树轮地貌学重建滑坡事件研究进展

2014-09-10洪婷白世彪王建

地质论评 2014年4期

洪婷，白世彪，王建

1)南京师范大学地理科学学院，南京，210023； 2) 南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，南京，210023； 3)江苏省环境演变与生态建设重点实验室，南京210023；

内容提要: 树轮地貌学以其定年准确、分辨率高和时间跨度长等特点在地表过程的研究中具有极其重要的作用。树木年轮可以作为一个可靠的工具来获得滑坡过去活动的历史证据，进而解释现在正在发生的并窥探滑坡的变形信息。本文对国内外树轮地貌学方法在滑坡事件研究中的现状和取得的成果进行总结，重点阐释了树轮地貌学的原理和树轮地貌学重建滑坡活动迹象与时空分布的研究进展，并讨论了该方法存在的不足,展望了我国利用树轮地貌学开展滑坡事件研究的前景。

据国际工程地质与环境协会(IAEG)滑坡委员会的不完全估计，在过去的约1ka内，在自然灾害造成的人员伤亡中，约有14%是由滑坡造成的。滑坡灾害是我国最主要的突发性地质灾害类型之一，给人类生命安全和经济建设带来的危害和损失日益增多(殷坤龙等，1986)。2008年5月12日，我国发生的汶川地震诱发了数万处滑坡、崩塌等灾害，导致了约两万人死亡(Huang Runqiu et al.，2008；Cui Peng et al，2009；Yin Yueping et al.，2009)；根据中国地质环境监测院发布的地质灾害通报，2012 年1～9 月，全国共发生地质灾害14032 起，其中滑坡10738 起和崩塌2015 起，地质灾害共造成348 人死亡失踪、246人受伤，直接经济损失51.6 亿元。目前滑坡灾害研究的热点，主要集中在单体滑坡形成机理与动力学过程研究、滑坡监测预警、滑坡风险评估与管理、滑坡防治工程技术研究等4个方面，其中滑坡风险评估与管理技术方法的研究成为滑坡灾害的研究热点之一(吴树仁等，2012)，滑坡风险评估的研究内容主要包括滑坡易发程度评价、危险性评价和风险评估(石菊松等，2007；崔鹏等，2008；刘希林等，2011, 吴树仁等，2012)。

目前滑坡风险评估处于从定性到定量估算的发展阶段，存在很大技术难点和问题(Van Westen et al., 2006; 石菊松等，2007)。Guzzetti等(1999)对滑坡危险性评价的定义做了修正，认为滑坡危险性评价包含了滑坡发生的位置、时间和规模，从最初的定义“特定时间和空间范围内，潜在破坏现象的发生概率”(Varnes，1984)，发展到“不仅要表示特定区域内形成滑坡的概率，同时也要表示远处的不稳定斜坡对该区域造成影响的概率”(Spiker et al.，2003)。即必须要预测哪里最容易发生滑坡、什么时间或者将要发生频率和滑坡发生的规模三个方面。其中滑坡时间和空间预测的不确定性为难点之一，滑坡时间概率也即滑坡发生的频率，通常采用年概率来表征，是滑坡危险性评估的关键内容之一(吴树仁等，2012)。利用历史滑坡编录数据能够重建滑坡等地质灾害发生的规律，进一步分析滑坡灾害诱发因素、发生机制和预测滑坡灾害变化趋势(黄润秋，2004)。只有定量地重建了滑坡灾害时空分布历史和预测未来变化趋势，才能进行滑坡风险定量地评估(Bai Shibiao et al.， 2009, 2010, 2011)。当前具备滑坡发生位置和时间等属性信息完备的历史滑坡编录数据十分罕见(Aleotti et al.，1999； Casadei et al.，2003；石菊松等，2008)，导致当前滑坡风险评估大量的研究都局限于滑坡的易发程度性评价(殷坤龙等，1993；许冲等，2011)，鲜有研究从滑坡灾害的术语定义本身进行区域滑坡危险性评价(Saez et al.，2012a)，而且当前大量的基于统计分析模型和确定性模型的研究，均不能重建过去的滑坡时空分布模式和预测未来变化趋势(Saez et al.，2012b)。树木年轮的主要优势在于记录了滑坡历史活动的证据，在一定程度上能够窥探滑坡的缓慢变形和滑坡再次发生，可以为滑坡风险定量评估的时间概率计算提供依据。

1 树轮地貌学的原理

在树轮年代学基础上发展起来的，从树木年轮序列中提取各种环境信息的树木年轮学，其分支学科目前主要包括树轮气候学、树轮水文学、树轮生态学和树轮地貌学等(高琳琳等，2011)。1971年Alestalo阐述了树轮地貌学研究方法，并指出树轮地貌学是利用从树轮中获得的数据研究地貌过程并给出地貌过程未来发展趋势的学科(Alestalo，1971)。早在1893年McGee(1893)就使用树轮记录来恢复滑坡发生的时间，随后大量的利用树轮重建地貌过程和外部干扰事件发生时间研究(Braam et al.，1987a，1987b；Shroder，1980；Butler et al.，1987)开始涌现，使树轮地貌学得到了进一步的发展。在1990年，吴祥定先生的《树木年轮与气候变化》一书中就把年轮地质学作为树轮年代学的一个分支学科进行阐述，认为地震、滑坡和泥石流等，亦使受影响范围内树木生长与其它地区有差异，这种差异在年轮变化上有所反映，从而为研究历史上这些灾害的源地、频率提供新的资料(吴祥定，1990)。

年轮宽度是树轮地貌学进行滑坡灾害事件的相关研究最主要的指标，它指示着树木径向生长量，每一轮的形成及其宽窄不仅取决于当年即生长前期的许多气候因子的综合影响，还受到坡度、坡向和坡位等立地环境，以及树木种类、土壤、污染、滑坡、泥石流、地震和林内干扰等因素的影响。尽管年轮宽度可能与树种、树木立地环境和灾害干扰等有关，但主要还是与所处大环境的降水和温度关系最为密切(王婷等，2003)。基于上述树木生理学基础，在利用年轮宽度开展自然灾害研究时，可利用复本原理来减小单株及个别样地的随机影响，通过借助均一性原理来反演过去的生长环境的变化。

树木年轮在其生长过程中，由于受到自然灾害等地貌过程的影响会有如下的变化记录在年轮中(图1)：① 树木伤疤；② 树干倾斜；③ 树木断头和枝杈的减少；④ 根部暴露；⑤ 周围树木消失。许多树种可以存活几个世纪甚至更长的时间(Brown，1996)，在缺乏较长历史记载的地区，应用树轮来确定诸如滑坡、崩塌和泥石流等灾害事件的发生时间具有重要的意义。虽然一次灾害性的事件可能会毁灭其上生长的所有树木，但是经历强度较小，速度较慢的滑坡事件的树木可以存活下来。由于树木对外部环境的干扰反应灵敏，这些存活下来的树木都毫无疑问地受到了损伤，树木断头、倾斜、撞击的痕迹或者根部的断裂(图1)，这些损伤都会记录在树轮里面(Stoffel et al.，2008, 2010)。这就为树木年轮重建滑坡、泥石流和崩塌等地质灾害事件提供了真实可靠的手段和方法(洪婷等，2012)。

图1 灾害影响下的年轮表现Fig. 1 The tree rings performance under the influence of disasters

野外工作中，在滑坡滑动地区尽可能多的采集树轮样品，从而尽可能多的获得灾害信息。然而，为了排除极端气候等对树木生长的影响，还要对滑坡附近稳定区域的森林群落内进行参照树样品的采集(Saez et al.，2012a，2012b，2012c)，将两者进行对比，只在年轮序列中提取滑坡事件信息。

2 树轮地貌学重建滑坡事件

地质灾害是复杂的随机事件，也就是说滑坡等地质灾害发生的位置、时间和规模等具有很大的不确定性。生长在滑坡灾害发生地区的树木是这些事件的“见证者”，这些事件对树木产生的影响都忠实地记录在树轮中，树轮以其定年准确、分辨率高和时间跨度大等特点，在缺乏长期历史资料记载的地区，该方法对重建一定历史时期内滑坡事件发生的时空分布模式有重大意义。利用树木年轮可以重建较长时间尺度上的滑坡事件，从而可以计算出滑坡复活时段(Saez et al.，2012c；洪婷等，2012；Eeckhaut et al.，2009；Hong Ting et al.，2012a)和滑坡活动的重现期(Saez et al.，2012a，2012b；Kashiwaya et al.，1987)，可以作为预测未来滑坡发生的依据。

Clague(2010)提出了利用树轮地貌学研究方法确定滑坡发生时间的三种策略：① 先确定滑坡体上的最老的树木的年龄，因为树木是在滑坡发生之后才在滑坡体上开始生长的，最老树木的年龄就提供了滑坡发生的最小年份(在树木的定居间隔时间已知的情况下，此种定年方法可用)。② 利用滑坡体上被滑坡活动影响但是没有死亡的树木(生长在滑坡边缘或者滑坡前缘的树木可能会在滑坡滑动中存活下来)的生长抑制开始形成年份来确定滑坡滑动的时间。③ 利用由于滑坡活动而死亡的树木来研究。这些死亡的树木可以与当地存活的树木或者当地已经建立的年表进行交叉定年，确定滑坡活动年份。只有当树木确定是由于本次滑坡事件导致死亡，才能将树木最外的一轮的年龄定于与本次事件发生的时间相一致。

表1 树轮重建滑坡事件研究概况Table 1 The overview of landslide activity reconstruction using tree rings

有一些研究在滑坡复活时段的基础上进行了滑坡重现期的研究：Saez等(2012b)重建了法国东南部阿尔卑斯山的Pra Bellon滑坡复活的季节分辨率，该研究利用403棵受影响的高山松的704个生长扰动指示了1910～2011年之间的22次滑坡活动，平均重现周期为4.5a。他在2012年又对该地区的Aiguettes滑坡进行研究，利用223棵严重受损的Pinus uncinata松的335个生长扰动，共找到该滑坡的14次复活，计算出平均重现期为3～7a不等。Kashiwaya等(1987)在日本六甲山采集了100a 左右的兴凯赤松，利用年轮宽度和降雨阈值确定了降雨的5～7a，10～13a和30a主周期，滑坡约为3～4a的重现周期。

图2 通过应压木开始形成的时间确定滑坡发生的月份(Saez et al.，2012c) (a) 压力木(CW: compression wood)开始形成于晚早材中，形成时间为1947年6月至7月中旬； (b) 压力木开始形成于晚材中，形成时间为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 树轮地貌学重建滑坡事件的限制因素

尽管在过去的几十年中，树轮地貌学已经取得了实质性的进展。然而，树轮地貌学在重建滑坡事件的研究受到以下诸多因素的制约：

(1) 样本获取的难度较大。滑坡的滑动必须能够破坏其上生长的很多树，并导致它们断头、倾斜或者根部破坏。强烈的破坏性的滑坡事件又易破坏其上生长的所有树木，这些作为本次滑坡事件发生的标志和见证的树木就会死掉，死掉的树木就不会继续在年轮序列中记录下事件的发生，并且这些死树也会慢慢消失。

(2) 重建序列长度受到限制。年轮本身生长的年份有限，多则几个世纪少则几十年，导致树轮地貌学方法对史前地质灾害的研究时间范围限制在几百年之内。

(3) 典型研究样区的要求非常高。首先，所研究的滑坡在历史上要多次滑动；其次，研究区内要求植被茂盛、树种合适和树龄较长；最后，能够获得滑坡背景资料。

(4) 树轮地貌学只适合隔几年就复活的滑坡的频率分析(Shroder，1978； Fantucci et al.，1995；Corominas et al.，1999)。如果频繁的复活事件连续发生几年，树木的反映就会出现重叠，该方法的使用就会漏掉某些滑坡事件。

(5) 滑坡发生的主要诱发因素是降水，少部分是地震和降水共同诱发的。滑坡的诱发因素是复杂多样的，而树木年轮的生长也受到多方面因素的影响，如何在年轮序列中明确提取灾害信息，排除年轮与气候之间的复杂关系的影响，还需要更多的研究。

(6) 由于树轮年代学中的限制因子定律和生态环境选择原理，导致树轮地貌学的研究只集中在寒冷的高山地区，在亚热带地区(Saez et al.，2009；Papadopoulos et al.，2007)和平原地区的研究开展有困难。树木年代学研究的均一性原理，使得该方法的研究只能聚焦在单一事件的影响，建立起该灾害事件的年表，要做出跨区域的灾害年表有难度。

(7) 受到碰撞树木的事件强度及其持续时间是否会影响树木对该事件反映的性质，事件响应的滞后效应及滞后时间，响应类型与响应时间的关系等。这些问题还需要在树木的伤疤、树干的埋藏、树木根部的暴露以及树干的倾斜中寻找答案。

(8) 使用新的树种或者其他组分来与单纯定年的树轮年表或事件响应的统计对比，否则就会出现虚假错误的研究结果。

4 我国开展树轮地貌学重建滑坡事件展望

在树轮地貌学成果丰富的地区，树轮地貌学方法在用于过去地质灾害事件的定年、时空分布模式等的研究已经日趋成熟，众多的研究成果也表明树轮地貌学方法在重建滑坡事件的研究中具有重大意义。在其他地区树木年轮的应用成果鲜见，今后的研究在区域上拓展到世界其他地区，我国利用树轮重建滑坡事件的相关研究尚处于起步阶段(洪婷等，2012，Hong Ting et al.，2012a，2012b)。然而，要想在我国开展树轮地貌学重建滑坡事件的相关研究工作，笔者认为要注意以下几个方面：

(1) 选择合适的研究样区，我国西北地区虽然位于构造体系交汇处，岩层破碎，地质灾害活动频繁，是我国四大滑坡、泥石流密集区之一(Scheidegger et al.，1987)，但是从对西北地区甘肃省南部的野外考察来看，该地区虽然复活的滑坡大量存在(Bai Shibiao et al.，2012; 2013)，但是地表植被覆盖很差，无法找到达到样本量要求的树轮样品，因而无法做出准确的滑坡时空分布模式研究，只能利用可获得的样品进行滑坡活动时间的研究(洪婷等，2012；Hong Ting et al.，2012a，2012b)，与国外的研究结果相距甚远。我国四川省和云南省，即青藏高原的东南山地地区，植被覆盖好，主要分布着杉树和松树等针叶树种，适合树轮地貌学的研究。另外，本地区也是构造活动强烈的地区，滑坡、泥石流等灾害也密集存在，在本地区中有很多滑坡、泥石流的监测预警工作已经开展(李昂等，2007；周平根等，2008；王念秦等，2008，唐亚明等，2012)，背景资料详细可查，且有很多滑坡也是隔几年复活，滑坡体滑动痕迹依然存在。因此，青藏高原东南地区是开展树轮地貌学重建滑坡事件相关研究的理想场所。