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

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（E_x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 E_x 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}

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。

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。

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.......

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.......

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 International	IN16-W	http://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-Geosystems	Leica ScanStation P16	https://leica-geosystems.com/products/laser-scanners/scanners/leica-scanstation-p16
微地形剖面规	RS Online	Facom, 19	https://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	EPSON	Perfection V800 Photo	https://www.epson.co.uk/products/scanners/consumer-scanners/perfection-v800-photo
图像分析系统	Regent Instruments Inc.	WinDENDRO	http://www.regentinstruments.com/assets/windendro_analysisprocess.html
测量台	IML		https://www.iml-service.com/product/iml-measuringtable/
滑动式切片机	Thermo Fisher SCIENTIFIC	Microm HM 450-387760	http://www.thermofisher.com/order/catalog/product/910020
光学显微镜	OLYMPUS	MX63/MX63L	https://www.olympus-ims.com/en/microscope/mx63l/
显微镜用数码相机	OLYMPUS	DP74	https://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 SCIENTIFIC		https://www.fishersci.com/us/en/products/I9C8JXMT/coated-glass-microscope-slides.html
硬化环氧树脂	MERCK		https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/03989?lang=es®ion=ES