王志蘭，馬 超，吳佳亮，苗 綠，路 璐
（1.北京林業大學水土保持學院，北京 100083；
2.北京市地質研究所，北京 100120）
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、年輪寬度以及組織結構等的異常證據，常用來確定災害發生的時間、頻率、強度等，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建［10-11］，時空分布特征［12-13］，規模和重現期［14-16］，堆積扇演變以及災害發展趨勢［17-18］等方面。國內方面，有研究人員通過偏心指數重建了磨西河流域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，在北京市密云區重建了兩條溝道的8次山洪泥石流事件［20］。總體而言，國內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行分析，較少利用闊葉木的生長擾動響應開展泥石流災害史的重建研究。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小西天溝為例，基于樹干傷疤和響應指數對泥石流災害史進行重建，依據已知和重建災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。研究結果以期為區域基于闊葉樹樹輪重建泥石流災害史、區域氣候變化和山地災害史研究提供支撐。
小西天溝地處北京市密云區馮家峪鎮番字牌鄉北部，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］。研究區位于東西向構造帶和新華夏構造帶的交匯處，處于燕山余脈軍都山中山區。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 研究區概況圖Fig.1 Simplified map showing the Xiaoxitian watershed
研究區氣候類型為暖溫帶大陸性季風氣候，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196.9 mm。據資料記載，該溝曾發生過2次大型泥石流事件：1989年7月21日全天降雨量達362.1 mm，最大雨強為58.7 mm/h，高強度、長歷時的暴雨導致溝道內多處發生滑坡，并參與泥石流過程；
1991年6月10日暴雨歷時及強度均小于1989年泥石流事件，活動規模稍小，這2次事件為本研究利用樹輪地貌法重建災害史提供驗證［25-26］。此外，1977年夏季該溝可能發生過泥石流，但具體災害信息不詳。
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域（如：泥石流沖刷形成的溝道以及堆積區等）進行取樣［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取樣［29］。小西天流域1994-1997年進行了綜合治理，建有3座攔砂壩，見圖2（e）。由于不同規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烈的區域，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準樹輪地貌程序進行處理，包括樣品通風、晾曬、固定；
依次用由粗到細的砂紙（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量，剔除與主序列相關性較差的樣芯［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［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年記載的大規模泥石流事件過后，遺留在岸坡上的松散結構物質較少；
另一方面，滑坡和崩塌的物質多為巖質，質地堅硬，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、同一分段區域內出現傷疤或愈傷組織，即確定泥石流事件的發生［39-40］。為了避免用于分析的樣本量增加而高估年輪中出現的干擾，用“響應指數”（It）進一步分析重建年內樹木的擾動比例，對事件年做進一步驗證［41］：
式中：Rt為t年受泥石流影響的干擾木數量；
At為t年中所采樣品中存活樹木數量。國內外有將It＞5%確定為災害事件年份［8］，也有認為樣本量為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，對其他災害年份事件造成的擾動情況進行分析。此外，由于復本量隨著樹齡的增加而減少會導致重建年表的可信度降低，本研究定年要求當年采樣樹數量不低于5棵［28，43］。
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%的樹木產生傷疤和愈傷組織，重建最遠的泥石流可追溯到1977年，當時有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年的響應指數值最大（40%），其他高于平均值的年份有：2005（25%）和2007（25%）年，見圖3（c）。
圖3 分段區域泥石流年表及“響應指數”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樹木、當年存活的樹木數量和響應指數（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；
而距離現在的時間間隔越長，例如：在20世紀80年代以前留下來的樣本數量較小，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本量不足。據檔案記載，1989年的泥石流事件規模大于1991年，而本研究結果顯示1991年It值較大，很可能是1989年的泥石流強大的沖擊力帶走了沿途很多的樹木，限制了傷疤樹的數量。
圖4 小西天流域泥石流年表及“響應指數”Fig.4 Chronology and“response index”of Xiaoxitian watershed debris flow
表2 重建泥石流年份響應樹木、采樣樹木以及響應指數（It）值Table 2 Reconstruction of response tree，sampling tree and response index（It）value of debris flow year
3.2 泥石流重現期
基于樹輪地貌法定年的結果，1968-2018年各個分段區域的泥石流重現期情況（圖5）：（1）AO段：5年期頻率為1，即平均每5年暴發一次泥石流事件，最多的5年期中有3年發生了泥石流事件；
（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（17個事件年中的14個），196棵樹的平均年齡為25.85，足夠的樹木數量，覆蓋的平均可靠時間為25.85年，進一步證明了事件重建的準確性。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 為3，3個5年 期 頻 數 為1。1968-1970、
1971-1975、1981-1985年以及2015-2018年這幾個時間間隔內，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響應（傷疤和愈傷組織）樹木的位置來進行確定。總體而言，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。據已知、重建的事件年份，可以區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個小區域范圍內至少有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，規模和強度最大，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發生，強度相對較小；
第2種為局部型泥石流：這類泥石流對周圍樹木以及環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段小區域及局部范圍內活動，代表性年份為2012和1977年，見圖7（c）、（d），響應樹木較少，且只集中在小范圍內。
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的滯后效應
重建的泥石流歷史事件結果證實了1977年泥石流事件的發生。因此，選用代表性年份：1977、1989和1991年為例，討論分析該研究區內樹木生長對泥石流事件響應的滯后效應。對年輪寬度變化的分析表明，1977年泥石流事件，14棵現存樹木，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年泥石流事件發生之后，1978年樹輪寬度并沒有表現出明顯的變化，而是在1979至1980年出現了連續2年的明顯減少的現象；
圖8（b）中編號為3的樹木同樣是抑制現象，1978年樹輪寬度顯示了大幅度減少的特征且只持續了1年。1977年對事件響應的干擾木中，樹木年輪寬度出現明顯增加的現象，滯后0～2年出現，持續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，持續1年；
編號4，釋放滯后0年，持續2年。
對74個樣本生長曲線的分析結果顯示，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%，響應滯后0～1年，持續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，持續1～2年。圖8（c）中編號6的樹木年輪，1989年表現出了明顯增大的現象且持續2年。1991年的泥石流事件，樹木年輪出現的生長抑制現象占56.76%，滯后0～1年，持續1～2年；
圖8（d）中編號7的樹木年輪寬度1991年表現出明顯減小的現象且持續2年；
生長釋放占35.14%，滯后0～2年出現，持續1～3年，編號為8的樹木，生長釋放，滯后1年，持續3年到1994年。
將1977年與1989、1991年滯后效應的結果相比較，1977年用于滯后效應分析的樹木樹齡較大，生長抑制滯后1～3年，滯后效應比較明顯，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，滯后效應相對較弱；
生長釋放的滯后效應沒有顯示出明顯的差異。由于研究區為闊葉樹的主要生長地，采樣點位于溝道內，沒有針葉樹生長，所以沒有對該區域的針葉樹進行生長抑制和釋放滯后效應的研究，但在奧地利阿爾卑斯山有研究人員利用針葉樹進行滯后效應的研究時發現，泥石流造成其樹輪生長抑制滯后時間在0～2年的范圍內，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。
本研究利用樹輪地貌學對北京市密云區小西天流域的泥石流歷史事件進行重建，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。這些資料記載進一步加強了重建的準確性［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不足，難以激發泥石流；
另一方面可能是采樣沒有涉及到受災害擾動的樹木。
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
文中以北京市密云區馮家峪鎮小西天泥石流溝為研究對象，通過采集的樹芯樣本，基于樹輪地貌學的方法，重建了該地區的泥石流事件年份，并對頻率、空間分布模式以及滯后效應進行了討論分析，結果表明：
（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世紀末和21世紀初泥石流頻率逐漸增大。未來該研究區泥石流可能多以中小規模為主，但仍需加強和重視災害的預警預報工作。
（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段小區域內同時發生的全流域型泥石流：1989、1991、2001、2005、2007和2011年；
另一種為僅在2段小區域及以下范圍內發生的局部型泥石流：1977、1996-1998、2004、2008-2010、2012、2014-2015年。
（3）樹輪生長對泥石流活動響應的滯后效應結果顯示，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；
樹輪生長釋放都滯后0～2年出現。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的敏感性程度不同，生長釋放沒有表現出差異性的原因有待進一步探索。