全球自然灾害每年造成大量的损失，是各国实现联合国可持续发展目标（sustainable development goals，SDG）面临的一个巨大挑战，减灾防灾十分重要^[1]。中国是一个自然灾害多发国家，每年泥石流、滑坡、崩塌、洪涝、风雹、干旱、森林火灾、地震等自然灾害导致资源损失、道路毁坏、房屋损坏、农作物歉收等，造成巨大的经济和环境损失。民政部的信息表明，即使在自然灾害明显偏轻的2017年，自然灾害造成的直接经济损失也达3 018.7亿元，影响中国社会经济健康发展。科学的防灾减灾，有利于保护人民生命和财产，促进社会和谐发展和生态文明建设。

台风、干旱、洪涝、地震等自然灾害的发生主要受自然因素影响，而泥石流、滑坡等灾害则受自然和人为因素的综合影响，而且人为活动的影响强度日益增强。世界灾害及其损失的现实说明，自然灾害的发生难以避免，但充分认识自然灾害发生的规律，有利于制订科学的、符合社会经济条件的防灾减灾预警及应对措施，有效降低灾害损失，使灾不成害。研究灾害发生规律，需要确定灾害发生的时间，了解一个区域灾害发生频率及灾害发生的变化趋势，以及灾害的空间分布格局。但由于多种原因，有关自然灾害的记载并不完善。一方面，现有文献常常仅记载大的、造成损失严重的灾害，而较小、或灾大但损失小的，在文献中可能没有记载或记载不详^[2]；另一方面，在偏远、人烟稀少或人迹罕至之处发生的灾害，常常没有文献记录。受日益增强的人类活动和极端气候事件增加的综合影响，滑坡、山洪、泥石流、崩塌、干旱等自然灾害增加趋势明显，足够的灾害信息对确定诱发因素，预测风险，以及预防灾害发生和灾后重建都具有重要意义^[3]。

获取灾害信息的常规方法主要是实地调查，近30年来野外调查与航空遥感和卫星遥感技术相结合，以及近年快速发展的无人机，使灾害信息的获取方法及可靠性大为改进。在这些方法基础上，如何增加新的信息，受许多学者关注。重要的灾害信息包括发生地点、发生时间、影响范围及损失。研究过去自然灾害发生的时间，除常规的实地调查以外，放射性碳同位素方法也较为常用，但该方法对于发生年代较近，特别是百年尺度和不到百年的事件发生时间的定年，误差较大。利用树木在生长过程中记载的环境变化信息来研究山地灾害发生的时间、地点、范围等方面显示了巨大的潜力^[4–7]。中国西部山地灾害频发，而在由降雨引发的滑坡、泥石流等灾害发生区域，木本植物普遍，对利用树木记载的信息研究灾害发生的频率、时间、范围等提供了良好条件。

树木的生长发育受光照、温度、水分、土壤和养分等环境条件的制约，有明显的季节性，树木发育了一整套与其生长环境相适应的生物学和生态学特性，并在树木的径生长和高生长上表现出来。在温度和降水具有明显季节变化地区生长的树木，在生长季后期形成的晚材细胞和在次年生长季早期形成的早材细胞在形态、大小、细胞壁厚度和颜色上有显著差异。早材细胞大，细胞壁薄，颜色浅；而晚材细胞小，细胞壁厚，颜色深。在树干横断面上，早材和晚材形成明显的圈层结构，常常每一圈代表一年，称为树木年轮（tree-rings），树木生长的快慢可以清晰地反映在树轮的宽窄上。与径生长相似，树木在高生长上也常常表现出年变化，如常见的松树、杉树、柏树等针叶树常常每年仅生长一次新枝条，主干上每年的枝条形成“一台”，“台”的间距长短反映了树木高生长的快慢；与主干相似，枝条的伸长生长也表现出一年“一台”，其“台”间距也能够反映枝条伸长生长的快慢。所以，影响树木生长的很多环境条件的变化都能在树木年轮中有清晰的记载。

在树木的生长发育中，树冠和根系十分关键。叶是光合作用的场所，生产树木生长所需的碳水化合物，枝条生产调节生长的物质^[8]；根系从土壤中吸收水分和矿质养分，储存生长所需的物质。因此，树冠或根系的受损会导致树木年轮变窄、年轮缺失或树木死亡。对树木来说，生存最重要，当树木的树冠、根系或树干受损时，树木会将其所合成的碳水化合物和其获得的水分、矿质养分等资源首先用来促进新组织的生长，以替换生长所需但已经受损的根系和树冠，其径生长和高生长所需的资源减少，受损树木的径生长和高生长下降，年轮变窄，节间变短。

大量研究证实，树木年轮的宽度受环境因素制约，其宽度与环境因素之间有很好的相关性，可以记载树木的生长状况和影响树木生长的环境变化^[9]，已逐渐成为研究环境变化的一个重要手段^[10]。自20世纪初以来，利用精确定年的树木年轮，研究自然现象的时间变化以及地表过程的时空格局变化，完善了交叉定年等研究手段，已发展成为一门独立的学科，即以树木年轮为研究对象的树木年代学（dendrochronology）。环境因子的变化，如气温和降水量的异常等会导致树轮宽度的变化。生长在同一地区的树木，受基本相同的气候条件影响，树轮的宽度变化具有相似的特征，一旦气候条件发生变化，树轮的宽度也随之发生相应的变化。因此，树木年轮变化是研究和推测过去气候变化规律的一个重要手段^[11–12]，对认识气候变化有重要价值^[13–14]，形成了树木年代学最重要的分支，树木气候学（dendroclimatology）。此外，在考古学等学科中树木年代学也是重要的研究手段。

自然灾害的发生会直接伤害树木或引起影响树木生长的环境因子变化，影响树木的直径生长和高生长，在树木的年轮或高生长中记载下来，树木年轮变窄或变宽（图1），树干或枝条的节间缩短或加长。所以，受到影响的树木的年轮系列为确定自然灾害发生的时间提供了可靠的信息。

图1(Fig. 1)

图1 环境条件变化导致的树木年轮的变化 Fig. 1 Changes in tree rings caused by changes in environmental conditions

引起树木生长环境变化的自然灾害与地表过程相关，包括滑坡、泥石流、落石、雪崩、岩石崩塌等山地地质灾害。这些地表过程导致的物质移动通过多种方式影响树木的生长（表1）。

图2(Fig. 2)

图2 滑坡导致树木倾斜和弯曲 Fig. 2 Trees tilted caused by landslides

表1(Tab. 1)

表1 山地地质灾害引发的树木受损表象及受损原因与过程 Tab. 1 Tree damage phenomena caused by mountain geological disasters and their causes and process

表1 山地地质灾害引发的树木受损表象及受损原因与过程 Tab. 1 Tree damage phenomena caused by mountain geological disasters and their causes and process 树木受损表象 受损原因与过程 树干倾斜和 弯曲 地表变化使原来垂直生长的树木倾斜。树木的顶端生长优势和垂直生长特性使其顶端重新与水平面垂直，倾斜的树木在逐渐恢复垂直水平面生长的过程中变弯曲(图2)。 根或树干木材的撕裂 地表变化引起的物质移动会对沿途树木的主干或根系产生一定的破坏作用，会在树干上形成擦伤，或撕裂木材。 茎干掩埋和 倒伏 泥石流或滑坡物质掩埋直立树木茎干的下部，树木生长受损，甚至死亡；或树木倒伏，全部或部分掩埋(图3)。 树干断头、主干或枝条折断 树木在顶部折断，但其下部枝条受影响小，树木存活；或树干在中部或以下折断，树木常常死亡；树干主要枝条折断，影响树木生长。 　擦伤 地貌变化引起的物质移动会对沿途树木的主干产生一定的破坏作用，在树干上形成擦伤。 根系暴露 由于覆盖树木根系土壤的流失，树干根系暴露 (图4)。 　淹没 山洪会短期或长期淹没树木。

图3(Fig. 3)

图3 滑坡导致树木倒伏（四川米易） Fig. 3 Tree fall caused by landslide （Miyi，Sichuan）

图4(Fig. 4)

图4 树木根系被泥石流冲刷而暴露在地表（四川九寨沟） Fig. 4 Tree root exposure by debris flow （Jiuzhaigou，Sichuan）

对上述方式，树木会产生如下的响应：

停止生长：较为少见。当某种影响很大，而且变化剧烈时，树木会停止生长，若这种影响时间短，当影响消除或变小时，树木可能会恢复生长。

生长下降：最常见。生长因素变化使树木的正常生长受到影响，树木的直径生长和高生长速率都下降。

生长加快：较为常见。由于滑坡、落石或泥石流等造成一些或一带树木死亡或倒伏，改变了林地原来的郁闭情况，从而改善了周边没有受到损坏树木生长的光照及由此带来的温度和水分的变化，这些树木的生长速率加快。此外，地震使沿断裂带的树木折断、倒伏，改善了光照条件，也使沿断裂带周边树木生长加快^[15]。

出现反应木及偏心年轮：常见。出现在倾斜和弯曲树木上。倾斜树木为了实现重新与水平面垂直的生长，向地面一侧的新生细胞要更大，因而在树干的一面产生反应木（reaction wood）（即地质灾害研究中俗称的马刀树），反应木细胞一侧的宽度是同一年轮另一侧的2~3倍，使树木年轮呈现偏心现象；反应木颜色也与正常木材细胞明显不同。反应木和偏心年轮的出现，是利用树木年轮确定地表变化发生时间的重要信息。不同原因都会导致树木倾斜，如风也会使树木发生倾斜，但在野外易于区分；偏心年轮也可能由树冠或根系发育引起的偏冠或偏根冠导致的土壤水分、养分供应或生长物质分布不均匀引起，但这些变化，不会出现反应木，即不具备反应木的颜色和形态。

倒树存活：偶见。有时候，林中倒下的树木由于其部分根系没有完全折断，加上树木倒下后形成的空间，改善光照条件，使倒下的树木存活相当长时间。通过树木上的枝条能够确定树木倒下的时间，因为枝条的生长方向发生急剧的改变，由于重心方向的改变及光照的增加，重心方向的改变，使枝条的年轮呈现出特殊的格局。

山区的自然灾害主要有滑坡、泥石流、落石、山洪、岩崩、雪崩和地震等，当这些灾害发生在有树木生长区域时，树木年轮能够记录灾害发生的时间。

地震，特别是引起地表破裂和地表移动、引发泥石流和滑坡等地质灾害的大地震，可直接损伤或摧毁树木，或使树木倾斜，或改变树木生长环境，引起树木径生长和高生长的变化，或形成反应木^[16]，对树木产生显著的影响。因此，树木年轮所记载的信息，在确定地震发生的时间、强度和范围等方面得到广泛应用^{[4–5,17–29]}。近50年来，特别在20世纪80～90年代，利用树木年轮来确定过去地震发生的时间、震级、断层活动范围的研究成果显著，特别是对那些没有文字记录的地震显示了很好的结果^{[4–5,18,21–28]}；2000年以来，树轮研究已经扩展到树木对地震响应的空间变异^[30]。

利用树木年代学来确定地震发生时间是基于“事件—响应”这一原理，地震引起树木和地表的许多变化都能在树木的生长过程中永久保存下来，这是利用树木年轮信息来确定地震发生时间的关键。根据树木对地震的响应及其在树轮上的反映，可以确定地震发生的具体年的时间^[18,31–32]；而生长季在一个特定地区是固定的，根据木材细胞对地震干扰的响应表现，地震发生的时间可以精确到一年中的具体季节^[4–5,31]。利用树木受损程度及受损树木的空间分布范围，可以帮助确定地震的震级和发生地点^[31]。

对树木年轮宽度的变化原因有不同的解释，个别研究认为是由于地震引起的活动断裂导致上下盘中水分差异造成的^[33]，但多数认为树轮变窄与地震等突然的剧烈活动导致的树木根系损伤有关^[34]。如何解释地震对树木生长的影响，则需要综合利用植物学、植物生理学、地质学和气候学知识^[33]。在研究地震对树木的影响时发现，在形变带中正断裂两侧生长的低矮灌木香柏树（Sabina pingii var. wilsonii （Rehder））长势差异很大；在上升盘中，特别是在紧靠断裂面小陡坎（即地震导致的地表错动形成的小断崖）一带的灌木，沿断裂面有大量根系裸露，其长势极差，枝枯叶凋，有的已全株枯死；在下降盘中，特别是紧靠断裂面小陡坎之下一带的灌木，长势十分茂盛，枝嫩叶茂，生机勃勃。作者认为，由于地震带来地表地形变化，在活动断裂下降盘特别是靠近断裂面一带常常积水较多，水分充足，有利于树木的生长；而在活动断裂上升盘中，特别是接近断裂面处，常因地表降水及浅层地下水沿新鲜断裂面快速和大量流失，树木生长所需的水分无法得到满足。因此，作者将树轮变窄或变宽原因归因于活动断裂上下盘水分条件的变化^[33]。但这样的解释显然不全面，没有考虑地震对根系的影响。

滑坡是最危险的自然灾害之一，全球每年导致几千人死亡，损毁大量的基础设施。因此，在确定一个地方滑坡风险时，可能出现因滑坡发生的频率低而被确定为低风险，而小滑坡发生频率高的地方，则可能会被确定为中或高风险^[35]。随着社会经济的发展，人类活动强度日益增大，对自然生态系统、地表过程的影响范围和干扰强度日益增大，滑坡风险增加；此外，气候变化的影响也越来越大，暴雨、连续长时间降雨等极端气候事件的频率增加，也增加了滑坡发生频率。如何科学预测，十分重要。而过去发生的滑坡的各种详细信息，对预测未来滑坡的发生十分必要。

确定滑坡发生时间主要依靠野外调查，要估测一个区域滑坡发生的频率，需要几十年的滑坡数据^[35]。因滑坡的规模和范围易于确定，中国目前为止的滑坡数据基本上是基于实地观察。但对一个频繁、多次发生滑坡的地方来说，直接观察对确定滑坡次数可能产生误差，而且其定年精度也受限制，常常仅限于古滑坡和新滑坡的区别。而基于树木年代学的树木地貌学方法在这方面显示了极大的优势，树轮年代系列可达几百年，树轮记载了滑坡发生信息，采用科学的分析方法，不仅能够获得滑坡发生时间的信息，还能够提供一个区域滑坡发生的空间信息^[36]。如在一个多次滑坡的地点，因滑坡情况不同，树木倾斜的方向会发生变化，在这种情况下，通过分析树木年轮的偏心情况，能够获得每次滑坡发生信息^[37]。此外，滑坡可能导致根系受损或茎干被埋，树木早材细胞变小，或生长速率下降；当滑坡导致一些树木死亡后，剩下的、没有受到明显影响的树木因光照、温度和水分等条件的变化，生长加快。通过研究滑坡发生地点的树木年轮，获得年轮的变化系列，能够确定滑坡发生时间。此外，树木年代学不仅能够用于确定滑坡发生的时间，也能够用于确定滑坡的大小和空间范围，通过分析树木的偏心程度，能够提供滑坡的时空信息^[35]。

泥石流可能是山区引起较大损失和最常见的自然灾害。在中国山区，每年泥石流的发生带来一系列的问题，包括阻断交通、毁坏交通和通讯设施、毁坏耕地、毁坏房屋等。大的泥石流的间接影响更为深远，如2008年汶川地震之后的2013年都江堰泥石流、玉树泥石流等，不仅引起当地的直接损失，还影响旅游和其它生产，间接损失巨大。

确定新发生泥石流的大小通常是容易的，但确定老泥石流或重复发生的泥石流则是挑战。确定泥石流大小最常用的指标是每一次泥石流冲出的泥沙量，但若泥石流的物料都流失了，则会影响对泥石流大小的估算。通过测量泥石流形成区和流通区的长、宽和深，或者泥石流堆积区的面积和深度，估算泥石流的大小。树木年代学在确定泥石流发生的时间、路径、空间格局都显示了很大的潜力^[34,38]。Lopez等^[39]利用树木年代学方法，识别出一个区域1931—2008年间发生的13次泥石流、4个泥石流路径和3个经常发生的位置；树木年代学研究，也有助于建立降雨和泥石流的关系^[40]。

树木年代学能够反映水文的变化，重建区域洪涝发生历史^[41]。山洪因持续时间短、能量大、物质移动速度快，其所携带的物料会擦伤树木，在树干上形成创伤，通过研究受伤树木创伤点木材细胞特征，就能够确定损伤发生的时间，也就是山洪发生时间。Ballesteros-Canovas等^[42]通过对河流两岸有擦伤的树木研究，确定了20年中发生的3次山洪的时间。树木年代学研究，揭示了南美阿根廷1890—2009年期间21次山洪及每株树受山洪影响的时间间隔（4～93年）^[43]和西班牙中部50年间发生的7次山洪的时间^[44]。

研究山洪，最好采集生长在岸边，经常受洪水影响，并有较长浸泡期，但又没有受其它地貌影响的树木。

落石（或滚石）是山区一种较为普遍的自然灾害，影响交通和居民安全。在中国，落石和岩崩的危害主要受到交通部门的关注，常采用防护网、棚洞等方式来防护交通安全，对落石的研究主要关注落石风险灾害的分析、落距、冲击力、运动轨迹特征及落石防治等方面的研究^[45]，以及树木对落石拦挡效应研究等^[46]，但对落石发生频率、发生时间的确定等方面的研究还未见。随着中国社会经济的发展，落石及岩崩的影响将会逐渐显现，将会影响山区公路、居民点、旅游区安全。研究和了解一个区域或地方的落石情况，十分必要。在这方面，国内目前还未见研究。在国外，在有森林的地方，通过落石对树木的影响，能够建立落石方式频率。

与国内相似，灾害评估和风险分析是国外研究的重点，这样的研究需要了解过去发生的灾害信息，而这些灾害信息通常来源于历史文献。但对于落石发生频率、落石量、落石发生的空间特征或落石发生的时间等的信息很少，而这些信息都保留在树木年轮中。

在有森林的地方，落石对树木通常有4种影响，即使树木顶部折断、损伤树干、使树木发生倾斜和弯曲，以及毁坏树木而改善未受伤害存活树木的生长条件，树木在年轮上分别表现出特征明显的响应：突然的生长抑制、愈伤组织和创伤树脂道、反应木、生长释放^[47]。尽管如此，利用树轮研究落石的工作很少，已有研究主要来自瑞士的Stoffel团队。

通过对树木圆盘记载的树木年轮的研究，Perret等^[48]重建了1880—2000年120年间一个地方落石活动历史，发现在20世纪上半期，落石发生的频率较低，但从20世纪60年代开始，落石发生频率逐渐增加，至90年代落石发生的频率较高。通过对从基部到顶端截取的树木圆盘的研究，Stoffel^[49–50]识别出了百年尺度的树木受到落石撞击的次数和落石发生的次数。除树木圆盘以外，树芯也是研究落石的重要材料。Stoffel^[51–52]通过对一个受落石影响地区的森林树芯的研究，揭示了340年间落石发生的类型、落石损毁树木的区域，以及落石主要发生的区域，而且也能识别出大的落石事件。

依据树轮研究落石主要依赖于创伤引起的愈伤组织和创伤树脂道。Stoffel等^[49–52]通过对受伤树木圆盘所显示的愈伤组织和形成的树脂道的研究，揭示了落石主要发生在非生长期，在生长期则相当罕见；落石的发生率与年平均温度、夏季平均温度和冬季平均温度正相关，而与年或季节总降水量无关^[48–52]。

此外，Trappmann和Stoffel^[53]还提出通过树干受伤痕迹来识别落石灾害，他们的研究发现，这一方法能够获得可靠的落石影响的范围，但落石发生的次数是利用树木年轮获得结果的2.7倍。

科学技术的进步和社会经济的发展使得人类对自然环境影响的强度和范围日益增大，加上极端气候事件发生的频率也在增加，山地自然灾害发生频率也可能会增加。社会的发展也对防灾减灾提出新的需求。中国的灾害研究主要集中在灾害的影响方面，对山地自然灾害发生历史的研究还较少。山地灾害的发生与降雨有密切关系，树干的生长发育也与降雨有密切关系，中国山地灾害较为频繁的地区常常有较好的植被发育，有利用树木年代学研究灾害发生历史的良好条件。

从区域来看，利用树木年代学研究自然灾害的研究主要在欧洲和北美，在亚洲研究很少，国内主要是对利用树木年代学在地质灾害研究上应用的介绍^[54–57]，仅有个别的实地研究，如洪婷等^[58]对甘肃南部九房山滑坡活动年份的研究，铁永波等^[59]对四川泸定磨西河20年间的泥石流活动的重建。

根据在汶川地震灾区等地区的野外观察，以下几方面可能值得研究：1）不同年龄或大小的树木受灾害的影响程度不同，一般而言，大树因其重量（质量）、树冠和根冠比小树大，受损可能要比小树大。2）过去研究树木对山地灾害的响应几乎全部集中在树木径生长的响应上，对根系研究少。研究发现，不同坡度的山坡上的深根系和浅根系树木对地震等灾害的响应差异大，浅根性树木常常导致滑坡^[60]。因此，需要研究根系受损对树木生长的影响，建立树木的径生长和根系损伤之间的关系。3）过去主要集中研究树木年轮，没有研究山地灾害对树干高生长和枝条伸长生长的影响。将树木对山地灾害响应扩展到主干高生长和枝条伸长生长，并将根系类型及受损情况与树木的径生长和高生长联系起来研究，将有利于揭示树木对地震响应机理。4）根据在2008年汶川地震中房屋及物品受损的观察，地震震动的方向性对树木的影响差异很大，国外研究也发现，有些在断层附近的树木对地震没有明显的生长响应，树木可能也保留了地震震动方向等信息。此外，震动方向可能也是在采样中需要考虑的因素。

利用树木年代学对山地自然灾害进行研究，树木的采样是关键。通常，只要有木本植物生长的地方，树木年代学就能够提供有价值的信息，不仅在确定自然灾害发生时间上具有极大的优势，也能确定灾害的规模和大小，但科学的采样策略、样品采集样地的确定、采样树的选择、每株树木树芯采集位置和方向等都会影响研究的科学性。科学的采样能够确定树木受损发生的时间到一年中发生的季节。树木年轮突然变窄是用来确定事件发生的重要指标，但并不是所有变窄的树轮都是由于自然灾害事件引起的。其它原因，如气候、树木之间的竞争、病虫害等都可能引起。只有当其它因素排除，而且重复性很好时才能用。在排除其它因素时，对照树木的科学选择是关键。另外，对于利用树干创伤来确定事件发生时间时，随着时间的推移，许多创伤会消失^[61]。