樹木年輪定年原理、取樣方法和分析方法

樹輪年代學(xué)（Dendrochronology），也叫樹輪定年（Tree–ring Dating），是對樹木年輪年代序列的研究，科學(xué)的樹輪年代學(xué)是美國的天文學(xué)者道格拉斯（Douglass）博士于二十世紀(jì)初研究建立起來的。他用樹輪定年法測定了印第安人遺址中殘留樹木的樹輪，明確了遺址的年代，于是這種方法在美國的年代學(xué)研究中得以確立。自從科學(xué)的樹輪年代學(xué)建立以來，樹輪年代學(xué)有了長足的發(fā)展。

      在建立長序列的年輪年表方面，許多國家已經(jīng)建立了不同長度的年表，其中有兩條長序列的年輪年表，一條是利用美國西南部考古遺址出土的木材樣本，構(gòu)建了這一地區(qū)的年代學(xué)框架，建立了上萬年的刺果松（Pinus aristata）年輪年表，另一條是德國建立了不間斷的可延續(xù)到整個全新世的10430年的櫟樹（Quercus）年輪年表。利用長序列年輪年表不但對新石器時代的遺存進(jìn)行了定年，對古建、古美術(shù)的木材樣本進(jìn)行定年，而且對14C 年代進(jìn)行了校正，推測過去一些事件的年代，河流的改道，推測過去社會經(jīng)濟(jì)和文化狀況，聚落的居住史和建筑史等。

   樹輪年代學(xué)主要有兩方面的作用，一方面是利用樹木年輪分析判定過去人類文化遺存的年代，另一方面是對過去氣候（包括溫度、降水）和環(huán)境進(jìn)行重建和研究。

一 、樹輪年代學(xué)的原理
        樹木樹干的形成層每年都有生長活動，春季形成層細(xì)胞分裂快，個大壁薄，在材質(zhì)上表現(xiàn)疏松而色淺，稱為春材；由夏季到秋季，形成層的活動漸次減低，細(xì)胞分裂和生長漸慢，個小壁厚，材質(zhì)上致密而色深稱為秋材。樹木的年輪，就是樹干橫截面上木質(zhì)疏密相間的同心圓圈。每一個年輪的寬度包括當(dāng)年的春材和秋材。多數(shù)溫帶樹種一年形成一個年輪,因此年輪的數(shù)目表示樹齡的多少，年輪的寬窄則與相應(yīng)生長年份的氣候條件密切相關(guān),在干旱年份樹木生長緩慢，年輪就窄，在濕潤年份年輪就寬。

      同一氣候區(qū)內(nèi)同種樹木的不同個體，在同一時期內(nèi)年輪的寬窄規(guī)律是一致的。如果一段樹干內(nèi)層的一段年輪圖譜同另一段樹干外層的年輪圖譜一致，就說明二者有過共同的生長期，生長年代能夠相互銜接。如果我們以現(xiàn)生立木或已知砍伐年代的樹木樣本為時間基點(diǎn)，年代早一些的樣本與之有一部分年輪圖譜重疊，他們就可以銜接，就這樣一直能銜接下去，甚至可以銜接到遠(yuǎn)古時期，這樣就可以建立長序列的樹木年輪年表。
      一旦建立了長序列的樹木年輪年表，就可以對未知年代的木材進(jìn)行分析和定年了。假如從考古遺存中取到木材樣本，首先對該木材樣本進(jìn)行樹輪分析，建立該木材樣本的樹輪圖譜，如果該木材樣本與已建立的合成年輪年表的木材樹種相同、又在同一氣候區(qū)，根據(jù)交叉定年原理與長序列的樹木年輪年表進(jìn)行比較，就可以找到的重合位置，從而確定該木材樣本的絕對年代。

     在溫濕的歐洲地區(qū)，樹輪基本沒有缺失輪，常采用以上交叉定年方法。而在氣候干旱和半干旱的地區(qū)，樹輪中丟輪較多，常采用美國的骨架定年方法，并根據(jù)中國的實(shí)際情況做出適當(dāng)調(diào)整。

二、 樹輪年代學(xué)的分析方法

（一）交叉定年工作程序
      在定年前，對所有的樣本都應(yīng)進(jìn)行一次目估，進(jìn)一步了解每一個樣本年輪的走向、清晰程度、是否有結(jié)疤、病腐等，選取生長正常的部分定年，這不僅有利于假年輪、丟失年輪的確定和識別，定年準(zhǔn)確，測量時不容易出錯，而且在年輪分析時，如果有疑問，還便于回查。
交叉定年工作程序如下：
1、年輪的標(biāo)記
      將打磨好的樣本，由髓心向樹皮方向，每10年用自動鉛筆畫一個小點(diǎn)，每50年在垂直方向畫兩個小點(diǎn)，每100年在垂直方向畫3個小點(diǎn)。
2 、畫骨架圖
      一般采用美國亞利桑那大學(xué)樹木年輪研究實(shí)驗(yàn)室的交叉定年方法，即骨架示意圖方法對樹木年輪進(jìn)行定年。該方法將樹輪寬度序列中的窄輪作為序列之“骨”，識別后即以豎線的長短形式標(biāo)注在坐標(biāo)紙上。如果所視年輪比其兩側(cè)相鄰的年輪相對愈窄，在坐標(biāo)紙相應(yīng)的年份位置上標(biāo)注的豎線就愈長，而平均寬度的年輪不標(biāo)出，以空白表示，極寬的年輪以字母W 標(biāo)注。以此方法在坐標(biāo)紙上標(biāo)識出的窄輪分布型被看作是實(shí)際輪寬變化的“骨架”。每個樣本畫一個骨架圖。
3 、比較
      首先對同一棵樹上的兩個樹芯進(jìn)行比較，是否窄輪重合，如果前一部分重合，后一部分不重合，那么，往后移動一個或幾個年輪后，骨架又重合，說明有可能缺輪，要回到顯微鏡下重新確認(rèn)。確定好后再與另一個樣本用同樣的方法進(jìn)行比較。直到所有的樣本的年輪數(shù)量準(zhǔn)確無誤為止。
4 、年代的確定
     對于活樹的樣芯，最外層年輪的年代是已知的，由于前面幾步定年準(zhǔn)確無誤，那么每個年輪的生長年代就能準(zhǔn)確定年。
如果古木樣本的年輪骨架與現(xiàn)代樣本的年輪骨架重疊，那么每個年輪的生長年代也就能確定了。
這里值的注意的是樣本最后一年的確定的依據(jù)是樹輪的解剖學(xué)特征。比如：如果樣芯是2005年春季、夏季采集的，樹木已經(jīng)開始生長，在顯微鏡下，最后一個完整輪與樹皮之間看到顏色淺的針葉樹種的管胞或闊葉樹種的導(dǎo)管，這說明測量的最后一個年輪就是樹木砍伐年代的前一年或者是取樣年代的前一年，也就是2004年。如果樣芯是2005年秋季到冬季采集的，樹木已經(jīng)停止生長，在顯微鏡下，最后一個完整輪與樹皮之間只有顏色深的晚材細(xì)胞，說明測量的最后一個年輪就是樹木砍伐年代或者是取樣的年代，即2005年。
     對于考古樣本，知道最外層的年輪是否是砍伐年代是非常重要的。因?yàn)橹懒丝撤ツ甏涂梢源_定遺址的年代。
遺憾的是考古遺址中發(fā)掘出的木材經(jīng)常表面腐爛，不知道損失了多少年輪，在這種情況下，我們只能有把握地說，樹木死于或砍伐于最外層年輪的年代之后。

那么，如何確定遺址的年代呢？

第一種情況：如果確定了絕對年代的樣本有樹皮，就可以根據(jù)木材最外層年輪的年代，至少可以卡定這個遺存的上限，也就是說該遺址的年代不早于木材最外層年輪的年代，如果木材是現(xiàn)伐現(xiàn)用的，那么，遺存的年代就能確定。
第二種情況：如果一個遺址中多數(shù)樣本結(jié)束于同一年，說明這些樣本外層木質(zhì)部沒有腐爛，因?yàn)椴豢赡芏鄶?shù)樣本腐爛掉同樣的年輪數(shù)，這種情況也可以卡定這個遺存的上限。如果木材是現(xiàn)伐現(xiàn)用的，那么，遺存的年代就能確定。
第三種情況：如果樣本外邊木質(zhì)部發(fā)現(xiàn)有蟲孔，說明最外層一個年輪接近樹皮。因?yàn)橄x子一般蛀新形成的木質(zhì)部和韌皮部。這些蟲子侵蝕剛砍伐的樹、弱樹或由于其他原因死亡的樹的樹皮。蟲子侵蝕的年輪深度通常只有幾個年輪，因此它們的存在意味著最外層的年輪靠近砍伐年。這種樣本的最外層年輪的年代與遺址的年代接近。
第四種情況：樣本存在部分邊材，可以根據(jù)邊材與心材的關(guān)系確定邊材損失了多少年輪，估計靠近樹皮的年輪的年代。這種樣本估計的最外層年輪的年代與遺址的年代接近。
第五種情況：樣本只有心材，這種樣本就難判定木質(zhì)部損失了多少個年輪，這種樣本最外層年輪的年代與遺址的年代相差較大。

（二） 樣本的測量

      樣本年代確定后，用德國的LINTAB6樹木年輪分析儀測量，該系統(tǒng)測量分辨率為10微米?；蛘哂妹绹a(chǎn)的Velmex樹木年輪分析儀測量輪寬，精度為0.0015 mm。

（三） 樹木年輪年表的建立

       在建立樹木年輪年表之前，首先用專門用于檢查樣芯或樹盤定年和輪寬量測值的COFECHA計算機(jī)程序或用Gleichl?ufigkeit統(tǒng)計量檢查測量的樹輪寬度值的準(zhǔn)確性，利用ARSTAN軟件建立樹輪寬度指數(shù)序列。

三 、取樣方法
       樹輪分析的第一步，就是獲得適當(dāng)?shù)哪静臉颖?。樣本來源很廣，從年代來說，可以是現(xiàn)代的、古代的；從性質(zhì)來說可能是藝術(shù)的，考古發(fā)掘的和亞化石的。從形狀來說可能是圓盤或楔形或長條形或樹芯。另外，可能是干的樣本，也可能是濕的樣本。

（一） 活樹樣本的采集
        活樹樣本取樣，最好遵循下面的原則：選擇受人為影響??；受一個氣候因素制約，如溫度或者降雨；生長在干旱、半干旱地區(qū)、生長條件較差的林緣木和孤立木；高寒地區(qū)和高海拔的森林上限的樹木樣本。
為了保證樹木受到最小的傷害，采樣時，采用較細(xì)的（直徑為4.3 mm）生長錐對活樹進(jìn)行樣芯采樣。取到的樣芯放置在紙吸管或塑料吸管內(nèi)，并在吸管上用油性筆標(biāo)注代碼。紙吸管的優(yōu)點(diǎn)在于可使樣芯中的水分充分揮發(fā)以避免樣芯發(fā)霉，又可對樣芯起保護(hù)作用。若采用塑料吸管放置樣芯，則須在管壁上剪出若干小孔，以便于樣芯中的水分揮發(fā)。

（二） 古木樣本的采集
         凡是年輪數(shù)在100輪以上的木材甚至木炭和化石木都可以作為樹輪分析的樣本。對于考古遺址中出土的古木，用油鋸采集樹盤，對于那些需要保存結(jié)構(gòu)，不易鋸樹盤的，可以采集木材鉆心。樹盤是好的樹輪分析樣本，在一般情況下，取2~3cm厚的樹盤。特別注意的是，如果原木尚有保存完好的樹皮，或有完整邊材的木材，取樣時一定要注意保存，另外不要在主干有側(cè)枝的部位取樹盤，因?yàn)榇颂幠贻啒O不規(guī)則。如果運(yùn)輸不方便也可取楔形樣本，即樹干橫切面上選擇年輪比較規(guī)則，年輪不是太窄的部位，取原盤的1/4或1/8，這是因?yàn)槿绻贻喬菀桩a(chǎn)生不連續(xù)生長輪或斷輪。在取樹盤之前，可以利用手持放大鏡初步觀察一下樣本的質(zhì)量。當(dāng)觀察樣本時，標(biāo)本的觀察面向著光線，如果表面涂一層水，利用光的折射，觀看更清楚，同時要注意方向，必須把木材標(biāo)本近樹皮的一邊向外，把近髓心的一邊靠近身邊，即以射線垂直于胸前，而不要倒過來看，更不要以射線平行胸前來觀察。如果考古遺址有木炭，那么可以把木炭樣本用棉花包裹起來，或浸在聚乙二醇（碳蠟）溶液中保存。如果考古發(fā)掘的木材濕而軟，要用塑料布包裹起來，或冷凍起來。
       樣本的數(shù)量越多越好，這是因?yàn)樵诮徊娑曛?，可以排除由于假生長輪和不連續(xù)生長輪造成的數(shù)據(jù)偏差。而且，大樣本量對最后的統(tǒng)計分析也是很重要的。但是，取大量樣本必然需要大量的人力、物力、才力，因此，如果出土大量原木，最好在帶有樹皮和邊材明顯的木材上取樣，樣本數(shù)為30個。如果出土較少木材，最好每個木材取一個樣本，甚至一個木材上取2個樣本。采集樣本的同時要對樣本進(jìn)行編號和紀(jì)錄。我們?nèi)拥哪康牟粌H僅在于了解樣本的年代，而且要盡可能地了解當(dāng)時的環(huán)境及其對人們生活的影響。因此，樣本的編號和記錄是至關(guān)重要的。樣本的編號最好與考古發(fā)掘的編號一致。樣本記錄應(yīng)記錄采樣地點(diǎn)、樣本代號、樹種、樣本在遺址中的位置（包括水平位置和垂直位置）、采樣人、采樣日期、樣本發(fā)現(xiàn)的原因（發(fā)掘、建筑、道路）等。還應(yīng)繪制取樣地點(diǎn)平面圖、描繪樣本與其它物體的空間聯(lián)系，根據(jù)共存遺物推斷樣本的可能的年代，最好附拍攝照片?？傊M可能多地提供有關(guān)樣本的信息，以便對樹輪研究的結(jié)果進(jìn)行分析。樣本登記表要和樣本上的記錄一致。

注釋
[1] Sutton M. Q., Arkush B. S.. Archaeological Laboratory  Methods, An Introduction. Kendail / Hunt Publishing, 1996, pp295
[2] Stokes, M.A., Smiley, T. L., 1968. An Introduction to Tree-Ring Dating, The University of Chicago Press, Chicago. pp73.

[3]張之恒：《中國考古學(xué)通論》， 南京大學(xué)出版社，1999年。
[4] Eckstein D..  History and present situation of dendrochronology in Germany. In: proceedings of the international dendrochronological symposium. Nara, Japan.February18-19,2000.1-6
[5] 王樹芝：《樹木年代學(xué)研究進(jìn)展》，《考古》 2001年第7期，47-54頁。
[6] 馬利民、胡振國：《干旱區(qū)樹輪年代學(xué)研究中的交叉定年技術(shù)》，《西安工程學(xué)院學(xué)報》第24卷第3期。
[7] 邵雪梅、方修琦、劉洪濱、黃磊：《柴達(dá)木東緣山地千年祁連圓柏年輪定年分析》，《地理學(xué)報》2003年第58卷第1期。
[8] Holmes R. L.. Computer-assisted quality control in tree-ring dating and measurement. Tree-Ring Bulletin 43, 69-75,1983.
[9] Cook  E. R., Holmes R. L.. Guide for computer program ARSTAN. In: Grissino-Mayer H. D., Holmes R. L., Fritts F. C.. The International Tree-Ring Data Bank program library version 2.0 user’s manual, pp. 75-87. University of Arizona, Tucson, Arizona, 1996.

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