高級(jí)測(cè)樹學(xué)李建華-第5章年輪測(cè)定及研究現(xiàn)狀課件

ж第五章年輪測(cè)定及研究現(xiàn)狀1幻燈片一、研究年輪的意義樹木年輪的形成與變異除遺傳因素外，還與環(huán)境因子密切相關(guān)，樹木年輪寬度變化能夠反映外界環(huán)境的變化情況。樹木年輪資料具有定年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高和記錄性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于歷史時(shí)期的氣候變化研究。早在19世紀(jì)初或更早的時(shí)候，就曾有一些科學(xué)家嘗試建立樹木年輪寬窄變異與氣候要素變化的關(guān)系。近年來，樹木年輪研究已廣泛應(yīng)用于樹輪年表的建立，以及降水量、溫度、干濕度等多項(xiàng)環(huán)境因子的歷史重建工作。作為自然歷史的載體，年輪為眾多學(xué)科提供了可供查考的數(shù)據(jù)依據(jù)，因此，研究年輪具有重要意義。2幻燈片二、年輪研究的歷史2.1國際方面

該領(lǐng)域最早的奠基者是美國科學(xué)家A.E.Douglass，之后不斷有人嘗試建立樹木年輪寬窄變異與氣候要素變化的關(guān)系。在國外的研究中，Graybill、Shiyatov（1989）以及Graumlich（1993）等重建了美國1000多年來的降水和溫度，Briffa（1990）利用樹木年輪重建了芬諾斯堪迪亞地區(qū)從公元500～1990年間的夏季溫度，Earle利用樹木年輪寬度重建了加利福尼亞河川徑流量的歷史變化（1993）。3幻燈片二、年輪研究的歷史2.2國內(nèi)方面國內(nèi)這方面的研究主要集中于新疆、內(nèi)蒙等西北干旱、半干旱地區(qū)，對(duì)上述地區(qū)進(jìn)行氣候重建和相關(guān)性分析。在我國，范敏杰等用樹木年輪重建了伊犁南天山北坡西部的降水量序列，喻樹龍等利用天山北坡西部樹輪年表重建了博州1576—2002年的年最低氣溫，王亞軍等利用樹輪資料重建黑河古徑流的變化，王夢(mèng)麥等利用樹木年輪重建六盤山地區(qū)1900年以來的干濕變化周期，崔明星等運(yùn)用樹木年輪氣候?qū)W方法，研究了河北木蘭圍場(chǎng)油松的生長(zhǎng)與氣候要素之間的關(guān)系。說明當(dāng)?shù)赜退傻膶挾壬L(zhǎng)對(duì)氣候因子變化的敏感性波動(dòng)較大。目前，我國利用樹木年輪學(xué)方法，重建了天山、喜馬拉雅山、祁連山等地的氣候，研究的方法也從年輪寬度逐步深入到年輪密度（彭劍峰等，2005；張瑞波等，2008）。該領(lǐng)域目前研究的前沿是在對(duì)年輪寬度分析的基礎(chǔ)上，研究密度變化、細(xì)胞大小、數(shù)目等的變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)，確定年輪變化序列，從而重建歷史某個(gè)時(shí)期的氣候變化。4幻燈片三、樹木年輪學(xué)基本原理

3.1早晚材原理在春季，樹木開始生長(zhǎng)，形成層開始分化次生木質(zhì)細(xì)胞，這時(shí)生長(zhǎng)的部分營養(yǎng)物質(zhì)來源于上一年生長(zhǎng)季中的貯存。這一木質(zhì)部分，稱為早材。因環(huán)境和季節(jié)的變化，植物生理?xiàng)l件改變，之后形成層細(xì)胞的體積變小，細(xì)胞壁變厚，形成層木質(zhì)部分顏色變深，這部分稱為晚材，晚材和早材并為一年的生長(zhǎng)寬度，即年輪。樹木從環(huán)境中吸收養(yǎng)分和能量到年輪中，因此樹木年輪與它們的生長(zhǎng)環(huán)境密切相關(guān)。5幻燈片三、樹木年輪學(xué)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，在古氣候研究中常被應(yīng)用。例如，在過去出現(xiàn)過的氣候型，現(xiàn)代、今后有可能出現(xiàn)，現(xiàn)在出現(xiàn)過的氣候類型必定可以從歷史氣候中找到相似的類型。將這一原理，應(yīng)用到樹木年輪氣候?qū)W中，其根本依據(jù)是限制樹木生長(zhǎng)的氣候條件在過去和現(xiàn)在是一樣的。6幻燈片三、樹木年輪學(xué)基本原理

3.5敏感性原理

樹木年輪寬度的逐年寬窄變化是衡量氣候?qū)δ贻喩L(zhǎng)限制的一項(xiàng)很好的指標(biāo)，樹木年代學(xué)研究中把這種寬窄變化作為樹木徑向生長(zhǎng)反映氣候變化的平均敏感度。顯然，平均敏感度度量了相鄰年輪之間的輪寬變化情況，在樹輪氣候?qū)W研究中主要反應(yīng)了氣候的短期變化或高頻變化。研究表明，平均敏感度大的樣本保持的氣候信息相對(duì)較多，相應(yīng)的噪聲較少，樣本與氣候變化的關(guān)系較密切。

9幻燈片三、樹木年輪學(xué)基本原理

3.6交叉定年原理

生長(zhǎng)在同一生態(tài)環(huán)境下的樹木，由于受到同樣的限制因子作用，其年輪的寬窄變化應(yīng)該是同步的。若兩組以上的序列，甚至同一株樹、不同方位采取的樣本，所測(cè)出年輪序列無法重疊，則將兩序列年輪寬度點(diǎn)在坐標(biāo)帶上，畫出年輪變化曲線，可明顯看出它的錯(cuò)位，若將其中偽、缺輪進(jìn)行刪補(bǔ)，兩個(gè)或更多序列就能重合起來，即能正確的檢查出某序列每個(gè)年輪的正確年代，該種方法即成為交叉定年法。

交叉定年的原理圖10幻燈片

3.6交叉定年原理（續(xù)）我國的樹輪工作者結(jié)合我國樹木生長(zhǎng)的實(shí)際情況，總結(jié)出“三步定年法”：即樣木定年—示意圖（骨架圖）定年—計(jì)算機(jī)定年（計(jì)算機(jī)程序）。在交叉定年以及年輪寬度量測(cè)完成之后，還需要對(duì)交叉定年的準(zhǔn)確性加以檢驗(yàn)，一般借助于COFECHA程序進(jìn)行。交叉定年骨架圖的匯總?cè)?、樹木年輪學(xué)基本原理

11幻燈片三、樹木年輪學(xué)基本原理

3.7復(fù)本原理復(fù)本原理是指：利用樹木年輪分析氣候變化時(shí)，僅依靠一棵或幾棵樹建立起來的年輪序列來分析氣候變化，其結(jié)果往往是值得懷疑的。如果沒有足夠的樣本量，很難進(jìn)行交叉定年，無法完全判定出一個(gè)采樣點(diǎn)存在的缺失年輪及偽年輪。通過大樣本量可以消除讀數(shù)過程中個(gè)別樣本出現(xiàn)的偶然誤差，并判定個(gè)別樣本或某個(gè)時(shí)段內(nèi)可能存在的若干非氣候因素造成的異常變化，從而可以將非氣候因子的影響減至最小，有利于更準(zhǔn)確的推斷過去氣候變化。復(fù)本原理的具體做法，一方面要求在一個(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，每棵樹在不同位置取兩根樹芯。如果該地區(qū)沒有已有的樹輪年表作為參照，樣本量還應(yīng)該相應(yīng)的增加。12幻燈片四、樹輪研究分支學(xué)科

樹輪年代學(xué)樹輪考古學(xué)樹輪氣候?qū)W樹輪生態(tài)學(xué)樹輪水文學(xué)樹輪地貌學(xué)樹輪冰川學(xué)樹輪化學(xué)樹輪火災(zāi)學(xué)樹輪災(zāi)害學(xué)13幻燈片五、年輪采樣、定年及測(cè)量5.1采樣5.1.1截取圓盤法

圓盤標(biāo)本易于觀察，容易查找變異輪，利于全方位的進(jìn)行分析，同時(shí)還可以規(guī)避腐朽部位、偏心輪、連續(xù)缺輪等，可以選擇有利于讀數(shù)測(cè)量的方面。但是利用圓盤標(biāo)本成本較高，尤其在邊遠(yuǎn)地區(qū)采取樣本時(shí)，受交通條件限制，木材下運(yùn)困難。5.1.2鉆取木芯法

木芯樣本采集省時(shí)、省力，運(yùn)輸較方便，易于保存，更為重要的是可以為復(fù)本提供方便條件，一般采樣時(shí)只需用生長(zhǎng)錐這一種工具，而采集圓盤時(shí)需要油鋸、機(jī)油、鋸手等配備。14幻燈片五、年輪采樣、定年及測(cè)量5.2定年及測(cè)量5.1.1普通定年及測(cè)量法

利用肉眼定年、直尺測(cè)量法進(jìn)行測(cè)定。5.1.2年輪分析儀定年及測(cè)量法用Lintab5進(jìn)行年輪定年并測(cè)量寬度。

5.1.3計(jì)算機(jī)定年法用國際年輪庫的Cofecha程序進(jìn)行交叉定年。15幻燈片年輪分析儀Lintab5使用操作步驟：將樣本放在工作臺(tái)上，調(diào)整顯微鏡，打開軟件中“newmeasurement”選項(xiàng)，點(diǎn)擊“startmeasurement”錄入相關(guān)內(nèi)容，開始進(jìn)行測(cè)量，按左鍵恢復(fù)原位，點(diǎn)擊右鍵進(jìn)行長(zhǎng)度的確認(rèn)，測(cè)量完成后，點(diǎn)擊“stopmeasurement”停止測(cè)量，保存數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源。16幻燈片六、年表編制經(jīng)過交叉定年檢驗(yàn)后,采用Arstan研制的程序建立年表。雖然樹木生長(zhǎng)并非同步，但Arstan能夠?qū)⒚總€(gè)輪寬序列的內(nèi)部擾動(dòng)信息提取出來，從而保留采點(diǎn)樹輪樣本共有的同步信息。通常。運(yùn)用Arstan程序可以制作出三種不同的年表，它們依次是：標(biāo)準(zhǔn)化年表（STD）、差值年表(RES）和自回歸標(biāo)準(zhǔn)化年表（ARS）。6.1標(biāo)準(zhǔn)化年表（STD）是通過輪寬的標(biāo)準(zhǔn)化剔除與樹齡有關(guān)的生長(zhǎng)趨勢(shì)以及樹木個(gè)體差異的影響，得出樹木年輪指數(shù)，然后再根據(jù)指數(shù)序列與主序列間的相關(guān)系數(shù)，剔除與多數(shù)序列相關(guān)性差的標(biāo)本，最后采用雙權(quán)重平均法合并得到的年表，它是常規(guī)意義上的樹輪年表。17幻燈片6.2差值年表（RES）是在標(biāo)準(zhǔn)化年表的基礎(chǔ)上，去掉樹木個(gè)體特有的和由前期生理?xiàng)l件對(duì)后期生長(zhǎng)造成的持續(xù)性影響而建立的年表，它只含有群體共有的高頻變化。6.3自回歸標(biāo)準(zhǔn)化年表（ARS）是在估計(jì)采樣點(diǎn)樹木群體所共有的持續(xù)性造成的生長(zhǎng)量的基礎(chǔ)上，再將其加回到差值年表上得到的，因此自回歸標(biāo)準(zhǔn)化年表不僅含有群體共有的低頻變化，也含有群體共有的高頻變化。18幻燈片姜倩倩2012年在徂徠山對(duì)赤松、麻櫟和側(cè)柏進(jìn)行了生長(zhǎng)錐法樣芯采樣，用40年步長(zhǎng)的樣條函數(shù)對(duì)樹木輪寬生長(zhǎng)趨勢(shì)進(jìn)行擬合，并對(duì)去趨勢(shì)的序列以雙重平均法合成了標(biāo)準(zhǔn)年表(STD)。研究中，考慮到采樣點(diǎn)為人工林，樹株分布均勻且郁閉度較大，樹與樹之間的相互競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)調(diào)會(huì)導(dǎo)致年輪寬度上的低頻變化，因此標(biāo)準(zhǔn)化后又進(jìn)行了再次標(biāo)準(zhǔn)化（？），從而剔除了與樹齡相關(guān)的生長(zhǎng)趨勢(shì)和樹株之間的低頻波動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，還以同樣方法合成了差值年表(RES)和自回歸年表（ARS），并對(duì)年表進(jìn)行了共同區(qū)間分析。通過比較這三個(gè)年表的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)STD年表各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)量最高，能更好的代表總體特征，因此以STD年表為例進(jìn)行了分析。年表編制案例：19幻燈片年表編制案例：徂徠山赤松標(biāo)準(zhǔn)化年表年（year）樣芯數(shù)量（num）樣芯片段（seg）年齡（age）原始數(shù)據(jù)（raw）標(biāo)準(zhǔn)化年表（std）差值年表（res）自回歸標(biāo)準(zhǔn)化年表（ars）1971403610.3471.3671.3101.3411972403620.2160.6180.7490.7201973403630.2300.9961.0921.0181974403640.2591.4151.4831.4531975403650.0900.3910.3040.3361976403660.1280.6840.8680.7921977403670.1400.8010.8440.9071978403680.2561.6321.1141.3691979403690.1971.2481.1091.15819804036100.1741.1441.2741.181……………19994036290.0950.8140.7890.74320004036300.1201.7041.0871.04520014036310.1130.8600.9890.94720024036320.1150.9990.8850.91920034036330.1791.5171.4661.47020044036340.0800.7790.8830.87420054036350.0400.8470.4590.74820064038360.0390.3500.4800.39520074038370.1891.5920.9931.14920084038380.1581.1280.7450.968姜倩倩2012.6姜倩倩以該年表為基礎(chǔ)研究了徂徠山赤松對(duì)氣候的歷史響應(yīng)情況和適地適樹問題。20幻燈片七、年輪學(xué)研究展望及建議

全球氣候變化在中、小尺度上的研究主要是通過對(duì)生態(tài)系統(tǒng)尤其是生物因子的反應(yīng)來進(jìn)行研究的。由于樹木年輪資料具有定年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高和易于獲取的優(yōu)點(diǎn)，故已成為氣象學(xué)、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域研究中的一種重要手段。

在我國，年輪學(xué)的