树木年轮学新前沿和在中国的研究进展_黄敬文.pdf

第 38 卷哈尔滨师范大学自然科学学报Vol 38，No 6 2022第 6 期NATUAL SCIENCE JOUNAL OF HABIN NOMAL UNIVESITY树木年轮学新前沿和在中国的研究进展*黄敬文1，代鑫2，张冬有1(1 寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室，哈尔滨师范大学;2 汤旺县林业和草原局)【摘要】从树木年轮学成为一门科学学科开始，树轮研究就被用作定年和环境重建的跨学科工具 一些地区的树轮年表可以追溯到数千年前，为研究气候和生态学开辟了新的方向 中国的树轮气候学研究起步较晚但发展至今也取得了长足进步:例如在青藏高原及中国东北部和亚热带东部地区，建立了新的树木年轮采样点;应用传统的树木年代学方法对胡杨(Populus cathayana)及灌木(shrub)树种进行了研究等 该研究由 4 部分组成:(1)树木年轮学概述:对树木年轮学的概念、原理、发展过程和研究对象进行简要论述;(2)树木年轮学在国际上的前沿研究成果;(3)树木年轮学在中国的研究进展:以树轮气候学为例，介绍近年来国内研究取得的进步和成果;(4)展望未来中国树轮气候学的发展方向【关键词】树木年轮学;树轮气候学;气候重建【中图分类号】S718 45【文献标识码】A【文章编号】1000 5617(2022)06 0079 08收稿日期:2022 06 12*基金项目:国家自然科学基金项目(41671064);黑龙江省自然科学基金项目(LH2021D012)通讯作者0引言树木年轮学作为考古年代测定和气候重建的工具在 20 世纪初发展起来1 树木年轮记录了大量与环境变化相关的变量，这些变量可以用多种方式测量，并以次年的精度和准确性确定日期2，有了准确的树木年轮日期，就有可能探测到树木种群中常见的气候和环境信号，并且，可以取代直接测量，重建随着时间推移和跨越广泛地理区域的气候和生态变化 目前通过国际树木年轮库(ITDB)可以获得世界大部分地区不同环境的树木年轮年表并从中提取数百到数千年的气候或环境信息，对全球的大部分地区来说，目前的覆盖范围以足够，但在热带和高纬度地区仍需要进一步填补研究空白 自 20 世纪以来，通过与众多学科领域的结合，树木年轮学也得到了丰富的扩展和多样化中国的树轮气候学研究开展时间较晚，最早的树轮气候研究是在 20 世纪 30 年代和 40 年代进行的，第一个树轮实验室于 1991 年在北京的中国科学院地理研究所成立3 随后在 20 世纪90 年代在青藏高原和中国中北部进行了树木气候研究4 5 如今，随着技术的进步，新方法的出现和应用，中国的树木气候研究得到了快速发展该研究按 4 个方面进行论述:(1)树木年轮学概述;(2)树木年轮学在国际上的最新前沿研究成果;(3)树木年轮学在中国的研究进展:以树轮气候学为例;(4)未来中国树轮气候学的发展方向哈尔滨师范大学自然科学学报2022 年 第 38 卷1树木年轮学概述树木年轮学或称树木年代学(Dendrochro-nology)，是一门以植物生理学为基础，研究树木木质部年轮生长特性变化，评价环境因素对年轮生长影响的科学学科，并通过年轮指示的环境信号重建过去环境变化的史实6 它的定义是利用年轮对树木精确定年，并在自然和人文两方面，根据年轮所呈现的信息来分析其在时间和空间上所经历的年代变化的科学 综上所述，树木年轮学是一门研究年轮特性，并利用年轮来定年和分析过去环境变化的科学学科 年轮宽度作为树木年轮特征最直观的表现形式一直是主要的研究对象，用来研究树木生长与环境变化的规律，旨在获取气候代用资料重建过去数百年甚至数千年的生态环境变化的史实 但对树木精确定年也并非听起来的那么容易，因为相当多的树木年轮并非清晰易辨，树木在生长过程中受周围环境和气候的影响，年轮会出现部分“缺失”和“伪轮”，这些现象对精确定年造成很大困难 所以在对树木年轮进行采样和数据统计时需遵循以下基本原理:包括均一性原理(The uniformitarianprinciple)、限制因子原理(The principle of limit-ing factors)、敏感性原理(The principle of sensitiv-ity)、交叉定年原理(The principle of crossdat-ing)、生态环境选择原理(The concept of ecologi-cal amplitude)和复本原理(epetition)来提高树木年轮的准确性7 树木年轮学的研究有着悠久的历史，最早可以追溯到古希腊时期，美国天文学家 Douglass AE 作为树轮年代学领域的开创者，他在 20 世纪初研究太子黑子与气候活动的关系时偶然发现太阳黑子活动循环会影响到地球上的气候格式，并且，气候格式最终会形成树轮生长格式，由此他认为，树木年轮可以作为一种新的表征数据进一步扩展气候研究 随后几十年随着树木年轮的研究不断开展，于 1937 年在美国亚利桑那大学建立了世界上第一个树木年轮实验室(LT)此后，树木年轮学经过不断发展，直至今日形成为一种可以涵盖、交叉众多学科的热门科学，并发展出众多分支学科:包括树轮气候学、树轮考古学、树轮生态学、树轮火山学等等 其中以树轮气候学和树轮生态学所取得的研究成果最为丰富2树木年轮学的前沿研究成果2 1非传统物种传统物种，例如:松树(Pinus sp)、橡树(Qercus sp)、云杉(Picea)和冷杉(Abies fabri)在亚洲、欧洲和美洲等地广泛分布且占据主导地位的树种已经开展了大量研究，这些树种也已经证明了对于特定的气候和环境因子如温度和降水响应的可靠性 在这些树木年代学记录存在空白的地方，越来越多更复杂的技术和方法被研究和应用于一些非传统研究树种，并取得了部分成果8 但是由于采样困难，生长模式不同和对当地树木缺乏了解等原因，导致在一些生产力、生物多样性强的物种上相关研究始终无法开展 如今，一些不仅仅局限于通过传统年轮宽度和密度测量了解树木生长特性的新方法的诞生，使有机会研究和探索一些尚未记录的树种和物种，为树木年代学开辟新的方向高纬度地区:北极环境的树木年代学研究由来已久，但始终受制于短轮和木材解剖学的限制 随着木材解剖学的不断发展，诞生了一些价格合理、高效率的方法，极大程度上扩展了在林线以上的研究范围，以及对森林动态和碳循环的理解 来自边缘和敏感环境地区的灌木和多年生草本植物展现出极大的研究潜力 为解决北极地区植物对气候变化内部响应的复杂性质的问题，高纬度树木年代学的一个前沿是探索出北极地区灌木在地表和地下的生长分配过程 最新研究表明:灌木生长对温度的响应高于仅从地表冠层厚度的估值，并且在不同的苔原生态系统存在显著差异，常见的极地常绿矮灌木(Cassiop tetrago-na)可以在大气环流的大尺度模型中提供相位变化，如北极振荡和北大西洋振荡9 低纬度地区:为了填补低纬度森林在树木年08第 6 期树木年轮学新前沿和在中国的研究进展代学中存在的巨大空白，研究人员在热带和干旱地区对非传统物种开展了大量研究 Andru Hayles 采用测量保存热带地区无轮树木纤维素中的稳定氧和碳同位素来解决不规则生长模式和复杂形态下树木定年10;Van der Sleen 探索了二氧化碳施肥对热带森林的影响;与非传统物种合作更普遍的应用包括物种的新组合及多代理方法11 例如:Witt 等学者结合使用木材元素水平，通过“XF”检测和稳定同位素数据，在澳大利亚金合欢树种中发现了树木年轮边界12 随着“非传统物种”的不断扩大，考古学、生态学和气候学领域的学者也认识到:对气候敏感的针叶树和部分被子植物只能提供气候、森林动态和生态的某些方面的信息;对非传统物种的研究可以拓宽地理范围增加对地球系统的理解2 2木材解剖学许多树木年轮学前沿研究就是利用木材解剖来提取传统树轮宽度以外的数据 目前开发成本较低的技术是使用蓝光强度来判断树木晚材密度，研究人员通过高分辨率成像和处理设备观察木材解剖特征的微观成份，即微观解剖 年轮的特征、细胞结构、生长时间和创伤标记可以回答以前通过树木年轮宽度和密度无法解释的农业、生态、地形地貌等问题除了简单的物种鉴定和新物种调查应用与树木年代学研究外，木材解剖学还可以应用于追踪和确定不寻常或极端时间的时间 例如:Hela-ma 通过受霜冻影响的细胞结构来追溯火山爆发对气候的影响，确定火山爆发的年代13;Stefani-ni 等学者通过树木年轮生长的抑制效应来确定滑坡的年代、重建历史洪水14 微观木材解剖研究还将树木年轮研究扩展到新的地理领域(见非传统物种方面内容)，以阐明传统树木年轮数据无法获取热带物种的生长模式和年表 此外，通过观察木材解剖特征还可以区分不同地理位置的独特气候信号以表征敏感性梯度和未来气候变化如何影响世界各地的森林群落 对树木内部脆弱的生理机制和水分胁迫了解的增强可以改进干旱、树木死亡率和碳循环的模型在次年尺度上提取同位素特征的工作也进一步推动了使用微观解剖学回答重要的全球气候变化和区域环境污染问题的可能性 例如:Belmecheri 等学者利用稳定同位素研究了树木生长年轮中包含的滞后气候信号15 最新的技术进步，如卫星计算机断层扫描(micro CT)，使研究人员能够以非破坏的方式从木材样本中提取信息，该技术大量应用于木质考古材料、艺术品、古沉船和古乐器等方面 在不损害样本的情况提取丰富的信息 微观木材解剖方法和技术的不断扩展推动了以前传统年轮研究方法无法开展和被认为不适合进行年轮研究的地区进行新的研究2 3遥感遥感数据因其在空间尺度上方便理解全球变化而被广泛应用，但结果的准确性和精度仍需进行验证 树木年轮为遥感提供了重要的验证方法，因此，树木年轮在与遥感的应用方面构成新的前沿领域 近几十年来，随着卫星成像和遥感技术的飞速发展，地球观测卫星可以提供足够数量的年度数据来进行分析和验证 遥感数据被应用于广泛的环境研究，包括建立归一化植被指数(NDVI)数据集、了解生态系统和森林生产力变化及全球碳循环的建模研究表明:在具有单一限制因素，如光照、温度、降水等气候条件下，树木年轮晚材的最大密度与 NDVI 之间存在关联16 这种相关性可以直接比较植物的生长 尽管需要保证显著的相关性，但仍然可以利用这种关联来回答大规模森林生产力的问题，不需要大规模的实地采样Vicente Serrano 等学者使用美国国家海洋和大气管 理 局(NOAA)的 超 高 分 辨 率 传 感 器(AVH)，选取国际树轮数据库(ITDB)内相同时段的树轮数据确认了超过 2/3 地点的 NDVI数据与树轮宽度之间存在关系17 这种关系可用于评估特定森林类型的 NDVI 变化及独特气候状况如长期干旱对全球森林系统的响应树木年轮数据还可以与激光雷达系统18哈尔滨师范大学自然科学学报2022 年 第 38 卷(LiDA)结合，应用领域包括三维森林演示、样本位置识别、物种分类及精确计算植物叶片生物量、茎密度等方面 Hoylman 等学者使用激光雷达测量了整个流域的植物特征和海拔数据，这些遥感数据与树木年轮宽度增长相关联以分析地形海拔对树木生长的影响18 Wagner 等学者结合地面激光雷达(TLS)对树木生长进行体积分析，得到树木在特定时间点的体积和碳储量19 2 4碳 14 年代学碳 14(14C)在陆地和空间科学中有许多应用，可以随着时间的推移重建太阳活动 关于树木年轮的一系列研究也证明树轮内部的记录在自然界是独特的，每个年轮都锁定了其形成时期的大气14C 样本，可以使用标准的树木年代学程序与确切年份相关联 目前对于14C 的研究主要是通过国际放射碳校准曲线，该方法通过已知树龄的 5、10 或 20 个树木年轮连续组合的14C 测量来校准未知树龄样本的放射性碳测定最新研究发现:在树龄不到 10 年的单个树轮序列中捕捉到的14C 变化可能是突然的;14C 在公元 774 775 年上升近 12;在公元 993 994年上升约 9 这些事件现在已经被证实是全球同步的，为一系列新的程序、问题和方