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1、,第五章 年轮测定及研究现状,一、研究年轮的意义,树木年轮的形成与变异除遗传因素外，还与环境因子密切相关，树木年轮宽度变化能够反映外界环境的变化情况。树木年轮资料具有定年准确、连续性强、分辨率高和记录性好等优点，广泛应用于历史时期的气候变化研究。早在19世纪初或更早的时候，就曾有一些科学家尝试建立树木年轮宽窄变异与气候要素变化的关系。近年来，树木年轮研究已广泛应用于树轮年表的建立，以及降水量、温度、干湿度等多项环境因子的历史重建工作。作为自然历史的载体，年轮为众多学科提供了可供查考的数据依据，因此，研究年轮具有重要意义。,二、年轮研究的历史 2.1国际方面 该领域最早的奠基者是美国科学家A.E
2、.Douglass，之后不断有人尝试建立树木年轮宽窄变异与气候要素变化的关系。在国外的研究中，Graybill、Shiyatov（1989）以及Graumlich（1993）等重建了美国1000多年来的降水和温度，Briffa（1990）利用树木年轮重建了芬诺斯堪迪亚地区从公元5001990年间的夏季温度，Earle利用树木年轮宽度重建了加利福尼亚河川径流量的历史变化（1993）。,二、年轮研究的历史 2.2国内方面 国内这方面的研究主要集中于新疆、内蒙等西北干旱、半干旱地区，对上述地区进行气候重建和相关性分析。在我国，范敏杰等用树木年轮重建了伊犁南天山北坡西部的降水量序列，喻树龙等利用天山北
3、坡西部树轮年表重建了博州15762002年的年最低气温，王亚军等利用树轮资料重建黑河古径流的变化，王梦麦等利用树木年轮重建六盘山地区1900年以来的干湿变化周期，崔明星等运用树木年轮气候学方法，研究了河北木兰围场油松的生长与气候要素之间的关系。说明当地油松的宽度生长对气候因子变化的敏感性波动较大。目前，我国利用树木年轮学方法，重建了天山、喜马拉雅山、祁连山等地的气候，研究的方法也从年轮宽度逐步深入到年轮密度（彭剑峰等，2005；张瑞波等，2008）。该领域目前研究的前沿是在对年轮宽度分析的基础上，研究密度变化、细胞大小、数目等的变化对气候变化的响应，确定年轮变化序列，从而重建历史某个时期的气候
4、变化。,三、树木年轮学基本原理,3.1 早晚材原理 在春季，树木开始生长，形成层开始分化次生木质细胞，这时生长的部分营养物质来源于上一年生长季中的贮存。这一木质部分，称为早材。因环境和季节的变化，植物生理条件改变，之后形成层细胞的体积变小，细胞壁变厚，形成层木质部分颜色变深，这部分称为晚材，晚材和早材并为一年的生长宽度，即年轮。树木从环境中吸收养分和能量到年轮中，因此树木年轮与它们的生长环境密切相关。,三、树木年轮学基本原理,3.2 均一性原理 均一性原理由JamesHutton于1785年最先提出，在古气候研究中常被应用。例如，在过去出现过的气候型，现代、今后有可能出现，现在出现过的气候类型
5、必定可以从历史气候中找到相似的类型。将这一原理，应用到树木年轮气候学中，其根本依据是限制树木生长的气候条件在过去和现在是一样的。,三、树木年轮学基本原理,3.3 限制因子定律 任何一种生物学过程，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主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，则某生物学过程速度就加快，直到出现另一个限制因子，或出现几个限制因子时为止。限制因子定律对树木气候学及其重要，因为只有在一个或多个环境要素强烈限制树木生长并且持续足够长的时间，造成较大地理范围上许多树木的年轮宽度或其它特征以同一种方式变化时，才可以进行树木年轮的交叉定年。,三、
6、树木年轮学基本原理,3.4 生态环境选择原理 这一定律实际上是限制因子定律的延伸，我们在样本采集时，应挑选树木生长的位置和地点在受限制因子最大的小区域内。由此也可以认为：在采取样本时，尽量选择气候影响最大的那个地点上的树木，如林缘木，以避免那些非气候噪音的影响。生态环境选择原理对指导野外工作尤其是采样地点和采样标本树木的选择十分重要。,三、树木年轮学基本原理,3.5 敏感性原理 树木年轮宽度的逐年宽窄变化是衡量气候对年轮生长限制的一项很好的指标，树木年代学研究中把这种宽窄变化作为树木径向生长反映气候变化的平均敏感度。显然，平均敏感度度量了相邻年轮之间的轮宽变化情况，在树轮气候学研究中主要反应了
7、气候的短期变化或高频变化。研究表明，平均敏感度大的样本保持的气候信息相对较多，相应的噪声较少，样本与气候变化的关系较密切。,三、树木年轮学基本原理,3.6交叉定年原理 生长在同一生态环境下的树木，由于受到同样的限制因子作用，其年轮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、不同方位采取的样本，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，即能正确的检查出某序列每个年轮的正确年代，该种方法即成为交叉定年法。,交叉定年的原理图,3.6交叉定年原理（续） 我国的树轮工作者结合我国树木生长
8、的实际情况，总结出“三步定年法”：即样木定年示意图（骨架图）定年计算机定年（计算机程序）。在交叉定年以及年轮宽度量测完成之后，还需要对交叉定年的准确性加以检验，一般借助于COFECHA程序进行。,交叉定年骨架图的汇总,三、树木年轮学基本原理,三、树木年轮学基本原理,3.7 复本原理 复本原理是指：利用树木年轮分析气候变化时，仅依靠一棵或几棵树建立起来的年轮序列来分析气候变化，其结果往往是值得怀疑的。如果没有足够的样本量，很难进行交叉定年，无法完全判定出一个采样点存在的缺失年轮及伪年轮。通过大样本量可以消除读数过程中个别样本出现的偶然误差，并判定个别样本或某个时段内可能存在的若干非气候因素造成的
9、异常变化，从而可以将非气候因子的影响减至最小，有利于更准确的推断过去气候变化。复本原理的具体做法，一方面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，每棵树在不同位置取两根树芯。如果该地区没有已有的树轮年表作为参照，样本量还应该相应的增加。,四、树轮研究分支学科,树轮年代学 树轮考古学 树轮气候学 树轮生态学 树轮水文学 树轮地貌学 树轮冰川学 树轮化学 树轮火灾学 树轮灾害学,五、年轮采样、定年及测量,5.1采样 5.1.1截取圆盘法 圆盘标本易于观察，容易查找变异轮，利于全方位的进行分析，同时还可以规避腐朽部位、偏
10、心轮、连续缺轮等，可以选择有利于读数测量的方面。但是利用圆盘标本成本较高，尤其在边远地区采取样本时，受交通条件限制，木材下运困难。,5.1.2钻取木芯法 木芯样本采集省时、省力，运输较方便，易于保存，更为重要的是可以为复本提供方便条件，一般采样时只需用生长锥这一种工具，而采集圆盘时需要油锯、机油、锯手等配备。,五、年轮采样、定年及测量,5.2 定年及测量 5.1.1普通定年及测量法 利用肉眼定年、直尺测量法进行测定。,5.1.2年轮分析仪定年及测量法 用Lintab 5 进行年轮定年并测量宽度。,5.1.3计算机定年法 用国际年轮库的Cofecha程序进行交叉定年。,年轮分析仪Lintab 5
11、 使用操作步骤：,将样本放在工作台上，调整显微镜， 打开软件中“new measurement”选项，点击“start measurement”录入相关内容，开始进行测量， 按左键恢复原位，点击右键进行长度的确认， 测量完成后，点击“stop measurement”停止测量， 保存数据， 关闭电源。,六、年表编制,经过交叉定年检验后,采用Arstan研制的程序建立年表。虽然树木生长并非同步，但Arstan能够将每个轮宽序列的内部扰动信息提取出来，从而保留采点树轮样本共有的同步信息。通常。运用Arstan程序可以制作出三种不同的年表，它们依次是：标准化年表 （STD ）、差值年表 (RES）和
12、自回归标准化年表（ARS）。 6.1标准化年表（STD） 是通过轮宽的标准化剔除与树龄有关的生长趋势以及树木个体差异的影响，得出树木年轮指数，然后再根据指数序列与主序列间的相关系数，剔除与多数序列相关性差的标本，最后采用双权重平均法合并得到的年表，它是常规意义上的树轮年表。,6.2差值年表（RES） 是在标准化年表的基础上，去掉树木个体特有的和由前期生理条件对后期生长造成的持续性影响而建立的年表，它只含有群体共有的高频变化。 6.3自回归标准化年表（ARS） 是在估计采样点树木群体所共有的持续性造成的生长量的基础上，再将其加回到差值年表上得到的，因此自回归标准化年表不仅含有群体共有的低频变化，
13、也含有群体共有的高频变化。,姜倩倩2012年在徂徕山对赤松、麻栎和侧柏进行了生长锥法样芯采样，用40年步长的样条函数对树木轮宽生长趋势进行拟合，并对去趋势的序列以双重平均法合成了标准年表(STD)。 研究中，考虑到采样点为人工林，树株分布均匀且郁闭度较大，树与树之间的相互竞争与协调会导致年轮宽度上的低频变化，因此标准化后又进行了再次标准化（？） ，从而剔除了与树龄相关的生长趋势和树株之间的低频波动。在此基础上，还以同样方法合成了差值年表(RES)和自回归年表（ARS），并对年表进行了共同区间分析。 通过比较这三个年表的数据，发现STD年表各项统计量最高，能更好的代表总体特征，因此以STD年表为
14、例进行了分析。,年表编制案例：,年表编制案例：,徂徕山赤松标准化年表,姜倩倩 2012.6,姜倩倩以该年表为基础研究了徂徕山赤松对气候的历史响应情况和适地适树问题。,七、年轮学研究展望及建议,全球气候变化在中、小尺度上的研究主要是通过对生态系统尤其是生物因子的反应来进行研究的。由于树木年轮资料具有定年准确、连续性强、分辨率高和易于获取的优点，故已成为气象学、生态学等领域研究中的一种重要手段。 在我国，年轮学的研究开展较晚，主要集中在青藏高原和西北地区，到目前为止，我国还未形成一个系统的树木年轮年表序列，其研究有待加强和深入。在以后的树木年轮研究中，可以对我国广大区域的优势树种进行采样分析，利用树轮信息分析各区域各历史时期的温度、降水、河流径流量、干湿度等多项要素的变化，从而使其得到科学的历史数据重建。 随着科学的发展，学科交叉研究已成为一种趋势，在今后的年轮研究中，除林学之外，应注重气象学、植物学、化学及环境学等学科知识的综合运用，从而增加研究的精确性和实用性。,