古樹(shù)年輪研究進(jìn)展

陳晨 劉光武 張新權(quán) 王柯力

摘要：指出了研究古樹(shù)年輪不僅可以得到樹(shù)齡信息，通過(guò)建立氣象因子與年輪的關(guān)系，還可以還原古氣候過(guò)程、災(zāi)害經(jīng)歷、污染物含量等。綜述了古樹(shù)年輪的研究進(jìn)展及測(cè)定方法，總結(jié)起來(lái)可分為兩種：一種是做樹(shù)干截面或鉆孔，另一種是利用射線技術(shù)，再結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件，圖像分析技術(shù)，最后確定樹(shù)齡。各地在古樹(shù)調(diào)查時(shí)，可因地制宜選擇適宜的方法鑒定古樹(shù)年齡。

關(guān)鍵詞：古樹(shù);年輪;研究方法

中圖分類號(hào)：S757.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2018）11-0027-02

1 引言

古樹(shù)一般指具有100年以上樹(shù)齡的樹(shù)木。古樹(shù)是珍貴的自然遺產(chǎn)和獨(dú)特的人文景觀，具有生命的無(wú)價(jià)之寶和活的文物標(biāo)本，是自然環(huán)境變遷的見(jiàn)證者和記錄著。鑒定古樹(shù)樹(shù)齡，確定保護(hù)級(jí)別，能夠有效對(duì)古樹(shù)實(shí)施保護(hù)。同時(shí)，樹(shù)齡的鑒定能夠?yàn)榱謽I(yè)刑事案件的定性及判決提供可靠的法律依據(jù)[1]。

2 年輪學(xué)研究進(jìn)展

在溫帶和暖溫帶地區(qū)，形成層在生長(zhǎng)季氣和非生長(zhǎng)季分泌大小、顏色均不相同的細(xì)胞，在樹(shù)干橫斷面上會(huì)產(chǎn)生深淺相間的同心圓環(huán)，稱為年輪。人們可以根據(jù)根莖部位同心圓環(huán)數(shù)來(lái)判斷樹(shù)齡。古樹(shù)年輪不僅承載著樹(shù)齡信息，年輪細(xì)胞中還承載著古氣候過(guò)程、災(zāi)害經(jīng)歷、污染物含量等信息[2]。年輪寬度一直是人們研究的主要對(duì)象，借助氣象資料，研究樹(shù)木生長(zhǎng)與氣象因子之間的關(guān)系，從而獲得過(guò)去數(shù)百年甚至數(shù)千年的生態(tài)環(huán)境變化的史事。

歐美樹(shù)木年輪學(xué)研究歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，古希臘自然科學(xué)大師Theophrastus（371-287130是論述樹(shù)木年輪的第一人。du Monceau和de Buffon發(fā)現(xiàn)1709年寒冬導(dǎo)致樹(shù)木產(chǎn)生明顯的黑年輪。美國(guó)Twining 1983年發(fā)現(xiàn)同一地區(qū)多種樹(shù)木的年輪存在相似的生長(zhǎng)規(guī)律，據(jù)此可重建某個(gè)地區(qū)的氣候歷程。Kuechler J（1823～1893）采用交叉定年技術(shù)研究了德克薩斯州西部的氣候[3]。1910年，天文學(xué)家Douglass AE（1867-1962）發(fā)現(xiàn)美國(guó)西南部干旱區(qū)的樹(shù)木年輪與降水量之間關(guān)系密切，于1914年發(fā)表了根據(jù)年輪重建降水量變化的論文，從而開(kāi)創(chuàng)了年輪氣候?qū)W，被后人尊為樹(shù)木年輪學(xué)之父。之后，樹(shù)木年輪研究在美國(guó)西南部地區(qū)陸續(xù)開(kāi)展。隨后，樹(shù)木年輪學(xué)在世界各地持續(xù)蓬勃發(fā)展，目前，它已有多個(gè)分支學(xué)科：年輪考古學(xué)、年輪生物學(xué)、樹(shù)木年輪氣候?qū)W、樹(shù)木年輪水文學(xué)、樹(shù)木年輪冰川學(xué)、樹(shù)木年輪災(zāi)害學(xué)、樹(shù)木年輪昆蟲(chóng)學(xué)等。

3 研究方法及進(jìn)展

3.1 生長(zhǎng)錐測(cè)定法

在樹(shù)干某個(gè)部位，用生長(zhǎng)錐對(duì)準(zhǔn)髓心鉆取一段木條，將木條固定在合適的木槽內(nèi)，打磨出年輪分界線，用放大鏡觀察數(shù)出年輪數(shù)[4]，再加上由根莖部位長(zhǎng)至此部位所需年數(shù)，即為樹(shù)齡。用生長(zhǎng)錐鉆取木條之后，應(yīng)立即用無(wú)毒泥土或熟石灰封住洞孔。此法能準(zhǔn)確測(cè)定樹(shù)木年齡，但對(duì)古樹(shù)有一定傷害。

3.2 側(cè)枝年輪鑒定法

在古樹(shù)主干上，選取一段由定芽長(zhǎng)成的I級(jí)側(cè)枝，此處枝條底部年輪數(shù)與主干相同位置年輪數(shù)相同。打磨加工斷面，用高分辨率光掃描儀獲取斷面信息，運(yùn)用計(jì)算機(jī)手段和數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)年輪圖像進(jìn)行分析處理，獲取年輪寬度信息。用獲得的年輪寬度信息，加上由根莖部位長(zhǎng)至此處所需年數(shù)，即為古樹(shù)樹(shù)齡。也可獲取側(cè)枝底部斷面平均年輪寬度，再用根莖除以平均年輪寬度，可得根莖部位年齡，誤差為20年[1]。

3.3 經(jīng)驗(yàn)方程法

此法是用生長(zhǎng)錐鉆取樹(shù)干，獲得大量直徑、年齡數(shù)據(jù)，再借助數(shù)學(xué)模型，建立經(jīng)驗(yàn)方程。之后在工作中，只需測(cè)量相關(guān)樹(shù)種的直徑，代人經(jīng)驗(yàn)方程，即可得到樹(shù)齡信息[5]。此類方法，一是要積累大量的直徑一年齡數(shù)據(jù)，二是數(shù)據(jù)要有代表性。

3.4 X射線技術(shù)

20世紀(jì)60年代，X射線技術(shù)成功地應(yīng)用于樹(shù)木年輪學(xué)研究（Polge，1970）[6]。80年代日本研制成功一種能測(cè)量樹(shù)木年齡的X射線裝置。它根據(jù)樹(shù)干斷面早材、晚材透射X射線的強(qiáng)度，再經(jīng)過(guò)設(shè)定的電子系統(tǒng)處理，可獲得清晰地電子圖像，從而得知樹(shù)木的年輪。木材密度包含了從年輪寬度中所無(wú)法提取的年輪信息（Parker&Henoch，1971）[7]。X射線能檢測(cè)樹(shù)木年輪、生長(zhǎng)勢(shì)、材質(zhì)硬度等。但采用X射線測(cè)活古樹(shù)的年齡，會(huì)抑制古樹(shù)生長(zhǎng)。同時(shí)，X射線分析所用設(shè)備昂貴，操作過(guò)程比較繁瑣。目前，這方面的研究主要集中在歐美幾個(gè)國(guó)家的樹(shù)木年輪實(shí)驗(yàn)室中。

3.5 CT技術(shù)

CT年輪測(cè)定儀，將儀器固定在樹(shù)干上進(jìn)行掃描，可得樹(shù)干斷面圖像信息，圖像信息經(jīng)過(guò)處理后，可得樹(shù)齡信息。鄭楠等以楊樹(shù)為樣本用CT三維掃描法準(zhǔn)確測(cè)定其樹(shù)齡，證明CT掃描法在理論上是正確的[8]。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，只要開(kāi)發(fā)一套可以在野外操作的便攜式CT系統(tǒng)，即可將CT測(cè)齡法應(yīng)用于實(shí)際并加以推廣。

3.6 圖像技術(shù)

采用圖像技術(shù)的理論基礎(chǔ)是：由于早材、晚材所形成的細(xì)胞大小。細(xì)胞壁厚薄均不相同，成像時(shí)會(huì)形成不同的灰度，可以從年輪灰度中提取年輪信息。利用圖像分析可得到年輪寬度、早材寬度、晚材寬度、早材反射亮度、晚材反射亮度、年輪的平均亮度等8個(gè)指標(biāo)[9]。

圖像分析技術(shù)使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)代替了價(jià)格昂貴的密度分析儀，減輕了勞動(dòng)量、降低了實(shí)驗(yàn)成本。

對(duì)于邊材、心材及其它因素導(dǎo)致樹(shù)干斷面細(xì)胞顏色有變化的，圖像技術(shù)就無(wú)法代替密度分析儀了[9]。

3.7 年輪分析儀

年輪分析儀利用高分辨率的光掃描儀獲取年輪信息，運(yùn)用計(jì)算機(jī)手段和數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)年輪圖像進(jìn)行分析處理，從而得到分析樣品的年輪寬度、密度等信息[10]。

3.8 ¹⁴C測(cè)定法

美國(guó)人利比（W.F.Libby）1947年提出了用放射性¹⁴C測(cè)定年代的方法¹⁴C年齡測(cè)定的前提條件是所測(cè)樣本必須停止與大氣中的“C交換，否則無(wú)法測(cè)定衰減情況，故該法只能測(cè)定沒(méi)有生命的物體[11]。¹⁴C測(cè)定法是在考古學(xué)中應(yīng)用較多。

¹⁴C測(cè)定法對(duì)時(shí)間跨度大（¹⁴C半衰期為5730年），測(cè)試結(jié)果誤差小（10年），但程序復(fù)雜，操作繁瑣，需要昂貴的設(shè)備條件和技術(shù)力量支撐，測(cè)試手段和條件一般單位難以具備。

4 結(jié)論

（1）年輪不僅承載年齡信息，而且承載古氣候信息、災(zāi)害信息、污染物含量信息等。

（2）古樹(shù)年齡的測(cè)定方法很多，總結(jié)起來(lái)可分兩大類，一種是做樹(shù)干截面或鉆孔，另一種是利用射線技術(shù)，再結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件，圖像分析技術(shù)，最后確定樹(shù)齡。

（3）射線技術(shù)有成本高、鑒定程序復(fù)雜、數(shù)據(jù)龐雜等缺點(diǎn)，但誤差低。

（4）古樹(shù)作為歷史古跡的組成部分被保存下來(lái)，是活著的文物。國(guó)家對(duì)古樹(shù)名木保護(hù)工作也越來(lái)越重視，但古樹(shù)樹(shù)齡鑒定往往成為一個(gè)技術(shù)難題。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，如果能開(kāi)發(fā)一套可以在野外操作的便攜式儀器設(shè)備，去簡(jiǎn)單快捷鑒定樹(shù)齡，將會(huì)解決樹(shù)齡鑒定研究的難題。

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