樹木年輪學(xué)綜論

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

樹木年輪學(xué)是一門研究年輪特性,并利用年輪來定年和分析過去環(huán)境變化的科學(xué)，其學(xué)科內(nèi)涵卻不僅限于對(duì)活樹或原木或木制品精確定年，還可利用年輪固有的信息追索或重建自然環(huán)境演變的歷史過程，利用年輪鑒定古建筑、古文物、古藝術(shù)品的年代。本文按4個(gè)專題論述：（1）樹木年輪學(xué)概述；（2）樹木年輪學(xué)的基本原理與研究方法；（3）樹木年輪學(xué)的研究進(jìn)展及應(yīng)用；（4）樹木年輪學(xué)的新階段。

1 樹木年輪學(xué)概述

年輪，在許多樹木圓盤上是清晰可見的，它來源于木材的春材與秋材在色澤上有深淺之分、結(jié)構(gòu)上有疏密之別，從而導(dǎo)致每年形成一同心環(huán)，于是人們可根據(jù)年輪環(huán)的計(jì)數(shù)即知該樹木的年齡。其實(shí)，年輪這一特征早已為遠(yuǎn)古的希臘學(xué)者所關(guān)注和洞察。從科學(xué)的觀點(diǎn)看，年輪意義不僅只是用于顯示樹木的年齡，一株千年古木經(jīng)歷悠長(zhǎng)的日月精華和風(fēng)霜雨露，淀集了豐富的自然信息，如果籍助于某些特定的科學(xué)方法加以分析和探索，這些信息可重新再現(xiàn)，年輪細(xì)胞中淀積的古氣候過程、災(zāi)害經(jīng)歷、C同位素及污染物含量等均可一一追蹤再現(xiàn)。揭開樹木年輪奧秘的科學(xué)就是樹木年輪學(xué)或樹木年代學(xué)（dendrochronology）。樹木年代學(xué)來源于拉丁語(yǔ)：Dendron = 樹木；Chronos=年代或年表；Logos =研究。樹木年輪學(xué)是樹木年代學(xué)更為直觀的用語(yǔ)。它的定義是利用年輪對(duì)樹木精確定年，并在自然和人文兩方面，根據(jù)年輪信息來分析其所經(jīng)歷的年代在時(shí)間和空間上變化格式的科學(xué)。從此定義來看，它的研究?jī)?nèi)容主要包括3方面：（1）對(duì)活樹或原木或木制品精確定年；（2）利用年輪固有的信息追索或重建自然環(huán)境演變的歷史過程[以氣候變化為主，包括各種自然災(zāi)害（火災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害、冰川、蟲害等）]；（3）利用年輪鑒定古建筑、古文物、古藝術(shù)品的年代[1-3]。簡(jiǎn)而言之，樹木年輪學(xué)是一門研究年輪特性，并利用年輪來定年和分析過去環(huán)境變化的科學(xué)。年輪寬度一直是主要研究對(duì)象，用來研究環(huán)境變化如何影響樹木生長(zhǎng)的規(guī)律，旨在獲取氣候代用資料重建過去數(shù)百年甚至數(shù)千年的生態(tài)環(huán)境變化的史實(shí)[1，3]。對(duì)樹木精確計(jì)年也并非是一般人所理解的那樣輕而易舉，因?yàn)橄喈?dāng)多的樹木年輪并非清晰易辨，年輪中會(huì)出現(xiàn)后“缺失”和“偽年輪”，在科學(xué)研究中一般要采用“交叉定年（cross-dating）”來確定樹木精確的年齡[1，3]。

歐美樹木年代學(xué)研究歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，古希臘自然科學(xué)大師Theophrastus （371—287 BC）是論述樹木年輪的第一人[1，3]。da Vinci（1452—1519）在油畫論著中記述了年輪的寬度受生長(zhǎng)地的濕度所制約[1，3]。 du Monceau 和 de Buffon發(fā)現(xiàn)1709年寒冬導(dǎo)致產(chǎn)生明顯黑年輪，此發(fā)現(xiàn)為后繼自然科學(xué)家所引用[4]。英國(guó) Charles B測(cè)定泥炭沼澤中或地層中樹木殘骸的年齡（1835，1838年），此為探索遠(yuǎn)古樹木年表的重要建樹[5]。美國(guó)Twining 1833年認(rèn)為多種樹種的年代學(xué)或多株樹木的年輪的格式同步發(fā)生，可據(jù)此重建整個(gè)某地區(qū)過去的氣候的歷程[6]。 Kuechler J （1823—1893） 對(duì)橡樹Quercus stellata進(jìn)行交叉定年并用以研究德克薩斯州西部氣候記錄[7]。德國(guó)Julius Ratzeburg（1801—1871）研究了蟲害引起落葉對(duì)年輪形成的影響[8]。1882年荷蘭天文學(xué)家Kapteyn JC利用交叉定年重建荷蘭和德國(guó)氣候記錄[9]。俄國(guó)物理學(xué)家Shvedov F發(fā)現(xiàn)的樹木年輪格式用于預(yù)報(bào)1882年和1891年的旱災(zāi)[10]。

1910年天文學(xué)家 Douglass AE （1867—1962）認(rèn)為太陽(yáng)黑子活動(dòng)循環(huán)會(huì)影響到地球上的氣候格式，氣候格式最終會(huì)形成樹輪生長(zhǎng)格式，反推理，可根據(jù)樹輪格式預(yù)測(cè)未來的氣候變化及主宰氣候變化的太陽(yáng)黑子活動(dòng)。他開創(chuàng)年輪氣候?qū)W，發(fā)現(xiàn)美國(guó)西南部干旱區(qū)的樹輪寬度變化和降水量之間存在密切的關(guān)系，于1914 年發(fā)表了根據(jù)樹輪重建降水量變化的論文，奠定了他的學(xué)術(shù)地位，后人公認(rèn)Douglass AE為樹木年輪學(xué)之父。在此后的二十多年里，樹輪研究在美國(guó)的西南部地區(qū)陸續(xù)開展，1937年美國(guó)亞利桑那大學(xué)建立了世界上第一個(gè)樹木年輪研究實(shí)驗(yàn)室（LTRR）。隨后，樹木年輪學(xué)持續(xù)蓬勃發(fā)展，并擴(kuò)展到世界各地。迄今，它已成為一體系繁復(fù)、綜合多學(xué)科的交叉科學(xué)，由于樹木年輪資料具有定年精確、追索時(shí)間長(zhǎng)、分辨率高、分布廣、能就地取材等突出的優(yōu)勢(shì)，促使研究走向紅火，成果巨豐，成為一覆蓋面甚廣的熱門學(xué)科。迄今為止，此學(xué)科已發(fā)展分化為以下分支學(xué)科：樹輪考古學(xué)、樹輪生物學(xué)、樹輪生態(tài)學(xué)、樹木年輪氣候?qū)W、樹木年輪水文學(xué)、樹木年輪冰川學(xué)、樹輪地貌學(xué)、樹輪火山學(xué)、樹輪災(zāi)害學(xué)、樹輪火災(zāi)學(xué)、樹輪化學(xué)、樹輪昆蟲學(xué)等[1，3]。

2 樹木年輪學(xué)的基本原理及研究方法

2.1 均變?cè)?/h3>

由地質(zhì)學(xué)家赫頓于1785—1788年提出，即過去、現(xiàn)在和未來都會(huì)在一定的氣候條件演變下出現(xiàn)均一的物理和生物過程；它既適用于過去，也適用于未來。一般是根據(jù)現(xiàn)在年輪形成的生態(tài)條件來演繹出過去年輪的形成和相應(yīng)的生態(tài)條件，赫頓的名言：“現(xiàn)在是過去的答案，過去是未來的答案”[3，11]。

2.2 限制因子原理

樹木生長(zhǎng)過程常受制于多個(gè)生態(tài)因子，但其中必有一或二個(gè)因子起決定作用，這就是形成年輪生長(zhǎng)格式的限制因子，如在干旱地區(qū)，降水是限制因子；在極端嚴(yán)寒的極地樹線，溫度是限制因子。于是，通過對(duì)年輪寬度和其它特征的量度，與之關(guān)系至密的溫度和降水長(zhǎng)期的年度變化就可以演繹出來。在研究決策中要特別注重關(guān)鍵因子（限制因子）對(duì)年輪特性形成的作用，并對(duì)其它因子則有意擱置，這樣才能直面預(yù)期目標(biāo)，以最小投入獲得欲求的結(jié)果，即推崇Liebig的最小量定律；不贊成隨機(jī)取樣。

2.3 生態(tài)幅度原理（敏感性原理）

物種的生態(tài)幅度或?qū)捇蛘瑯淠灸贻唽W(xué)實(shí)驗(yàn)基地多選擇物種生態(tài)幅度的邊緣地進(jìn)行，此地限制因子對(duì)年輪生長(zhǎng)格式影響也最易被檢測(cè)出來，一般目標(biāo)種的分布區(qū)外緣地為生態(tài)敏感地，選擇敏感地立木作為檢測(cè)對(duì)象最易獲得欲求的結(jié)果。

2.4 生境地選擇原理

此原理為上原理的延伸，即在進(jìn)行研究的地域范圍內(nèi)，應(yīng)選擇樹木對(duì)環(huán)境因子反應(yīng)最敏感的特定的生境地取材作為實(shí)驗(yàn)樣本。敏感生境地能有利于為樹木生長(zhǎng)呈現(xiàn)出響應(yīng)證據(jù)。如果降雨是限制因子，當(dāng)樹木年輪學(xué)家在干旱地區(qū)進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)選擇水分條件最嚴(yán)酷的生境地（如石礫地、峭壁）選取觀測(cè)樣品，它最能顯示出降雨過程的信號(hào)。

2.5 交叉定年原理

交叉定年原理是精確定年一個(gè)重要的方法，方法是將生長(zhǎng)在同一生態(tài)環(huán)境下的樹木兩套以上序列的年輪寬度點(diǎn)位在已設(shè)立的坐標(biāo)帶上，進(jìn)而畫出年輪變化曲線，在消除偽年輪和年輪缺失誤差的前提下，則兩個(gè)或更多序列曲線就能靠合，或呈現(xiàn)出同波動(dòng)格式（因?yàn)椴煌臉淠贻唽挾炔槐M相同，但趨勢(shì)軌跡相同），于是，某序列每個(gè)年輪的正確年代得以確立。根據(jù)多個(gè)樹輪變化序列曲線重疊狀況定年，即交叉定年。在交叉定年以及年輪寬度量測(cè)完成之后，一般借助COFECHA程序，檢驗(yàn)交叉定年的準(zhǔn)確性[12]。

年輪格式匹配也是一種交叉定年的方法，即兩個(gè)至多個(gè)樹忒，分析其年輪格式，如寬-寬-寬-窄-窄-寬-寬與另一樹芯年輪格式也是寬-寬-寬-窄-窄-寬-寬時(shí)，可考慮將二者年輪匹配，交叉分析得出二者可信的年齡。

2.6 年表銜接（橋接法）

如果某一樹干內(nèi)層（相對(duì)遠(yuǎn)期）的一段年輪序列同另一樹干一段外層（相對(duì)近期）的年輪序列一致，就說明二者有過共同的生長(zhǎng)過程，可將二者按年輪格式相互銜接，如是樹木年表可得以向古時(shí)延伸，如此再與第三株相互銜接，一直延伸到遠(yuǎn)古時(shí)期，樹木年表得已延伸更遠(yuǎn)古，從而建立起該氣候區(qū)長(zhǎng)期歷史的年輪年表史，此法已為樹輪考古學(xué)所通用，據(jù)此，某些地區(qū)已取得萬年的樹輪年表史。此謂之橋接法（見圖1），其實(shí)這也屬于交叉定年。此法中有多個(gè)年輪序列，其中之一必須取樣于已知年齡的現(xiàn)代活樹為基準(zhǔn)（參見圖1，2）[12-13]。實(shí)例：中國(guó)西藏昌都地區(qū)云杉林獲取了一個(gè)119年的年輪記錄，另在同地一寺廟中發(fā)現(xiàn)有多株立柱年代長(zhǎng)度為137年，經(jīng)核定此立柱與云杉林的立木有一段（30年年輪）具有共同格式可互相銜接，從而將年表延長(zhǎng)到227年。進(jìn)而又與寺廟蟠旗杵年輪相銜接，年表長(zhǎng)延長(zhǎng)到352年（1624—1975）。這就建立了當(dāng)?shù)貥漭?52的年表史，進(jìn)而可用來重建氣候史[58]。

圖1 樹輪橋接[63]Fig.1 Tree ring connection A-living tree,B-stump of dead tree,C-beam in remains

2.7 聚合樹木生長(zhǎng)因子原理

聚合原理認(rèn)為任何樹木年輪生長(zhǎng)均受到一系列多個(gè)自然和人為生態(tài)因子的影響，即由一系列聚合因子所致，它包括5大因子，Cook歸結(jié)為一公式：R＝C＋A＋D1＋D2＋E。R為一根樣芯（由生長(zhǎng)錐鉆取樹木半徑取得）經(jīng)交叉定年后的輪寬序列信息；C為區(qū)域氣候影響的樹木個(gè)體徑向生長(zhǎng)波動(dòng)信息，在樹輪氣候重建研究中，該因子的波動(dòng)序列為期望提取的序列；A為樹木自身生理年齡影響的輪寬波動(dòng)信息，即樹木徑向生長(zhǎng)趨勢(shì)，通常表現(xiàn)為緩慢減小的趨勢(shì)。該信息可以通過標(biāo)準(zhǔn)化過程除去。D1為森林群落的內(nèi)部干擾信息，通過多個(gè)樣本量的均值化過程可以去除該因子的影響。D2為森林群落的外部干擾信息，如火災(zāi)、蟲災(zāi)。在樹輪災(zāi)害學(xué)中，某些外部干擾信息是需要提取的信息。但在樹輪氣候研究中為需要剔除的信息。E為除上述各種影響因素外的隨機(jī)波動(dòng)信息，同樣也可以在均值化過程中通過一定復(fù)本量除去。

圖2 樹輪銜接[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 復(fù)本原理

在利用樹木年輪分析氣候變化時(shí)，應(yīng)取材于足夠的樣本量以能進(jìn)行交叉定年、消除年輪缺失及偽年輪的干擾，同時(shí)將非氣候因子的影響減至最小。復(fù)本原理的具體做法是：要求在一個(gè)地點(diǎn)采集盡可能多的樣本，另一方面要在每棵樹的不同方向上取樣。在實(shí)際工作中，我們常常在一個(gè)采樣點(diǎn)采集20棵樹以上，每棵樹在不同的方向位置取樹芯。

3 樹木年輪學(xué)的研究進(jìn)展及應(yīng)用

3.1 樹輪年表學(xué)

樹木年代學(xué)家根據(jù)多數(shù)樹木樣樹的平均一致的年輪寬度格式用以建立某地區(qū)年輪史，進(jìn)而聚集大量同樹種或不同樹種的年表數(shù)據(jù)庫(kù)。建立確定長(zhǎng)期的年表的樣樹多取材于活古樹，或泥沼中半化石樹，經(jīng)多樹年輪序列橋接而獲取最長(zhǎng)的的年表。Douglass早在1939年，他就構(gòu)造出一個(gè)從公元700年至1929年的延續(xù)樹木年輪年表。經(jīng)泥沼半化石樹木年輪測(cè)定并結(jié)合碳同位素核準(zhǔn)，確認(rèn)北美加州白山剌果松Pinus longaeva年表史為8 400年，推測(cè)年份到10 000年[14]；同時(shí)建立歐洲櫟年表為10 479年，或BC 8 400年[15]；歐洲松Pinus silvestris為2 012年[16]。此外，根據(jù)中歐泥沼半化石霍恩洛厄櫟和松樹相合的年輪數(shù)據(jù)，經(jīng)14C校正將地區(qū)松櫟結(jié)合的樹木年表追索到12 460年[17]。在南半球也取得新的記錄，如在安第斯山脈有一種智利柏Fitzroya cupressoides年輪系列可索源到BC1 634年（距今3 670年）；產(chǎn)于產(chǎn)于塔斯馬利亞的的淚柏Lagarostrobus franklinii年表可達(dá)4 100年[18]。2004年根據(jù)樹木和海岸沉積物取得的數(shù)據(jù)得出一新校正曲線INTCAL04受到國(guó)際的認(rèn)可，據(jù)此可追索到26 000年的年表跨度[19]。中國(guó)張齊兵等建立了公元前326年至公元2000年的樹木年輪序列表[62]。

3.2 樹輪生物學(xué)

自然災(zāi)害除了能夠影響樹木的年輪寬度，還能使樹木形成特殊細(xì)胞，如反應(yīng)細(xì)胞。在氣候惡劣的條件下，樹干基部則可能出現(xiàn)缺輪。如果早春發(fā)生凍害，可能出現(xiàn)霜輪，即層內(nèi)有凍死細(xì)胞，霜輪、畸形細(xì)胞、黑死細(xì)胞[20]；還包括密度異常增大的反應(yīng)木（reaction wood），它是由于樹木形成層生長(zhǎng)受到壓力或擠壓形成的。上述特征都是年輪對(duì)逆境或?yàn)?zāi)害產(chǎn)生的細(xì)胞學(xué)響應(yīng)，這種響應(yīng)造成的傷疤可用來反饋、再現(xiàn)各種災(zāi)害的年史。年輪生物學(xué)還探索管胞面積、管胞數(shù)量、細(xì)胞壁厚度、木質(zhì)部細(xì)胞數(shù)量等指標(biāo)對(duì)氣候變化的響應(yīng)[21]。

3.3 樹輪氣候?qū)W

（1）利用樹木年輪學(xué)重建氣候歷史

樹木年輪學(xué)的產(chǎn)生源于利用年輪的寬度揭示氣候變化的歷史，前頁(yè)已論及。近期的進(jìn)展如下：美國(guó)Graybill等重建了美國(guó)1 000多年來的溫度和降水[22-23]。Mann 等使用更新數(shù)據(jù)，重建了過去千年的溫度變化[24]。Cook等利用樹木年輪數(shù)據(jù)庫(kù)，重建美國(guó)西部過去1 200年以來干旱歷史，發(fā)現(xiàn)中世紀(jì)暖期時(shí)氣候總體比較干旱，現(xiàn)代全球進(jìn)一步變暖的趨勢(shì)更會(huì)加劇此地區(qū)的干旱程度[25]。Mann等還綜合了北半球大量樹木年輪年表，結(jié)合冰芯、冰融化和歷史資料等，重建過去600 多年來溫度歷史[26]。Briffa等利用樹木年輪成功重建了芬諾斯堪迪亞地區(qū)從公元500—1990年間共1 400年的夏季溫度[27]。Lara在1993 年用樹木年輪寬度重建了過去3 620年間南美南部的氣溫變化[28]。Earle 也在1993年利用樹木年輪寬度重建了加利福尼亞河川徑流量的變化[29]。在我國(guó)，劉洪濱等采用秦嶺冷杉年輪寬度重建了陜西鎮(zhèn)安200多年以來的初春溫度[30]。張志華等利用樹木年輪資料重建了新疆東天山300多年來的干旱日數(shù)，與實(shí)際旱澇情況吻合良好[31]?？蹬d成等利用樹木年輪的寬度變化重建了青海都蘭過去2000年來的氣候變化[32]。

（2）樹輪與溫室效應(yīng)引起的氣候變化

由于溫室氣體效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候變暖，許多研究證實(shí)，除年輪寬度對(duì)溫度有顯著反應(yīng)外，年輪密度更能反應(yīng)溫度變化。王麗麗等研究認(rèn)為，在中國(guó)漠河地區(qū)，落葉松與樟子松的晚材密度受當(dāng)?shù)?～8月份的最高溫度控制，年輪的最大晚材密度與生長(zhǎng)季后期的溫度呈顯著正相關(guān)，樹輪密度數(shù)據(jù)能夠很好地反應(yīng)生長(zhǎng)季節(jié)后期的溫度變化，此樹輪信息有可用于重建過去氣候變化的歷史[33]。

CO2是最主要的溫室氣體，樹木年輪中的穩(wěn)定C同位素能夠記錄當(dāng)時(shí)的CO2濃度信息。其原理是，大氣中的δ13C 相對(duì)穩(wěn)定，約為-0.7%～-0.6%，由于化石燃料的燃燒，造成大氣中貧δ13C的CO2氣體大量排放，于是大氣中δ13C值降低，這種變化通過植物的代謝過程，記錄在年輪中[34]。許多學(xué)者用樹輪δ13C值重建了過去年份的CO2濃度。Farmer計(jì)算出大氣CO2濃度從1900年的290.5 μmol/mol上升到1920年的312.7μmol/mol[35]。Stuiver 報(bào)道，1850年以前大氣中的CO2濃度約為250～260 μmol/mol；工業(yè)革命后為290 μmol/mol；1940 前后升至 310 μmol/mol[36]。Steven 發(fā)現(xiàn)南美洲樹輪 δ13C有著與北半球一致的下降趨勢(shì)[37]。蔣高明等利用油松樹輪信息計(jì)算出1840年我國(guó)北方大氣CO2濃度約為278.4 μmol/mol，1900 年升至 296.3 μmol/mol，而1940年為309.1 μmol/mol[38]。唐勁松等對(duì)采自浙江西天目山地區(qū)的3株柳杉樹盤，測(cè)定了3株樹輪δ13C 的年序列，分析了3株樹輪δ13C序列中所含的環(huán)境變化信息，再根據(jù)冰芯記錄的大氣CO2濃度與樹輪δ13C 序列低頻變化趨勢(shì)關(guān)系，重建了天目山地區(qū)1685年以來大氣CO2濃度變化[39]。

3.4 樹輪火災(zāi)學(xué)

主要是利用樹輪火疤確定火災(zāi)發(fā)生年代，從而研究過去和現(xiàn)在的火災(zāi)變化規(guī)律。國(guó)內(nèi)外研究成果包括：（1）利用樹輪信息重建地區(qū)火歷史：瑞典Niklasson M et al.利用長(zhǎng)期樹輪火疤記錄重建瑞典Norra kvills國(guó)家公園600年森林火災(zāi)歷史[40]。王琛瑞等利用大興安嶺樟子松火疤木重建了森林火災(zāi)歷史，并就火燒對(duì)林分結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了分析[41]。（2）火歷史與植被演替關(guān)系：Niklasson M等在重建火歷史中，發(fā)現(xiàn)1770年后火災(zāi)頻率降低導(dǎo)致植被優(yōu)勢(shì)樹種由歐洲赤松Pinus sylvestris變成對(duì)火敏感的挪威云杉Picea abies。美國(guó)Sakulich和Taylor研究表明20世紀(jì)20年代開始的放牧降低了火頻率，從而導(dǎo)致森林組成由白松Pinus strobiformis向花旗松Pseudotsuga menziesii轉(zhuǎn)變。芬蘭專家利用樹輪生物學(xué)特征重建芬蘭南部森林火歷史，表明17和18世紀(jì)是以松科為主，20世紀(jì)初云杉種群開始更替，此特征標(biāo)志火頻率降低[42]。（3） 研究全球氣候變化與火發(fā)生的關(guān)系；通過樹輪研究確認(rèn)高頻率火災(zāi)一般發(fā)生在厄爾尼諾（El Ni?o）向拉尼娜（La Ni?a）轉(zhuǎn)換的年代[43-44]。（4）探索火發(fā)生的社會(huì)因素： 通過樹輪研究發(fā)現(xiàn)火歷史與人為活動(dòng)及土地利用之間關(guān)系密切，戰(zhàn)爭(zhēng)和人口增加容易引發(fā)火災(zāi)，而放牧活動(dòng)卻降低火災(zāi)發(fā)生頻率，20世紀(jì)以來，由于森林火抑制降低了火災(zāi)發(fā)生頻率卻增加了大火發(fā)生的可能性。

3.5 樹輪地貌學(xué)

樹木地貌學(xué)建立半個(gè)世紀(jì)以來，發(fā)展迅速，研究領(lǐng)域從地震等擴(kuò)展到其他地質(zhì)災(zāi)害。近20年，應(yīng)用樹木年輪信息研究泥石流、滑坡、地震、雪崩、洪水、落石、土壤侵蝕等方面都有大量研究，重點(diǎn)包括地貌活動(dòng)對(duì)樹木生長(zhǎng)影響的機(jī)制、災(zāi)害事件重建及變化趨勢(shì)和災(zāi)害誘發(fā)因素等[45-46]。研究的實(shí)例包括：美國(guó)專家利用樹輪學(xué)證據(jù)重建美國(guó)卡斯凱迪亞斷裂地震（1700年1月的8～9 級(jí)地震）活動(dòng)。1991 年在加利福尼亞州及華盛頓州的海灣地區(qū)，發(fā)現(xiàn)了可能由于地震導(dǎo)致的地面突然沉降而被掩埋的草本植物及樹木[47]，14C 定年判斷其沉降發(fā)生在1680—1720 年，而對(duì)沿岸受影響但存活下來樹木的研究，將該活動(dòng)發(fā)生時(shí)間確定為1699年與1700 年[48]。日本專家分析日本海嘯與環(huán)太平洋大地震之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)日本歷史記載中1700年1月的大海嘯，是由北美西海岸斯凱迪亞斷裂帶一場(chǎng)8～9 級(jí)地震引起；但通過受影響樹木的分布研究進(jìn)一步證明該地震至少導(dǎo)致900 km 長(zhǎng)的區(qū)域斷裂[49]。Stoffel 等通過對(duì)在769 處可識(shí)別的泥石流遺跡處采集的1 102 株樹木樣品的研究，重建了當(dāng)?shù)?566—2005 年的123 次泥石流，包括泥石流發(fā)生的時(shí)間和降雨及颶風(fēng)的影響[50]。法國(guó)利用403株受滑坡影響的松樹，重建了1910—2011 年100 a間的22次滑坡，發(fā)現(xiàn)災(zāi)害出現(xiàn)周期為4.5年，并以此為基礎(chǔ)，利用松樹分布模型以及GIS 軟件，繪制了未來5、20、50及100年內(nèi)研究區(qū)域內(nèi)滑坡發(fā)生的概率圖[51-52]。

3.6 樹輪化學(xué)

1974年Lepp首次將之用于監(jiān)測(cè)環(huán)境中痕量金屬的長(zhǎng)期變化獲得成功，此后經(jīng)40年的發(fā)展?jié)u臻完善，年輪化學(xué)已成為重建環(huán)境變化的重要途徑之一[52-53]。年輪中硫S、鎘Cd、鉛Pb集累和含量變化常用來作為環(huán)境污染狀況的指示標(biāo)志，同時(shí)，年輪序列變化可重建環(huán)境污染歷史[54-55]。研究表明，在工業(yè)化和城市化進(jìn)程中，樹體中的痕量金屬鉛（Pb）元素濃度有明顯的增加；樹木年輪能精確記錄大氣痕量金屬Pb濃度的變化。實(shí)例是：（1）Watmough 等在加拿大多倫多東150 km城市-鄉(xiāng)村地域梯度內(nèi)監(jiān)測(cè)了糖槭痕量金屬沉積的變化，發(fā)現(xiàn)2個(gè)城市中心糖槭樹年輪中Pb濃度呈逐年增加，即1990s年輪中Pb的濃度比20世紀(jì)初期年輪濃度穩(wěn)定上升[56]；（2）美國(guó)阿拉巴馬一冶煉廠開辦和關(guān)閉對(duì)比研究結(jié)果表明，冶煉廠在當(dāng)?shù)亻_工后導(dǎo)致年輪中Pb濃度的升高，當(dāng)冶煉廠工廠關(guān)閉后，樹木年輪中Pb濃度急劇下降[57]。近年來，世界各地都有關(guān)于應(yīng)用年輪化學(xué)分析技術(shù)成功重建過去幾十年甚至上百年環(huán)境變化的報(bào)道。研究的內(nèi)容涉還及到污染元素進(jìn)入年輪的途徑、元素含量在年輪中的時(shí)空變化、元素污染歷史的推演和重建、采礦活動(dòng)和工業(yè)污染對(duì)樹木生長(zhǎng)（年輪寬度）及年輪元素含量的影響等。近數(shù)十年，世界各國(guó)作為年輪與污染物實(shí)驗(yàn)對(duì)象樹種共計(jì)50余種。歐洲通過1930—2000年對(duì)針葉樹年輪中重金屬含量的變化測(cè)試，確定將落葉松作為整個(gè)歐洲高山地區(qū)重金屬污染的生物-地球化學(xué)標(biāo)記植物。此外，整個(gè)歐洲和北美大面積森林衰退處土壤化學(xué)性質(zhì)的變化也是通過年輪化學(xué)分析技術(shù)的結(jié)果而確定的。樹木年輪化學(xué)還曾用于核爆炸、核工廠泄漏的監(jiān)測(cè)代用物。

3.7 樹輪考古學(xué)

古代建筑木材常通過與有來源關(guān)系活樹交叉定年以確定古建筑的年代，此方法還用于對(duì)美國(guó)西南部土著美國(guó)人峭壁居所定年。木材樣品的年輪格式不僅可與世界年表數(shù)據(jù)庫(kù)某數(shù)據(jù)相匹配，而且還可與木材產(chǎn)地相匹配，因?yàn)槿箨懜鞯貧夂蛴懈髯蕴囟ǖ母袷?，這就有可能用于追索木船的來源。此外，樹輪定年法用之于藝術(shù)品和樂器定年也取得輝煌成果，如16～18 世紀(jì)一些油畫櫟木板就是通過年輪分析來確定作品的年代。德國(guó)中古時(shí)期的一櫟木雕刻，用年輪分析的方法鑒定其為距今650多年的作品。蘇格蘭瑪麗王后畫像收藏于倫敦國(guó)家肖像走廊，原先被確定為18世紀(jì)的復(fù)本，然而，隨后樹木年代學(xué)家對(duì)其木材定年為為16世紀(jì)復(fù)本。1980年，Corona測(cè)量了用云杉制作的兩個(gè)小提琴的年代，最年輕的一圈樹輪年代分別為1726年和1717年。后來他又成功地測(cè)得了15個(gè)弦樂器的制作年代。由于網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，尤其國(guó)際樹木年輪數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，為全世界提供了高質(zhì)量的樹木年輪數(shù)據(jù)，極大地促進(jìn)了弦樂器定年的發(fā)展。至1986年，已有134種16～20世紀(jì)制造的弦樂器年代得以檢驗(yàn)。1998年，Topham等對(duì)47個(gè)弦樂器進(jìn)行了樹輪分析，用來自阿爾卑斯山的云杉和落葉松作匹配序列，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些弦樂器大部分是17～19 世紀(jì)制造的，首開英國(guó)憑借樹輪為提琴定年之風(fēng)。馬薩諸塞州美國(guó)著名的Fairbanks鄉(xiāng)村別墅為一古老的木框架建筑，很早就被宣稱建于約1640年，后根據(jù)其大梁芯條樣品確認(rèn)其木材來自北美1637—1638年的伐木，其余梁木定年為1641年，由此判定此建筑物開工于1638年，竣工于1641年[58-59]。

4 樹木年輪學(xué)的新階段

由于樹木年輪學(xué)迅猛發(fā)展，對(duì)年輪所儲(chǔ)存的信息有更廣泛深入的了解，研究注視指標(biāo)已從單一的樹輪寬度發(fā)展到X射線密度、同位素、圖像解析、細(xì)胞模擬、木材結(jié)構(gòu)及化學(xué)元素分析等多個(gè)指標(biāo)。再者電腦處理技術(shù)使交叉產(chǎn)生的樹木年輪圖像更為準(zhǔn)確清晰，使之可用于低緯濕潤(rùn)地區(qū)的樹木年輪分析[60]。1963 年，美國(guó)樹輪學(xué)家Fritts將計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)方法引入樹輪研究中。同年，法國(guó)科學(xué)家Hubert Polge建立了利用X射線測(cè)量樹輪密度的方法，發(fā)展了以木材密度為氣候環(huán)境變化代用資料的測(cè)量技術(shù)。年輪密度指標(biāo)系列包括每個(gè)年輪的平均密度、最大密度、最小密度、早材密度、晚材密度。隨著圖像識(shí)別技術(shù)在樹木年輪分析中應(yīng)用和發(fā)展的日漸成熟，國(guó)際上已有部分專業(yè)研究樹木年輪各項(xiàng)屬性的商用分析儀器和軟件相繼上市，新近的WinDENDRO系統(tǒng)則自帶有相應(yīng)的圖像掃描設(shè)備，可以直接從樹木切開的橫截面來獲取年輪的圖像數(shù)據(jù)。年輪圖像識(shí)別新技術(shù)為年輪的信息分析提供了數(shù)字化基礎(chǔ)。隨著電子掃描技術(shù)、信號(hào)傳感技術(shù)、圖像處理技術(shù)的深入發(fā)展，快速精確的年輪識(shí)別技術(shù)越來越表現(xiàn)出了超強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景?？傊?，當(dāng)前的樹木年輪學(xué)已進(jìn)入樹輪全信息細(xì)胞學(xué)水平，信息識(shí)別和處理手段日新月異，使識(shí)別從肉眼和手工計(jì)算轉(zhuǎn)為儀器觀測(cè)，走向自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)技術(shù)化、程序化，圖像化，使信息精度更準(zhǔn)確可信。再者，提取年輪樣品（樹芯）的工具日益先進(jìn)，從人工生長(zhǎng)錐改進(jìn)為電動(dòng)生長(zhǎng)錐，使野外取材取樣更加方便、迅速、高效。總之，隨著科學(xué)技術(shù)整體的發(fā)展，樹木年輪學(xué)將日益現(xiàn)代化，在時(shí)空兩方面為人類揭示日益深廣的自然和社會(huì)信息。即所謂縱橫上下五千年，追索過去，預(yù)測(cè)未來。除年輪學(xué)用來測(cè)定古環(huán)境變化外，與年輪相似格式還有冰芯（冰川取樣），海芯（海洋底層積物取樣）、汶泥（江湖沉積物取樣）及洞穴堆積物，它們也能還原古環(huán)境的記錄，保存在它們中的放射性同位素含量常用來測(cè)定古環(huán)境的指標(biāo)，而且還原的歷史更長(zhǎng)。但年輪格式反應(yīng)的信息更為連續(xù)、直觀、詳細(xì)和準(zhǔn)確。但是也有生態(tài)學(xué)家疑慮當(dāng)現(xiàn)今全球氣溫升高，特別是在高山和極地更為明顯，現(xiàn)今至今后樹木年輪生長(zhǎng)格式可能呈現(xiàn)超常，此種超常格式與以往常態(tài)格式是否存在連續(xù)性和可比性，此有待關(guān)注和深入探討[64]。

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