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方法文章

利用树木地貌学估算片状侵蚀速率的实验室与野外实验方案

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DOI：

10.3791/57987

⸱

2019年1月7日

 ,  ,  , 
1University of Castilla-La Mancha (UCLM), 2Department of Earth Sciences, University of Geneva, 3Institute for Environmental Sciences, University of Geneva, 4Departamento de Sistemas y Recursos Naturales, Universidad Politécnica de Madrid, 5Departamento de Biodiversidad, Ecología y Evolución, Universidad Complutense de Madrid

本文内容

摘要

通过树木地貌学表征侵蚀过程通常侧重于通过检查暴露引起的宏观或细胞水平变化，准确确定根系暴露的起始时间。本文中，我们详细描述了多种新颖技术，以从高精度的微地形数据中获得更精确的侵蚀速率。

摘要

片蚀是导致土壤退化的重要驱动因素之一。片蚀受环境因素和人类活动共同影响，常引发严重的环境后果。因此，理解片蚀过程已成为具有全球性环境与经济意义的重要课题。然而，目前对片蚀在时空尺度上的演变规律及其环境影响的认识仍然有限。下文介绍一种新的树木地貌学方法，用于推导被侵蚀的土壤厚度（Ex通过使用地面激光扫描（TLS）和微地形剖面仪获取精确的微地形数据。此外，采用依赖于根部年轮解剖结构变化的标准树轮地貌学方法，以确定暴露时间。利用TLS和微地形剖面仪获取地表剖面数据，并从中 Ex 在阈值距离之后进行估算（TD）被确定， 即， 根部与沉积物陡坎之间的距离可用于界定由片状侵蚀引起的地表降低量。对于每条剖面，我们测量了根部上表面与一个假想的、与地表相切的平面之间的高度差。通过这种方法，旨在避免根系施加的压力或暴露根系的排列方式所导致的土壤微小形变带来的影响，这些因素可能因对地表径流产生物理作用而引起局部土壤沉积或侵蚀。我们证明，对暴露根系及其相关地表进行充分的微地形特征刻画，对于获取准确的侵蚀速率具有重要价值。该发现可用于指导最佳管理措施的制定，以期最终阻止或至少减轻土壤侵蚀，从而实施更加可持续的土地管理政策。

引言

片蚀所造成的经济和环境影响使其成为全球关注的问题1。目前已有多种方法用于在不同时间和空间尺度上计算土壤侵蚀速率，这些方法包括直接测量技术以及基于物理过程和经验的模型方法。直接测量技术依赖于在自然条件下进行的野外观测，主要采用格尔拉赫槽2、集水器3、侵蚀针4和断面仪5。此外，土壤侵蚀模型 increasingly focused on representing in detail the real physical processes responsible for erosion6。

树木地貌学7是树木年轮学8的一个分支，能够有效表征地貌过程的发生频率和强度9,10,11,12,13,14,15,16,17。针对片状侵蚀，树木地貌学通常被用于补充或替代上述方法，特别是在由直接测量技术获得的侵蚀速率数据稀缺或无法获取的区域。树木地貌学是一种评估土壤侵蚀的非常灵活的方法，可用于校准基于物理过程的模型和经验模型，或作为数据来源以提高直接估算技术的可靠性18,19。树木地貌学能够在具有暴露根系的广大区域确定土壤侵蚀状况。这些暴露的根系应具有清晰的年轮界限，并表现出与年生长模式相对应的响应，方可被视为适用于树木地貌学分析的理想样本20。此外，拟采样的暴露根系应优先选择位于对土壤侵蚀反应均一的单元内的个体21。

传统的树木地貌学估算片状侵蚀的方法基于测量 原位 被侵蚀的土壤厚度（Ex从首次暴露至今的时间22,23,24这两个变量的比值被用于计算以 mm∙yr 为单位的侵蚀值1迄今为止开展的大部分研究都完全集中在高效确定初始暴露年份上。因此，因暴露引起的根部变化是在宏观水平上进行分析的25，或在组织和细胞水平上26,27,28主要存在于针叶树暴露根部的解剖学变化是生长轮厚度增加，这是由于早材（EW）中细胞数量显著增多所致26在早材管胞的管腔区域也发现了类似的回缩现象，同时晚材管胞的细胞壁结构厚度增加24,27,29这些改良措施的起始条件已被描述并量化，即当侵蚀作用使根部上方的地表降低至大约三厘米时开始30对充分确定的重视程度较低 Ex 参数。暴露根系的年龄通常与其生长中心轴高出地面的高度相关联31,32. 估算 Ex 因此，考虑到持续的次生生长，进行了相应的校正30,33近年来，这些方法学手段还结合了土壤微地形特征的表征，以获得可靠的侵蚀速率34,35,36.

本文提出了一种利用树木地貌学估算更准确、可靠片状侵蚀速率的实验室与野外实验方案。在本方案中，我们检验了如下假设：无论暴露根系相对于径流路径的朝向如何，只要对所有暴露根系进行采样，并结合微地形分析，即可精确重建和量化侵蚀速率。因此，我们的目标是提供一种通过最大化暴露根系样本量来估算侵蚀速率的实验方案，该方案利用树木年轮序列中的宏观与微观信息，以及高分辨率地形数据。

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方案

1. 取样策略

  1. 地貌过程识别
    1. 采用水文响应单元方法（HRU）21。为此，识别研究区域内具有相同岩性与地表沉积物、冠层覆盖度、与土壤表面接触的植被残余物以及坡度的均质区域。从所有水文响应单元中选择片状侵蚀过程占主导地位的单元。

显示沉积、片蚀分析和根系暴露评估的侵蚀过程示意图。
图1：与沙质冲沟相关的均质侵蚀单元（HRU）示例。 根据本研究提出的方案，暴露根系的采样必须在以片蚀为主要有效侵蚀过程的均质侵蚀单元（HRU）中进行（图例中对应于具有中等坡度的裸露沙地）。本图经 Bodoque et al.21 修改。 请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 暴露根系的取样
    1. 在研究地点寻找可用于树木年轮定年的树种的裸露根部（优先选择针叶树）20.
    2. 详细描述待采样暴露根系周围环境的空间与形态特征。需收集以下信息：地理位置（UTM 坐标）；海拔；坡向（以六十进制角度表示），包括坡面整体坡向及根系所在局部位置的坡向（局部坡向）；根段距树干的距离；坡面整体坡度及根系具体位置的坡度（均以角度表示）；暴露根系相对于径流路径的方向。
    3. 从每个暴露根系周围的区域采集一份约1 kg的土壤样品。需测定的参数包括土壤质地、有机质含量和土壤结构。
    4. 测量 原位 使用单环入渗仪在恒定水头条件下测定水力传导度
      注意：执行步骤 1.2.2 和 1.2.3 以表征土壤可蚀性。
    5. 找到距离树干超过1.5 m的裸露根系。在更短距离处的根系暴露可能与树木生长有关。
    6. 用手工锯至少将30条暴露的、直径大于5 cm的根切成15 cm长的根段。随后，从每段根中截取两片厚度约为1.5 cm的根片。
    7. 使用测深铲、手锯和卷尺，在不同土壤深度（最大20 cm）采集部分埋藏根系样本（至少为总暴露根系样本量的三分之一），以确定根系因暴露而开始产生解剖学响应所需的最小土壤厚度。

年轮分析过程；树木年轮学方法；野外采样装置；生态学研究。
图2：野外采样操作示例。 选择至少30个暴露的树根，并用手工锯进行切割。 请点击此处查看此图的放大版本。

2. 易于到达位置的地表和暴露根系的微地形表征

  1. 使用一种地面激光扫描仪，该仪器可在50米的扫描距离内以每秒最多50,000个点的速率进行测量，精度达到1 mm < 120 m
  2. 考虑至少两个不同的传统 TLS 位置，以避免阴影区。
  3. 通过使用至少四个高精度激光扫描（HDS）靶标，覆盖整个区域，以合并不同位置的数据。
  4. 为了获得高精度的地形数据，需扫描约300 cm²的平均区域2 使用1 mm的空间分辨率，从选定位置采集暴露的根系及具有代表性的地表周围区域。

3. 复杂陡峭地形区域（山地环境）地表与暴露根系的微地形特征表征

  1. 将微地形剖面仪垂直于暴露的根系放置，随后在所有测量过程中保持水平，以便能够对不同数据集进行比较。
  2. 将步骤3.1中获得的剖面绘制在坐标纸上，以便能够以亚毫米精度推断沿剖面的土壤侵蚀量。

使用轮廓仪进行步道侵蚀分析；A：步道路径，B-C：表面轮廓的测量与记录。
图3：使用微地形剖面仪对地表微地形进行表征的示例。 （A）徒步步道上观察到的裸露树根示意图；（B）使用微地形剖面仪测量土壤微地形；（C）通过在坐标纸上绘制微地形剖面图来估算Ex，从而推断沿剖面的土壤侵蚀量，精度可达亚毫米级。请点击此处查看该图的放大版本。

4. 确定根部暴露的时间

  1. 宏观分析
    1. 将1.2.6步骤中获得的样品切片风干2个月。
    2. 从初始样品中获取两个厚度约为2 cm的切片。
    3. 使用砂纸（粒度至400）对切片进行打磨和抛光，以利于识别生长轮。
    4. 以不低于2,800 dpi的分辨率扫描切片，确保即使生长轮非常薄时也能进行精确分析。
    5. 以晚材比例的增加和较大的生长轮宽度作为暴露胁迫诱导的指标。
    6. 在生长轮宽度变异性最大的切片直径方向上，标记至少4–5条半径线。
    7. 使用图像分析系统或测量台测量树木年轮宽度。
    8. 通过比较不同半径方向上生长轮宽度的变异性，采用视觉交叉定年法，以提高对土壤侵蚀暴露第一年的定年精度，并准确确定后续年轮的年代，同时识别多重轮或不连续轮的存在。

树木生长轮分析，标注图，树木年轮横截面，年龄评估。
图4：如何制备暴露根部切片以完成树木年轮序列定年的示例。 在每个切片中，沿树木年轮宽度变异最大的方向标记四到五个半径。请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 显微分析
    1. 对于暴露和非暴露的根样本，使用滑动切片机获取宽度约1 cm、厚度为20微米的径向横切面。
    2. 用番红染色切片（即， 1 克沙黄 + 50 克水 + 50 克 96% 乙醇），然后用乙醇-水溶液逐步脱水，乙醇浓度逐渐提高至 96% 乙醇（例如， 50% 和 96% 乙醇）直至乙醇流下时呈透明状。将样品浸泡于二甲苯或柑橘油透明剂中（例如， Histoclear）
    3. 将横截面置于涂覆载玻片上，用硬化环氧树脂封片例如， Eukitt、加拿大树胶以及在室温下干燥（即， Eukitt 封片约需 5–8 小时，加拿大树胶封片至少需 24 小时。
    4. 在光学显微镜下使用数字成像系统以125倍放大倍数观察并拍摄样品。
    5. 在光学显微镜下比较暴露根样本与非暴露根样本的解剖学特征（步骤1.2.5和1.2.6）。
    6. 使用图像分析仪对以下参数的数字照片进行显微测量：a）生长轮宽度；b）每轮细胞数量；c）晚材百分比；d）早材管腔面积。
    7. 使用图像分析仪（步骤4.2.6）检测树脂道的出现情况，并对每个生长轮进行测量。
    8. 对所考虑的解剖学变量（步骤 4.2.6）进行单向方差分析（ANOVA）及多重范围检验（方法：95% LSD – 最小显著差异法），以验证两组测量值（暴露前根 vs. 暴露后根）之间是否存在统计学上的显著差异。

5. 初始暴露以来侵蚀土壤层厚度的估算（Ex）

  1. 情景1：与径流路径平行暴露的根系
    1. 根据步骤 2.4 获得的数据，采用反距离权重法作为插值方法，以 3 mm 的空间分辨率生成高精度的数字高程模型（DEMs）。
    2. 使用GIS工具从DEM中提取出露树根的垂直剖面，剖面间距约为150 cm。
    3. 在易于操作的位置执行步骤 5.1.1 和 5.1.2（步骤 2）。
    4. 在研究区域位于地形复杂且陡峭的地区（如山地环境）时，使用步骤 3.2 中获得的暴露根系的垂直剖面（步骤 3）。
    5. 在步骤 5.1.2 和 5.1.3 获得的剖面图中，通过目视解释确定阈值距离TD），定义为根部与地表凹点之间的距离。这可确定由于片状侵蚀导致的剖面地表降低程度。
    6. 通过测量第5.1.5步中估算的根部顶端与地表处陡坡点之间的高度，估算被侵蚀的土壤层厚度。
    7. 将第5.1.6步中获得的测量值减去持续的次生生长量，以进行校正即， 根系在暴露年份后的生长情况以及根部上下两侧的树皮厚度。参见冠层 等 30 详见详细描述。

树根暴露示意图；土壤侵蚀研究；标注的测量值 \(E_{x1}\)、\(E_{x2}\)、TD。
图5：示例说明在根据径流路径方向取样暴露根系时，如何确定TD的位置。 该图展示了一个常见的无覆盖根系及其邻近区域的微地形横截面轮廓。Ex1 是传统树木地貌学方法中用于确定被侵蚀土壤厚度的位置；Ex2 是该参数需要评估的位置。TD 被作为参考位置，从该点起地表仅受片状侵蚀影响而发生变化。本图经 Bodoque et al.34 修改请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 情景2：根系暴露且与径流路径垂直
    1. 执行步骤5.1中所述的步骤5.1.1至5.1.4。
    2. 利用任意地理信息系统（GIS）软件中提供的栅格计算器，针对每条垂直剖面，以地表处的坡折点为参考，测量根系顶端与地表之间的高度差。在此情况下，Ex 的测量值不受沉积和/或冲刷侵蚀的影响，因此可准确测量土壤侵蚀量。
    3. 采用步骤5.1.7中的方法对步骤5.2.2获得的测量值进行校正。

坡度分析示意图，土壤侵蚀过程；沉积作用、冲刷侵蚀、根-土相互作用。
图6：当采样的暴露根系垂直于径流路径方向时，如何进行分析的示例图解。 本图展示了与径流路径垂直的暴露根系所对应的地表剖面示意图。在与根系附近占主导地位的沉积和冲刷侵蚀过程相对应的凹点处，量化了被侵蚀的土壤厚度（Ex）。该图改编自 Ballesteros-Cánovas et al.35 请点击此处查看此图的放大版本。

6. 片状侵蚀速率估算

  1. 根据研究地点的土力学特性，应用公式1（即， 假设根系施加的径向生长压力低于土壤的抗剪强度），或公式2（即， 假设根轴在时间上的稳定性30:
    静力平衡方程，ER 计算公式，数学教育概念图(1)
    静态平衡公式，ER方程图解，教学用途，物理学概念。(2)
    其中：
    ER 毫米/年-1），是待估算的片状侵蚀速率。
    EX （毫米）为自初始暴露以来被侵蚀的土层厚度，通过执行步骤 5.1.1 至 5.2.3 获得。
    Gr1 和 Gr2 （mm）表示根部在暴露后向上/向下部分的次生（后续）生长长度，该数据在完成步骤5.1.7后获得。
    B1 和 B2 （mm）为根部上/下部分的树皮厚度，通过步骤5.1.7中的程序获得。
    ε （毫米）定义为根系开始改变其解剖结构的土壤最小深度。
    NRex （年，yr）是指暴露年后形成的树木年轮数量，通过步骤 4.1.1 至 4.2.8 获得。

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结果

暴露的根部样本由于暴露影响而出现严重的形成层退化例如， 温度、光照角度等环境因素的变化，以及根部暴露后因徒步者踩踏或动物啃食、啃枝等行为所导致的物理性胁迫。确定不连续年轮的存在，并精确判定树木对暴露产生响应的第一年，均在实验室中按照第4号方案（步骤4.1.6至4.1.8）完成。我们选择晚材比例的增加以及年轮宽度显著超过平均值作为判定树木首次暴露的指标。

本研究使用了114段暴露的Pinus uncinata Ramond ex DC、Fagus sylvatica L.、Pinus pinaster Ait. 和 Pinus sylvestris 根系样本。由于根部上侧形成层死亡，我们观察到年轮生长模式发生显著变化，由同心圆状转变为偏心生长（图7），同时出现年轮不连续，甚至部分外层年轮完全缺失的现象。上述...

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讨论

本方案展示了对地表微地形进行细致且准确表征的重要性，因为这能够基于树木地貌学方法获得可靠的片状侵蚀速率数据。我们的方法论强调，表征暴露根周围微地形对于提高侵蚀速率估算精度具有关键作用。这一因素在以往研究中被广泛忽视，导致基于树木地貌学推导的土壤侵蚀速率出现误判34。纳入微地形信息后，可不受根系朝向影响地估算侵蚀速率，从而提升方法的可重复性35。微地形数据的获取可通过多种技术实现。因此，我们注意到由微地形剖面生成的数字高程模型（步骤 5.2.1）与地面激光扫描（TLS）（步骤 5.1.1 至 5.1.2）之间存在差异。尽管这些差异有时甚至可达测量值方差的50%36，但我们强调，基于微地形剖面（步骤 5.2.1）的本方案可靠性与TLS方法相当（约毫米级）。

本研究还表明，此处采用的方案可作为山区中 TLS 方法的替代方案。由于设备的尺寸和重量较大，在此类特定地理环境中使用 TLS 并不实际，因为这会阻碍设备在难以进入区域的运输。同时，本文也展示...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

资助本研究的研究项目包括：西班牙科学技术部的 MARCoNI（CGL2013-42728-R）、Dendro-Avenidas（CGL2007-62063）、MAS Dendro-Avenidas（CGL2010-19274）以及由西班牙环境部资助的 IDEA-GESPPNN（OAPN 163/2010）项目。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
地形图、土壤图、土地覆盖图从公共机构获取，或在研究的第一阶段生成
单环入渗仪Turf-Tec InternationalIN16-Whttp://www.turf-tec.com/IN16Lit.html
手锯对型号无特殊要求
卷尺精度为 1 mm
地面激光扫描仪（TLS）Leica-GeosystemsLeica ScanStation P16https://leica-geosystems.com/products/laser-scanners/scanners/leica-scanstation-p16
微地形剖面规RS OnlineFacom, 19https://www.classic-conservation.com/es/herramientas-para-talla-y-escultura-en-madera/511-galga-medidora-de-perfiles.html
砂纸粒度从 80 至 400
扫描仪EPSONPerfection V800 Photohttps://www.epson.co.uk/products/scanners/consumer-scanners/perfection-v800-photo
图像分析系统Regent Instruments Inc.WinDENDROhttp://www.regentinstruments.com/assets/windendro_analysisprocess.html
测量台IMLhttps://www.iml-service.com/product/iml-measuringtable/
滑动式切片机Thermo Fisher SCIENTIFICMicrom HM 450-387760http://www.thermofisher.com/order/catalog/product/910020
光学显微镜OLYMPUSMX63/MX63Lhttps://www.olympus-ims.com/en/microscope/mx63l/
显微镜用数码相机OLYMPUSDP74https://www.olympus-ims.com/en/microscope/dc/
番红经验式（希尔表示法）C20H19ClN4 
星蓝经验式 C47H52CuN14O6S3
酒精体积分数酒精（50%、75% 和 100%）
蒸馏水H2O
柑橘油透明剂https://www.nationaldiagnostics.com/histology/product/histo-clear
涂层载玻片Thermo Fisher SCIENTIFIChttps://www.fishersci.com/us/en/products/I9C8JXMT/coated-glass-microscope-slides.html
硬化环氧树脂MERCKhttps://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/03989?lang=es®ion=ES

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