树木年轮学综论

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

树木年轮学是一门研究年轮特性,并利用年轮来定年和分析过去环境变化的科学，其学科内涵却不仅限于对活树或原木或木制品精确定年，还可利用年轮固有的信息追索或重建自然环境演变的历史过程，利用年轮鉴定古建筑、古文物、古艺术品的年代。本文按4个专题论述：（1）树木年轮学概述；（2）树木年轮学的基本原理与研究方法；（3）树木年轮学的研究进展及应用；（4）树木年轮学的新阶段。

1 树木年轮学概述

年轮，在许多树木圆盘上是清晰可见的，它来源于木材的春材与秋材在色泽上有深浅之分、结构上有疏密之别，从而导致每年形成一同心环，于是人们可根据年轮环的计数即知该树木的年龄。其实，年轮这一特征早已为远古的希腊学者所关注和洞察。从科学的观点看，年轮意义不仅只是用于显示树木的年龄，一株千年古木经历悠长的日月精华和风霜雨露，淀集了丰富的自然信息，如果籍助于某些特定的科学方法加以分析和探索，这些信息可重新再现，年轮细胞中淀积的古气候过程、灾害经历、C同位素及污染物含量等均可一一追踪再现。揭开树木年轮奥秘的科学就是树木年轮学或树木年代学（dendrochronology）。树木年代学来源于拉丁语：Dendron = 树木；Chronos=年代或年表；Logos =研究。树木年轮学是树木年代学更为直观的用语。它的定义是利用年轮对树木精确定年，并在自然和人文两方面，根据年轮信息来分析其所经历的年代在时间和空间上变化格式的科学。从此定义来看，它的研究内容主要包括3方面：（1）对活树或原木或木制品精确定年；（2）利用年轮固有的信息追索或重建自然环境演变的历史过程[以气候变化为主，包括各种自然灾害（火灾、地质灾害、冰川、虫害等）]；（3）利用年轮鉴定古建筑、古文物、古艺术品的年代[1-3]。简而言之，树木年轮学是一门研究年轮特性，并利用年轮来定年和分析过去环境变化的科学。年轮宽度一直是主要研究对象，用来研究环境变化如何影响树木生长的规律，旨在获取气候代用资料重建过去数百年甚至数千年的生态环境变化的史实[1，3]。对树木精确计年也并非是一般人所理解的那样轻而易举，因为相当多的树木年轮并非清晰易辨，年轮中会出现后“缺失”和“伪年轮”，在科学研究中一般要采用“交叉定年（cross-dating）”来确定树木精确的年龄[1，3]。

欧美树木年代学研究历史源远流长，古希腊自然科学大师Theophrastus （371—287 BC）是论述树木年轮的第一人[1，3]。da Vinci（1452—1519）在油画论著中记述了年轮的宽度受生长地的湿度所制约[1，3]。 du Monceau 和 de Buffon发现1709年寒冬导致产生明显黑年轮，此发现为后继自然科学家所引用[4]。英国 Charles B测定泥炭沼泽中或地层中树木残骸的年龄（1835，1838年），此为探索远古树木年表的重要建树[5]。美国Twining 1833年认为多种树种的年代学或多株树木的年轮的格式同步发生，可据此重建整个某地区过去的气候的历程[6]。 Kuechler J （1823—1893） 对橡树Quercus stellata进行交叉定年并用以研究德克萨斯州西部气候记录[7]。德国Julius Ratzeburg（1801—1871）研究了虫害引起落叶对年轮形成的影响[8]。1882年荷兰天文学家Kapteyn JC利用交叉定年重建荷兰和德国气候记录[9]。俄国物理学家Shvedov F发现的树木年轮格式用于预报1882年和1891年的旱灾[10]。

1910年天文学家 Douglass AE （1867—1962）认为太阳黑子活动循环会影响到地球上的气候格式，气候格式最终会形成树轮生长格式，反推理，可根据树轮格式预测未来的气候变化及主宰气候变化的太阳黑子活动。他开创年轮气候学，发现美国西南部干旱区的树轮宽度变化和降水量之间存在密切的关系，于1914 年发表了根据树轮重建降水量变化的论文，奠定了他的学术地位，后人公认Douglass AE为树木年轮学之父。在此后的二十多年里，树轮研究在美国的西南部地区陆续开展，1937年美国亚利桑那大学建立了世界上第一个树木年轮研究实验室（LTRR）。随后，树木年轮学持续蓬勃发展，并扩展到世界各地。迄今，它已成为一体系繁复、综合多学科的交叉科学，由于树木年轮资料具有定年精确、追索时间长、分辨率高、分布广、能就地取材等突出的优势，促使研究走向红火，成果巨丰，成为一覆盖面甚广的热门学科。迄今为止，此学科已发展分化为以下分支学科：树轮考古学、树轮生物学、树轮生态学、树木年轮气候学、树木年轮水文学、树木年轮冰川学、树轮地貌学、树轮火山学、树轮灾害学、树轮火灾学、树轮化学、树轮昆虫学等[1，3]。

2 树木年轮学的基本原理及研究方法

2.1 均变原理

由地质学家赫顿于1785—1788年提出，即过去、现在和未来都会在一定的气候条件演变下出现均一的物理和生物过程；它既适用于过去，也适用于未来。一般是根据现在年轮形成的生态条件来演绎出过去年轮的形成和相应的生态条件，赫顿的名言：“现在是过去的答案，过去是未来的答案”[3，11]。

2.2 限制因子原理

树木生长过程常受制于多个生态因子，但其中必有一或二个因子起决定作用，这就是形成年轮生长格式的限制因子，如在干旱地区，降水是限制因子；在极端严寒的极地树线，温度是限制因子。于是，通过对年轮宽度和其它特征的量度，与之关系至密的温度和降水长期的年度变化就可以演绎出来。在研究决策中要特别注重关键因子（限制因子）对年轮特性形成的作用，并对其它因子则有意搁置，这样才能直面预期目标，以最小投入获得欲求的结果，即推崇Liebig的最小量定律；不赞成随机取样。

2.3 生态幅度原理（敏感性原理）

物种的生态幅度或宽或窄，树木年轮学实验基地多选择物种生态幅度的边缘地进行，此地限制因子对年轮生长格式影响也最易被检测出来，一般目标种的分布区外缘地为生态敏感地，选择敏感地立木作为检测对象最易获得欲求的结果。

2.4 生境地选择原理

此原理为上原理的延伸，即在进行研究的地域范围内，应选择树木对环境因子反应最敏感的特定的生境地取材作为实验样本。敏感生境地能有利于为树木生长呈现出响应证据。如果降雨是限制因子，当树木年轮学家在干旱地区进行研究时，应选择水分条件最严酷的生境地（如石砾地、峭壁）选取观测样品，它最能显示出降雨过程的信号。

2.5 交叉定年原理

交叉定年原理是精确定年一个重要的方法，方法是将生长在同一生态环境下的树木两套以上序列的年轮宽度点位在已设立的坐标带上，进而画出年轮变化曲线，在消除伪年轮和年轮缺失误差的前提下，则两个或更多序列曲线就能靠合，或呈现出同波动格式（因为不同的树年轮宽度不尽相同，但趋势轨迹相同），于是，某序列每个年轮的正确年代得以确立。根据多个树轮变化序列曲线重叠状况定年，即交叉定年。在交叉定年以及年轮宽度量测完成之后，一般借助COFECHA程序，检验交叉定年的准确性[12]。

年轮格式匹配也是一种交叉定年的方法，即两个至多个树忒，分析其年轮格式，如宽-宽-宽-窄-窄-宽-宽与另一树芯年轮格式也是宽-宽-宽-窄-窄-宽-宽时，可考虑将二者年轮匹配，交叉分析得出二者可信的年龄。

2.6 年表衔接（桥接法）

如果某一树干内层（相对远期）的一段年轮序列同另一树干一段外层（相对近期）的年轮序列一致，就说明二者有过共同的生长过程，可将二者按年轮格式相互衔接，如是树木年表可得以向古时延伸，如此再与第三株相互衔接，一直延伸到远古时期，树木年表得已延伸更远古，从而建立起该气候区长期历史的年轮年表史，此法已为树轮考古学所通用，据此，某些地区已取得万年的树轮年表史。此谓之桥接法（见图1），其实这也属于交叉定年。此法中有多个年轮序列，其中之一必须取样于已知年龄的现代活树为基准（参见图1，2）[12-13]。实例：中国西藏昌都地区云杉林获取了一个119年的年轮记录，另在同地一寺庙中发现有多株立柱年代长度为137年，经核定此立柱与云杉林的立木有一段（30年年轮）具有共同格式可互相衔接，从而将年表延长到227年。进而又与寺庙蟠旗杵年轮相衔接，年表长延长到352年（1624—1975）。这就建立了当地树轮352的年表史，进而可用来重建气候史[58]。

图1 树轮桥接[63]Fig.1 Tree ring connection A-living tree,B-stump of dead tree,C-beam in remains

2.7 聚合树木生长因子原理

聚合原理认为任何树木年轮生长均受到一系列多个自然和人为生态因子的影响，即由一系列聚合因子所致，它包括5大因子，Cook归结为一公式：R＝C＋A＋D1＋D2＋E。R为一根样芯（由生长锥钻取树木半径取得）经交叉定年后的轮宽序列信息；C为区域气候影响的树木个体径向生长波动信息，在树轮气候重建研究中，该因子的波动序列为期望提取的序列；A为树木自身生理年龄影响的轮宽波动信息，即树木径向生长趋势，通常表现为缓慢减小的趋势。该信息可以通过标准化过程除去。D1为森林群落的内部干扰信息，通过多个样本量的均值化过程可以去除该因子的影响。D2为森林群落的外部干扰信息，如火灾、虫灾。在树轮灾害学中，某些外部干扰信息是需要提取的信息。但在树轮气候研究中为需要剔除的信息。E为除上述各种影响因素外的随机波动信息，同样也可以在均值化过程中通过一定复本量除去。

图2 树轮衔接[61]Fig.2 Tree ring connection,1st row-trees including a living 2nd,3rd-tree core 4th-core shows age,5th- width curve of tree-ring

2.8 复本原理

在利用树木年轮分析气候变化时，应取材于足够的样本量以能进行交叉定年、消除年轮缺失及伪年轮的干扰，同时将非气候因子的影响减至最小。复本原理的具体做法是：要求在一个地点采集尽可能多的样本，另一方面要在每棵树的不同方向上取样。在实际工作中，我们常常在一个采样点采集20棵树以上，每棵树在不同的方向位置取树芯。

3 树木年轮学的研究进展及应用

3.1 树轮年表学

树木年代学家根据多数树木样树的平均一致的年轮宽度格式用以建立某地区年轮史，进而聚集大量同树种或不同树种的年表数据库。建立确定长期的年表的样树多取材于活古树，或泥沼中半化石树，经多树年轮序列桥接而获取最长的的年表。Douglass早在1939年，他就构造出一个从公元700年至1929年的延续树木年轮年表。经泥沼半化石树木年轮测定并结合碳同位素核准，确认北美加州白山剌果松Pinus longaeva年表史为8 400年，推测年份到10 000年[14]；同时建立欧洲栎年表为10 479年，或BC 8 400年[15]；欧洲松Pinus silvestris为2 012年[16]。此外，根据中欧泥沼半化石霍恩洛厄栎和松树相合的年轮数据，经14C校正将地区松栎结合的树木年表追索到12 460年[17]。在南半球也取得新的记录，如在安第斯山脉有一种智利柏Fitzroya cupressoides年轮系列可索源到BC1 634年（距今3 670年）；产于产于塔斯马利亚的的泪柏Lagarostrobus franklinii年表可达4 100年[18]。2004年根据树木和海岸沉积物取得的数据得出一新校正曲线INTCAL04受到国际的认可，据此可追索到26 000年的年表跨度[19]。中国张齐兵等建立了公元前326年至公元2000年的树木年轮序列表[62]。

3.2 树轮生物学

自然灾害除了能够影响树木的年轮宽度，还能使树木形成特殊细胞，如反应细胞。在气候恶劣的条件下，树干基部则可能出现缺轮。如果早春发生冻害，可能出现霜轮，即层内有冻死细胞，霜轮、畸形细胞、黑死细胞[20]；还包括密度异常增大的反应木（reaction wood），它是由于树木形成层生长受到压力或挤压形成的。上述特征都是年轮对逆境或灾害产生的细胞学响应，这种响应造成的伤疤可用来反馈、再现各种灾害的年史。年轮生物学还探索管胞面积、管胞数量、细胞壁厚度、木质部细胞数量等指标对气候变化的响应[21]。

3.3 树轮气候学

（1）利用树木年轮学重建气候历史

树木年轮学的产生源于利用年轮的宽度揭示气候变化的历史，前页已论及。近期的进展如下：美国Graybill等重建了美国1 000多年来的温度和降水[22-23]。Mann 等使用更新数据，重建了过去千年的温度变化[24]。Cook等利用树木年轮数据库，重建美国西部过去1 200年以来干旱历史，发现中世纪暖期时气候总体比较干旱，现代全球进一步变暖的趋势更会加剧此地区的干旱程度[25]。Mann等还综合了北半球大量树木年轮年表，结合冰芯、冰融化和历史资料等，重建过去600 多年来温度历史[26]。Briffa等利用树木年轮成功重建了芬诺斯堪迪亚地区从公元500—1990年间共1 400年的夏季温度[27]。Lara在1993 年用树木年轮宽度重建了过去3 620年间南美南部的气温变化[28]。Earle 也在1993年利用树木年轮宽度重建了加利福尼亚河川径流量的变化[29]。在我国，刘洪滨等采用秦岭冷杉年轮宽度重建了陕西镇安200多年以来的初春温度[30]。张志华等利用树木年轮资料重建了新疆东天山300多年来的干旱日数，与实际旱涝情况吻合良好[31]。康兴成等利用树木年轮的宽度变化重建了青海都兰过去2000年来的气候变化[32]。

（2）树轮与温室效应引起的气候变化

由于温室气体效应导致全球气候变暖，许多研究证实，除年轮宽度对温度有显著反应外，年轮密度更能反应温度变化。王丽丽等研究认为，在中国漠河地区，落叶松与樟子松的晚材密度受当地7～8月份的最高温度控制，年轮的最大晚材密度与生长季后期的温度呈显著正相关，树轮密度数据能够很好地反应生长季节后期的温度变化，此树轮信息有可用于重建过去气候变化的历史[33]。

CO2是最主要的温室气体，树木年轮中的稳定C同位素能够记录当时的CO2浓度信息。其原理是，大气中的δ13C 相对稳定，约为-0.7%～-0.6%，由于化石燃料的燃烧，造成大气中贫δ13C的CO2气体大量排放，于是大气中δ13C值降低，这种变化通过植物的代谢过程，记录在年轮中[34]。许多学者用树轮δ13C值重建了过去年份的CO2浓度。Farmer计算出大气CO2浓度从1900年的290.5 μmol/mol上升到1920年的312.7μmol/mol[35]。Stuiver 报道，1850年以前大气中的CO2浓度约为250～260 μmol/mol；工业革命后为290 μmol/mol；1940 前后升至 310 μmol/mol[36]。Steven 发现南美洲树轮 δ13C有着与北半球一致的下降趋势[37]。蒋高明等利用油松树轮信息计算出1840年我国北方大气CO2浓度约为278.4 μmol/mol，1900 年升至 296.3 μmol/mol，而1940年为309.1 μmol/mol[38]。唐劲松等对采自浙江西天目山地区的3株柳杉树盘，测定了3株树轮δ13C 的年序列，分析了3株树轮δ13C序列中所含的环境变化信息，再根据冰芯记录的大气CO2浓度与树轮δ13C 序列低频变化趋势关系，重建了天目山地区1685年以来大气CO2浓度变化[39]。

3.4 树轮火灾学

主要是利用树轮火疤确定火灾发生年代，从而研究过去和现在的火灾变化规律。国内外研究成果包括：（1）利用树轮信息重建地区火历史：瑞典Niklasson M et al.利用长期树轮火疤记录重建瑞典Norra kvills国家公园600年森林火灾历史[40]。王琛瑞等利用大兴安岭樟子松火疤木重建了森林火灾历史，并就火烧对林分结构的影响进行了分析[41]。（2）火历史与植被演替关系：Niklasson M等在重建火历史中，发现1770年后火灾频率降低导致植被优势树种由欧洲赤松Pinus sylvestris变成对火敏感的挪威云杉Picea abies。美国Sakulich和Taylor研究表明20世纪20年代开始的放牧降低了火频率，从而导致森林组成由白松Pinus strobiformis向花旗松Pseudotsuga menziesii转变。芬兰专家利用树轮生物学特征重建芬兰南部森林火历史，表明17和18世纪是以松科为主，20世纪初云杉种群开始更替，此特征标志火频率降低[42]。（3） 研究全球气候变化与火发生的关系；通过树轮研究确认高频率火灾一般发生在厄尔尼诺（El Niño）向拉尼娜（La Niña）转换的年代[43-44]。（4）探索火发生的社会因素： 通过树轮研究发现火历史与人为活动及土地利用之间关系密切，战争和人口增加容易引发火灾，而放牧活动却降低火灾发生频率，20世纪以来，由于森林火抑制降低了火灾发生频率却增加了大火发生的可能性。

3.5 树轮地貌学

树木地貌学建立半个世纪以来，发展迅速，研究领域从地震等扩展到其他地质灾害。近20年，应用树木年轮信息研究泥石流、滑坡、地震、雪崩、洪水、落石、土壤侵蚀等方面都有大量研究，重点包括地貌活动对树木生长影响的机制、灾害事件重建及变化趋势和灾害诱发因素等[45-46]。研究的实例包括：美国专家利用树轮学证据重建美国卡斯凯迪亚断裂地震（1700年1月的8～9 级地震）活动。1991 年在加利福尼亚州及华盛顿州的海湾地区，发现了可能由于地震导致的地面突然沉降而被掩埋的草本植物及树木[47]，14C 定年判断其沉降发生在1680—1720 年，而对沿岸受影响但存活下来树木的研究，将该活动发生时间确定为1699年与1700 年[48]。日本专家分析日本海啸与环太平洋大地震之间的联系，发现日本历史记载中1700年1月的大海啸，是由北美西海岸斯凯迪亚断裂带一场8～9 级地震引起；但通过受影响树木的分布研究进一步证明该地震至少导致900 km 长的区域断裂[49]。Stoffel 等通过对在769 处可识别的泥石流遗迹处采集的1 102 株树木样品的研究，重建了当地1566—2005 年的123 次泥石流，包括泥石流发生的时间和降雨及飓风的影响[50]。法国利用403株受滑坡影响的松树，重建了1910—2011 年100 a间的22次滑坡，发现灾害出现周期为4.5年，并以此为基础，利用松树分布模型以及GIS 软件，绘制了未来5、20、50及100年内研究区域内滑坡发生的概率图[51-52]。

3.6 树轮化学

1974年Lepp首次将之用于监测环境中痕量金属的长期变化获得成功，此后经40年的发展渐臻完善，年轮化学已成为重建环境变化的重要途径之一[52-53]。年轮中硫S、镉Cd、铅Pb集累和含量变化常用来作为环境污染状况的指示标志，同时，年轮序列变化可重建环境污染历史[54-55]。研究表明，在工业化和城市化进程中，树体中的痕量金属铅（Pb）元素浓度有明显的增加；树木年轮能精确记录大气痕量金属Pb浓度的变化。实例是：（1）Watmough 等在加拿大多伦多东150 km城市-乡村地域梯度内监测了糖槭痕量金属沉积的变化，发现2个城市中心糖槭树年轮中Pb浓度呈逐年增加，即1990s年轮中Pb的浓度比20世纪初期年轮浓度稳定上升[56]；（2）美国阿拉巴马一冶炼厂开办和关闭对比研究结果表明，冶炼厂在当地开工后导致年轮中Pb浓度的升高，当冶炼厂工厂关闭后，树木年轮中Pb浓度急剧下降[57]。近年来，世界各地都有关于应用年轮化学分析技术成功重建过去几十年甚至上百年环境变化的报道。研究的内容涉还及到污染元素进入年轮的途径、元素含量在年轮中的时空变化、元素污染历史的推演和重建、采矿活动和工业污染对树木生长（年轮宽度）及年轮元素含量的影响等。近数十年，世界各国作为年轮与污染物实验对象树种共计50余种。欧洲通过1930—2000年对针叶树年轮中重金属含量的变化测试，确定将落叶松作为整个欧洲高山地区重金属污染的生物-地球化学标记植物。此外，整个欧洲和北美大面积森林衰退处土壤化学性质的变化也是通过年轮化学分析技术的结果而确定的。树木年轮化学还曾用于核爆炸、核工厂泄漏的监测代用物。

3.7 树轮考古学

古代建筑木材常通过与有来源关系活树交叉定年以确定古建筑的年代，此方法还用于对美国西南部土著美国人峭壁居所定年。木材样品的年轮格式不仅可与世界年表数据库某数据相匹配，而且还可与木材产地相匹配，因为全大陆各地气候有各自特定的格式，这就有可能用于追索木船的来源。此外，树轮定年法用之于艺术品和乐器定年也取得辉煌成果，如16～18 世纪一些油画栎木板就是通过年轮分析来确定作品的年代。德国中古时期的一栎木雕刻，用年轮分析的方法鉴定其为距今650多年的作品。苏格兰玛丽王后画像收藏于伦敦国家肖像走廊，原先被确定为18世纪的复本，然而，随后树木年代学家对其木材定年为为16世纪复本。1980年，Corona测量了用云杉制作的两个小提琴的年代，最年轻的一圈树轮年代分别为1726年和1717年。后来他又成功地测得了15个弦乐器的制作年代。由于网络的发展，尤其国际树木年轮数据库的建立，为全世界提供了高质量的树木年轮数据，极大地促进了弦乐器定年的发展。至1986年，已有134种16～20世纪制造的弦乐器年代得以检验。1998年，Topham等对47个弦乐器进行了树轮分析，用来自阿尔卑斯山的云杉和落叶松作匹配序列，结果发现，这些弦乐器大部分是17～19 世纪制造的，首开英国凭借树轮为提琴定年之风。马萨诸塞州美国著名的Fairbanks乡村别墅为一古老的木框架建筑，很早就被宣称建于约1640年，后根据其大梁芯条样品确认其木材来自北美1637—1638年的伐木，其余梁木定年为1641年，由此判定此建筑物开工于1638年，竣工于1641年[58-59]。

4 树木年轮学的新阶段

由于树木年轮学迅猛发展，对年轮所储存的信息有更广泛深入的了解，研究注视指标已从单一的树轮宽度发展到X射线密度、同位素、图像解析、细胞模拟、木材结构及化学元素分析等多个指标。再者电脑处理技术使交叉产生的树木年轮图像更为准确清晰，使之可用于低纬湿润地区的树木年轮分析[60]。1963 年，美国树轮学家Fritts将计算机和现代统计方法引入树轮研究中。同年，法国科学家Hubert Polge建立了利用X射线测量树轮密度的方法，发展了以木材密度为气候环境变化代用资料的测量技术。年轮密度指标系列包括每个年轮的平均密度、最大密度、最小密度、早材密度、晚材密度。随着图像识别技术在树木年轮分析中应用和发展的日渐成熟，国际上已有部分专业研究树木年轮各项属性的商用分析仪器和软件相继上市，新近的WinDENDRO系统则自带有相应的图像扫描设备，可以直接从树木切开的横截面来获取年轮的图像数据。年轮图像识别新技术为年轮的信息分析提供了数字化基础。随着电子扫描技术、信号传感技术、图像处理技术的深入发展，快速精确的年轮识别技术越来越表现出了超强的技术优势和发展前景。总之，当前的树木年轮学已进入树轮全信息细胞学水平，信息识别和处理手段日新月异，使识别从肉眼和手工计算转为仪器观测，走向自动化、计算机技术化、程序化，图像化，使信息精度更准确可信。再者，提取年轮样品（树芯）的工具日益先进，从人工生长锥改进为电动生长锥，使野外取材取样更加方便、迅速、高效。总之，随着科学技术整体的发展，树木年轮学将日益现代化，在时空两方面为人类揭示日益深广的自然和社会信息。即所谓纵横上下五千年，追索过去，预测未来。除年轮学用来测定古环境变化外，与年轮相似格式还有冰芯（冰川取样），海芯（海洋底层积物取样）、汶泥（江湖沉积物取样）及洞穴堆积物，它们也能还原古环境的记录，保存在它们中的放射性同位素含量常用来测定古环境的指标，而且还原的历史更长。但年轮格式反应的信息更为连续、直观、详细和准确。但是也有生态学家疑虑当现今全球气温升高，特别是在高山和极地更为明显，现今至今后树木年轮生长格式可能呈现超常，此种超常格式与以往常态格式是否存在连续性和可比性，此有待关注和深入探讨[64]。

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