基于樹木年輪重建密云小西天流域泥石流事件

王志蘭，馬 超，吳佳亮，苗 綠，路 璐

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

引言

泥石流運動過程中攜帶的塊石、泥沙會撞擊、淤埋樹干，對樹輪生長造成干擾［1-2］：如傷疤和愈傷組織、創(chuàng)傷性樹脂管［3-4］、生長抑制和釋放［5］、彎曲木［6-7］、偏心生長［8］等。這些不同類型的擾動造成樹木外部形態(tài)、年輪寬度以及組織結(jié)構(gòu)等的異常證據(jù)，常用來確定災(zāi)害發(fā)生的時間、頻率、強(qiáng)度等，即樹輪地貌法［9］。

國外利用樹輪地貌法重建泥石流活動研究較早，大部分主要集中于年表構(gòu)建［10-11］，時空分布特征［12-13］，規(guī)模和重現(xiàn)期［14-16］，堆積扇演變以及災(zāi)害發(fā)展趨勢［17-18］等方面。國內(nèi)方面，有研究人員通過偏心指數(shù)重建了磨西河流域20年間的2次泥石流活動和5次洪水活動［19］；通過年輪生長抑制和釋放百分比，在北京市密云區(qū)重建了兩條溝道的8次山洪泥石流事件［20］。總體而言，國內(nèi)外大部分基于樹輪地貌法重建泥石流活動都是采用針葉樹進(jìn)行分析，較少利用闊葉木的生長擾動響應(yīng)開展泥石流災(zāi)害史的重建研究。針葉樹在受到泥石流淤埋或者沖刷后，樹輪生長抑制和釋放滯后時間較短［21］，而闊葉木由于主根埋藏較深，根系展布范圍更大，生長抑制和釋放的滯后時間可能會有不同。此外，樹齡大小也是影響滯后時間的重要因素之一。文中以北京市密云區(qū)小西天溝為例，基于樹干傷疤和響應(yīng)指數(shù)對泥石流災(zāi)害史進(jìn)行重建，依據(jù)已知和重建災(zāi)害年份擾動木的空間位置確定泥石流的空間分布模式，并討論闊葉樹（主要以欒樹為主，其他種類的闊葉樹有山楊、槭樹和槲櫟等所占采樣樹數(shù)量比例較小）樹輪生長對泥石流活動的生長抑制和釋放的滯后效應(yīng)。研究結(jié)果以期為區(qū)域基于闊葉樹樹輪重建泥石流災(zāi)害史、區(qū)域氣候變化和山地災(zāi)害史研究提供支撐。

1 小西天溝概況

小西天溝地處北京市密云區(qū)馮家峪鎮(zhèn)番字牌鄉(xiāng)北部，距密云水庫25 km。流域南高北低，高差約582 m，面積7.15 km2，溝長4.50 km，主溝縱比降129‰［22］。研究區(qū)位于東西向構(gòu)造帶和新華夏構(gòu)造帶的交匯處，處于燕山余脈軍都山中山區(qū)。山坡陡峭，巖石破碎。流域地層巖性主要為白云巖、礫巖、片麻巖、花崗巖［23-24］（圖1）。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Simplified map showing the Xiaoxitian watershed

研究區(qū)氣候類型為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均溫度為8.5℃。降水量多集中在6～8月份，占全年總降水量的70%以上，7月多年月平均降水量達(dá)196.9 mm。據(jù)資料記載，該溝曾發(fā)生過2次大型泥石流事件：1989年7月21日全天降雨量達(dá)362.1 mm，最大雨強(qiáng)為58.7 mm/h，高強(qiáng)度、長歷時的暴雨導(dǎo)致溝道內(nèi)多處發(fā)生滑坡，并參與泥石流過程；1991年6月10日暴雨歷時及強(qiáng)度均小于1989年泥石流事件，活動規(guī)模稍小，這2次事件為本研究利用樹輪地貌法重建災(zāi)害史提供驗證［25-26］。此外，1977年夏季該溝可能發(fā)生過泥石流，但具體災(zāi)害信息不詳。

2 樹輪采集與分析

為盡可能獲取過去泥石流活動情況，在有明顯泥石流活動跡象的區(qū)域（如：泥石流沖刷形成的溝道以及堆積區(qū)等）進(jìn)行取樣［27］。通常沿著泥石流沖刷方向，在胸高位置鉆取樣芯至髓芯，見圖2（f）。每棵樹1～2個樣芯，記錄采樣點位置，樹高、胸徑和干擾類型等基本信息［28］。對傷疤木，盡量靠近傷疤位置處和傷口對側(cè)取樣［29］。小西天流域1994-1997年進(jìn)行了綜合治理，建有3座攔砂壩，見圖2（e）。由于不同規(guī)模泥石流活動范圍以及對樹木生長的擾動程度差異明顯［30］，研究以3處攔砂壩和溝道交匯點O為界，將流域劃分為AO、OB、BC、CP段（表1，圖2）。AO段位于兩條溝的交匯處，匯水量大，共采樣64棵干擾木，平均樹齡為27.84；OB和BC段位于溝道中游，由于攔砂壩阻擋，受到泥石流影響較小，分別采集到19、20棵干擾木，平均樹齡為20.26、24.55；上游CP段是泥石流活動最強(qiáng)烈的區(qū)域，采集到93棵干擾木，平均樹齡為25.89。

圖2 采樣點位分布及攔砂壩、野外取樣圖Fig.2 Location of sampling sites，check dams and tree ring distribution

表1 溝道不同分區(qū)年輪樣本信息Table 1 The tree ring samplings information in four channel segments

樹輪樣本制備和分析步驟按照標(biāo)準(zhǔn)樹輪地貌程序進(jìn)行處理，包括樣品通風(fēng)、晾曬、固定；依次用由粗到細(xì)的砂紙（300～1 500目）打磨，直至在顯微鏡下年輪寬度和界限清晰可見［31-32］；然后用LinTabTSAPWin6.0年輪分析儀測量年輪寬度；通過COFECHA程序檢驗交叉定年的質(zhì)量，剔除與主序列相關(guān)性較差的樣芯［33-34］；最后共留下227個樣芯可供樹輪地貌法分析（表1），AO、OB、BC、CP段樣芯數(shù)分別為86、21、25和95。

泥石流事件造成的樹木年輪生長抑制和釋放會有不同程度的滯后，而傷疤和愈傷組織是最直接的證據(jù)［35-36］。由于采樣樹都是沿著溝道分布，用于分析的傷疤和愈傷組織的位置朝著泥石流沖刷的方向，且1989和1991年記載的大規(guī)模泥石流事件過后，遺留在岸坡上的松散結(jié)構(gòu)物質(zhì)較少；另一方面，滑坡和崩塌的物質(zhì)多為巖質(zhì)，質(zhì)地堅硬，重量和沖擊力大，通常會造成樹木樹冠斷裂，或者壓力過大而導(dǎo)致樹木彎曲甚至折斷，基于這兩點原因，基本可以排除崩塌和滑坡等因素造成的樹木損傷對研究產(chǎn)生的干擾［37-38］。研究基于半定量的方法：即至少兩棵樹在同一年、同一分段區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)傷疤或愈傷組織，即確定泥石流事件的發(fā)生［39-40］。為了避免用于分析的樣本量增加而高估年輪中出現(xiàn)的干擾，用“響應(yīng)指數(shù)”（It）進(jìn)一步分析重建年內(nèi)樹木的擾動比例，對事件年做進(jìn)一步驗證［41］：

式中：Rt為t年受泥石流影響的干擾木數(shù)量；At為t年中所采樣品中存活樹木數(shù)量。國內(nèi)外有將It＞5%確定為災(zāi)害事件年份［8］，也有認(rèn)為樣本量為150時，It＞2%可以精確重建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，對其他災(zāi)害年份事件造成的擾動情況進(jìn)行分析。此外，由于復(fù)本量隨著樹齡的增加而減少會導(dǎo)致重建年表的可信度降低，本研究定年要求當(dāng)年采樣樹數(shù)量不低于5棵［28，43］。

3 結(jié)果與討論

3.1 泥石流年表

AO段取樣的64棵樹中有32棵傷疤木，識別出44個愈傷組織（表1），重建了10個泥石流歷史事件年：1977、1989、1991、2001、2004、2005、2007、2009-2011年，It的平均值（9.5%）代表每個泥石流事件平均造成近10%的樹木產(chǎn)生傷疤和愈傷組織，重建最遠(yuǎn)的泥石流可追溯到1977年，當(dāng)時有20%的取樣樹木受到影響，其他具有相對較高It值的年份是：1989、1991、2001（均≥10%），見圖3（a）。

OB段重建的3個事件年為：2007、2008和2012年，It值分布均勻，就擾動樹木比例而言，3個事件年份相同，見圖3（b）。BC段調(diào)查的采樣樹中有13棵傷疤木，識別出了21個愈傷組織，重建了6個歷史事件年份，分別為：1991、1996、2001、2005、2007和2011年，It平均值為22.6%，1991年的響應(yīng)指數(shù)值最大（40%），其他高于平均值的年份有：2005（25%）和2007（25%）年，見圖3（c）。

圖3 分段區(qū)域泥石流年表及“響應(yīng)指數(shù)”Fig.3 Chronology and“response index”of debris flow in segmented area

CP段中傷疤木和識別出的愈傷組織數(shù)量較多，重建了12個歷史泥石流年份，分別為：1989、1991、1997、1998、2001、2005、2007、2009、2011、2012、2014、2015年；It的平均值為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，見圖3（d）。定年結(jié)果表明：AO和CP段重建的泥石流較多，OB和BC段較少。

基于樹木生長擾動的年代測定和響應(yīng)樹比例分析，共重建了自1968-2018年中的17個泥石流事件年份：1977、1989、1991、1996-1998、2001、2004-2005、2007-2012、2014-2015年（圖4）。各重建的泥石流事件年份的響應(yīng)樹木、當(dāng)年存活的樹木數(shù)量和響應(yīng)指數(shù)（It）值如表2所示，It的平均值為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擾動木比例最大，與歷史記載相吻合。從圖4中也可以看出，樣本量隨著時間拉近逐漸增大，提取可利用的信息越多，越有助于泥石流事件的重建；而距離現(xiàn)在的時間間隔越長，例如：在20世紀(jì)80年代以前留下來的樣本數(shù)量較小，可能識別出的泥石流事件相對的就少。對于1989和1991年泥石流，AO和CP段都精確定年，而OB段1989、1991年和BC段1989年沒有被定年的原因是復(fù)本量不足。據(jù)檔案記載，1989年的泥石流事件規(guī)模大于1991年，而本研究結(jié)果顯示1991年It值較大，很可能是1989年的泥石流強(qiáng)大的沖擊力帶走了沿途很多的樹木，限制了傷疤樹的數(shù)量。

圖4 小西天流域泥石流年表及“響應(yīng)指數(shù)”Fig.4 Chronology and“response index”of Xiaoxitian watershed debris flow

表2 重建泥石流年份響應(yīng)樹木、采樣樹木以及響應(yīng)指數(shù)（It）值Table 2 Reconstruction of response tree，sampling tree and response index（It）value of debris flow year

3.2 泥石流重現(xiàn)期

基于樹輪地貌法定年的結(jié)果，1968-2018年各個分段區(qū)域的泥石流重現(xiàn)期情況（圖5）：（1）AO段：5年期頻率為1，即平均每5年暴發(fā)一次泥石流事件，最多的5年期中有3年發(fā)生了泥石流事件；（2）OB段：5年期頻率為0.30，2006-2010年間隔期內(nèi)有2個泥石流事件年，2011-2015年有1個泥石流事件年；（3）BC段：5年期頻率為0.60，2001-2005年泥石流活動最活躍，5年中有2年都為事件年；（4）CP段：5年期頻率為1.2，因是溝道上游泥石流活動最頻繁，1996-2000、2001-2005、2006-2010都有2個事件年，2011-2015中有4個都為泥石流事件年份。圖6中顯示，小西天溝在最近23年中，泥石流活動顯著增強(qiáng)（17個事件年中的14個），196棵樹的平均年齡為25.85，足夠的樹木數(shù)量，覆蓋的平均可靠時間為25.85年，進(jìn)一步證明了事件重建的準(zhǔn)確性。近50年泥石流事件的5年期平均頻率為1.70，

圖5 分段區(qū)域泥石流5年期頻率Fig.5 Five-year frequency of debris flow in segmented area

平均每5年發(fā)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；其他的間隔期中有2個5年期 頻 數(shù) 為3，3個5年 期 頻 數(shù) 為1。1968-1970、

1971-1975、1981-1985年以及2015-2018年這幾個時間間隔內(nèi)，沒有明顯的泥石流跡象。

3.3 泥石流的空間分布

泥石流歷史活動的空間范圍是依據(jù)響應(yīng)（傷疤和愈傷組織）樹木的位置來進(jìn)行確定?？傮w而言，流域上游重建的事件最多，溝道中游OB和BC段重建的年份較少。據(jù)已知、重建的事件年份，可以區(qū)分兩種基本的泥石流空間分布模式，第1種為全流域型泥石流：分段的4個小區(qū)域范圍內(nèi)至少有3個在同一年重建了泥石流事件，代表性的年份有1991和1989年，泥石流活動范圍波及整個小西天溝，規(guī)模和強(qiáng)度最大，擾動樹木較均勻分布在整個溝道，見圖7（a）、（b）。其余的重建年份中，2001、2005、2007以及2011的泥石流也推測在整個流域內(nèi)發(fā)生，強(qiáng)度相對較?。坏?種為局部型泥石流：這類泥石流對周圍樹木以及環(huán)境造成的危害較全流域型泥石流而言小的多，僅同時在溝道的2段小區(qū)域及局部范圍內(nèi)活動，代表性年份為2012和1977年，見圖7（c）、（d），響應(yīng)樹木較少，且只集中在小范圍內(nèi)。

圖6 小西天流域泥石流5年期頻率Fig.6 Five-year frequency of debris flow in Xiaoxitian watershed

圖7 小西天溝泥石流事件的空間分布范圍Fig.7 Spatial distribution of debris flow events in Xiaoxitian watershed

3.4 代表性年份樹木生長對泥石流事件響應(yīng)的滯后效應(yīng)

重建的泥石流歷史事件結(jié)果證實了1977年泥石流事件的發(fā)生。因此，選用代表性年份：1977、1989和1991年為例，討論分析該研究區(qū)內(nèi)樹木生長對泥石流事件響應(yīng)的滯后效應(yīng)。對年輪寬度變化的分析表明，1977年泥石流事件，14棵現(xiàn)存樹木，共有11棵樹木年輪寬度有明顯變化，包括4次生長抑制，7次生長釋放（表3）。

表3 1977、1989和1991年生長抑制和釋放概況表Table 3 Growth suppression and release in 1977，1989 and 1991

圖8 典型樹輪生長對泥石流事件的抑制和釋放響應(yīng)Fig.8 Examples of growth suppression and release in 1977，1989 and 1991

圖8（a）和（b）中顯示了4棵與1977年事件相關(guān)的干擾示例。例如，圖8（a）中第1棵樹木生長曲線表明，1977年泥石流事件發(fā)生之后，1978年樹輪寬度并沒有表現(xiàn)出明顯的變化，而是在1979至1980年出現(xiàn)了連續(xù)2年的明顯減少的現(xiàn)象；圖8（b）中編號為3的樹木同樣是抑制現(xiàn)象，1978年樹輪寬度顯示了大幅度減少的特征且只持續(xù)了1年。1977年對事件響應(yīng)的干擾木中，樹木年輪寬度出現(xiàn)明顯增加的現(xiàn)象，滯后0～2年出現(xiàn)，持續(xù)1～2年，圖8（a）中編號2的樹木生長釋放滯后1年至1978年出現(xiàn)，持續(xù)1年；編號4，釋放滯后0年，持續(xù)2年。

對74個樣本生長曲線的分析結(jié)果顯示，1989和1991年的泥石流事件，突然的生長抑制是最常見的擾動。1989年的抑制占55.41%，響應(yīng)滯后0～1年，持續(xù)1～3年。例如，圖8（c）中的編號為5的樹木，1989年的事件之后，1990年樹輪寬度明顯減少且持續(xù)3年到1992年。1989年泥石流造成的樹木生長釋放占35.14%，滯后0～2年出現(xiàn)，持續(xù)1～2年。圖8（c）中編號6的樹木年輪，1989年表現(xiàn)出了明顯增大的現(xiàn)象且持續(xù)2年。1991年的泥石流事件，樹木年輪出現(xiàn)的生長抑制現(xiàn)象占56.76%，滯后0～1年，持續(xù)1～2年；圖8（d）中編號7的樹木年輪寬度1991年表現(xiàn)出明顯減小的現(xiàn)象且持續(xù)2年；生長釋放占35.14%，滯后0～2年出現(xiàn)，持續(xù)1～3年，編號為8的樹木，生長釋放，滯后1年，持續(xù)3年到1994年。

將1977年與1989、1991年滯后效應(yīng)的結(jié)果相比較，1977年用于滯后效應(yīng)分析的樹木樹齡較大，生長抑制滯后1～3年，滯后效應(yīng)比較明顯，而1989和1991年的采樣樹樹齡較小，生長抑制都只滯后了0～1年，滯后效應(yīng)相對較弱；生長釋放的滯后效應(yīng)沒有顯示出明顯的差異。由于研究區(qū)為闊葉樹的主要生長地，采樣點位于溝道內(nèi)，沒有針葉樹生長，所以沒有對該區(qū)域的針葉樹進(jìn)行生長抑制和釋放滯后效應(yīng)的研究，但在奧地利阿爾卑斯山有研究人員利用針葉樹進(jìn)行滯后效應(yīng)的研究時發(fā)現(xiàn)，泥石流造成其樹輪生長抑制滯后時間在0～2年的范圍內(nèi)，而樹輪生長釋放的滯后時間在不同泥石流事件年也沒有表現(xiàn)出明顯差異［21］。造成生長抑制滯后時間不同的原因有很多，最重要的原因可能是本研究所采用的闊葉木根系主根埋藏較深，根系展布范圍更大，其受到泥石流擾動后造成的滯后時間要長。

4 泥石流事件年驗證

本研究利用樹輪地貌學(xué)對北京市密云區(qū)小西天流域的泥石流歷史事件進(jìn)行重建，共識別出了1968-2018年的17個泥石流事件年份，1977、1989、1991、1996-1998、2001、2004-2005、2007-2012、2014-2015年。歷史記載的番字牌鄉(xiāng)周邊泥石流事件有：1977年7月7日、1989年7月21日、1991年6月10日，與重建的事件吻合。此外，歷史記載該時間段有7次暴雨事件（表4），時間為：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次事件與重建年份相同。這些資料記載進(jìn)一步加強(qiáng)了重建的準(zhǔn)確性［44-45］。其中，1994和2013年沒有定年的原因可能一方面是由于暴雨雨強(qiáng)不足，難以激發(fā)泥石流；另一方面可能是采樣沒有涉及到受災(zāi)害擾動的樹木。

表4 1968-2018年暴雨與山洪泥石流歷史事件Table 4 Historical events of torrents and debris flows from 1968 to 2018

5 結(jié)論

文中以北京市密云區(qū)馮家峪鎮(zhèn)小西天泥石流溝為研究對象，通過采集的樹芯樣本，基于樹輪地貌學(xué)的方法，重建了該地區(qū)的泥石流事件年份，并對頻率、空間分布模式以及滯后效應(yīng)進(jìn)行了討論分析，結(jié)果表明：

（1）通過對傷疤和愈傷組織分析，共重建了1968-2018年間17個不同大小規(guī)模的泥石流事件：1977、1989、1991、1996-1998、2001、2004-2005、2007-2012、2014-2015年。1968-2018年小西天溝泥石流5年期頻率為1.70。20世紀(jì)末和21世紀(jì)初泥石流頻率逐漸增大。未來該研究區(qū)泥石流可能多以中小規(guī)模為主，但仍需加強(qiáng)和重視災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報工作。

（2）確定了泥石流活動的2種基本空間模式：一種為至少在3段小區(qū)域內(nèi)同時發(fā)生的全流域型泥石流：1989、1991、2001、2005、2007和2011年；另一種為僅在2段小區(qū)域及以下范圍內(nèi)發(fā)生的局部型泥石流：1977、1996-1998、2004、2008-2010、2012、2014-2015年。

（3）樹輪生長對泥石流活動響應(yīng)的滯后效應(yīng)結(jié)果顯示，1977、1989、1991年事件造成的樹輪生長抑制分別滯后1～3、0～1、0～1年出現(xiàn)；樹輪生長釋放都滯后0～2年出現(xiàn)。造成生長抑制滯后的差異性可能是因為不同樹齡對事件響應(yīng)的敏感性程度不同，生長釋放沒有表現(xiàn)出差異性的原因有待進(jìn)一步探索。