树木径向生长研究方法及进展*

吴笃信,张冬有

(哈尔滨师范大学)

0 引言

树轮气候学的奠基者是20世纪20年代的美国科学家Douglass A E.经过几十年的发展，如今树木年轮学的均变原理、限制因子原理、敏感性原理、交叉定年原理、复本原理等基本原理逐步形成.中国树轮气候学进展相较国外起步稍晚，近年关于树木径向生长与气候变化的研究逐渐增多.已有李颖俊等学者在中国华北地区的芦牙山利用华北落叶松探讨了树轮宽度年表对气候因子的响应[1]，勾晓华等学者系统地研究了中国西北旱区山地和青藏高原东北部树木年轮,发现树轮记录主要反映区域湿度变化，这一成果为重建过去几百年到几千年的干旱变化历史提供了新的证据[2].在中国北部大兴安岭地区高兴等学者在漠河县利用樟子松重建了漠河近百年1月的降水量序列[3].上述研究表明，利用树轮的高分辨率和长时间序列的特点进行古气候或长时间序列的气候重建是十分可靠的.目前大多数树轮研究集中于中国的西部，中国北部因采取样本困难等因素，导致长时间序列研究大兴安岭地区气候变化的文献较少，其中最早的是陆小明在大兴安岭地区利用樟子松对大兴安岭新林地区的干湿变化进行了研究，得出结论未来该地区将保持当前干旱态势至少10年，气候趋于“暖干”，特大森林火灾高发，林火防范形势严峻[4].最新的研究成果有孙振静、杨婧雯等学者，都在研究不同环境下的不同树种对气候变化的响应，而侧重于有关树木年轮与水文关系的研究较少，应加强该方向的研究[5-6].该文主要是在目前现有的研究基础上，结合适用于大兴安岭地区的研究方法和模式，进一步利用树木径向生长的特性去探究大兴安岭地区的气候变化，来推动未来大兴安岭地区树轮气候学的发展.

1 树木径向生长研究背景

1.1 树木径向生长的概念

树木是人类与自然生态环境中不可缺少的要素之一，它的生长情况和生长环境与气候变化密切相关.树木的径向生长是构成木材的主要生长过程，树木的年轮是树木形成层周期性生长的结果.由于径向生长对环境条件的反映敏感，因此常采用树木年轮宽度的变化来反映气候变化.随着海拔、地形的差异，树木的生长也有差异，特别容易受到极端气候的影响，可以通过指定地区的树木年轮的窄度来获得该区域有利于或不利于树木径向生长的气候因子.

1.2 树木年轮气候学发展过程

由于树木年轮资料具有定年准确性高、连续性强、分辨率高和样本易获取等特点，解决了机器测量获得资料时间长度不够、不完整等困难，所以树木年轮分析一直都是研究过去全球气候变化的重要手段之一[7].早在18世纪，就可以从某些特异的窄轮或其他变异的年轮中，准确地推断出一些事件的年代.在20世纪初，美国科学家A.E.Douglass明确地提出了“交叉定年”的必要性和初步途径，并应用于废墟遗址定年上，交叉定年成为了树木年轮学的重要基本原理之一，在年轮气候学和其他分支学科中得到广泛的应用[8].自1976年在美国图森召开的第一届国际年轮气候学会议至今，报告、论文的数量、质量都大有提高，中国在20世纪70代翻译了小马奇V C等学者发表的“根据树木年轮记录推测古气候”这篇论文后[9]，各地涌现了一批批研究树轮气候学的学者.黑龙江省气象局于1976年在绥棱县召开了“树木年轮与气候分析经验交流会”，参会人员初步接触并学习了树木生理知识和有关年轮分析方法，并结合实际上山采取样本进行分析.中央气象局研究所与陕西省气象局联合发表了首篇树木年轮与气候变化的中文文章，利用陕西延安地区南部的太白落叶松和黄陵柏松探究了树木径向生长与气候变化之间的关系.目前的树木年轮气候学研究中，除了利用树轮宽度研究外，已经开始利用树轮密度、稳定同位素等来探讨树木与区域气候和环境变化的关系.如吴祥定等学者在中国秦岭地区进行了树木年轮密度对气候的响应研究[10]，刘禹团队利用黄陵树木年轮同位素分析气候变化[11]，牛颖等学者在西双版纳探究了早晚材稳定同位素对气候因子的响应[12].大兴安岭地区相比其他地区而言，关于树轮气候学的研究较少，且大兴安岭地区是气候敏感区和脆弱区，在讨论未来全球气候变化上更具有研究意义.

2 树木年轮研究方法

2.1 干扰树木径向生长的外界因素

树木径向生长情况除了与气候变化密切相关外，还受到树木自身遗传因子、生物活动和潜在因素的制约[13].受自身遗传因子影响，树木与环境因子间存在耐受性范围，在最适点附近时敏感度最高，趋近于该范围的极值点时敏感性减弱，即“Shelford’s law of tolerance”定律[14].生物活动频繁的地区树木生长与在自然条件下树木生长有显著差异，不利于进行树轮气候学研究.其他潜在因素如风、雪、林火、病虫害等在某种情况下也是影响树木生长的主要因素.所以在研究树木径向生长与气候变化间的响应关系时，要排除气候因子以外的其他因素对树木的干扰.

2.2 树轮交叉定年

树轮交叉定年的优点是能够得到长达数千年、有准确年代的连续序列的途径，使树轮序列具有真正代表性，直接决定最终年轮年表的质量好坏.首先选样目测定年，自靠近树皮年轮向髓心方向分别以每10、50、100年为间隔进行标注各年轮的生长年，其次骨架图定年，绘制骨架图，根据其左右两侧年轮相比较他们的轮宽窄度，记录下窄年和极窄年，以竖线来来表示，竖线越长，轮宽越窄，最后将所有骨架图反复比较汇总为一张图.

2.3 树轮宽度测量和检验

骨架图定年完成后利用Velmex树轮宽度测量仪(测量精度为0.001 mm)对样芯轮宽值逐年进行测量，再利用COFECHA程序对交叉定年的质量进行检验，该程序利用每个树轮宽度序列在主序列前后移动的相关系数来计算，检查是否存在定年和测量的误差，若存在问题则对存在问题的样芯重新测量或剔除失误过大的样芯，以保证每个年轮的年代准确无误.

2.4 树轮年表的建立

在分析树木径向生长的宽窄变化时，首先要去除树木生长过程中的年龄和胸径趋势，即去除生长趋势.目前，一般去除生长趋势的方法有负指数曲线法、样条函数曲线法和水平直线法，最常用的去除生长趋势的方法是ARSTAN程序，该程序采用的负指数曲线是一种相对保守的去趋势方法，通常对去趋势序列以比值的形式进行标准化处理获取无量纲序列[15].再用真实的树轮宽度实测值除以当年生长拟合值，求取其指数序列，得到标准化年表、差值年表、自回归年表.标准化年表中不包含树龄等因素，只有各种环境因子对树木生长的影响信息，同时包含高频和低频信息，而差值年表是在其基础上又考虑了样区内树木的种间竞争、种内营养竞争、人类活动及生长前期生理条件对后期生长的影响带来的低频生长趋势；再利用时间序列的自回归模型去除低频信号，得到的就是自回归标准化年表.研究中要根据不同需求选取最合适的年表.

3 国内外树木径向生长与气候变化的响应研究进展

目前，一些国外学者致力于新技术的开发，并且在树轮分析技术的测量方面已经取得了突破，这些新技术对于中国学者研究树轮气候学时具有很高的参考价值.采用与以往不同的方法对树轮宽度进行测量，应用这种新技术尝试重建当地古气候序列.Vannoppen等学者研究的X射线计算机断层扫描的轮宽测量方法与以往的LINTAB方法进行比较，CT方法除了可以测量轮宽之外还可以测量树轮密度，在功能的全面性上更胜一筹，但是其分辨率比传统的年轮分析仪要低，所以还待完善[16].

Hanines等学者利用Itrax岩心扫描仪来测定模糊树轮，树轮边缘利用密度识别再利用14C检验，以期建立澳大利亚当地的降水序列[17].在树木径向生长的研究中，根据研究树种的不同，丰富了树轮气候学研究对象.Allen等学者在澳大利亚东南部利用密叶杉进行气候重建，虽然没有成功，但依旧为当地在研究温度重建方面做出突出贡献[18].Liu等在内蒙古地区利用332年的油松树轮数据,重建了4～5月份的PDSI[19].Zhao等在中国南部利用长苞铁杉重建了7～8月份SPEI[20].乔晶等在福建乐县利用马尾松进行了不同坡向和不同海拔梯度下树木径向生长与气候变化间的响应研究[21].

在NDVI研究方面，朱显亮等在太白山地区利用太白红杉建立了树轮宽度年表，再与气象数据和NDVI进行分析，对太白山地区过去的172年的NDVI变化序列进行了重建[22].

在PDSI研究方面，Ram在喜马拉雅西部利用NOAA树轮数据库对不同样区的树木年轮进行了研究，发现该地树轮宽度年表与PDSI呈正相关，与春季的温度和热量指数呈负相关[23].

SPEI研究方面，黄小梅等通过澜沧江源区6～7月平均SPEI与树轮宽度年表存在显著正相关这一发现，成功的对澜沧江源区SPEI序列的过往374年进行了重建[24].

上述研究表明，探讨树木径向生长与植被覆盖度和重建研究区的干湿情况有利于揭示树木径向生长对环境变化的响应以及获取当地的历史环境信息.随着研究内容的深度不断加深，广度不断拓宽.研究人员在学科交叉融合创新方面取得新进展，他们将树轮宽度数据应用于森林管理和火山学等研究领域.

在森林管理方面，朱安明等利用52个杉木的地理种源树轮宽度，探究了树轮宽度与年平均气温的相关性，得出在对温度响应不敏感的种源进行植树造林能减轻气温升高对树木生长的负面影响[25].

火山学方面，Sun等在青藏高原利用祁连圆柏重建了当地497年的日照时数，发现主要火山爆发年就是相应的弱日照年[26].Li等在青藏高原东南部地区利用树轮宽度和密度重建了304年7～10月的平均最高气温，发现主要火山爆发年对应了多数的极寒年份[27].

上述研究表明，目前树轮宽度已不局限于单一领域内研究，在其他研究领域依旧可以做出贡献，为未来树轮宽度研究的多元化发展提供依据.

4 大兴安岭地区树木径向生长的研究进展

4.1 大兴安岭地区树轮宽度与气候变化研究进展

张先亮等学者在大兴安岭库都尔地区利用兴安落叶松年轮宽度年表分析了该地区温度、降水、PDSI等主要气候因子之间的关系，结果表明兴安落叶松的生长是由区域水热条件决定[28].刘欣等研究大兴安岭不同坡向兴安落叶松生长对气候变化的响应，结果表明兴安落叶松径向生长规律在中部地区南、北坡存在差异,而南部地区南、北坡规律相同[29].常永兴等在大兴安岭地区的不同区域利用兴安落叶松对该区域温度变化进行分析，发现落叶松径向生长对温度的响应有明显的南北差异，在区域气候暖干化下，制约落叶松生长的主要因素的是土壤水分[30].

上述研究表明，在气候变化影响下，树木径向生长的敏感性也会随之变化，根据所在的不同区域表现出的敏感性也不同，树木径向生长量随温度变化会表明出增加或减少的趋势，原因是在区域温度上升到适宜树木生长温度之前，温度是树木径向生长的主要限制因子；随着区域暖干化，温度继续上升，加剧土壤中的水分蒸发，导致土壤水分缺失，从而树木对降水的敏感性增强，此时树木生长的主要限制因子从温度转为降水.树木径向生长不仅受气候因子(温度、降水等)限制，还受到不同坡向、海拔、纬度等空间因素的影响.大兴安岭地区的树木年轮气候学进展一直以来都较为缓慢，直至最近几年开始增多，可见大兴安岭地区的树轮与气候变化研究开始逐渐进入了中国树轮气候学研究者的视野内.

4.2 大兴安岭地区树木径向生长的其他方向研究进展

大兴安岭地区树轮在其他方向也有着一定的研究成果，如胡海清等学者利用樟子松树轮火疤对塔河蒙克山樟子松林火灾的频度进行分析，为进一步研究该地区森林火灾历史的时间和空间格局提供依据[31].夏阳等学者利用樟子松树轮进行了稳定碳同位素年表序列气候意义的研究，揭示了该地区树轮碳同位素组成与气候因素之间的关系及气候因子对树轮稳定碳同位素组成变化的影响，尝试重建该区域历史气候变化序列[32].上述研究表明，在其他方面大兴安岭还是以树轮火疤研究和树轮稳定碳同位素等为主，研究树轮密度的较少.

5 研究前景

5.1 总体研究前景

21世纪计算机技术和统计方法迅速发展以及其他新技术的不断引进，为树轮气候学的发展提供动力.目前对于树轮气候学而言，最主要的不是在气象响应的单一领域，而是已经扩展研究方向到生态学、灾害学等.以后还需要继续深入研究敏感脆弱的地区的气候变化，选择一些当地代表性敏感树种来建立树轮年表.对当前中国已有的所有树轮样点的树轮数据应集中管理以便于随时进行补充和完善，形成开源的树轮数据库.相邻地区也可以用同一树种来探究与气候响应中不同地区的气候变化差异.

5.2 大兴安岭地区树木径向生长研究前景

中国地域辽阔，地形复杂，森林资源丰富，不少地方都有数百年以上的古木.大兴安岭地区更是中国最广大的原始林之一，是西伯利亚冬季风南下的必经之路，也是南上夏季风的边缘地带，同时地处欧亚大陆多年冻土区，种种因素注定该地区是气候的敏感脆弱区，在研究树轮与气候变化的同时，还可以为研究冻土退化与生物量方面做出贡献.未来可以在大兴安岭地区利用敏感树种的树轮年表与该地区气温场及附近海域的海冰温度进行深入分析.对大兴安岭地区的树轮与气候变化方面的研究不仅推动中国年轮气候学工作，也推动了世界年轮气候学的发展，补充了中国在大兴安岭地区树轮年表记录的缺失.可以预料，在不久的将来年轮气候学研究将更加快速发展，为进一步理解全球气候变化的本质和原因，为推测未来其后代可能趋势作出应有的贡献.