樹木徑向生長研究方法及進(jìn)展*

吳篤信,張冬有

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

樹輪氣候?qū)W的奠基者是20世紀(jì)20年代的美國科學(xué)家Douglass A E.經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今樹木年輪學(xué)的均變原理、限制因子原理、敏感性原理、交叉定年原理、復(fù)本原理等基本原理逐步形成.中國樹輪氣候?qū)W進(jìn)展相較國外起步稍晚，近年關(guān)于樹木徑向生長與氣候變化的研究逐漸增多.已有李穎俊等學(xué)者在中國華北地區(qū)的蘆牙山利用華北落葉松探討了樹輪寬度年表對氣候因子的響應(yīng)[1]，勾曉華等學(xué)者系統(tǒng)地研究了中國西北旱區(qū)山地和青藏高原東北部樹木年輪,發(fā)現(xiàn)樹輪記錄主要反映區(qū)域濕度變化，這一成果為重建過去幾百年到幾千年的干旱變化歷史提供了新的證據(jù)[2].在中國北部大興安嶺地區(qū)高興等學(xué)者在漠河縣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，利用樹輪的高分辨率和長時間序列的特點(diǎn)進(jìn)行古氣候或長時間序列的氣候重建是十分可靠的.目前大多數(shù)樹輪研究集中于中國的西部，中國北部因采取樣本困難等因素，導(dǎo)致長時間序列研究大興安嶺地區(qū)氣候變化的文獻(xiàn)較少，其中最早的是陸小明在大興安嶺地區(qū)利用樟子松對大興安嶺新林地區(qū)的干濕變化進(jìn)行了研究，得出結(jié)論未來該地區(qū)將保持當(dāng)前干旱態(tài)勢至少10年，氣候趨于“暖干”，特大森林火災(zāi)高發(fā)，林火防范形勢嚴(yán)峻[4].最新的研究成果有孫振靜、楊婧雯等學(xué)者，都在研究不同環(huán)境下的不同樹種對氣候變化的響應(yīng)，而側(cè)重于有關(guān)樹木年輪與水文關(guān)系的研究較少，應(yīng)加強(qiáng)該方向的研究[5-6].該文主要是在目前現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合適用于大興安嶺地區(qū)的研究方法和模式，進(jìn)一步利用樹木徑向生長的特性去探究大興安嶺地區(qū)的氣候變化，來推動未來大興安嶺地區(qū)樹輪氣候?qū)W的發(fā)展.

1 樹木徑向生長研究背景

1.1 樹木徑向生長的概念

樹木是人類與自然生態(tài)環(huán)境中不可缺少的要素之一，它的生長情況和生長環(huán)境與氣候變化密切相關(guān).樹木的徑向生長是構(gòu)成木材的主要生長過程，樹木的年輪是樹木形成層周期性生長的結(jié)果.由于徑向生長對環(huán)境條件的反映敏感，因此常采用樹木年輪寬度的變化來反映氣候變化.隨著海拔、地形的差異，樹木的生長也有差異，特別容易受到極端氣候的影響，可以通過指定地區(qū)的樹木年輪的窄度來獲得該區(qū)域有利于或不利于樹木徑向生長的氣候因子.

1.2 樹木年輪氣候?qū)W發(fā)展過程

由于樹木年輪資料具有定年準(zhǔn)確性高、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高和樣本易獲取等特點(diǎn)，解決了機(jī)器測量獲得資料時間長度不夠、不完整等困難，所以樹木年輪分析一直都是研究過去全球氣候變化的重要手段之一[7].早在18世紀(jì)，就可以從某些特異的窄輪或其他變異的年輪中，準(zhǔn)確地推斷出一些事件的年代.在20世紀(jì)初，美國科學(xué)家A.E.Douglass明確地提出了“交叉定年”的必要性和初步途徑，并應(yīng)用于廢墟遺址定年上，交叉定年成為了樹木年輪學(xué)的重要基本原理之一，在年輪氣候?qū)W和其他分支學(xué)科中得到廣泛的應(yīng)用[8].自1976年在美國圖森召開的第一屆國際年輪氣候?qū)W會議至今，報(bào)告、論文的數(shù)量、質(zhì)量都大有提高，中國在20世紀(jì)70代翻譯了小馬奇V C等學(xué)者發(fā)表的“根據(jù)樹木年輪記錄推測古氣候”這篇論文后[9]，各地涌現(xiàn)了一批批研究樹輪氣候?qū)W的學(xué)者.黑龍江省氣象局于1976年在綏棱縣召開了“樹木年輪與氣候分析經(jīng)驗(yàn)交流會”，參會人員初步接觸并學(xué)習(xí)了樹木生理知識和有關(guān)年輪分析方法，并結(jié)合實(shí)際上山采取樣本進(jìn)行分析.中央氣象局研究所與陜西省氣象局聯(lián)合發(fā)表了首篇樹木年輪與氣候變化的中文文章，利用陜西延安地區(qū)南部的太白落葉松和黃陵柏松探究了樹木徑向生長與氣候變化之間的關(guān)系.目前的樹木年輪氣候?qū)W研究中，除了利用樹輪寬度研究外，已經(jīng)開始利用樹輪密度、穩(wěn)定同位素等來探討樹木與區(qū)域氣候和環(huán)境變化的關(guān)系.如吳祥定等學(xué)者在中國秦嶺地區(qū)進(jìn)行了樹木年輪密度對氣候的響應(yīng)研究[10]，劉禹團(tuán)隊(duì)利用黃陵樹木年輪同位素分析氣候變化[11]，牛穎等學(xué)者在西雙版納探究了早晚材穩(wěn)定同位素對氣候因子的響應(yīng)[12].大興安嶺地區(qū)相比其他地區(qū)而言，關(guān)于樹輪氣候?qū)W的研究較少，且大興安嶺地區(qū)是氣候敏感區(qū)和脆弱區(qū)，在討論未來全球氣候變化上更具有研究意義.

2 樹木年輪研究方法

2.1 干擾樹木徑向生長的外界因素

樹木徑向生長情況除了與氣候變化密切相關(guān)外，還受到樹木自身遺傳因子、生物活動和潛在因素的制約[13].受自身遺傳因子影響，樹木與環(huán)境因子間存在耐受性范圍，在最適點(diǎn)附近時敏感度最高，趨近于該范圍的極值點(diǎn)時敏感性減弱，即“Shelford’s law of tolerance”定律[14].生物活動頻繁的地區(qū)樹木生長與在自然條件下樹木生長有顯著差異，不利于進(jìn)行樹輪氣候?qū)W研究.其他潛在因素如風(fēng)、雪、林火、病蟲害等在某種情況下也是影響樹木生長的主要因素.所以在研究樹木徑向生長與氣候變化間的響應(yīng)關(guān)系時，要排除氣候因子以外的其他因素對樹木的干擾.

2.2 樹輪交叉定年

樹輪交叉定年的優(yōu)點(diǎn)是能夠得到長達(dá)數(shù)千年、有準(zhǔn)確年代的連續(xù)序列的途徑，使樹輪序列具有真正代表性，直接決定最終年輪年表的質(zhì)量好壞.首先選樣目測定年，自靠近樹皮年輪向髓心方向分別以每10、50、100年為間隔進(jìn)行標(biāo)注各年輪的生長年，其次骨架圖定年，繪制骨架圖，根據(jù)其左右兩側(cè)年輪相比較他們的輪寬窄度，記錄下窄年和極窄年，以豎線來來表示，豎線越長，輪寬越窄，最后將所有骨架圖反復(fù)比較匯總為一張圖.

2.3 樹輪寬度測量和檢驗(yàn)

骨架圖定年完成后利用Velmex樹輪寬度測量儀(測量精度為0.001 mm)對樣芯輪寬值逐年進(jìn)行測量，再利用COFECHA程序?qū)徊娑甑馁|(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，該程序利用每個樹輪寬度序列在主序列前后移動的相關(guān)系數(shù)來計(jì)算，檢查是否存在定年和測量的誤差，若存在問題則對存在問題的樣芯重新測量或剔除失誤過大的樣芯，以保證每個年輪的年代準(zhǔn)確無誤.

2.4 樹輪年表的建立

在分析樹木徑向生長的寬窄變化時，首先要去除樹木生長過程中的年齡和胸徑趨勢，即去除生長趨勢.目前，一般去除生長趨勢的方法有負(fù)指數(shù)曲線法、樣條函數(shù)曲線法和水平直線法，最常用的去除生長趨勢的方法是ARSTAN程序，該程序采用的負(fù)指數(shù)曲線是一種相對保守的去趨勢方法，通常對去趨勢序列以比值的形式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理獲取無量綱序列[15].再用真實(shí)的樹輪寬度實(shí)測值除以當(dāng)年生長擬合值，求取其指數(shù)序列，得到標(biāo)準(zhǔn)化年表、差值年表、自回歸年表.標(biāo)準(zhǔn)化年表中不包含樹齡等因素，只有各種環(huán)境因子對樹木生長的影響信息，同時包含高頻和低頻信息，而差值年表是在其基礎(chǔ)上又考慮了樣區(qū)內(nèi)樹木的種間競爭、種內(nèi)營養(yǎng)競爭、人類活動及生長前期生理?xiàng)l件對后期生長的影響帶來的低頻生長趨勢；再利用時間序列的自回歸模型去除低頻信號，得到的就是自回歸標(biāo)準(zhǔn)化年表.研究中要根據(jù)不同需求選取最合適的年表.

3 國內(nèi)外樹木徑向生長與氣候變化的響應(yīng)研究進(jìn)展

目前，一些國外學(xué)者致力于新技術(shù)的開發(fā)，并且在樹輪分析技術(shù)的測量方面已經(jīng)取得了突破，這些新技術(shù)對于中國學(xué)者研究樹輪氣候?qū)W時具有很高的參考價值.采用與以往不同的方法對樹輪寬度進(jìn)行測量，應(yīng)用這種新技術(shù)嘗試重建當(dāng)?shù)毓艢夂蛐蛄?Vannoppen等學(xué)者研究的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描的輪寬測量方法與以往的LINTAB方法進(jìn)行比較，CT方法除了可以測量輪寬之外還可以測量樹輪密度，在功能的全面性上更勝一籌，但是其分辨率比傳統(tǒng)的年輪分析儀要低，所以還待完善[16].

Hanines等學(xué)者利用Itrax巖心掃描儀來測定模糊樹輪，樹輪邊緣利用密度識別再利用14C檢驗(yàn)，以期建立澳大利亞當(dāng)?shù)氐慕邓蛄衃17].在樹木徑向生長的研究中，根據(jù)研究樹種的不同，豐富了樹輪氣候?qū)W研究對象.Allen等學(xué)者在澳大利亞東南部利用密葉杉進(jìn)行氣候重建，雖然沒有成功，但依舊為當(dāng)?shù)卦谘芯繙囟戎亟ǚ矫孀龀鐾怀鲐暙I(xiàn)[18].Liu等在內(nèi)蒙古地區(qū)利用332年的油松樹輪數(shù)據(jù),重建了4～5月份的PDSI[19].Zhao等在中國南部利用長苞鐵杉重建了7～8月份SPEI[20].喬晶等在福建樂縣利用馬尾松進(jìn)行了不同坡向和不同海拔梯度下樹木徑向生長與氣候變化間的響應(yīng)研究[21].

在NDVI研究方面，朱顯亮等在太白山地區(qū)利用太白紅杉建立了樹輪寬度年表，再與氣象數(shù)據(jù)和NDVI進(jìn)行分析，對太白山地區(qū)過去的172年的NDVI變化序列進(jìn)行了重建[22].

在PDSI研究方面，Ram在喜馬拉雅西部利用NOAA樹輪數(shù)據(jù)庫對不同樣區(qū)的樹木年輪進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該地樹輪寬度年表與PDSI呈正相關(guān)，與春季的溫度和熱量指數(shù)呈負(fù)相關(guān)[23].

SPEI研究方面，黃小梅等通過瀾滄江源區(qū)6～7月平均SPEI與樹輪寬度年表存在顯著正相關(guān)這一發(fā)現(xiàn)，成功的對瀾滄江源區(qū)SPEI序列的過往374年進(jìn)行了重建[24].

上述研究表明，探討樹木徑向生長與植被覆蓋度和重建研究區(qū)的干濕情況有利于揭示樹木徑向生長對環(huán)境變化的響應(yīng)以及獲取當(dāng)?shù)氐臍v史環(huán)境信息.隨著研究內(nèi)容的深度不斷加深，廣度不斷拓寬.研究人員在學(xué)科交叉融合創(chuàng)新方面取得新進(jìn)展，他們將樹輪寬度數(shù)據(jù)應(yīng)用于森林管理和火山學(xué)等研究領(lǐng)域.

在森林管理方面，朱安明等利用52個杉木的地理種源樹輪寬度，探究了樹輪寬度與年平均氣溫的相關(guān)性，得出在對溫度響應(yīng)不敏感的種源進(jìn)行植樹造林能減輕氣溫升高對樹木生長的負(fù)面影響[25].

火山學(xué)方面，Sun等在青藏高原利用祁連圓柏重建了當(dāng)?shù)?97年的日照時數(shù)，發(fā)現(xiàn)主要火山爆發(fā)年就是相應(yīng)的弱日照年[26].Li等在青藏高原東南部地區(qū)利用樹輪寬度和密度重建了304年7～10月的平均最高氣溫，發(fā)現(xiàn)主要火山爆發(fā)年對應(yīng)了多數(shù)的極寒年份[27].

上述研究表明，目前樹輪寬度已不局限于單一領(lǐng)域內(nèi)研究，在其他研究領(lǐng)域依舊可以做出貢獻(xiàn)，為未來樹輪寬度研究的多元化發(fā)展提供依據(jù).

4 大興安嶺地區(qū)樹木徑向生長的研究進(jìn)展

4.1 大興安嶺地區(qū)樹輪寬度與氣候變化研究進(jìn)展

張先亮等學(xué)者在大興安嶺庫都爾地區(qū)利用興安落葉松年輪寬度年表分析了該地區(qū)溫度、降水、PDSI等主要?dú)夂蛞蜃又g的關(guān)系，結(jié)果表明興安落葉松的生長是由區(qū)域水熱條件決定[28].劉欣等研究大興安嶺不同坡向興安落葉松生長對氣候變化的響應(yīng)，結(jié)果表明興安落葉松徑向生長規(guī)律在中部地區(qū)南、北坡存在差異,而南部地區(qū)南、北坡規(guī)律相同[29].常永興等在大興安嶺地區(qū)的不同區(qū)域利用興安落葉松對該區(qū)域溫度變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)落葉松徑向生長對溫度的響應(yīng)有明顯的南北差異，在區(qū)域氣候暖干化下，制約落葉松生長的主要因素的是土壤水分[30].

上述研究表明，在氣候變化影響下，樹木徑向生長的敏感性也會隨之變化，根據(jù)所在的不同區(qū)域表現(xiàn)出的敏感性也不同，樹木徑向生長量隨溫度變化會表明出增加或減少的趨勢，原因是在區(qū)域溫度上升到適宜樹木生長溫度之前，溫度是樹木徑向生長的主要限制因子；隨著區(qū)域暖干化，溫度繼續(xù)上升，加劇土壤中的水分蒸發(fā)，導(dǎo)致土壤水分缺失，從而樹木對降水的敏感性增強(qiáng)，此時樹木生長的主要限制因子從溫度轉(zhuǎn)為降水.樹木徑向生長不僅受氣候因子(溫度、降水等)限制，還受到不同坡向、海拔、緯度等空間因素的影響.大興安嶺地區(qū)的樹木年輪氣候?qū)W進(jìn)展一直以來都較為緩慢，直至最近幾年開始增多，可見大興安嶺地區(qū)的樹輪與氣候變化研究開始逐漸進(jìn)入了中國樹輪氣候?qū)W研究者的視野內(nèi).

4.2 大興安嶺地區(qū)樹木徑向生長的其他方向研究進(jìn)展

大興安嶺地區(qū)樹輪在其他方向也有著一定的研究成果，如胡海清等學(xué)者利用樟子松樹輪火疤對塔河蒙克山樟子松林火災(zāi)的頻度進(jìn)行分析，為進(jìn)一步研究該地區(qū)森林火災(zāi)歷史的時間和空間格局提供依據(jù)[31].夏陽等學(xué)者利用樟子松樹輪進(jìn)行了穩(wěn)定碳同位素年表序列氣候意義的研究，揭示了該地區(qū)樹輪碳同位素組成與氣候因素之間的關(guān)系及氣候因子對樹輪穩(wěn)定碳同位素組成變化的影響，嘗試重建該區(qū)域歷史氣候變化序列[32].上述研究表明，在其他方面大興安嶺還是以樹輪火疤研究和樹輪穩(wěn)定碳同位素等為主，研究樹輪密度的較少.

5 研究前景

5.1 總體研究前景

21世紀(jì)計(jì)算機(jī)技術(shù)和統(tǒng)計(jì)方法迅速發(fā)展以及其他新技術(shù)的不斷引進(jìn)，為樹輪氣候?qū)W的發(fā)展提供動力.目前對于樹輪氣候?qū)W而言，最主要的不是在氣象響應(yīng)的單一領(lǐng)域，而是已經(jīng)擴(kuò)展研究方向到生態(tài)學(xué)、災(zāi)害學(xué)等.以后還需要繼續(xù)深入研究敏感脆弱的地區(qū)的氣候變化，選擇一些當(dāng)?shù)卮硇悦舾袠浞N來建立樹輪年表.對當(dāng)前中國已有的所有樹輪樣點(diǎn)的樹輪數(shù)據(jù)應(yīng)集中管理以便于隨時進(jìn)行補(bǔ)充和完善，形成開源的樹輪數(shù)據(jù)庫.相鄰地區(qū)也可以用同一樹種來探究與氣候響應(yīng)中不同地區(qū)的氣候變化差異.

5.2 大興安嶺地區(qū)樹木徑向生長研究前景

中國地域遼闊，地形復(fù)雜，森林資源豐富，不少地方都有數(shù)百年以上的古木.大興安嶺地區(qū)更是中國最廣大的原始林之一，是西伯利亞冬季風(fēng)南下的必經(jīng)之路，也是南上夏季風(fēng)的邊緣地帶，同時地處歐亞大陸多年凍土區(qū)，種種因素注定該地區(qū)是氣候的敏感脆弱區(qū)，在研究樹輪與氣候變化的同時，還可以為研究凍土退化與生物量方面做出貢獻(xiàn).未來可以在大興安嶺地區(qū)利用敏感樹種的樹輪年表與該地區(qū)氣溫場及附近海域的海冰溫度進(jìn)行深入分析.對大興安嶺地區(qū)的樹輪與氣候變化方面的研究不僅推動中國年輪氣候?qū)W工作，也推動了世界年輪氣候?qū)W的發(fā)展，補(bǔ)充了中國在大興安嶺地區(qū)樹輪年表記錄的缺失.可以預(yù)料，在不久的將來年輪氣候?qū)W研究將更加快速發(fā)展，為進(jìn)一步理解全球氣候變化的本質(zhì)和原因，為推測未來其后代可能趨勢作出應(yīng)有的貢獻(xiàn).