树木年轮学新前沿和在中国的研究进展*

黄敬文，代 鑫，张冬有**

(1.寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室,哈尔滨师范大学;2.汤旺县林业和草原局)

树木年轮学作为考古年代测定和气候重建的工具在20世纪初发展起来[1].树木年轮记录了大量与环境变化相关的变量，这些变量可以用多种方式测量，并以次年的精度和准确性确定日期[2]，有了准确的树木年轮日期，就有可能探测到树木种群中常见的气候和环境信号，并且，可以取代直接测量，重建随着时间推移和跨越广泛地理区域的气候和生态变化.目前通过国际树木年轮库(ITRDB)可以获得世界大部分地区不同环境的树木年轮年表并从中提取数百到数千年的气候或环境信息，对全球的大部分地区来说，目前的覆盖范围以足够，但在热带和高纬度地区仍需要进一步填补研究空白.自20世纪以来，通过与众多学科领域的结合，树木年轮学也得到了丰富的扩展和多样化.

中国的树轮气候学研究开展时间较晚，最早的树轮气候研究是在20世纪30年代和40年代进行的，第一个树轮实验室于1991年在北京的中国科学院地理研究所成立[3].随后在20世纪90年代在青藏高原和中国中北部进行了树木气候研究[4-5].如今，随着技术的进步，新方法的出现和应用，中国的树木气候研究得到了快速发展.

该研究按4个方面进行论述：(1)树木年轮学概述；
(2)树木年轮学在国际上的最新前沿研究成果；
(3)树木年轮学在中国的研究进展：以树轮气候学为例；
(4)未来中国树轮气候学的发展方向.

树木年轮学或称树木年代学(Dendrochronology)，是一门以植物生理学为基础，研究树木木质部年轮生长特性变化，评价环境因素对年轮生长影响的科学学科，并通过年轮指示的环境信号重建过去环境变化的史实[6].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，根据年轮所呈现的信息来分析其在时间和空间上所经历的年代变化的科学.综上所述，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学科.年轮宽度作为树木年轮特征最直观的表现形式一直是主要的研究对象，用来研究树木生长与环境变化的规律，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.但对树木精确定年也并非听起来的那么容易，因为相当多的树木年轮并非清晰易辨，树木在生长过程中受周围环境和气候的影响，年轮会出现部分“缺失”和 “伪轮”，这些现象对精确定年造成很大困难.所以在对树木年轮进行采样和数据统计时需遵循以下基本原理：包括均一性原理(The uniformitarian principle)、限制因子原理(The principle of limiting factors)、敏感性原理(The principle of sensitivity)、交叉定年原理(The principle of crossdating)、生态环境选择原理(The concept of ecological amplitude)和复本原理(Repetition)来提高树木年轮的准确性[7].

树木年轮学的研究有着悠久的历史，最早可以追溯到古希腊时期，美国天文学家Douglass A E作为树轮年代学领域的开创者，他在20世纪初研究太子黑子与气候活动的关系时偶然发现太阳黑子活动循环会影响到地球上的气候格式，并且，气候格式最终会形成树轮生长格式，由此他认为，树木年轮可以作为一种新的表征数据进一步扩展气候研究.随后几十年随着树木年轮的研究不断开展，于1937年在美国亚利桑那大学建立了世界上第一个树木年轮实验室(LTRR).此后，树木年轮学经过不断发展，直至今日形成为一种可以涵盖、交叉众多学科的热门科学，并发展出众多分支学科：包括树轮气候学、树轮考古学、树轮生态学、树轮火山学等等.其中以树轮气候学和树轮生态学所取得的研究成果最为丰富.

2.1 非传统物种

传统物种，例如：松树(Pinussp.)、橡树(Qercussp.)、云杉(Picea)和冷杉(Abiesfabri)在亚洲、欧洲和美洲等地广泛分布且占据主导地位的树种已经开展了大量研究，这些树种也已经证明了对于特定的气候和环境因子如温度和降水响应的可靠性.在这些树木年代学记录存在空白的地方，越来越多更复杂的技术和方法被研究和应用于一些非传统研究树种，并取得了部分成果[8].但是由于采样困难，生长模式不同和对当地树木缺乏了解等原因，导致在一些生产力、生物多样性强的物种上相关研究始终无法开展.如今，一些不仅仅局限于通过传统年轮宽度和密度测量了解树木生长特性的新方法的诞生，使有机会研究和探索一些尚未记录的树种和物种，为树木年代学开辟新的方向.

高纬度地区：北极环境的树木年代学研究由来已久，但始终受制于短轮和木材解剖学的限制.随着木材解剖学的不断发展，诞生了一些价格合理、高效率的方法，极大程度上扩展了在林线以上的研究范围，以及对森林动态和碳循环的理解.来自边缘和敏感环境地区的灌木和多年生草本植物展现出极大的研究潜力.为解决北极地区植物对气候变化内部响应的复杂性质的问题，高纬度树木年代学的一个前沿是探索出北极地区灌木在地表和地下的生长分配过程.最新研究表明：灌木生长对温度的响应高于仅从地表冠层厚度的估值，并且在不同的苔原生态系统存在显著差异，常见的极地常绿矮灌木(Cassioptetragona)可以在大气环流的大尺度模型中提供相位变化，如北极振荡和北大西洋振荡[9].

低纬度地区：为了填补低纬度森林在树木年代学中存在的巨大空白，研究人员在热带和干旱地区对非传统物种开展了大量研究.Andru-Hayles采用测量保存热带地区无轮树木纤维素中的稳定氧和碳同位素来解决不规则生长模式和复杂形态下树木定年[10]；
Van der Sleen探索了二氧化碳施肥对热带森林的影响；
与非传统物种合作更普遍的应用包括物种的新组合及多代理方法[11].例如：Witt等学者结合使用木材元素水平，通过“XRF”检测和稳定同位素数据，在澳大利亚金合欢树种中发现了树木年轮边界[12].

随着“非传统物种”的不断扩大，考古学、生态学和气候学领域的学者也认识到：对气候敏感的针叶树和部分被子植物只能提供气候、森林动态和生态的某些方面的信息；
对非传统物种的研究可以拓宽地理范围增加对地球系统的理解.

2.2 木材解剖学

许多树木年轮学前沿研究就是利用木材解剖来提取传统树轮宽度以外的数据.目前开发成本较低的技术是使用蓝光强度来判断树木晚材密度，研究人员通过高分辨率成像和处理设备观察木材解剖特征的微观成份，即微观解剖.年轮的特征、细胞结构、生长时间和创伤标记可以回答以前通过树木年轮宽度和密度无法解释的农业、生态、地形地貌等问题.

除了简单的物种鉴定和新物种调查应用与树木年代学研究外，木材解剖学还可以应用于追踪和确定不寻常或极端时间的时间.例如：Helama通过受霜冻影响的细胞结构来追溯火山爆发对气候的影响，确定火山爆发的年代[13]；
Stefanini等学者通过树木年轮生长的抑制效应来确定滑坡的年代、重建历史洪水[14].微观木材解剖研究还将树木年轮研究扩展到新的地理领域(见非传统物种方面内容)，以阐明传统树木年轮数据无法获取热带物种的生长模式和年表.此外，通过观察木材解剖特征还可以区分不同地理位置的独特气候信号以表征敏感性梯度和未来气候变化如何影响世界各地的森林群落.对树木内部脆弱的生理机制和水分胁迫了解的增强可以改进干旱、树木死亡率和碳循环的模型.

在次年尺度上提取同位素特征的工作也进一步推动了使用微观解剖学回答重要的全球气候变化和区域环境污染问题的可能性.例如：Belmecheri等学者利用稳定同位素研究了树木生长年轮中包含的滞后气候信号[15].最新的技术进步，如卫星计算机断层扫描(micro-CT),使研究人员能够以非破坏的方式从木材样本中提取信息，该技术大量应用于木质考古材料、艺术品、古沉船和古乐器等方面.在不损害样本的情况提取丰富的信息.微观木材解剖方法和技术的不断扩展推动了以前传统年轮研究方法无法开展和被认为不适合进行年轮研究的地区进行新的研究.

2.3 遥感

遥感数据因其在空间尺度上方便理解全球变化而被广泛应用，但结果的准确性和精度仍需进行验证.树木年轮为遥感提供了重要的验证方法，因此，树木年轮在与遥感的应用方面构成新的前沿领域.近几十年来，随着卫星成像和遥感技术的飞速发展，地球观测卫星可以提供足够数量的年度数据来进行分析和验证.遥感数据被应用于广泛的环境研究，包括建立归一化植被指数(NDVI)数据集、了解生态系统和森林生产力变化及全球碳循环的建模.

研究表明：在具有单一限制因素，如光照、温度、降水等气候条件下，树木年轮晚材的最大密度与NDVI之间存在关联[16].这种相关性可以直接比较植物的生长.尽管需要保证显著的相关性，但仍然可以利用这种关联来回答大规模森林生产力的问题，不需要大规模的实地采样.Vicente-Serrano等学者使用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的超高分辨率传感器(AVHRR)，选取国际树轮数据库(ITRDB)内相同时段的树轮数据确认了超过2/3地点的NDVI数据与树轮宽度之间存在关系[17].这种关系可用于评估特定森林类型的NDVI变化及独特气候状况如长期干旱对全球森林系统的响应.

树木年轮数据还可以与激光雷达系统(LiDAR)结合，应用领域包括三维森林演示、样本位置识别、物种分类及精确计算植物叶片生物量、茎密度等方面.Hoylman等学者使用激光雷达测量了整个流域的植物特征和海拔数据，这些遥感数据与树木年轮宽度增长相关联以分析地形海拔对树木生长的影响[18].Wagner等学者结合地面激光雷达(TLS)对树木生长进行体积分析，得到树木在特定时间点的体积和碳储量[19].

2.4 碳14年代学

碳14(14C)在陆地和空间科学中有许多应用，可以随着时间的推移重建太阳活动.关于树木年轮的一系列研究也证明树轮内部的记录在自然界是独特的，每个年轮都锁定了其形成时期的大气14C样本，可以使用标准的树木年代学程序与确切年份相关联.目前对于14C的研究主要是通过国际放射碳校准曲线，该方法通过已知树龄的5、10或20个树木年轮连续组合的14C测量来校准未知树龄样本的放射性碳测定.

最新研究发现：在树龄不到10年的单个树轮序列中捕捉到的14C变化可能是突然的；
14C在公元774～775年上升近12‰；
在公元993～994年上升约9‰.这些事件现在已经被证实是全球同步的，为一系列新的程序、问题和方法指明了方向，这使得放射性碳测定的一个新阶段.前沿领域包括探测14C年代同期其他类型的全球同步变化，并建立14C数据集，来提高国际放射碳校准曲线的准确性.并且，公元774年的发现已经应用于多个方面：Sigl等学者通过结合14C、10Be和树木年轮来确定过去2500年的综合记录[20]；
Oppenhermai等学者通过14C来确定主要火山环境活动的年代[21]，因此，树木年轮中的14C是一个迅速扩张的研究领域，可以填补大量树木年轮研究领域的空白.

3.1 研究区域和树种

1991年以前，中国仅有35个年轮采样点，并且主要来自中国西北部和青藏高原南部.如今，采样点的数量已增加到700多个.研究区域也扩展到东北和亚热带东部地区.研究树种以针叶林类群为主，主要属于云杉属(Picea)、柏属(Juniperus)、松属(Pinus)、落叶松属(Larix)和冷杉属(Abies).其他研究树种包括云南铁杉(Tsugadumosa)、长苞铁杉(Tsugalongibracteata)和岳桦(Betulaermanii)等.还存在其他物种，但数量非常少.伍维模等学者在干旱的河岸森林中，研究了胡杨(Populuseuphratica)的生长模式及其与气候或环境数据的可能关系[22]；
Liang 和Eckstein等学者使用传统的树木年代方法研究了少量灌木物种，如柽柳(Tamarixramosissima)、杜鹃(Rhododendronnivale)等[23].Lu等学者利用在青藏高原东南部发现的一颗400年的杜鹃树，建立了灌木杜鹃属(Rhododendronaganniphumvar.schizopeplum)的年表，利用上述林线灌木杜鹃的树轮宽度重建了中国西南部四川和云南的冬季最低温度．这些初步研究也显示了灌木在中国树木气候研究中的巨大潜力[24].

3.2 年轮参数

树轮宽度作为最常用的树轮参数，是衡量树木径向增量的一个简单指标.这一参数在中国乃至全世界的树木气候研究中所占比例最大.此外，还可以通过树木早晚材的宽度进行了年内分析，提供一个生长季内的记录.例如，Chen等学者通过使用油松(Pinustabulaeformis)早材宽度年表重建了中国中北部1691～2006年的降水记录[25].该方法也适用于木材解剖过程中从早材到晚材年轮内颜色有明显变化的特定树种.另外，从生态学的角度来看，树木的稳定同位素变化也掌握着气候或环境变化的特殊信息并且当样本数量受限是仍然受用.与树木年轮宽度序列相比，稳定同位素可以揭示更大比例的低频气候信号，并且不需要传统的去趋势化技术，尽管Treydte等学者的一些研究表明：同位素数据可能也需要去趋势化但稳定同位素仍然因其特有的优势而被广泛研究[26].目前最常被研究的同位素比值是稳定的氧(δ18O)和碳(δ13C)，并且已经在中国不同环境的地点建立了树木年轮同位素年表.但是由于样品制备所需的时间和成本以及生理和生化过程的复杂性，到目前为止，很少有人研究树木年轮中氢同位素比值(δD)的变异性.

木材解剖的参数，如细胞壁厚度、微纤维等已经被应用与制作北极地区的气候记录(详情见非传统物种部分).相关研究解释了为什么木材解剖特性相比树轮宽度对气候的敏感性更强.但是迄今为止，在中国这方面的研究少之又少, Xu等学者测定了青藏高原东北部云杉(Piceacrassifolia)微纤维和管胞径向直径的年际变化，分别与气温和降水呈负相关和正相关关系[27].这些结果表明，在传统上被认为不适合树木气候研究的地区，利用木材解剖特征重建气候，在中国也有很大的潜力.

3.3 年表长度和定年方法

目前中国最长的树轮宽度年表发现于青藏高原东北部，可追溯到公元前2637年.并且早前在该地区建立了包括亚化石、古建筑和活树在内的大量超过2000年长度的年表.除此之外在青藏高原上还主要有600年的刺柏(Juniperus)、落叶松(Larix)和云杉(Picea)等树种[28].而除了这些长时间年表外，来自中国其他地区的所有年表都只收集活树或死树两种类型.在中国东部，年轮长度也大多不超过400年.其中在中国大陆东部地区发现的最长年表是华山的654年和太行山南部的657年.

为了保存年表中包含的低频率气候变化，特别是由活树、考古树或死树组成的年表，必须删除原始树木年轮数据中可能包含的生物年龄趋势，同时不删除时间序列中与气候相关的变化.目前制作树年轮宽度年表仍然使用传统指数函数和线性回归方法[7]，这限制了保留的低频信息的数量.为了克服传统曲线拟合标准化的频率，限制区域曲线标准化(RCS)方法被引入并应用.然而，这种方法的拟合曲线可能会被气候信号扭曲，从而导致年代学指数有偏差.为解决这种所谓的“趋势失真问题”采用无信号去趋势方法来缓解.这种方法还减少了对树木的分布区域甚至时间长度的要求.目前，通过使用这种无信号RCS方法，已经成功为大部分树轮气候学年表进行去趋势化处理.Hugershoff曲线也应用于树木年轮宽度年表的不同起始年份的测试和修正，集成经验模态分解方法也被推荐为树木年轮年表开发的候选去趋势方法.结果表明：该方法能够提取不受树龄和微环境条件影响的树木生长变化.

3.4 树轮气候重建

树轮气候学研究中很重要一部分是应用树木年轮年表重建过去的气候变化.在重建过程中，建立了树木年轮年表与现有气候资料之间的统计校准方程.但受制于气象站数量少和建立时间晚的影响，在中国校准周期大多开始于1950～1960年.周期普遍较短长度仅为40～50年.因此，这使得树木气候学在这个国家更具挑战性，但在温度和降水气候重建方面仍然取得了大量优秀成果.

温度方面：用于温度重建的参数主要在树轮宽度方面.在不同的多月季节或全年尺度上重建了平均、最低和最高温度.大多数温度重建是基于个别站点或局部尺度年表.例如：Wang等学者利用传统线性回归函数，对西藏东南部昌都县984～2009年的平均年温度进行了重建，还延长了之前可用的两个夏季温度重建到过去的整整1000年，并在空间上将该网络扩展到青藏高原东北部[29]；
Shi等学者基于青藏高原东南部的7个高山林木线位置，重建了1820～2009年期间区域夏季(6～8月)的最低温度[30]；
在中国亚热带地区，葛全胜等学者通过由31个采样点组成的树轮网络重构了区域尺度的温度变化[31].这项研究评估了1825～2008年冬季(1～3月)极端温度的特征.这项研究采用了一种新的方法，即通过检查每年出现“异常”生长下降的树木的百分比.树木百分比的时间序列可能是这种潮湿地区气候变化的一个很好的指标；
Zhang等学者还基于贝叶斯模型重建了中国西南部云贵高原1628～2005年的区域平均温度[32].在1961～2005年的校准期间，重建温度与观测温度之间具有较高的相关性，表明该模式很好地捕捉了区域温度变化.该方法的广泛应用有望扩大其在树木气候研究中的应用.

降水方面：与温度重建一样，大部分水文气候研究都是基于单个站点的研究或结合当地站点的研究.例如：王亚军等学者对中国西北部祁连山东部的6～7月SPEI进行了千年(1009～2010年)重建[33]；
Zhang等学者基于来自青藏高原东部的23个树木年轮宽度年表的网络，调查了过去5个半世纪以来湿度条件的时空变化[34].这两项研究都促进了中国进一步的区域尺度水文气候重建；
Fang等学者在半干旱的黄土高原西部利用基于频率的方法，从8个地点获得的401个树木年轮序列的复合年表，重建了公元1568～2012年期间去年8月到当年7月的年降水量，研究成果表明：中国黄土高原西部和北美西部干旱变化之间的联系可能与年代际太平洋涛动有关.大规模的干旱变率及其驱动机制分析是中国树木气候研究的重要进展之一[35].

基于树轮宽度的温度和降水气候重建也可以同一研究区域内进行，例如青藏高原东南部和东部沿海地区[36].研究表明，在树种和特定的站点条件，即采样站点的海拔的影响下，可能会导致不同的生长-气候响应.特别是从树木生态学的角度来看，在海拔较高的地点，树轮宽度主要受温度控制[37]，而在海拔较低的地点，主要受降水的限制[38]，或受温度和降水之间的相互作用的限制[39].

中国在树轮气候学研究方面飞速发展，采样点已经扩展到几乎整个中国的自然林区并取得了丰富的研究成果.例如：应用传统的树木年代学方法灌木树种进行了研究[23].这些进展为广泛的详细的地方到区域气候和生态研究创造了机会.扩大了空间分布，特别是在高海拔和亚热带地区，以及树木年轮数据更高的站点密度[31]，为研究过去的气候变化及其与大规模气候模式如厄尔尼诺/南方涛动[35]和年代际太平洋涛动的联系提供了机会，可以视为中国树木气候学的重大进展.然而，关于许多树种记录的复杂气候或环境信号的知识的缺乏仍然是一个重大的方法挑战.此外，大多数重建工作都是基于单点或局部尺度的年表，几乎只关注树木年轮宽度作为唯一研究的参数.

未来中国树轮气候学的研究建议利用复合树木年轮参数，特别是稳定同位素和木材解剖数据，探索其在气候重建中的潜力.利用树木年轮年表的大样本深度改进现有的去趋势方法日益可行.从树木年轮碳同位素数据中提取的不一致的气候信号需要进一步研究.整合或综合现有的树木年轮年代学，以揭示中国西北地区区域尺度的水气候重建.此外，在气候持续变暖的背景下，更好地理解温度变化与干旱时空模式之间的关系也很重要.将树木年代学与其他方法，如遥感和树木生理学相结合，也是促进中国树木气候学发展的另一种途径.

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