年輪測定及研究現(xiàn)狀

ж第五章年輪測定及研究現(xiàn)狀1幻燈片一、研究年輪的意義樹木年輪的形成與變異除遺傳因素外，還與環(huán)境因子密切相關，樹木年輪寬度變化能夠反映外界環(huán)境的變化情況。樹木年輪資料具有定年準確、連續(xù)性強、分辨率高和記錄性好等優(yōu)點，廣泛應用于歷史時期的氣候變化研究。早在19世紀初或更早的時候，就曾有一些科學家嘗試建立樹木年輪寬窄變異與氣候要素變化的關系。近年來，樹木年輪研究已廣泛應用于樹輪年表的建立，以及降水量、溫度、干濕度等多項環(huán)境因子的歷史重建工作。作為自然歷史的載體，年輪為眾多學科提供了可供查考的數(shù)據(jù)依據(jù)，因此，研究年輪具有重要意義。2幻燈片二、年輪研究的歷史2.1國際方面

該領域最早的奠基者是美國科學家A.E.Douglass，之后不斷有人嘗試建立樹木年輪寬窄變異與氣候要素變化的關系。在國外的研究中，Graybill、Shiyatov（1989）以及Graumlich（1993）等重建了美國1000多年來的降水和溫度，Briffa（1990）利用樹木年輪重建了芬諾斯堪迪亞地區(qū)從公元500～1990年間的夏季溫度，Earle利用樹木年輪寬度重建了加利福尼亞河川徑流量的歷史變化（1993）。3幻燈片二、年輪研究的歷史2.2國內(nèi)方面國內(nèi)這方面的研究主要集中于新疆、內(nèi)蒙等西北干旱、半干旱地區(qū)，對上述地區(qū)進行氣候重建和相關性分析。在我國，范敏杰等用樹木年輪重建了伊犁南天山北坡西部的降水量序列，喻樹龍等利用天山北坡西部樹輪年表重建了博州1576—2002年的年最低氣溫，王亞軍等利用樹輪資料重建黑河古徑流的變化，王夢麥等利用樹木年輪重建六盤山地區(qū)1900年以來的干濕變化周期，崔明星等運用樹木年輪氣候?qū)W方法，研究了河北木蘭圍場油松的生長與氣候要素之間的關系。說明當?shù)赜退傻膶挾壬L對氣候因子變化的敏感性波動較大。目前，我國利用樹木年輪學方法，重建了天山、喜馬拉雅山、祁連山等地的氣候，研究的方法也從年輪寬度逐步深入到年輪密度（彭劍峰等，2005；張瑞波等，2008）。該領域目前研究的前沿是在對年輪寬度分析的基礎上，研究密度變化、細胞大小、數(shù)目等的變化對氣候變化的響應，確定年輪變化序列，從而重建歷史某個時期的氣候變化。4幻燈片三、樹木年輪學基本原理

3.1早晚材原理在春季，樹木開始生長，形成層開始分化次生木質(zhì)細胞，這時生長的部分營養(yǎng)物質(zhì)來源于上一年生長季中的貯存。這一木質(zhì)部分，稱為早材。因環(huán)境和季節(jié)的變化，植物生理條件改變，之后形成層細胞的體積變小，細胞壁變厚，形成層木質(zhì)部分顏色變深，這部分稱為晚材，晚材和早材并為一年的生長寬度，即年輪。樹木從環(huán)境中吸收養(yǎng)分和能量到年輪中，因此樹木年輪與它們的生長環(huán)境密切相關。5幻燈片三、樹木年輪學基本原理

3.2均一性原理均一性原理由JamesHutton于1785年最先提出，在古氣候研究中常被應用。例如，在過去出現(xiàn)過的氣候型，現(xiàn)代、今后有可能出現(xiàn)，現(xiàn)在出現(xiàn)過的氣候類型必定可以從歷史氣候中找到相似的類型。將這一原理，應用到樹木年輪氣候?qū)W中，其根本依據(jù)是限制樹木生長的氣候條件在過去和現(xiàn)在是一樣的。6幻燈片三、樹木年輪學基本原理

3.3限制因子定律

任何一種生物學過程，必須遵守一條生物學定律，即它進行的生物學過程、變化速度都不可能超過主要限制因子所允許的程度。若某個因子發(fā)生變化，不起限制作用，則某生物學過程速度就加快，直到出現(xiàn)另一個限制因子，或出現(xiàn)幾個限制因子時為止。限制因子定律對樹木氣候?qū)W及其重要，因為只有在一個或多個環(huán)境要素強烈限制樹木生長并且持續(xù)足夠長的時間，造成較大地理范圍上許多樹木的年輪寬度或其它特征以同一種方式變化時，才可以進行樹木年輪的交叉定年。

7幻燈片三、樹木年輪學基本原理

3.4生態(tài)環(huán)境選擇原理這一定律實際上是限制因子定律的延伸，我們在樣本采集時，應挑選樹木生長的位置和地點在受限制因子最大的小區(qū)域內(nèi)。由此也可以認為：在采取樣本時，盡量選擇氣候影響最大的那個地點上的樹木，如林緣木，以避免那些非氣候噪音的影響。生態(tài)環(huán)境選擇原理對指導野外工作尤其是采樣地點和采樣標本樹木的選擇十分重要。8幻燈片三、樹木年輪學基本原理

3.5敏感性原理

樹木年輪寬度的逐年寬窄變化是衡量氣候?qū)δ贻喩L限制的一項很好的指標，樹木年代學研究中把這種寬窄變化作為樹木徑向生長反映氣候變化的平均敏感度。顯然，平均敏感度度量了相鄰年輪之間的輪寬變化情況，在樹輪氣候?qū)W研究中主要反應了氣候的短期變化或高頻變化。研究表明，平均敏感度大的樣本保持的氣候信息相對較多，相應的噪聲較少，樣本與氣候變化的關系較密切。

9幻燈片三、樹木年輪學基本原理

3.6交叉定年原理

生長在同一生態(tài)環(huán)境下的樹木，由于受到同樣的限制因子作用，其年輪的寬窄變化應該是同步的。若兩組以上的序列，甚至同一株樹、不同方位采取的樣本，所測出年輪序列無法重疊，則將兩序列年輪寬度點在坐標帶上，畫出年輪變化曲線，可明顯看出它的錯位，若將其中偽、缺輪進行刪補，兩個或更多序列就能重合起來，即能正確的檢查出某序列每個年輪的正確年代，該種方法即成為交叉定年法。

交叉定年的原理圖10幻燈片

3.6交叉定年原理（續(xù)）我國的樹輪工作者結(jié)合我國樹木生長的實際情況，總結(jié)出“三步定年法”：即樣木定年—示意圖（骨架圖）定年—計算機定年（計算機程序）。在交叉定年以及年輪寬度量測完成之后，還需要對交叉定年的準確性加以檢驗，一般借助于COFECHA程序進行。交叉定年骨架圖的匯總?cè)淠灸贻唽W基本原理

11幻燈片三、樹木年輪學基本原理

3.7復本原理復本原理是指：利用樹木年輪分析氣候變化時，僅依靠一棵或幾棵樹建立起來的年輪序列來分析氣候變化，其結(jié)果往往是值得懷疑的。如果沒有足夠的樣本量，很難進行交叉定年，無法完全判定出一個采樣點存在的缺失年輪及偽年輪。通過大樣本量可以消除讀數(shù)過程中個別樣本出現(xiàn)的偶然誤差，并判定個別樣本或某個時段內(nèi)可能存在的若干非氣候因素造成的異常變化，從而可以將非氣候因子的影響減至最小，有利于更準確的推斷過去氣候變化。復本原理的具體做法，一方面要求在一個地點采集盡可能多的樣本，另一方面要在每棵樹的不同方向上取樣。在實際工作中，我們常常在一個采樣點采集20棵樹以上，每棵樹在不同位置取兩根樹芯。如果該地區(qū)沒有已有的樹輪年表作為參照，樣本量還應該相應的增加。12幻燈片四、樹輪研究分支學科

樹輪年代學樹輪考古學樹輪氣候?qū)W樹輪生態(tài)學樹輪水文學樹輪地貌學樹輪冰川學樹輪化學樹輪火災學樹輪災害學13幻燈片五、年輪采樣、定年及測量5.1采樣5.1.1截取圓盤法

圓盤標本易于觀察，容易查找變異輪，利于全方位的進行分析，同時還可以規(guī)避腐朽部位、偏心輪、連續(xù)缺輪等，可以選擇有利于讀數(shù)測量的方面。但是利用圓盤標本成本較高，尤其在邊遠地區(qū)采取樣本時，受交通條件限制，木材下運困難。

5.1.2鉆取木芯法

木芯樣本采集省時、省力，運輸較方便，易于保存，更為重要的是可以為復本提供方便條件，一般采樣時只需用生長錐這一種工具，而采集圓盤時需要油鋸、機油、鋸手等配備。14幻燈片五、年輪采樣、定年及測量5.2定年及測量5.1.1普通定年及測量法

利用肉眼定年、直尺測量法進行測定。5.1.2年輪分析儀定年及測量法用Lintab5進行年輪定年并測量寬度。

5.1.3計算機定年法用國際年輪庫的Cofecha程序進行交叉定年。15幻燈片年輪分析儀Lintab5使用操作步驟：將樣本放在工作臺上，調(diào)整顯微鏡，打開軟件中“newmeasurement”選項，點擊“startmeasurement”錄入相關內(nèi)容，開始進行測量，按左鍵恢復原位，點擊右鍵進行長度的確認，測量完成后，點擊“stopmeasurement”停止測量，保存數(shù)據(jù)，關閉電源。16幻燈片六、年表編制經(jīng)過交叉定年檢驗后,采用Arstan研制的程序建立年表。雖然樹木生長并非同步，但Arstan能夠?qū)⒚總€輪寬序列的內(nèi)部擾動信息提取出來，從而保留采點樹輪樣本共有的同步信息。通常。運用Arstan程序可以制作出三種不同的年表，它們依次是：標準化年表（STD）、差值年表(RES）和自回歸標準化年表（ARS）。6.1標準化年表（STD）是通過輪寬的標準化剔除與樹齡有關的生長趨勢以及樹木個體差異的影響，得出樹木年輪指數(shù)，然后再根據(jù)指數(shù)序列與主序列間的相關系數(shù)，剔除與多數(shù)序列相關性差的標本，最后采用雙權重平均法合并得到的年表，它是常規(guī)意義上的樹輪年表。17幻燈片6.2差值年表（RES）是在標準化年表的基礎上，去掉樹木個體特有的和由前期生理條件對后期生長造成的持續(xù)性影響而建立的年表，它只含有群體共有的高頻變化。6.3自回歸標準化年表（ARS）是在估計采樣點樹木群體所共有的持續(xù)性造成的生長量的基礎上，再將其加回到差值年表上得到的，因此自回歸標準化年表不僅含有群體共有的低頻變化，也含有群體共有的高頻變化。18幻燈片姜倩倩2012年在徂徠山對赤松、麻櫟和側(cè)柏進行了生長錐法樣芯采樣，用40年步長的樣條函數(shù)對樹木輪寬生長趨勢進行擬合，并對去趨勢的序列以雙重平均法合成了標準年表(STD)。研究中，考慮到采樣點為人工林，樹株分布均勻且郁閉度較大，樹與樹之間的相互競爭與協(xié)調(diào)會導致年輪寬度上的低頻變化，因此標準化后又進行了再次標準化（？），從而剔除了與樹齡相關的生長趨勢和樹株之間的低頻波動。在此基礎上，還以同樣方法合成了差值年表(RES)和自回歸年表（ARS），并對年表進行了共同區(qū)間分析。通過比較這三個年表的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)STD年表各項統(tǒng)計量最高，能更好的代表總體特征，因此以STD年表為例進行了分析。年表編制案例：19幻燈片年表編制案例：徂徠山赤松標準化年表年（year）樣芯數(shù)量（num）樣芯片段（seg）年齡（age）原始數(shù)據(jù)（raw）標準化年表（std）差值年表（res）自回歸標準化年表（ars）1971403610.3471.3671.3101.3411972403620.2160.6180.7490.7201973403630.2300.9961.0921.0181974403640.2591.4151.4831.4531975403650.0900.3910.3040.3361976403660.1280.6840.8680.7921977403670.1400.8010.8440.9071978403680.2561.6321.1141.3691979403690.1971.2481.1091.15819804036100.1741.1441.2741.181……………19994036290.0950.8140.7890.74320004036300.1201.7041.0871.04520014036310.1130.8600.9890.94720024036320.1150.9990.8850.91920034036330.1791.5171.4661.47020044036340.0800.7790.8830.87420054036350.0400.8470.4590.74820064038360.0390.3500.4800.39520074038370.1891.5920.9931.14920084038380.1581.1280.7450.968姜倩倩2012.6姜倩倩以該年表為基礎研究了徂徠山赤松對氣候的歷史響應情況和適地適樹問題。20幻燈片七、年輪學研究展望及建議

全球氣候變化在中、小尺度上的研究主要是通過對生態(tài)系統(tǒng)尤其是生物因子的反應來進行研究的。由于樹木年輪資料具有定年準確、連續(xù)性強、分辨率高和易于獲取的優(yōu)點，故已成為氣象學、生態(tài)學等領域