树木年轮:记录气候与环境的“史官”

  气候变化是当今世界的热门话题。要提高对气候变化规律的认识,必须对过去气候变化有充分的认识和了解。然而,现代气象观测资料的年代有限,想要获得更长时间尺度的气候变化信息,就需要使用各种气候代用资料,以重建历史时期的气候变化。而树木年轮(简称树轮)因其具有空间分布广、易于采样、时间序列长、定年精确、时间分辨率高等优点,是当前应用最为广泛的方法。

  树木生长的快慢与气候因子之间存在密切的联系,树轮不仅在宽度上有逐年变化,而且密度亦有显著差异,不但可以推断气候要素的年际变化,还可以了解季节变化、气候事件发生的早晚和持续时间等。年轮同位素分析也逐渐成为年轮学研究的重要途径之一。它通过研究树轮的木质部C、H、O(碳、氢、氧)稳定可测的同位素比值,探索气温、降水、湿度等气候和环境因子的变化,可以提供过去气候和环境变化的丰富信息。

  此外,科学家还利用树轮灰度、树轮细胞形态、树轮化学元素含量等提取更为丰富和精细的环境信息,重建过去的历史事件,其可重建的范围非常广泛,包括河流径流量变化、极端水文事件、冰川进退、湖泊水位变化、森林演替和更新、林木生长量和植被覆盖变化、厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)指数、二氧化碳浓度、环境污染、低温年、火山喷发、地震、森林火灾、病虫害、太阳活动、陨石撞击等。从目前研究深度来看,已由初期的对树轮宽度、密度和灰度等的树木年轮物理特征的分析发展到了对树轮稳定同位素、化学组分的树轮化学特征的研究以及树木解剖结构、树轮细胞和分子尺度的研究,由经验性分析转向机理性研究,同时注重气象学、植物学、化学及环境学等学科知识的综合运用,有助于提取记录在树轮内部的更详细的环境信息,从而为气候变化的研究提供更多的依据。

  树木年轮长啥样

  锯开一颗树木,我们就会发现在树木横截面上有一圈圈颜色深浅不一的纹路,这就是树轮。树木的结构从里到外依次为:树髓、木质部、维管形成层、韧皮部以及树皮。一个完整的树轮包括早材和晚材两部分。

  树轮是怎样形成的呢?在气候适宜的春夏季,树木形成层的细胞非常活跃,分裂很快,生长迅速,这一时段形成的细胞体积大、细胞壁薄、颜色浅,被称为早材(也称春材),其宽度占整个树轮宽度的主要部分。而随着秋季到来,水热条件限制导致形成层细胞的活动逐渐减弱,形成的细胞体积变小,细胞壁厚,颜色加深,它就是晚材(也称秋材)。颜色较深的晚材与下一年生长的色浅的早材部分之间有明显的界限,这就是通常用来划分树轮的界限。通俗来讲,不同季节的深浅结合起来形成圆环,这就是树轮。

  怎么从树木年轮中获取信息

  树木年代学由美国天文学家道格拉斯(A. E. Douglass)在20世纪初创立,他于1914年发表了第一篇用树轮宽度资料研究过去降水量的文章,同时系统论述了交叉定年的方法,使树轮研究成为一门真正的学科。过去,为采集树轮要伐掉许多棵树,以获取足够的样本,而这些树的年龄往往都是几百年或上千年,伐掉了十分可惜。现在,通过一个称为生长锥的工具进行采样就可以了,它只需要在树上钻一个小孔,取出树芯后进行打磨处理,而树木本身不会受到致命伤害。

  那么,是不是任意采一棵树都能提取到有用的气候信息呢?其实不然。这里有一套科学的程序:第一步是选择树木,要尽量选择人类活动影响小的地区的原始长龄树木,利用生长锥选择20棵健康活树采集树芯标本。第二步,树芯样本经过干燥后,将树芯固定在样本板槽内,用不同型号的砂纸多次打磨、抛光,使其表面光滑发亮,树轮清晰可见。第三步,在显微镜下对树芯样本进行目测定年,从树皮向髓芯方向计数,最外层树轮的年代由采样时间确定,并利用树轮宽度测量系统测量出每个树轮的宽度。第四步,对树轮样芯进行交叉定年,找出伪树轮、缺树轮等信息,确保每个树轮有准确的形成年代,再去除这个树种本身的生长趋势影响,最后建立树轮年表。第五步是气候响应分析与重建,通过一些数理统计方法分析树轮宽度年表和气候因子的关系,找出对树轮生长影响显著、具有明确生理意义的气候因子,建立树轮宽度指数与气候环境要素的转换函数,这样就可以重建过去气候变化的历史了。

  树木年轮能告诉我们什么

  随着树轮学的发展,其应用范围越来越广,分支学科也越来越多,包括树轮气候学、水文学、生态学、考古学、地貌学、冰川学、火山学、化学和灾害学等。

  以干旱区为例,较宽的年轮一般对应降水丰富的年份,而在降水较少的干旱年份,会形成窄轮甚至缺年。树轮宽窄变化与降水、径流等水文和气候因子有较好的对应关系。美国科学家根据对树轮的研究,发现美国西部草原每隔11年发生一次干旱,并应用这一规律正确地预报了1976年的大旱。

  在考古学中,利用树轮可以判断过去人类文化遗存的年代。根据橡木油画板上的树轮型式就可知作画的年代,利用古墓中树木确定古墓的年代。大规模火山爆发产生的尘埃形成“阳伞效应”,导致夏季气温降低,树木的生长对此极为敏感(通常细胞壁厚,颜色较暗),这种年轮称为霜轮,树木的霜轮可作为重大火山活动的记录。火灾疤痕是森林火灾的记录,树轮圆盘的火疤可以用于确定火灾发生年代,从而研究过去和现在的火灾变化规律。在准确定年的基础上,分析树轮中的污染元素含量,可以获得树木生长期间环境中的污染元素浓度变化在树轮中的记录年表。

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