树木年轮定年原理、取样方法和分析方法

       树轮年代学（Dendrochronology），也叫树轮定年（Tree–ring Dating），是对树木年轮年代序列的研究，科学的树轮年代学是美国的天文学者道格拉斯（Douglass）博士于二十世纪初研究建立起来的。他用树轮定年法测定了印第安人遗址中残留树木的树轮，明确了遗址的年代，于是这种方法在美国的史前年代学研究中得以确立。自从科学的树轮年代学建立以来，树轮年代学有了长足的发展。

      在建立长序列的年轮年表方面，许多国家已经建立了不同长度的年表，其中有两条长序列的年轮年表，一条是利用美国西南部考古遗址出土的木材样本，构建了这一地区的史前年代学框架，建立了上万年的刺果松（Pinus aristata）年轮年表，另一条是德国建立了不间断的可延续到整个全新世的10430年的栎树（Quercus）年轮年表。利用长序列年轮年表不但对新石器时代的遗存进行了定年，对古建、古美术的木材样本进行定年，而且对14C 年代进行了校正，推测过去一些事件的年代，河流的改道，推测过去社会经济和文化状况，聚落的居住史和建筑史等。

   树轮年代学主要有两方面的作用，一方面是利用树木年轮分析判定过去人类文化遗存的年代，另一方面是对过去气候（包括温度、降水）和环境进行重建和研究。

一 、树轮年代学的原理
        树木树干的形成层每年都有生长活动，春季形成层细胞分裂快，个大壁薄，在材质上表现疏松而色浅，称为春材；由夏季到秋季，形成层的活动渐次减低，细胞分裂和生长渐慢，个小壁厚，材质上致密而色深称为秋材。树木的年轮，就是树干横截面上木质疏密相间的同心圆圈。每一个年轮的宽度包括当年的春材和秋材。多数温带树种一年形成一个年轮,因此年轮的数目表示树龄的多少，年轮的宽窄则与相应生长年份的气候条件密切相关,在干旱年份树木生长缓慢，年轮就窄，在湿润年份年轮就宽。

      同一气候区内同种树木的不同个体，在同一时期内年轮的宽窄规律是一致的。如果一段树干内层的一段年轮图谱同另一段树干外层的年轮图谱一致，就说明二者有过共同的生长期，生长年代能够相互衔接。如果我们以现生立木或已知砍伐年代的树木样本为时间基点，年代早一些的样本与之有一部分年轮图谱重叠，他们就可以衔接，就这样一直能衔接下去，甚至可以衔接到远古时期，这样就可以建立长序列的树木年轮年表。
      一旦建立了长序列的树木年轮年表，就可以对未知年代的木材进行分析和定年了。假如从考古遗存中取到木材样本，首先对该木材样本进行树轮分析，建立该木材样本的树轮图谱，如果该木材样本与已建立的合成年轮年表的木材树种相同、又在同一气候区，根据交叉定年原理与长序列的树木年轮年表进行比较，就可以找到唯一的重合位置，从而确定该木材样本的绝对年代。

     在温湿的欧洲地区，树轮基本没有缺失轮，常采用以上交叉定年方法。而在气候干旱和半干旱的地区，树轮中丢轮较多，常采用美国的骨架定年方法，并根据中国的实际情况做出适当调整。

二、 树轮年代学的分析方法

（一）交叉定年工作程序
      在定年前，对所有的样本都应进行一次目估，进一步了解每一个样本年轮的走向、清晰程度、是否有结疤、病腐等，选取生长正常的部分定年，这不仅有利于假年轮、丢失年轮的确定和识别，定年准确，测量时不容易出错，而且在年轮分析时，如果有疑问，还便于回查。
交叉定年工作程序如下：
1、年轮的标记
      将打磨好的样本，由髓心向树皮方向，每10年用自动铅笔画一个小点，每50年在垂直方向画两个小点，每100年在垂直方向画3个小点。
2 、画骨架图
      一般采用美国亚利桑那大学树木年轮研究实验室的交叉定年方法，即骨架示意图方法对树木年轮进行定年。该方法将树轮宽度序列中的窄轮作为序列之“骨”，识别后即以竖线的长短形式标注在坐标纸上。如果所视年轮比其两侧相邻的年轮相对愈窄，在坐标纸相应的年份位置上标注的竖线就愈长，而平均宽度的年轮不标出，以空白表示，极宽的年轮以字母W 标注。以此方法在坐标纸上标识出的窄轮分布型被看作是实际轮宽变化的“骨架”。每个样本画一个骨架图。
3 、比较
      首先对同一棵树上的两个树芯进行比较，是否窄轮重合，如果前一部分重合，后一部分不重合，那么，往后移动一个或几个年轮后，骨架又重合，说明有可能缺轮，要回到显微镜下重新确认。确定好后再与另一个样本用同样的方法进行比较。直到所有的样本的年轮数量准确无误为止。
4 、年代的确定
     对于活树的样芯，最外层年轮的年代是已知的，由于前面几步定年准确无误，那么每个年轮的生长年代就能准确定年。
如果古木样本的年轮骨架与现代样本的年轮骨架重叠，那么每个年轮的生长年代也就能确定了。
这里值的注意的是样本最后一年的确定的依据是树轮的解剖学特征。比如：如果样芯是2005年春季、夏季采集的，树木已经开始生长，在显微镜下，最后一个完整轮与树皮之间看到颜色浅的针叶树种的管胞或阔叶树种的导管，这说明测量的最后一个年轮就是树木砍伐年代的前一年或者是取样年代的前一年，也就是2004年。如果样芯是2005年秋季到冬季采集的，树木已经停止生长，在显微镜下，最后一个完整轮与树皮之间只有颜色深的晚材细胞，说明测量的最后一个年轮就是树木砍伐年代或者是取样的年代，即2005年。
     对于考古样本，知道最外层的年轮是否是砍伐年代是非常重要的。因为知道了砍伐年代，就可以确定遗址的年代。
遗憾的是考古遗址中发掘出的木材经常表面腐烂，不知道损失了多少年轮，在这种情况下，我们只能有把握地说，树木死于或砍伐于最外层年轮的年代之后。

那么，如何确定遗址的年代呢？

第一种情况：如果确定了绝对年代的样本有树皮，就可以根据木材最外层年轮的年代，至少可以卡定这个遗存的上限，也就是说该遗址的年代不早于木材最外层年轮的年代，如果木材是现伐现用的，那么，遗存的年代就能确定。
第二种情况：如果一个遗址中多数样本结束于同一年，说明这些样本外层木质部没有腐烂，因为不可能多数样本腐烂掉同样的年轮数，这种情况也可以卡定这个遗存的上限。如果木材是现伐现用的，那么，遗存的年代就能确定。
第三种情况：如果样本外边木质部发现有虫孔，说明最外层一个年轮接近树皮。因为虫子一般蛀新形成的木质部和韧皮部。这些虫子侵蚀刚砍伐的树、弱树或由于其他原因死亡的树的树皮。虫子侵蚀的年轮深度通常只有几个年轮，因此它们的存在意味着最外层的年轮靠近砍伐年。这种样本的最外层年轮的年代与遗址的年代接近。
第四种情况：样本存在部分边材，可以根据边材与心材的关系确定边材损失了多少年轮，估计靠近树皮的年轮的年代。这种样本估计的最外层年轮的年代与遗址的年代接近。
第五种情况：样本只有心材，这种样本就难判定木质部损失了多少个年轮，这种样本最外层年轮的年代与遗址的年代相差较大。

（二） 样本的测量

      样本年代确定后，用德国的LINTAB6树木年轮分析仪测量，该系统测量分辨率为10微米。或者用美国生产的Velmex树木年轮分析仪测量轮宽，精度为0.0015 mm。

（三） 树木年轮年表的建立

       在建立树木年轮年表之前，首先用专门用于检查样芯或树盘定年和轮宽量测值的COFECHA计算机程序或用Gleichläufigkeit统计量检查测量的树轮宽度值的准确性，利用ARSTAN软件建立树轮宽度指数序列。

三 、取样方法
       树轮分析的第一步，就是获得适当的木材样本。样本来源很广，从年代来说，可以是现代的、古代的；从性质来说可能是艺术的，考古发掘的和亚化石的。从形状来说可能是圆盘或楔形或长条形或树芯。另外，可能是干的样本，也可能是湿的样本。

（一） 活树样本的采集
        活树样本取样，最好遵循下面的原则：选择受人为影响小；受一个气候因素制约，如温度或者降雨；生长在干旱、半干旱地区、生长条件较差的林缘木和孤立木；高寒地区和高海拔的森林上限的树木样本。
为了保证树木受到最小的伤害，采样时，采用较细的（直径为4.3 mm）生长锥对活树进行样芯采样。取到的样芯放置在纸吸管或塑料吸管内，并在吸管上用油性笔标注代码。纸吸管的优点在于可使样芯中的水分充分挥发以避免样芯发霉，又可对样芯起保护作用。若采用塑料吸管放置样芯，则须在管壁上剪出若干小孔，以便于样芯中的水分挥发。

（二） 古木样本的采集
         凡是年轮数在100轮以上的木材甚至木炭和化石木都可以作为树轮分析的样本。对于考古遗址中出土的古木，用油锯采集树盘，对于那些需要保存结构，不易锯树盘的，可以采集木材钻心。树盘是最好的树轮分析样本，在一般情况下，取2~3cm厚的树盘。特别注意的是，如果原木尚有保存完好的树皮，或有完整边材的木材，取样时一定要注意保存，另外不要在主干有侧枝的部位取树盘，因为此处年轮极不规则。如果运输不方便也可取楔形样本，即树干横切面上选择年轮比较规则，年轮不是太窄的部位，取原盘的1/4或1/8，这是因为如果年轮太窄，容易产生不连续生长轮或断轮。在取树盘之前，可以利用手持放大镜初步观察一下样本的质量。当观察样本时，标本的观察面向着光线，如果表面涂一层水，利用光的折射，观看更清楚，同时要注意方向，必须把木材标本近树皮的一边向外，把近髓心的一边靠近身边，即以射线垂直于胸前，而不要倒过来看，更不要以射线平行胸前来观察。如果考古遗址有木炭，那么可以把木炭样本用棉花包裹起来，或浸在聚乙二醇（碳蜡）溶液中保存。如果考古发掘的木材湿而软，要用塑料布包裹起来，或冷冻起来。
       样本的数量越多越好，这是因为在交叉定年中，可以排除由于假生长轮和不连续生长轮造成的数据偏差。而且，大样本量对最后的统计分析也是很重要的。但是，取大量样本必然需要大量的人力、物力、才力，因此，如果出土大量原木，最好在带有树皮和边材明显的木材上取样，样本数为30个。如果出土较少木材，最好每个木材取一个样本，甚至一个木材上取2个样本。采集样本的同时要对样本进行编号和纪录。我们取样的目的不仅仅在于了解样本的年代，而且要尽可能地了解当时的环境及其对人们生活的影响。因此，样本的编号和记录是至关重要的。样本的编号最好与考古发掘的编号一致。样本记录应记录采样地点、样本代号、树种、样本在遗址中的位置（包括水平位置和垂直位置）、采样人、采样日期、样本发现的原因（发掘、建筑、道路）等。还应绘制取样地点平面图、描绘样本与其它物体的空间联系，根据共存遗物推断样本的可能的年代，最好附拍摄照片。总之，要尽可能多地提供有关样本的信息，以便对树轮研究的结果进行分析。样本登记表要和样本上的记录一致。

注释
[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]张之恒：《中国考古学通论》， 南京大学出版社，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] 王树芝：《树木年代学研究进展》，《考古》 2001年第7期，47-54页。
[6] 马利民、胡振国：《干旱区树轮年代学研究中的交叉定年技术》，《西安工程学院学报》第24卷第3期。
[7] 邵雪梅、方修琦、刘洪滨、黄磊：《柴达木东缘山地千年祁连圆柏年轮定年分析》，《地理学报》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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