)的所有樹木，但是經(jīng)歷強(qiáng)度較小，速度較慢的滑坡事件的樹木可以存活下來。由于樹木對(duì)外部環(huán)境的干擾反應(yīng)靈敏，這些存活下來的樹木都毫無疑問地受到了損傷，樹木斷頭、傾斜、撞擊的痕跡或者根部的斷裂(圖1)，這些損傷都會(huì)記錄在樹輪里面(Stoffel et al.，2008, 2010)。這就為樹木年輪重建滑坡、泥石流和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害事件提供了真實(shí)可靠的手段和方法(洪婷等，2012)。

圖1 災(zāi)害影響下的年輪表現(xiàn)Fig. 1 The tree rings performance under the influence of disasters

野外工作中，在滑坡滑動(dòng)地區(qū)盡可能多的采集樹輪樣品，從而盡可能多的獲得災(zāi)害信息。然而，為了排除極端氣候等對(duì)樹木生長(zhǎng)的影響，還要對(duì)滑坡附近穩(wěn)定區(qū)域的森林群落內(nèi)進(jìn)行參照樹樣品的采集(Saez et al.，2012a，2012b，2012c)，將兩者進(jìn)行對(duì)比，只在年輪序列中提取滑坡事件信息。

2 樹輪地貌學(xué)重建滑坡事件

地質(zhì)災(zāi)害是復(fù)雜的隨機(jī)事件，也就是說滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的位置、時(shí)間和規(guī)模等具有很大的不確定性。生長(zhǎng)在滑坡災(zāi)害發(fā)生地區(qū)的樹木是這些事件的“見證者”，這些事件對(duì)樹木產(chǎn)生的影響都忠實(shí)地記錄在樹輪中，樹輪以其定年準(zhǔn)確、分辨率高和時(shí)間跨度大等特點(diǎn)，在缺乏長(zhǎng)期歷史資料記載的地區(qū)，該方法對(duì)重建一定歷史時(shí)期內(nèi)滑坡事件發(fā)生的時(shí)空分布模式有重大意義。利用樹木年輪可以重建較長(zhǎng)時(shí)間尺度上的滑坡事件，從而可以計(jì)算出滑坡復(fù)活時(shí)段(Saez et al.，2012c；洪婷等，2012；Eeckhaut et al.，2009；Hong Ting et al.，2012a)和滑坡活動(dòng)的重現(xiàn)期(Saez et al.，2012a，2012b；Kashiwaya et al.，1987)，可以作為預(yù)測(cè)未來滑坡發(fā)生的依據(jù)。

Clague(2010)提出了利用樹輪地貌學(xué)研究方法確定滑坡發(fā)生時(shí)間的三種策略：① 先確定滑坡體上的最老的樹木的年齡，因?yàn)闃淠臼窃诨掳l(fā)生之后才在滑坡體上開始生長(zhǎng)的，最老樹木的年齡就提供了滑坡發(fā)生的最小年份(在樹木的定居間隔時(shí)間已知的情況下，此種定年方法可用)。② 利用滑坡體上被滑坡活動(dòng)影響但是沒有死亡的樹木(生長(zhǎng)在滑坡邊緣或者滑坡前緣的樹木可能會(huì)在滑坡滑動(dòng)中存活下來)的生長(zhǎng)抑制開始形成年份來確定滑坡滑動(dòng)的時(shí)間。③ 利用由于滑坡活動(dòng)而死亡的樹木來研究。這些死亡的樹木可以與當(dāng)?shù)卮婊畹臉淠净蛘弋?dāng)?shù)匾呀?jīng)建立的年表進(jìn)行交叉定年，確定滑坡活動(dòng)年份。只有當(dāng)樹木確定是由于本次滑坡事件導(dǎo)致死亡，才能將樹木最外的一輪的年齡定于與本次事件發(fā)生的時(shí)間相一致。

表1 樹輪重建滑坡事件研究概況Table 1 The overview of landslide activity reconstruction using tree rings

有一些研究在滑坡復(fù)活時(shí)段的基礎(chǔ)上進(jìn)行了滑坡重現(xiàn)期的研究：Saez等(2012b)重建了法國(guó)東南部阿爾卑斯山的Pra Bellon滑坡復(fù)活的季節(jié)分辨率，該研究利用403棵受影響的高山松的704個(gè)生長(zhǎng)擾動(dòng)指示了1910～2011年之間的22次滑坡活動(dòng)，平均重現(xiàn)周期為4.5a。他在2012年又對(duì)該地區(qū)的Aiguettes滑坡進(jìn)行研究，利用223棵嚴(yán)重受損的Pinus uncinata松的335個(gè)生長(zhǎng)擾動(dòng)，共找到該滑坡的14次復(fù)活，計(jì)算出平均重現(xiàn)期為3～7a不等。Kashiwaya等(1987)在日本六甲山采集了100a 左右的興凱赤松，利用年輪寬度和降雨閾值確定了降雨的5～7a，10～13a和30a主周期，滑坡約為3～4a的重現(xiàn)周期。

圖2 通過應(yīng)壓木開始形成的時(shí)間確定滑坡發(fā)生的月份(Saez et al.，2012c) (a) 壓力木(CW: compression wood)開始形成于晚早材中，形成時(shí)間為1947年6月至7月中旬； (b) 壓力木開始形成于晚材中，形成時(shí)間為1963年7月中旬至10月上旬)Fig. 2 The determination of landslide occurred with monthly precision through the initiation of compression wood formed(Saez et al.，2012c) The onset of a pronounced CW series during (a): the late earlywood, between June and mid-July, 1947; (b): the latewood, between mid-July and mid-October 1963

3 樹輪地貌學(xué)重建滑坡事件的限制因素

盡管在過去的幾十年中，樹輪地貌學(xué)已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。然而，樹輪地貌學(xué)在重建滑坡事件的研究受到以下諸多因素的制約：

(1) 樣本獲取的難度較大?；碌幕瑒?dòng)必須能夠破壞其上生長(zhǎng)的很多樹，并導(dǎo)致它們斷頭、傾斜或者根部破壞。強(qiáng)烈的破壞性的滑坡事件又易破壞其上生長(zhǎng)的所有樹木，這些作為本次滑坡事件發(fā)生的標(biāo)志和見證的樹木就會(huì)死掉，死掉的樹木就不會(huì)繼續(xù)在年輪序列中記錄下事件的發(fā)生，并且這些死樹也會(huì)慢慢消失。

(2) 重建序列長(zhǎng)度受到限制。年輪本身生長(zhǎng)的年份有限，多則幾個(gè)世紀(jì)少則幾十年，導(dǎo)致樹輪地貌學(xué)方法對(duì)史前地質(zhì)災(zāi)害的研究時(shí)間范圍限制在幾百年之內(nèi)。

(3) 典型研究樣區(qū)的要求非常高。首先，所研究的滑坡在歷史上要多次滑動(dòng)；其次，研究區(qū)內(nèi)要求植被茂盛、樹種合適和樹齡較長(zhǎng)；最后，能夠獲得滑坡背景資料。

(4) 樹輪地貌學(xué)只適合隔幾年就復(fù)活的滑坡的頻率分析(Shroder，1978； Fantucci et al.，1995；Corominas et al.，1999)。如果頻繁的復(fù)活事件連續(xù)發(fā)生幾年，樹木的反映就會(huì)出現(xiàn)重疊，該方法的使用就會(huì)漏掉某些滑坡事件。

(5) 滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素是降水，少部分是地震和降水共同誘發(fā)的?；碌恼T發(fā)因素是復(fù)雜多樣的，而樹木年輪的生長(zhǎng)也受到多方面因素的影響，如何在年輪序列中明確提取災(zāi)害信息，排除年輪與氣候之間的復(fù)雜關(guān)系的影響，還需要更多的研究。

(6) 由于樹輪年代學(xué)中的限制因子定律和生態(tài)環(huán)境選擇原理，導(dǎo)致樹輪地貌學(xué)的研究只集中在寒冷的高山地區(qū)，在亞熱帶地區(qū)(Saez et al.，2009；Papadopoulos et al.，2007)和平原地區(qū)的研究開展有困難。樹木年代學(xué)研究的均一性原理，使得該方法的研究只能聚焦在單一事件的影響，建立起該災(zāi)害事件的年表，要做出跨區(qū)域的災(zāi)害年表有難度。

(7) 受到碰撞樹木的事件強(qiáng)度及其持續(xù)時(shí)間是否會(huì)影響樹木對(duì)該事件反映的性質(zhì)，事件響應(yīng)的滯后效應(yīng)及滯后時(shí)間，響應(yīng)類型與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系等。這些問題還需要在樹木的傷疤、樹干的埋藏、樹木根部的暴露以及樹干的傾斜中尋找答案。

(8) 使用新的樹種或者其他組分來與單純定年的樹輪年表或事件響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)對(duì)比，否則就會(huì)出現(xiàn)虛假錯(cuò)誤的研究結(jié)果。

4 我國(guó)開展樹輪地貌學(xué)重建滑坡事件展望

在樹輪地貌學(xué)成果豐富的地區(qū)，樹輪地貌學(xué)方法在用于過去地質(zhì)災(zāi)害事件的定年、時(shí)空分布模式等的研究已經(jīng)日趨成熟，眾多的研究成果也表明樹輪地貌學(xué)方法在重建滑坡事件的研究中具有重大意義。在其他地區(qū)樹木年輪的應(yīng)用成果鮮見，今后的研究在區(qū)域上拓展到世界其他地區(qū)，我國(guó)利用樹輪重建滑坡事件的相關(guān)研究尚處于起步階段(洪婷等，2012，Hong Ting et al.，2012a，2012b)。然而，要想在我國(guó)開展樹輪地貌學(xué)重建滑坡事件的相關(guān)研究工作，筆者認(rèn)為要注意以下幾個(gè)方面：

(1) 選擇合適的研究樣區(qū)，我國(guó)西北地區(qū)雖然位于構(gòu)造體系交匯處，巖層破碎，地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)頻繁，是我國(guó)四大滑坡、泥石流密集區(qū)之一(Scheidegger et al.，1987)，但是從對(duì)西北地區(qū)甘肅省南部的野外考察來看，該地區(qū)雖然復(fù)活的滑坡大量存在(Bai Shibiao et al.，2012; 2013)，但是地表植被覆蓋很差，無法找到達(dá)到樣本量要求的樹輪樣品，因而無法做出準(zhǔn)確的滑坡時(shí)空分布模式研究，只能利用可獲得的樣品進(jìn)行滑坡活動(dòng)時(shí)間的研究(洪婷等，2012；Hong Ting et al.，2012a，2012b)，與國(guó)外的研究結(jié)果相距甚遠(yuǎn)。我國(guó)四川省和云南省，即青藏高原的東南山地地區(qū)，植被覆蓋好，主要分布著杉樹和松樹等針葉樹種，適合樹輪地貌學(xué)的研究。另外，本地區(qū)也是構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)，滑坡、泥石流等災(zāi)害也密集存在，在本地區(qū)中有很多滑坡、泥石流的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作已經(jīng)開展(李昂等，2007； 周平根等，2008；王念秦等，2008，唐亞明等，2012)，背景資料詳細(xì)可查，且有很多滑坡也是隔幾年復(fù)活，滑坡體滑動(dòng)痕跡依然存在。因此，青藏高原東南地區(qū)是開展樹輪地貌學(xué)重建滑坡事件相關(guān)研究的理想場(chǎng)所。

(3) 選擇合適的樹輪組分，當(dāng)前的樹輪地貌學(xué)重建滑坡事件研究大多利用樹芯，少部分是使用樹盤和楔形木。筆者建議，在植被覆蓋條件好的地區(qū)盡量采集樹盤和楔形木，以便進(jìn)行時(shí)間分辨率更高的研究。

(4) 盡可能多的采集樣本量，樹輪地貌學(xué)重建滑坡事件的時(shí)空分布模式的研究，對(duì)于時(shí)間尺度來講，只要達(dá)到最小樣本量即可進(jìn)行交叉定年，獲得準(zhǔn)確的滑坡活動(dòng)時(shí)間；但對(duì)于空間尺度來說，樣本量的采集要覆蓋整個(gè)滑坡體，利用GIS、遙感或統(tǒng)計(jì)模型能夠重建滑坡復(fù)活空間分布模式。

(5) 注重研究樹木對(duì)擾動(dòng)事件的生理和化學(xué)反應(yīng)，以及那些在現(xiàn)今研究中被普遍忽視的樹種(如闊葉樹、灌木和一年生草本植物)。

(6) 樹輪地貌學(xué)在重建滑坡等地質(zhì)災(zāi)害必有用武之地，但是一定要加強(qiáng)國(guó)際與國(guó)內(nèi)交流合作，更進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)內(nèi)樹輪地貌學(xué)在廣度和深度上的發(fā)展。