【树木年轮年代学及其在环境研究中的应用】
树木年轮年代学是一门研究树木年轮及如何精确确定年轮形成年代的科学。随着年轮测量和分析技术的提高，把已经定年的树轮资料用于气候、水文、冰川过程及森林火灾、昆虫大发生、环境评价及空气污染等领域的研究工作有了迅速发展。在中国，应用树轮研究过去气候变化趋势，定量重建局部地区气候变化的研究也取得明显进展。
树轮分析中，首先需获得准确的年轮形成年代，交叉定年就是准确确定年轮系列中各年轮形成年代的分析过程。其理论依据是：在一定地区，当影响树木生长的限制因子相同或相似时，该因子将影响这一地区大多数树木的年轮宽度。随着它的波动，大多数树木的年轮宽度系列也会出现与之同步的变化。当同一样本附近不同树木之间年轮宽度变化的相关性和样本均足够大时，各年轮形成的年代就可被确定下来。如不经过交叉定年，只凭少数样本是不可能获得精确的年轮年表的。因为即使是针叶林，随着环境条件的不同，尤其是微环境，1年之内也可能生长2轮、2轮以上(伪轮)或不生长(遗失轮)。所以，只有通过交叉定年，才能识别。树木年轮的形成，还受树龄本身的系统影响。通常，随着树龄由小到大，直径生长由慢到快，直至达最大生长速率后又开始逐渐下降，最后自然死亡。显然，要从不同样本之间的树轮中获得可靠的环境变化信息，就必须消除这种影响。所谓标准化就是消除树龄对年轮宽度变化影响的过程。另一个重要的概念是自相关。它有两层含义，一是指两组不同时间系列间相互联系的大小；二是指同一时间系列中不同时刻间相关的大小。某一年(如t年)树木年轮宽度(即t年直径生长)不仅与当年内外因素有关，而且与t年前，如t－1年或t－2年等的年轮宽度有关。这种某一年的年轮宽度与以前年轮变化的相关性称为自相关，与前1年的相关称为1阶自相关，与前2年的相关称为2阶自相关等。在分析环境变化对年轮的影响时，必须时刻注意树木年轮中的这种自相关特性。树木年轮分析在CO2问题研究中的应用表现在以下几方面：1．对大气CO2浓度变化的指示作用。近代，大量化石燃料的燃烧，一方面使大气中CO2浓度升高，如从1958年的315ppm上升到1982年的342ppm；另一方面，也使大气中的碳同位素含量C13［10］减少。众所周知，植物直接吸收大气圈内的CO2，因此，C13／C12比值的下降趋势在树木年轮中也应存在。Long等测定了美国西部刺果松年轮中的C13／C12后发现，过去600年来，生长于森林分布上线附近的树木年轮中的C13／C12的长期变化趋势与大气CO2含量变化趋势为负相关。Farmer等曾利用树木年轮中C13／C12的比值与大气CO2浓度的关系。估测1900年的大气CO2浓度，他们根据测得的年轮中(一株欧洲白栎、一株欧洲落叶松)C13／C12与硫酸盐标准(PDB)的C13／C12相偏离的千分数(δ13C)，即：
根据计算得到1900年的δ13C和1964年的δ13C及实测得到的1964年CO2浓度和化石CO2的δ13Cf，根据下式估测1900年的大气CO2浓度为：
这一估测结果与公认的1900年大气CO2浓度290mg／g几乎相同。树木年轮中C13／C12的变化还受其他因素的影响。Francey和Frquhar曾提出一个植物体内碳稳定性同位素的分馏模型(Fractionation model)，认为植物中δ13C不仅是大气CO2δ13C的函数，而且也是植物体内外CO2浓度的函数，即
δ13C植内=δ13C植外－a－(b－a)·C植内／C植外式中，a是与在CO2扩散中同位素分馏有关的常数；b是描述碳同化分馏的常数。植物体内外CO2浓度比与CO2同化速率和气孔传导性有关。即：
C植内=C植外－A／g
式中，A是CO2同化速率，g是气孔传导系数。
2．检测植物对大气CO2增多的反应。随着大气CO2浓度的不断上升，一方面须考虑其温室效应对地球生态系统的影响，另一方面在评价全球碳平衡模型时也必须考虑到它对植物的施肥效应。CO2气体是植物光合作用的原料，其浓度的上升，对自然状况下植物的直接影响，目前尚不清楚且无一满意的检测方法。已经证明，在控制条件下，CO2浓度增高可提高农作物的产量和树木的生长，树木年轮可反应长时间内树木生长的情况，含有各种环境因素的变化信息。所以，有可能成为检测近代大气CO2增多对植物直接影响的工具。LaMarche等曾提出大气CO2增多能促进高海拔地区树木生长的假说。1974年他们发现取自美国西部高海拔地区的一种高山松和刺果松从1840年至1970年生长加速(即年轮宽度变大)，当时认为这一正生长趋势是由于1960年以前的季节性温度上升所致。后来对另一种高山松取样分析，发现这种正生长趋势在70年代持续甚至加速，为检验这一结果，再次在加利佛尼亚东部高海拔(3400～3500m)的树木分布上线对刺果松取样，发现刺果松的正生长趋势一直持续到1983年。从1850年至1889年的0．34mm／d提高到1974年至1983年的0．70mm／d，提高了106%。用气候因子，如历年各季度降水，温度变化或树木生理过程均不能解释。因此，他们提出是由于近代大气CO2增高促进了高海拔地区刺果松的生长。随着海拔高度的上升，大气压下降，单位体积中CO2的浓度也下降，使大气与植物叶面间的CO2扩散梯度减小，植物对CO2的吸收也降低，导致高海拔地区的植物光合速率低于低海拔地区的植物。随着大气CO2浓度的升高，植物对CO2吸收增加，光合作用增强，最终促进了植物的生长。在不同CO2水平处理下，生长3个生长季的火炬松幼苗，随着CO2浓度的提高，直径生长明显增大，而密度变化不明显。夏冰等分析了中国气候工作者发表的一些对气候变化敏感的树木年表，发现一些年表近代以来也有增大趋势。李兆元等取自陕西华山西峰的华山松年轮年表，自1950年以来也呈增大趋势。3．大气圈与生物圈之间CO2的交换。大气CO2浓度在1年内具有季节性波动。根据1968～1982年遍布南北半球23个观测站的检测，一年内大气CO2浓度季节性波动随纬度不同而异，变化最大的是北半球高纬度地区，达15个ppm。北美和欧洲的森林分布边际地区，即北纬50～70度，属于高纬度地区，据认为是研究CO2在陆地生物与大气之间相互作用的重要地区。Tucker等利用卫星监测资料设计了反应陆地植物光合作用在时间，空间上变化的标准化差异植被指数NCVI，发现在生长季(NDVI)与大气CO2浓度之间具有负对应关系。将NDVI代入3D大气示踪转换模型可成功地重建所观测到的CO2波动。长期的NDVI记录值就可以提供一年内或长期的植物光合作用变化及其与大气CO2波动的关系。D’Arrigo等利用3D示踪模型和树木年轮资料研究了阿拉斯加Barrow的大气CO2波动，发现4个白云杉的年轮年表中，1971至1982年间的树木年轮指数与Barrow的CO2年吸收指标具较强的正相关，经典范回归分析，用这4个年表估计的Barrow地区1971～1982年CO2吸收值与从美国海洋与大气管理局气候变化地球物理监测资料计算出的吻合相当好。虽然这一结果由于记录年代短而没有进行统计显著性检验，仍可说明北半球高纬度地区的树木年轮中含有的信息，可指示陆地生物对大气CO2季节性波动的影响。树木年轮分析还可应用在空气污染对植物的影响方面。其假设是：空气污染引起植物伤害，使生长衰退或死亡，并在树木年轮指数中反映出来。已知酸雨可使土壤溶液中铅、铁浓度增加，如果树木中各元素的化学组成能反映土壤溶液中铅、铁等元素含量的变化，那么树木年轮中铅、铁的变化就可用来推断过去酸雨和自然界的金属沉降情况。已有一些研究报告支持这一假说，Base和Mclaughlin提出利用树木年轮中多元素含量分析法推断过去和现在的空气污染情况，他们采集了美国田纳西橡树岭和大雾山国家公园中几个样地上的8株硬木树种、6株针叶树种的树芯样品，分析其年轮中各元素含量，发现大雾山的短针松1863～1912年期间发生过生长衰退，且伴随有铁元素含量升高。60年代以来大雾山和橡树岭的短针松同时出现生长衰退现象，同时也伴随有铁和其他元素(铝、钛、铜、锰、镉等)的含量上升。他们认为，1863～1912年间的生长衰退是由于附近冶炼含有铁铜硫化物的矿石并无控制地大量排放SO2和其他燃烧物造成的。近几十年生长的衰退则是由于化石燃料的使用增多所致。同时发现，短针松的生长衰退与木质部中某些元素的累积速率有关，1950年以前与铝、锌的累积速率相关，1950年以后则只与铝累积速率相关。Frelich等利用威斯康星州东南至西北降雨中pH和SO42－离子强度的梯度(10～31．62μmol／L)，分析测定了这一酸雨梯度上的3个样地中的北美乔松和槭树的胸高生长断面积及木质部的化学元素组成，发现降雨中SO42－量多的样地上，槭树木质部中S的含量高于其他2个样地。Guyette等在研究北美圆柏年轮中硫和钼关系时也发现，年轮中S含量近代以来明显增大；且钼含量随着硫的增大而减少。他们认为，前者与大气中SOx的沉降有关，后者则是由于土壤酸化后(即pH减小)，土壤中植物可利用的钼减少所致。Bondietti等在研究用年轮中阳离子比率来指示大气酸沉降对植物的影响时发现，年轮中铝／钙比及镁等2价阳离子近代以来以不曾有过的方式增大，同时伴随着直径生长的下降。这种上升趋势与当地过去SOx和NOx排放量的上升趋势一致。用年轮中多元素分析法研究过去和现在的空气污染和空气质量变化是很有潜力的，但有待进一步深化和和改进。如年轮中元素含量的定义，除用单位干重中元素含量表示外，是否可考虑用单位时间、断面积、体积中元素含量表示；土壤环境条件及其元素含量、各种离子状态与年轮中对应元素含量的关系；空气污染(主要指酸沉降)对土壤特性及由此产生的对树木生长和年轮中有关元素含量的影响；有关元素在木质部中横向流动情况的研究，尤其是阔叶树种边材和心材之间的横向流动情况等。(江苏省植物研究所夏冰、杨开红、兰涛撰)