洪婷， 白世彪， 王建

1)南京師范大學地理科學學院，南京，210023； 2) 南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，南京，210023； 3)江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點實驗室，南京210023；

內(nèi)容提要: 樹輪地貌學以其定年準確、分辨率高和時間跨度長等特點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可靠的工具來獲得滑坡過去活動的歷史證據(jù)，進而解釋現(xiàn)在正在發(fā)生的并窺探滑坡的變形信息。本文對國內(nèi)外樹輪地貌學方法在滑坡事件研究中的現(xiàn)狀和取得的成果進行總結(jié)，重點闡釋了樹輪地貌學的原理和樹輪地貌學重建滑坡活動跡象與時空分布的研究進展，并討論了該方法存在的不足,展望了我國利用樹輪地貌學開展滑坡事件研究的前景。

據(jù)國際工程地質(zhì)與環(huán)境協(xié)會(IAEG)滑坡委員會的不完全估計，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)中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院發(fā)布的地質(zhì)災(zāi)害通報，2012 年1～9 月，全國共發(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)濟損失51.6 億元。目前滑坡災(zāi)害研究的熱點，主要集中在單體滑坡形成機理與動力學過程研究、滑坡監(jiān)測預(yù)警、滑坡風險評估與管理、滑坡防治工程技術(shù)研究等4個方面，其中滑坡風險評估與管理技術(shù)方法的研究成為滑坡災(zāi)害的研究熱點之一(吳樹仁等，2012)，滑坡風險評估的研究內(nèi)容主要包括滑坡易發(fā)程度評價、危險性評價和風險評估(石菊松等，2007；崔鵬等，2008；劉希林等，2011, 吳樹仁等，2012)。

目前滑坡風險評估處于從定性到定量估算的發(fā)展階段，存在很大技術(shù)難點和問題(Van Westen et al., 2006; 石菊松等，2007)。Guzzetti等(1999)對滑坡危險性評價的定義做了修正，認為滑坡危險性評價包含了滑坡發(fā)生的位置、時間和規(guī)模，從最初的定義“特定時間和空間范圍內(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，同時也要表示遠處的不穩(wěn)定斜坡對該區(qū)域造成影響的概率”(Spiker et al.，2003)。即必須要預(yù)測哪里最容易發(fā)生滑坡、什么時間或者將要發(fā)生頻率和滑坡發(fā)生的規(guī)模三個方面。其中滑坡時間和空間預(yù)測的不確定性為難點之一，滑坡時間概率也即滑坡發(fā)生的頻率，通常采用年概率來表征，是滑坡危險性評估的關(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，進一步分析滑坡災(zāi)害誘發(fā)因素、發(fā)生機制和預(yù)測滑坡災(zāi)害變化趨勢(黃潤秋，2004)。只有定量地重建了滑坡災(zāi)害時空分布歷史和預(yù)測未來變化趨勢，才能進行滑坡風險定量地評估(Bai Shibiao et al.， 2009, 2010, 2011)。當前具備滑坡發(fā)生位置和時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)，導致當前滑坡風險評估大量的研究都局限于滑坡的易發(fā)程度性評價(殷坤龍等，1993；許沖等，2011)，鮮有研究從滑坡災(zāi)害的術(shù)語定義本身進行區(qū)域滑坡危險性評價(Saez et al.，2012a)，而且當前大量的基于統(tǒng)計分析模型和確定性模型的研究，均不能重建過去的滑坡時空分布模式和預(yù)測未來變化趨勢(Saez et al.，2012b)。樹木年輪的主要優(yōu)勢在于記錄了滑坡歷史活動的證據(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，可以為滑坡風險定量評估的時間概率計算提供依據(jù)。

1 樹輪地貌學的原理

在樹輪年代學基礎(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，其分支學科目前主要包括樹輪氣候?qū)W、樹輪水文學、樹輪生態(tài)學和樹輪地貌學等(高琳琳等，2011)。1971年Alestalo闡述了樹輪地貌學研究方法，并指出樹輪地貌學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)展趨勢的學科(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)，使樹輪地貌學得到了進一步的發(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)學作為樹輪年代學的一個分支學科進行闡述，認為地震、滑坡和泥石流等，亦使受影響范圍內(nèi)樹木生長與其它地區(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進行滑坡災(zāi)害事件的相關(guān)研究最主要的指標，它指示著樹木徑向生長量，每一輪的形成及其寬窄不僅取決于當年即生長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基礎(chǔ)，在利用年輪寬度開展自然災(zāi)害研究時，可利用復(fù)本原理來減小單株及個別樣地的隨機影響，通過借助均一性原理來反演過去的生長環(huán)境的變化。

樹木年輪在其生長過程中，由于受到自然災(zāi)害等地貌過程的影響會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世紀甚至更長的時間(Brown，1996)，在缺乏較長歷史記載的地區(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)生時間具有重要的意義。雖然一次災(zāi)害性的事件可能會毀滅其上生長的所有樹木，但是經(jīng)歷強度較小，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樹木生長的影響，還要對滑坡附近穩(wěn)定區(qū)域的森林群落內(nèi)進行參照樹樣品的采集(Saez et al.，2012a，2012b，2012c)，將兩者進行對比，只在年輪序列中提取滑坡事件信息。

2 樹輪地貌學重建滑坡事件

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

Clague(2010)提出了利用樹輪地貌學研究方法確定滑坡發(fā)生時間的三種策略：① 先確定滑坡體上的最老的樹木的年齡，因為樹木是在滑坡發(fā)生之后才在滑坡體上開始生長的，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影響但是沒有死亡的樹木(生長在滑坡邊緣或者滑坡前緣的樹木可能會在滑坡滑動中存活下來)的生長抑制開始形成年份來確定滑坡滑動的時間。③ 利用由于滑坡活動而死亡的樹木來研究。這些死亡的樹木可以與當?shù)卮婊畹臉淠净蛘弋數(shù)匾呀?jīng)建立的年表進行交叉定年，確定滑坡活動年份。只有當樹木確定是由于本次滑坡事件導致死亡，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)活時段的基礎(chǔ)上進行了滑坡重現(xiàn)期的研究：Saez等(2012b)重建了法國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個生長擾動指示了1910～2011年之間的22次滑坡活動，平均重現(xiàn)周期為4.5a。他在2012年又對該地區(qū)的Aiguettes滑坡進行研究，利用223棵嚴重受損的Pinus uncinata松的335個生長擾動，共找到該滑坡的14次復(fù)活，計算出平均重現(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，樹輪地貌學已經(jīng)取得了實質(zhì)性的進展。然而，樹輪地貌學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?；碌幕瑒颖仨毮軌蚱茐钠渖仙L的很多樹，并導致它們斷頭、傾斜或者根部破壞。強烈的破壞性的滑坡事件又易破壞其上生長的所有樹木，這些作為本次滑坡事件發(fā)生的標志和見證的樹木就會死掉，死掉的樹木就不會繼續(xù)在年輪序列中記錄下事件的發(fā)生，并且這些死樹也會慢慢消失。

(2) 重建序列長度受到限制。年輪本身生長的年份有限，多則幾個世紀少則幾十年，導致樹輪地貌學方法對史前地質(zhì)災(zāi)害的研究時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；其次，研究區(qū)內(nèi)要求植被茂盛、樹種合適和樹齡較長；最后，能夠獲得滑坡背景資料。

(4) 樹輪地貌學只適合隔幾年就復(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，樹木的反映就會出現(xiàn)重疊，該方法的使用就會漏掉某些滑坡事件。

(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) 由于樹輪年代學中的限制因子定律和生態(tài)環(huán)境選擇原理，導致樹輪地貌學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度及其持續(xù)時間是否會影響樹木對該事件反映的性質(zhì)，事件響應(yīng)的滯后效應(yīng)及滯后時間，響應(yīng)類型與響應(yīng)時間的關(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)計對比，否則就會出現(xiàn)虛假錯誤的研究結(jié)果。

4 我國開展樹輪地貌學重建滑坡事件展望

在樹輪地貌學成果豐富的地區(qū)，樹輪地貌學方法在用于過去地質(zhì)災(zāi)害事件的定年、時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，要想在我國開展樹輪地貌學重建滑坡事件的相關(guān)研究工作，筆者認為要注意以下幾個方面：

(1) 選擇合適的研究樣區(qū)，我國西北地區(qū)雖然位于構(gòu)造體系交匯處，巖層破碎，地質(zhì)災(zāi)害活動頻繁，是我國四大滑坡、泥石流密集區(qū)之一(Scheidegger et al.，1987)，但是從對西北地區(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，無法找到達到樣本量要求的樹輪樣品，因而無法做出準確的滑坡時空分布模式研究，只能利用可獲得的樣品進行滑坡活動時間的研究(洪婷等，2012；Hong Ting et al.，2012a，2012b)，與國外的研究結(jié)果相距甚遠。我國四川省和云南省，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，適合樹輪地貌學的研究。另外，本地區(qū)也是構(gòu)造活動強烈的地區(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)，背景資料詳細可查，且有很多滑坡也是隔幾年復(fù)活，滑坡體滑動痕跡依然存在。因此，青藏高原東南地區(qū)是開展樹輪地貌學重建滑坡事件相關(guān)研究的理想場所。

(3) 選擇合適的樹輪組分，當前的樹輪地貌學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，以便進行時間分辨率更高的研究。

(4) 盡可能多的采集樣本量，樹輪地貌學重建滑坡事件的時空分布模式的研究，對于時間尺度來講，只要達到最小樣本量即可進行交叉定年，獲得準確的滑坡活動時間；但對于空間尺度來說，樣本量的采集要覆蓋整個滑坡體，利用GIS、遙感或統(tǒng)計模型能夠重建滑坡復(fù)活空間分布模式。

(5) 注重研究樹木對擾動事件的生理和化學反應(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，但是一定要加強國際與國內(nèi)交流合作，更進一步推動國內(nèi)樹輪地貌學在廣度和深度上的發(fā)展。