树轮方法及其应用课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,树轮方法及其应用,上世纪30年代，美国科学家道格拉斯(AEDouglass)奠定这门学科之初，树木年轮的若干基本原理就逐步形成。,他用树轮定年法测定了印第安人遗址中残留树木的树轮，明确了遗址的年代，于是这种方法在美国的史前年代学研究中得以确立。,经过几十年来的不断实践和逐步完善，利用树木年轮研究气候变化所必须遵循的基本原理和原则己明确。,一、基本原理,树木生长过程中要受周围环境因素，如土质、水分、光照、风以及病虫害、地震、滑坡等的影响。其中温度、降水等属于气候要素。在我国北方地区，树木一般在春季开始快速生长，形成的细胞个头较大，数最多，细胞壁较薄，材质疏松，肉眼看到的这部分木质颜色较浅，称为,早材,;夏末秋初时，由于周围的温湿条件不能满足树木的要求，其生长速度逐渐变慢，甚至停止，这部分木质细胞个头较小，数最少，细胞壁较厚，材质紧密，颜色也相对较深，称为,晚材,。,在温带和寒温带地区，树木被伐倒后，树墩上有许多同心圆环，植物学上称之为树木年轮。在热带地区，由于四季变化不明显，树木的形成层活动没有明显周期，树木一般无明显年轮。,1均一性原理,古今气候属同一性质。根据现代气象资料找到的树木年轮与气候之间的关系以及有关的物理、生物过程，同样适用于过去。,根据树木年轮推断出现今年轮与气候型的某种关系，用这种关系也可以推知以往的气候型变化。,分析取自干旱地区的树木年轮与气候资料发现，年轮宽窄的变化与降水量的多少有密切的关系（线性或其他函数关系），而且雨量是限制树木生长的因子。,根据均一性原则，可以从较长记录的年轮数据中推断出当地相应年分的降水量多少。,左图：从喜马拉雅山西部地区树轮宽度与密度及其所测到的年代中发现，夏季气候，特别是季风前期（35月）的气温与降水强烈影响树木生长。,不同条件下树木年轮宽窄比较,2限制因子定律,一切生物的生长速度不能比主要限制因子允许的速度更快。,在树木气候学或树木生态学的研究中，主要目的是根据树本年轮的变化，了解过去环境的状况，所以在釆集树木标本时尽可能寻找我们所需要研究的限制因子所影响的树木。例如，为了了解过去某个地方湿润状况的变化，应尽可能选择接近干旱地区的年轮标本，为了推测过去的温度，应选择高山森林上限的树木作为标本来研究。,树木生长不是受同样环境因子和气候因子的限制，那么即使是生长在同一生态环境中的树木，彼此之间年轮生长型可以差别很大。这也是年轮变化作气候分析必须考虑的问题之一。,3.生态环境选择原理,并非所有的树木都可以用来作气候分析，而是选择出那些受某个气候因子制约的树木作为研究对象。对于能够起到限制作用的生态环境，可以称为限制地点。例如研究温度变化时，常采用森林上限（树线上界）100米范围内的树木，或森林北界的树木。这时森林上界和北界就是两类限制地点。在这种地方温度才能超越于其他因子而限制树木生长。,从限制地点适当选择的标本，其年轮的逐年变化可以达到最大，而且不同树木之间年轮宽窄变化趋势也非常一致。,思考,：选择一个树木年轮对降水敏感的环境。,4.敏感性原理,年轮宽度的逐年变化是衡量气候对年轮限制的一项很好的指标。在树木年轮的气候研究中，把年轮宽度逐年变化状况作为树木对气候反映的敏感度。当敏感度的值很大时，一般来说，气候因子的限制作用就非常明显，相关性很好，但也有极个别的例外。,年轮序列的平均敏感度（MS）：,n,个样本的平均敏感度多用下式计算:,平均敏感度的实际取值范围应为0M.S.2。从实际统计计算中，该值一般都小于1，常见为0.10.6之间。大量的值集中在0.10.4之间。在实际工作中一般取M.S.0.2的序列。,相邻两年,轮宽度差,平均年轮宽度,5.交叉定年原理,目的在于给每一个年轮定出其形成的正确年代。,生长在同一生态环境中的树木，受到同样气候条件限制的年轮宽窄变化应该是同步的。设想在某一个年轮序列中存在失踪年轮、断轮或伪年轮，那么它同树干另外一侧读得的年轮序列就无法重叠起来。把这两个序列点在图上，年轮变化曲线就会出现明显的位相差，这样就比较容易检查出哪一段不相配合，其原因何在，最终能确定出每个年轮正确的生长年份。同样，交叉定年同样包括对同一棵树不同高度上的样本以及不同树木采集的样本进行检查、比较。只有正确地定出所有序列中各个年轮的年份。才能编出准确的年轮宽度变化年表。,A图标本（,1,）中存在伪年轮和失踪年轮未能找出，使得在同样地点采集的标本（,1,）和（,2,）的年轮宽窄型变化不是同步的。,B,图中交叉定年是正确的，可以判断出标本（,1,）的第,9,个。,16,个年轮是失踪年轮，第,21,个年轮中有一个伪年轮。,6.复本原理,仅用一棵树的样本建立年轮序列来推测气候，其结果值得怀疑的。只有通过大量样本的比较、鉴别才能剔除误差。,复本原理的具体做法，一方面要求在一个地点采集尽可能多的标本；另一方面在每棵树上要在两个不同高度上取样。做交叉定年需要较多的标本，消除非气候因子的噪声干扰也需要标本多一些。但在实际工作中，又不可能无限制地采集标本，而要根据实际情况确定。如果年轮序列中失踪年轮和伪年轮较多，则相应的标本多一些，否则可略少。一般选10棵树以上的年轮序列比较分析，最多有用30棵树的。在此基础上可以得到这些序列的平均年轮宽度年表。,确定年轮年代和编制年表，主要是根据所选择标本年轮宽窄型的一致性。另外，也可以将邻近地点编制的年表相互核对，目的是检验确定的年代是否正确。在北美西部已编成800个年表。比较结果表明，在半径300英里范围内，年轮宽窄型表现出很大的同步性，相距1100英里的两个年表之间也还可以看出这种同步性。由此可见，相邻地区年表之间表现出来的相似性，往往是表明交叉定年正确性的最好证据。然而，它是指同一气候区的不同地点而言，如果分属于不同的气候区，则无需要比较这种相似性。,二、树木年轮结构,年轮是维管形成层向内侧分化过程中的产物。春季分化的次生木质部细胞具有细胞壁薄、体积大，颜色浅等特点，这是早材。它的宽度占整个年轮宽度的主要部分。后来形成的细胞体积变小，细胞壁厚。这样，在生长层外侧部分，细胞小，木质颜色比内侧显著加深，它就是晚材。这同下一年生长初期形成的色浅的早材部分之间有明显的界限，山是通常用来划分年轮的界限。,树木生长示意图,树木的直径生长是构成木材的主要生长过程。侧生分生组织使茎围增加。大多数裸子植物和木本双子叶植物都有这种次生生长。侧生分生组织有两种：维管形成层(或侧生形成层)和木栓形成层。前者产生次生木质部与韧皮部，后者产生木栓与栓内层。由于次生生长的结果，茎的直径有很大的增加，而且最外面的初生组织(表皮层和有时也包括皮层)被撕毁，周皮形成为保护的覆盖层。,树轮采样及量测方法,调查样方，按径阶选样株。,用生长锥在胸口处钻取木芯，同时选择6株直径最大的树木分别在垂直方向钻取木芯。树干的钻孔用直径相同的细木条堵塞，以保护树干。,木芯于实验室气干，粘贴在木条上，表面砂光，检查每个木芯的年轮整齐性，剔除因生长锥未与树干垂直钻取造成年轮明显偏斜的木芯。,显微镜下观测，测微尺测录年轮宽度，精确到0.01mm，每个木芯分别由两人重复量测两次，如有两个年轮出现误差即作第3次测量。所有年轮资料输入计算机绘制年轮生长序列曲线。,正确量测年轮宽度,理想年轮钻芯样本,树木径向生长规律,在整个生长季内，径向生长的累计曲线近似于S形。在生长期开始时径向生长率增大最快，以后便减慢。这种生长率的加大可以持续一周到数周，接着是一个可以持续数周的快速生长期，然后生长率逐渐下降，值得提出的是形成层的活动可以在过了最大生长率时期之后，持续几周甚至几个月。,树木的直径生长是多方面因素的结果，但主要的是在于它的维管形成层和树木整体的关系。成熟树木主干的木材部分好似一个向顶部收缩的木质圆柱体，它是由于每年生长的层次重叠有如一个套一个的圆锥体组成。,年轮标准化方法,树木直径生长量随年龄增长而下降，较高生长速度的持续时间以及生长降低程度和速度受遗传因子控制，但也因不同生长条件而有差异，在运用年轮资料分析历史气候因素时，必须排除年龄因素的影响，树木年轮学采用对年轮生长进行标准化的方法来消除遗传因素的影响，即用年轮指数来反映年轮生长而不用年轮生长的实际值。,年轮宽度树龄函数：,y=ae,-bx,+k,x,为树龄，,y,为对应于,x,的期望生长值。,a,、,b,、,k,均为常数，与样本年龄相关。,系数,a,决定了指数曲线起始截距，,b,取决于曲线下凹斜率，,k,表现了,x,轴在垂直方向的位移。只有a,b,k均大于0，才认为指数函数曲线对于树木年轮生长有意义。否则另拟回归直线,。,三、交叉定年技术,利用许多树木年轮变化型，相互比较，建立,年轮年表序列。通过,某些特异的窄轮或其它变异的年轮，准确地推断出一些事件的年代。,基本思路,（1）对各个可见的和统计上的样本年轮待征，包括轮宽，早晚材,颜色和厚度的逐个变化等进行判断；,（2）检查上述这些特征的同步性；,（3）确定出与众多样本不吻合的个例；,（4）进一步判断造成这种不吻合的原因，确定可能为伪年轮、失,踪年轮等差异，并进行调整；,（5）根据众多年轮序列的连贯性，对年轮的变异给出合理的解释；（6）最终建立起正确的树木年轮年表。,基本步骤,三步定年法,1选样目测定年,2示意图式定年,3精确计算定年,重视树木生长的生态环境，选择气候因子对树木生长可能起限制作用的地点，如森林边缘，一般还要考虑远离水体，有一定的坡度等条件。同时还应考虑到定年的可能性。每当在同一地点采集标本时，除了目估其年轮宽度的逐年变异，即敏感度是否较大以外，还应查看他是否包含一些相同的窄年轮。,选样目测,示意图式定年案例,(,林芝,)2,的部分年轮变化型的示意图式和比较结果,6个样本，即No.16在19001984年之间的变化大体是相近的，尤其是很窄的年轮所在的年分相当一致，例如在1955年、1963年、1967年和1983年等。不过，No6中的窄轮变化，在1930年以前与其它样本的变化有一定差异，所出现的窄轮几乎都落后一年。经进一步查证，可判明该标本在1930年为遗失年轮，在数据处理中记为树木单轮学中的“零值”。但经过复本计算，该年的主序列值仍然是非零值。对其它地点的示意图式分析，也多少发现一些遗失年轮和伪年轮。,精确计算定年,根据树轮重叠部分的相关性，大体了解新序列中是否包含伪年轮、遗失年轮或其他错误，即定年是否正确。但严格说来，相关性的高低并不意味着年轮序列交叉定年的好坏，国外学者提出了一种“移动单元定年”计算方法，用一个未定年的短序列与一个已定年的主序列寻求相关，由于该短序列的年代不能肯定，就需要逐个移动，使其在某一位置时与主序列相关最好，用以确定未定年序列的年代。,最终主序列的组成,折线定年法,将各年的年轮宽度值在坐标纸上点出来，然后每两年之间用直线连接成折线。将这样两条折线放置在一起，对应年份作为横坐标应完全重合，就可以依据它们的波动状况，大体断定是否含有年轮变异且尚未查明。因为如果绝大多数轮宽变化型应该一致，逐个年轮宽度大小可能会有差异，但波动的位相应大体吻合。,交叉定年图解,中国已作树木年轮气候学分析的树种,四、年轮变异与环境,读图：,观察图中的年轮异常，辨识界限模糊、断轮、多层轮、伪年轮、失踪年轮。,1年轮界线模糊不清,热带或温带树木均可见到。在热带地区由于四季气候周期变化不象温带地区那样明显，反映在树木年轮构造上，早材和晚材的密度、颜色等差异不大。特别是一些热带常绿树种，这种现象更加明显。在温带地区的个别针叶树和具有散孔材的阔叶树中有类似情况。另外一些年代太久的古木，其木质已经或接近炭化，整个木材颜色加深，年轮也不易分辨清楚。,对于不易辨认的年轮，近年来开始应用不同的光质造成不同的光学反应的原理对其进行测定。,思考：树轮模糊不清的原因。,2断轮,对一个圆盘从四个方向进行测定时，最后读得的年轮数是不同的，其中可能的原因之一是存在断轮。断轮的出现常常足由于树木一侧的形成层处于休眠状态或死亡，或其它