[科普中国]-树木年轮气候学

概念

树木年轮气候学是根据树木年轮的逐年变异推断过去气候变化的一门交又学科。在四季变化明显的地区，树木一般每年形成一个生长轮，即年轮。年轮的宽窄同当年降水或温度关系十分密切，故可用以恢复和还原古气候，是一种定年最方便，参数最客观的代用资料。

内容生物解析“年轮系指茎的横切面上所见一年内木材和树皮的生长层而言。”这是1957年国际木材解剖学家协会所发表的《木材解剖学名词术语》中，有关“年轮“这个名词的定义。至于年轮是怎样形成的，这首先要从维管形成层的结构及其活动规律谈起。维管形成层（或称形成层）是由原形成层发展而来的一种具有无限分生能力的次生分生组织。在植物的一生中，它不断向外产生次生韧皮部，向内产生次生木质部。形成层由纺锤状原始细胞和射线原始细胞所组成。轴向伸长的纺锤状原始细胞，两端呈楔形，在横切面上多成长方形，切向宽大于径向宽，细胞的长度比宽度大数倍。

细胞生长：由纺锤状原始细胞衍生出次生木质部和次生韧皮部的轴向系统。射线原始细胞的体积较小，几乎成等径或稍长。这类原始细胞衍生次生木质部与韧皮部的径向系统。

上述两类原始细胞虽然在外部形态上差别较大，但其超微结构基本相同。在形成层的活动期间，原始细胞中间具1—2个大液泡，周围的细胞质中富含核糖体与高尔基体，以及发育良好的内质网等。休眠期的形成层原始细胞中，液泡变小，数目增多，高尔基体小泡及内质网也相应减少，细胞中还出现了较多的蛋白质体和油滴，这些储藏物质往往在翌年生长季开始时被利用。

木本植物根或茎的径向增粗，主要是通过纺锤状原始细胞平周分裂的结果，这种有丝分裂的进程较慢，如在松柏类植物中，每分裂一次需4一6天（茎的顶端分生组织细胞只需8—18小时）。当一个纺锤状原始细胞平周分裂成两个子细胞时，其中一个衍生为木质部母细胞（或称木质部原始细胞），或者衍生成韧皮部母细胞（或称韧皮部原始细胞）。另一个仍保持纺锤状原始细胞分生状态。在形成层活跃期间，有的细胞已经分裂或正在分裂，有的尚处于分生组织状态，这样形成层就成了一个相当宽而尚未分化的细胞区。在这个区域中，有一层真正的形成层原始细胞，同时还包括未分化的衍生细胞。由于从细胞形态上难以区分上述各类细胞，为方便起见，人们将这些细胞统称为形成层区（或形成层带）。

树木年轮气候学研究的原理与年轮的宽度受气候变化的影响有关，在温暖湿润的年份年轮宽度大，在寒冷干旱的年份，年轮宽度小，并且这种关系在整个树木生长时期都适用。除了年轮宽度外，年轮密度或氧同位素含量等也同样反映气候变化。在不同地区， 年轮反映的气候要素不同，高纬度或高寒山区森林边缘的树木主要反映冷暖变化；干旱半干旱地区的树木主要反映干湿变化。为了消除非气候因素对树木年轮的影响，在取样时，要选取地形、土壤等影响小的部位上的样本， 同时取多个样本。在剔除树木自身生长对年轮宽度的影响(生长量订正)后，得到年轮指数序列，多个序列合成可得到区域树木年轮年表。只要知道年轮序列所反映的气候要素，并找到年轮序列与仪器记录得到的气候要素序列之间的关系式，就可以定量地知道整个年轮序列所记录的时期内气候逐年变化的情况。用树木年轮还可以恢复区域气候或环流变化。用于树木年轮分析的树木最好是那些年轮清晰的树种，如松、柏、云杉、冷杉、胡杨、橡树等。2

鉴于树木年轮资料具有定年精确、连续性强、分辨率高和易于获取复本等特点，树木年轮分析长期以来在地球科学界受到高度重视。在过去的全球变化(PAGES)研究中，被列为重要的技术途径之一3。

研究历史树木年轮气候学的奠基人是美国天文学家 A．E．Douglass，他在研究太阳黑子活动的时候，意外发现当地树轮宽窄形态有类似的变化，故而开始研究树轮宽窄与地球气候间的可能联系。早在 1939 年，他就构造出一个从公元 700 年至 1929 年的延续年轮宽度年表，并首次论证了 500 多年的树轮宽度年表。他最早论证了大约 500 年之久的年轮宽度变化和实际降水量之间的关系，并在 30 年代创建了专门研究树木年轮的实验室。此后，年轮气候学家对形成年轮的生理过程与气候的关系作了详细研究，并在样本树种的选择和年轮序列的统计分析技术方面取得进展，逐步建立起年轮气候学的基本原理和分析方法。

现代年轮学可以说起源于60年代关国生物学家Fritts在亚利桑那大学的研究工作，他和其他科学家通过多年的实验发现了树轮生长的一般规律，并且发现从一个树轮形成的情况可以推断出当时的气候。随后研究了树轮的生长情况受酸雨的影响问题，以及其与火山爆发、地震等自然现象间的可能联系。对树轮研究工作起到了重要的推动作用，使得树轮的研究领域得到了拓展。

中国自20世纪30年代就开始研究年轮气候学。研究表明，在华北和西北广大地区，用年轮分析了解历史时期的气候变迁，尤其用以反映降水量的变化，很有价值。70年代后期，北方的许多省（区）和青藏高原等地都广泛开展了这项工作。各地得到许多反映温度或降水的长达数百年的序列，为研究历史时期气候变迁的史实提供更多科学的依据。

时至今日，树木年轮研究已经不局限于传统研究区域（北美、欧洲、俄罗斯），该研究在除南极大陆以外的其余六大陆地全面展开，不仅在全球中高纬度和高海拔地区进行研究，在中低纬度地区也开展了此项工作。在所有的全球几个大陆上，北美有多达上百个的树木年轮样本序列。其次较多的树木年轮样本在欧洲。国际树木年轮库中的采样点已超过2000 多个，已研制完成的超过 1000a 的树轮长年表有 150 多个，最长的年表在北美洲达8600 多年，欧洲为 10000 多年，俄罗斯为 3200 多年，南美洲为 3600 多年，澳大利亚为3600 多年。在利用树木年轮宽度重建古气候变化的研究方面，也取得了可喜的成绩4。

此外，随着树轮研究的不断深入，树轮研究的手段也在不断更新。从最初的树轮宽度的研究，到树轮密度的研究，再到利用化学方法对树轮进行研究，方法在不断地更新，技术也在不断地成熟。

研究范围随着树木年轮气候学的进一步发展，其研究范围也己经由单纯利用树轮序列重建过去的历史气候，逐渐扩大到如下领域：

①从特殊生长环境下的树木年轮取样分析到对暖温地区的树木年轮分析，重建气候变化图5；

②除注意温度降水等影响外，近年来对与厄尔尼诺现象紧密关连的南方涛动指数、冰川进退、径流与水位、全球性CO2增温等，利用树木年轮得到更多的再现；

⑧利用炭化木和化石木分析和重建古代气候的变化；

④对今后气候的预测。

基本原理树木年轮气候学是根据树木年轮的逐年变异推断过去气候变化的一门交又学科，其主要包括以下六个基本原理：

①均一性原理

均一性原理，是自然科学研究中普遍使用的一个原理，在研究气候变化和预测中常被应用。例如，现代出现的气候型，在今后气候变化的历程中，能寻找到相似的气候型：在过去出现过的气候型，现代、今后有可能出现。这种假设，是根据古今气候有着同一属性原理而定出的。

这一原理，应用到树木年轮气候学中，是根据现代气象资料的分析研究，发现年轮生长与气候的关系，有着密切的物理、生物学过程。这一过程同样适用于过去。其根本依据是应用树木年轮可推断出现今年轮与气候型的关系，依此关系，也可以推断以往历史的气候型。

②限制因子定律

任何一种生物学过程，它必须遵守一条生物学定律，即它进行的生物学过程、变化速度都不可能超过土要限制因子所允许的程度。若某个因子发生变化，不起限制作用，则某生物学过程就加快，直到出现另一个限制因子，或出现儿个限制因子为止。任何一个生物过程，总要受到外部环境或有机体内部物理、化学过程的一个或儿个（一组）因子的限制。树木生长受到上壤、水分、温度、沮度、光照、风、人为干扰、病虫害、地震、滑坡等环坡因子的影响，被称之为树木生长的影响因子。某些影响因子的变化会对树木生长的快慢起决定作用，此影响因子称为树木生长的限制性因子。当某气候要素成为树木生长的限制性因子时，客观卜能够观察到树轮指数序列的变化与此气候要素的变化具有良好的同步关系，进而推断过去的气候变化状况。

③生态环境选择原理

作为树木年轮气候学研究应用的树木年轮样本，在采集时应尽量选择气候要素影响最大的那个地点上的树木，以避免那些非气候噪音的影响，非气候噪音大多由以下原因引起：

a．树木生长地点的环境差异；

b．树木之间的群落状况差异；

c．树木不同树龄间的环境差异。

在采样时，不仅察看现在的环境差异（坡度、坡向、遮蔽度、树间养分、水分竞争力、土壤湿度、土厚等）还要了解历史环境差异，从采样点察看自然死去树桩的情况（死亡原因、有否自然灾害发生及年代、有否更新等）。除遵循上述原则外，采样时还应注意株组间环境生态和树龄等，务必求其相似。

④敏感性原理

平均敏感度是测量年轮时间序列对气候信息敏感的一个量值指标，也是树木年轮年表不可缺少的参数，一个年表的优劣，一个年轮里气候信息量的多少，平均敏感度是一个重要又不可缺少的指标。但应指出，平均敏感度指标仅仅是建立年表中一个充分条件，而不是必要条件。当敏感度值大时，一般说，气候因子限制作用很显著，相关性好，但也有极个别的例外情况。

⑤交叉定年原理

交义定年原理，是年轮分析中的重要原理，也是年轮测量的重要步骤和不可缺少的方法。其目的首先在于给每一个年轮确定出其形成的正确年代：其次，分辨真假，定出假轮、断轮、缺轮等变异轮的序号所对应的年代。

在同一生态环境中生长的树木，受气候因素限制的年轮生长的宽窄变化，应该是同步的，若两组以上的序列，甚至同一株树、不同方位采取的样木，所测出年轮序列无法重叠，则将两序列年轮宽度点在坐标带上，画出年轮变化曲线，可明显看出它的错位，若将其中伪、缺轮进行删补，两个或更多序列就能重合起来，而后就能正确地检查出某序列每个年轮的正确年代。

交义定年是通过几个或几组样本年轮宽度序列进行相互比较，其步骤有：

a．首先在校准序列中确定控制点，选择窄轮和气候要素对应；

b．对控制点不同序列进行年轮特征甄审，包括轮宽、早晚材色调进行判断；

c．检查相对控制点之内的轮数，是否吻合相重叠，确定某序列第某轮出现不吻合，并显现变异轮的特性，作出记号；

d．判断形成不吻合原因，确定变异轮性质（伪、缺轮），进行删、补后，使该序列整休性与其它序列年轮相吻合，即确定该时段所包括年轮数是正确年代；

e．以此延续。

⑥复木原理

复本就是在同一地点，采取多个重要样本，进行年轮年表的研制。用复本的原因是：

a．用一棵树的样木建立年轮序列来推测气候，所得到的结果有局限性，特别是小气候、立地条件、营养供应等都受到小范围的环境控制；

b．以一对样本进行交叉定年，很难定出正确的年代，其中一株树，同时存在伪轮、缺轮（尤其是在校准期以前的时期），会给年轮测量带来偏差；

c．单序列中，某些年份，某个时段，可存在非气候因子影响，且峰谷值相反。因此，只有通过大量样木比较、鉴别，才能确定年轮序列中的各年轮的实际年代。通过大量样木的分析，取其样木参数最好的序列，取其均值，消除非气候噪音干扰，以取得最佳限度的年表值。

复木原理具体做法：

a，在一个采集点（上、下林缘）尽可能采集多的样木，且在同一株树上，在不同方位上采取两个或多于两个样木，尤其是第一点，必不可少的；

b．一般在一个地点采取10~20株树的样木，最多可用30多株树的样木。6

影响树木年轮气候学研究在世界范围内的重大进展，对我国无疑起了极大的推动作用。7我们自己多年来的研究工作，也积爪了不少经脸与资料，为深入开展我国的年轮气候学分析奠定了基础。同时，我国地域辽阔，森林分布广，树龄长的老树与古木资撅丰富，表明我国在利用树木年轮变异探讨气候变化的研究方面，其有巨大的潜力。