全 文 ：树 木 年 代 学 的 研 究 进 展*
方克艳1**摇 陈秋艳2 摇 刘昶智2 摇 曹春福1 摇 陈亚君1 摇 周非飞1
( 1福建师范大学湿润亚热带生态鄄地理过程省部共建教育部重点实验室 /地理科学学院, 福州 350007; 2兰州大学西部环境教
育部重点实验室 /西部环境与气候变化研究院, 兰州 730000)
摘摇 要摇 我国树木年代学研究自 20 世纪 90 年代以来取得了长足进展,尤其是树木年轮气候
学研究已经在国际上有一定影响.然而,我国树木年代学研究发展相对不均衡,其他树木年轮
分支学科的发展相对较弱.本文综述国内外树木年代学不同分支学科研究进展,对比我国树
木年代学研究现状和国际研究概况,为我国树木年代学不同分支学科的研究提出建议.我国
未来树木年轮气候学研究应在开展大量不同区域树木年轮气候学重建基础上,尝试选用不同
数理方法和多树木年轮指标(宽度、密度、同位素和木材解剖学指标)进行长时间尺度和大空
间范围重建工作,并通过诊断方法和过程模拟方式讨论重建时段的气候机制.
关键词摇 树木年代学摇 树木年轮气候学摇 木材解剖摇 林线动态
文章编号摇 1001-9332(2014)07-1879-10摇 中图分类号摇 P461摇 文献标识码摇 A
Research advances in dendrochronology. FANG Ke鄄yan1, CHEN Qiu鄄yan2, LIU Chang鄄zhi2,
CAO Chun鄄fu1, CHEN Ya鄄jun1, ZHOU Fei鄄fei1 ( 1Ministry of Education Key Laboratory of Humid
Subtropical Eco鄄geographical Process / College of Geographical Sciences, Fujian Normal University,
Fuzhou 350007, China; 2Ministry of Education Key Laboratory of Western China爷 s Environmental
Systems / Institute of Arid Environment & Climate Change, Lanzhou University, Lanzhou 730000,
China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(7): 1879-1888.
Abstract: Tree鄄ring studies in China have achieved great advances since the 1990s, particularly for
the dendroclimatological studies which have made some influence around the world. However, be鄄
cause of the uneven development, limited attention has been currently paid on the other branches of
dendrochronology. We herein briefly compared the advances of dendrochronology in China and of
the world and presented suggestions on future dendrochronological studies. Large鄄scale tree鄄ring
based climate reconstructions in China are highly needed by employing mathematical methods and a
high quality tree鄄ring network of the ring鄄width, density, stable isotope and wood anatomy. Tree鄄
ring based field climate reconstructions provide potentials on explorations of climate forcings during
the reconstructed periods via climate diagnosis and process simulation.
Key words: dendrochronology; dendroclimatology; wood anatomy; treeline dynamics.
*国家自然科学基金项目(41171039,41210002)和 2012 年度福建省
“闽江学者奖励计划冶项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: kujanfang@ gmail. com
2013鄄10鄄31 收稿,2014鄄04鄄29 接受.
摇 摇 通过交叉定年技术的创立[1-2],树木年代学作
为一种定量分析手段不断发展成熟,并被广泛应用
于不同领域,从而形成不同的树木年代学分支学科,
包括树木年轮考古学(dendroarcheology)、树木年轮
生物学(dendrobiology)、树木年轮气候学、树木年轮
水文学( dendrohydrology)和树木年轮冰川学( den鄄
droglaciology)等.本文综述树木年轮生物学、树木年
轮生态学和树木年轮气候学研究概况,展望各分支
学科在我国的应用前景.
树木年轮生物学作为树木年轮学的基础,利用
木材解剖手段,了解树木年轮与环境的相互作用原
理,并试图为树木年代学其他领域研究提供新的手
段和指标.树木年轮生态学通过探讨树木年轮鄄环境
作用关系,为树木年轮气候重建提供基础[2];树木
年轮鄄环境关系本身也指示环境演变,如全球变
暖[3-4]、CO2浓度升高[5-7]对森林生态系统影响以及
推测森林生态系统对全球变化的反馈作用[8] . 而火
灾、虫灾、地震、地质灾害(如滑坡等)在树木年轮中
的记录依然是树木年轮生态学关注的热点[9-10] . 树
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 7 月摇 第 25 卷摇 第 7 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2014, 25(7): 1879-1888
木年轮气候学可能是树木年代学应用最为广泛的领
域,从单点气候重建[11-17] 到面域网络气候重
建[18-22],从基于活树年表的重建到使用更长时间尺
度活树和亚化石样本的重建[23-24];现在这种大空间
范围和长时间尺度的气候重建正从美洲和欧洲逐步
扩展到其他树木年轮重建相对不足的地区.
1摇 树木年轮生物学
年轮是树木在径向生长过程中,由于气候交替
的明显变化,如温带的冬季和部分热带地区的干季,
气候抑制树木生长而形成的轮状结构. 裸子植物的
针叶树,因为没有导管,又被称为无孔材,在生长季
早期,其细胞大,细胞壁薄,颜色浅;而在生长季末
期,其生长减速,形成显著的年轮界限,所以树木年
代学研究侧重研究针叶树[2] . 而双子叶被子植物乔
木中,环孔材早晚材间导管大小有明显区别,易于分
析;散孔材的年轮,其管孔分布均匀,尤其是在热带
地区难以区分.树木在生长季内,由于受到干旱等气
候突变的影响,可能使其生长中断,一年内形成两个
或多个年轮,即伪年轮(false ring).伪年轮的界限一
般不如正常年轮那样明显,通常呈不规则的圆圈状.
偶尔在老树或受压木中的某些年轮,本身呈不完整
的一环,它的起点和终点都在相邻的年轮上,这种年
轮称为不连续年轮.在气候恶劣的条件下,树干基部
则可能出现缺轮.如果早春发生冻害等灾害,可能出
现霜轮,即层内有冻死细胞,有些导管和薄壁细胞出
现畸形.霜轮的形成需要特殊环境条件,因此也被应
用于过去极端事件的研究中,如推测过去火山爆发
造成忽然降温的年份[25] .树木年轮的生长突变还包
括密度异常增大的反应木( reaction wood),它是由
于树木形成层生长受到压力或挤压形成的. 树木年
轮生物学研究显示树木生长过程以及气候变化对树
木生长的影响,是树木年轮生态学和树木年轮气候
学等分支学科的基础. 通过对树木径向生长的测量
可以知道年轮形成的时间段和形成层活动强度的改
变,调查其与环境因子的联系为进一步研究树木年
轮鄄环境关系提供基础.研究发现,对于环孔材树木,
其年内生长量变化表现出 2 个生长高峰时期,第一
个生长高峰时期发生在芽爆发时,另一个时期发生
在树叶已经完全成形后[2] .生长在相同环境条件下
的散孔材树木则表现出不同的生长趋势,它只有与
环孔材树木相似的第二个生长高峰,而没有第一个
生长高峰[2] .高分辨率的植物茎杆生长测量仪的一
大贡献是可以得出树木生长季内生长指数的日变化
曲线[26] .多数研究发现,树干径向最低生长值发生
在中午到下午之间,而最大生长值出现在早
晨[27-28] .
我国在西部地区开展了树木生理监测和微树芯
连续采样的工作,以期更好地理解树木生长对气候
因子响应,服务于树木年轮气候重建. 有研究发现,
青藏高原东北部地区宽度形成集中在 5、6 月份,这
指示了重建该时段气候变化的可行性[29] .我国树木
生理学研究发现,幼龄树生长季长于老龄树,这说明
选择样本用于气候重建的时候应该尽量考虑年龄相
近的样本[30] .不过树木年轮生理监测在我国温暖、
湿润的东部和南方地区开展的相对较少,不利于拓
展这些区域其他树木年代学分支学科研究的开展.
另外,树木生理监测研究需要更好地服务于树木年
轮生态学和树木年轮气候重建,找出适合进行气候
重建的因子,避免出现树木年轮生物学和其他分支
学科出现脱节的情况.同时,监测研究应该与模型模
拟研究结合开展,以期更好地理解树木生理过程对
气候变化的响应.
树木年轮生物学通过探索不同树种和不同木材
解剖学指标的树木年代学潜力和不同区域开展树木
年代学研究的可能性,拓展树木年代学的研究.这样
树木年代学研究从主要集中在环北极和温带地区,
逐渐扩展到以前很少开展工作的热带地区. Schwe鄄
ingruber[31]指出,树木年代学研究应该调查所有多
年生木本植物的树木年代学潜力,包括从温带到热
带的乔木、灌木和矮生植物.大量研究调查了不同树
种的树木年代学潜力,并加入到国际树木年轮树种
数据库(www. wsl. ch / dbdendro / species).例如,Liang
和 Eckstein[32]发现,一种在青藏高原比乔木分布更
为广泛的散孔材高山杜鹃(Rhododendron nivale)具
有树木年代学研究的潜力,方便探究一些不生长乔
木区域的极端气候事件等.相对而言,我国对可以用
于树木年代学研究的树种,尤其是木材解剖学指标
的研究不足.树木年轮生物学还探索不同木材解剖
学,如管胞面积、管胞数量、细胞壁厚度、木质部细胞
数量等指标对气候变化的响应,为树木年轮生态学
和树木年轮气候学研究提供新指标[33] .这方面我国
的研究相对薄弱,利用木材解剖学指标开展重建的
工作相对不足.我国大量的树木年代学研究集中在
西部寒冷和干旱地区,而温暖、湿润地区树木年代学
研究相对匮乏.这在很大程度上是由于这些区域树
木年轮对气候变化可能不够敏感、序列不够长,因
此,加大树木年轮生物学调查,找出适合开展树木年
0881 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
轮生态学和树木年轮气候学研究的树种或是木材解
剖学指标,将对我国树木年代学研究起到极大促进
作用.例如,国外有研究发现,福建柏(Fokienia hod鄄
ginsii)能很好地响应干旱气候,并且序列可长达数
百年[34];我国福建地区也发现该树种可以用于树木
年轮气候重建[35] .
2摇 树木年轮生态学
Schweingruber[31]提出的广义树木年轮生态学
包括所有从树木年轮序列中获取环境信息的研究方
向,如树木年轮构造学(dendrotectonics)、树木年轮
地形学( dendrogeomorphology). 该定义除了树木年
轮考古定年和14C定年校正等仅用于定年信息的领
域外,几乎涵盖了所有树木年代学分支学科.为了便
于区分树木年代学其他主要分支学科,目前多数采
用 Fritts和 Swetnam[33]的定义,即利用树木年代学技
术探讨,如特殊生态事件、森林干扰、环境或水文条
件变化及与环境变化有关的动物群体与行为变化的
学科.为了区别于树木年轮气候学研究,本节讨论的
树木年轮生态学仅限于树木个体和种群对环境变化
的响应,以及狭义生态学定义的森林特殊生态事件
和森林动态的研究[33] .
2郾 1摇 树木年轮生长对气候变化的响应
树木个体与气候的响应关系是进行树木年轮气
候重建的基础,同时也是探讨森林碳循环在全球变
化背景下改变的重要指标.因为树木年轮指标,如树
木年轮宽度,本身也是林木蓄积量和森林净初级生
产力的重要指标[36-37] .主要由树木构成的森林生态
系统作为陆地生态系统最大的碳汇,可以反馈气候
变化,即通过吸收大气 CO2减缓全球变暖进程,因此
被认为是碳循环中的重要环节之一[36] . Krakauer 和
Randerson[37]根据树木年轮宽度资料研究火山过去
爆发历史对森林净生产力的影响,发现火山爆发造
成的全球温度降低对中高海拔树木生长造成持续的
负面影响,低树木生长量持续时间要长于火山爆发
造成的低温年份持续时间. 树木年轮气候关系的研
究,主要通过统计学手段,如相关分析或响应分析,
分析其线性关系[2],以及通过更为复杂的生理模型
分析,如 V鄄S模型[29,38-41],分析其非线性关系. 已有
大量研究讨论树木年轮气候响应的线性关系,本文
侧重讨论树木年轮气候响应的非线性特征,深入分
析树木年轮气候的非线性响应关系,有助于更好地
提取树木年轮中的气候信息.
树木年轮气候的非线性关系一方面是由于树木
年轮对单个气候因子的响应往往表现为非线性特
征,如呈现出倒“U冶型响应特征,即生态幅原理. 树
木年轮线性重建往往选择在环境因子相对树木年轮
生长较恶劣的区域,也就是避免环境因子“满足冶树
木年轮生长的区域,因为这些区域的树木年轮气候
的响应呈现非线性特征[2] . 另一方面,影响树木年
轮生长的不同环境因子之间可能存在相互作用,如
某个因子对树木年轮限制性下降的时候,另一个环
境因子起到了补充作用,这样导致树木年轮对单个
气候因子的响应呈现出非线性特征,不仅如此,不同
月份的同一个气候因子之间也存在这种互补效
应[42] .这要求树木年轮气候重建尽量选取对单个气
候因子响应敏感,或者重建的指标包括了这些主要
影响的气候因子.如我国北方有大量的树木年轮对
干旱指数的响应高于对单个温度和降水的响
应[43-44],这是由于温度和降水都对北方干旱半干旱
区域的树木年轮生长存在影响,而干旱指数包括了
温度和降水变化的信息.最后,一些生理生态因子也
可能影响树木年轮年表与气候变化的非线性关系.
例如,不同树种和同一树种不同年龄段之间都可能
对相同气候因子响应不同,利用不同树种或同一树
种不同年龄段树木年轮建立的年表可能对气候变化
存在非线性响应特征[45-46] .然而,另有研究发现,我
国祁连园柏( Juniperus przewalskii)对气候变化的响
应关系受树龄的影响不大[47] .
树木年轮气候响应非线性特征的主要表现之一
是近年来出现树木年轮气候响应的分异现象(diver鄄
gence problem) [48-53] .有研究发现,在环北极等主要
呈现温度响应的区域,近几十年特别是 20 世纪 80
年代之后,出现树木对温度升高敏感度降低的现
象[47-51],有些甚至出现生长降低现象,对基于树木
年轮温度稳定响应关系的气候重建提出重大挑战,
也让人们进一步审视温度升高可能出现树木生长加
速所带来的负反馈.不少研究在高海拔、接近林线处
发现类似对气候的敏感性降低现象[54-56] .
出现分异现象的一些可能原因包括:大气 SO2
浓度和紫外线强度的增加可能直接伤害树木,降低
树木径向生长量[57-58],大气气溶胶含量和云量的增
加也可能通过降低太阳辐射而间接降低树木的生
长[50],导致与气温升高出现相反趋势. 这些人为活
动的影响在对环北极的高海拔地区表现更为显著,
也与出现分异现象的区域大致吻合. Cook 等[19]通
过调查不同地区长年表的生长及其与气候的关系认
为,树木年轮对温度敏感性降低集中在近几十年,这
18817 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 方克艳等: 树木年代学的研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
也与人为活动最为剧烈的时段吻合,这些研究表明,
人为活动可能是造成树木年轮温度响应关系改变的
重要原因.但低纬度地区树木年轮温度响应关系调
查相对缺乏,并且有些研究表明,在人为活动强度很
弱的工业化之前也存在树木年轮气候响应关系的改
变[54] .
除去这些非气候因子的影响,一些生态限制因
子的改变也可能改变树木年轮鄄气候响应关系,例如
由于温度升高,土壤水分蒸发量上升导致的干旱,使
得原先受温度限制的样点转而受干旱限制[47,49] .其
他一些环境因子的改变也可能使树木生长出现很大
的改变,如 Vaganov等[52]在利用环境因子(降水、气
温、光照)模拟树木生长时发现,由于环北极区域在
20 世纪 60 年代到 90 年代间降雪量的增加,缩短了
树木的生长季,从而导致树木生长降低.尽管存在以
上现象,但是在环北极区域仍有不少样点能较好地
模拟最近全球变暖的趋势. 如 Wilson 等[54]尝试用
经过专门挑选的几乎不存在分异现象的年表进行全
球温度重建.由此可见,很多因子都可能导致这种差
异性响应的出现,树木年轮生态学家亟待解决的一
个问题是如何区分出导致这种大范围现象出现的主
导因子.分异现象是一种树木年轮气候响应关系不
稳定的现象,这种现象在寒冷、干旱的我国西部地区
的表现需要进一步研究.
2郾 2摇 树木林线对全球变暖的响应
研究高山林线对全球变化的响应可以通过考察
群落树木年龄组的动态来实现,即通过树木年轮定
年来确定树木发生和死亡的年份,据此大致推断林
线的移动情况[7,59-60] . Wang等[7]对比了天山中部树
木年轮宽度和年龄组数据对气候变化的响应,发现
两者虽主要受林线处气候因子的影响,但又有区别,
林线树木的增加主要受连续数年适合树木生长的气
候影响.林线对全球变暖的响应包括水平区域林线
向高纬度地区的变化和高山林线位置的改变. Esper
和 Schweingruber[3]通过研究西伯利亚生态交错区多
树种的树木年轮年龄组情况,发现该区域林线在 20
世纪出现过几次显著的向北极推进的事件,这些事
件基本对应 20 世纪几次增暖事件,显示了气候变暖
对林线推进的显著影响. Lavoie 和 Payette[61]在魁北
克发现林线随着气候变暖出现往高纬度地区推进的
情况.同样,很多区域的高山林线研究也发现,在全
球变暖趋势下有明显的往高海拔推进的趋势[4,62] .
然而,其他一些林线动态研究显示,一些区域林线动
态比较复杂,不是简单的全球温度升高推动林线往
寒冷地带扩张[7,63-64] . 这是因为林线的移动除了主
要受温度影响之外[61],其他因子,如微地形、放牧、
雪盖和交错带树木的分布特征等都可能影响林线的
动态[4,64,65-68] .我国存在大量的高山林线,亟待开展
基于树木年轮的高山林线动态及其对全球变化响应
的研究.另外,树木年轮可以和其他指标,如孢粉、植
物大化石结合,研究不同尺度的林线动态.
2郾 3摇 树木年轮对 CO2浓度升高的响应
树木生理学和短时间的模拟监测研究表明,
CO2浓度升高可以通过直接提高光合作用和增加水
分利用效率,对树木生长起到施肥效应,促进树木生
长[69] .然而,很多实验室或样地调查的结果并不能
直接应用于描述实际森林生态系统的响应,因为模
拟 CO2浓度升高往往是突然提高,而实际大气 CO2
浓度是逐渐升高的[7],树木年轮学对森林样地的调
查可以反映实际森林生态系统的响应[5] . 区分气候
变暖和 CO2对树木生长的影响是一大难题,一些树
木的加速生长可能是温度升高而不是 CO2浓度升高
造成的[70] .目前,区分温度和 CO2二者的影响比较
常用的方法是首先模拟树木年轮鄄气候关系,然后计
算排除气候影响部分的差值年表[70-71] .二是通过对
比不同年龄组树木受气候的影响,即对比当前 CO2
浓度升高环境下和老树幼龄阶段 CO2浓度比较低的
情况下树木生长状况的差异[7] .三是通过调查 CO2
浓度对不同树种以及不同年龄组树木基部面积增长
量( basal area increment, BAI ) 的影响. 如 Briffa
等[57]将树木年轮宽度转化为欧洲不同地区树种不
同年龄段的 BAI,发现 CO2浓度升高可能对欧洲一
些树木生长产生促进作用.然而,有些树木年轮学研
究监测到 CO2施肥效应对树木生长的促进[7,71],另
有研究没有发现显著的证据[70] .这进一步说明实际
森林生态系统对 CO2浓度升高响应的复杂性[5-6],
以及需要未来开展同领域交叉学科研究.另外,树木
年轮稳定碳同位素可以反映化石燃料释放的 CO2含
量的变化,可以提供过去大气 CO2 浓度变化资
料[72-73] .如陈拓等[72]通过对新疆昭苏树木年轮碳
同位素序列分析发现,树木随 CO2浓度升高存在明
显的固碳作用.
对照国际树木年轮生态学研究,我国的研究主
要集中在树木年轮和气候变化关系的线性响应方
面,其他树木年轮生态学分支学科开展相对较少.我
国树木年轮生态学的研究有必要全面发展,侧重全
球变化对森林动态影响的树木年轮研究,比如树木
2881 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
年轮记录的高山林线动态对全球变化的响应、CO2
浓度升高对树木年轮生长的影响等. 这些研究有助
于更好地理解树木年轮记录的气候信息,因为非气
候因子极大地影响了树木年轮生长,例如,在温暖、
湿润的地区,树木生长对气候的响应有可能受到
CO2浓度升高和大气氮沉降的干扰. 我国树木年轮
和气候变化关系的响应研究应加大与树木生物学研
究的结合,同时参考模型模拟研究,更深入地理解树
木生态过程.
3摇 树木年轮气候学
3郾 1摇 单点树木年轮重建
树木年轮气候学家不断利用树木年轮资料重建
某个气象站点或小范围过去几百年到几千年气候变
化历史,树木年轮气候资料被选用为气候变化与可
预报性研究 ( climate variability and predictability,
CLIVAR)计划和过去全球变化(past global changes,
PAGES)研究的重要技术手段之一. 树木年轮气候
重建从研究开始比较早的美洲和欧洲扩展到其他区
域,如东亚[24,42,74-86] .同时,气候重建也从传统的寒
旱区域,延伸到以往树木年轮气候重建开展很少的
热带区域. Buckley 等[74]在泰国北部建立了树木年
轮年表,探讨区域干湿变化及其与太平洋海温的关
系. Sano等[85]在越南北部成功建立了东南亚第一条
通过统计学校正和检验的树木年轮年表,并利用该
年表重建了区域干旱指数的变化及其与海温的联
系. D爷Arrigo等[86]利用 9 个柚木年表和 1 个珊瑚样
本重建印度尼西亚过去 200 多年干旱指数的变化,
并探讨了其与厄尔尼诺鄄南方涛动(ENSO)的关系.
因为不同树木年轮指标可能反映不同的气候变
化信息,多种树木年轮指标也被应用到树木年轮气
候重建中.通常的指标有树木年轮密度和(稳定)同
位素.比较常用的树木年轮密度测量方法是通过 X
射线透视照相,然后用光密度仪分析获取年轮密度
信息;另外还有相对操作比较容易的高频电磁辐射
方法[87] . Frank和 Esper[88]利用欧洲阿尔卑斯山地
区树木年轮宽度年表和最大密度年表重建了不同季
节温度变化,发现宽度年表表现出更多的低频变化,
而密度年表表现出更多的高频变化信息.吴普等[89]
发现,川西地区树木年轮宽度主要记录 5 月降水变
化,而树木年轮最大密度很好地记录了研究区夏季
温度的变化,同时建立可靠的转化模型重建区域
6—9 月气温变化.树木年轮(稳定)同位素分析过程
主要包括样本的制备、气体的生成和质谱分析[90],
其中主要有(稳定)碳同位素和氧同位素分析.刘禹
等[91]利用陕西黄陵地区油松碳同位素年表重建 6
月气温变化;钱君龙等[90]在浙江天目山地区,发现
其树木年轮碳同位素序列含有显著的气候信息,其
4. 4 年周期刚好对应厄尔尼诺现象发生的平均周
期,证明二者可能存在联系.树木年轮氧同位素也开
始被广泛应用到气候重建中,如 Miller 等[92]发现,
北美亚热带区域由飓风所带来的降水氧同位素含量
和由当地蒸发所引起的降水明显不同,由此重建了
区域过去 200 多年来飓风强度的变化. Liu 等[93]通
过贺兰山过去 120 年氧同位素序列分析发现,其与
碳同位素曲线存在很大区别,而与树木年轮宽度记
录的降水历史有很好的对应关系,尤其在低频变化
上,因此认为该氧同位素曲线能较好反映季风强度
的变化. Treydte 等[94]通过对巴基斯坦北部代表区
域降水趋势的树木年轮氧同位素分析发现,随着全
球变暖 20 世纪是研究区过去千年中最湿润的时段.
我国单点树木年轮气候重建已经有大量研究,
然而研究区域主要集中在西部寒冷、干旱的地区,我
国大量温暖、湿润的地区的相关研究较少.未来有望
进行更深入的野外调查,尝试采用不同的树种和多
个树木年轮指标,并拓展研究区域. 另外,我国结合
古木样本延长树木年轮年表开展气候重建的研究较
少.我国树木年轮单点重建还存在的一个不足是对
于树木年轮研究方法的研究,重建方法基本仿照国
外的研究方法.
3郾 2摇 面域树木年轮气候重建
树木年轮资料因为具有精确定年和年分辨率等
特点,方便建立可进行统计校正和检验的区域气候
重建模型,便于与气候模拟结果对比;另一方面,随
着单点或小范围气候重建的不断丰富,为进行大空
间范围甚至是半球尺度树木年轮气候重建提供了可
能.树木年轮区域气候重建分为区域主要模式重
建[75,95]和区域单个气象站点的点对点重建[18-19,22],
前者是利用树木年轮网络重建区域的平均气候状
况,如主成分、算数平均或根据纬度的加权平均,而
后者是利用区域内各气象站点的邻近树木年轮年表
重建区域内各个气象格点. 大范围气候重建的主要
方法有正交空间回归分析和经典回归分析方法[96] .
Cook等[18]重建了美国大陆 154 个干旱指数格点过
去 300 多年气候变化,发现 1930s 美国大沙暴时期
是重建时段中最干旱的时段;Cook 等[19]利用更新
的树木年轮数据库,重建美国西部各干旱指数格点
过去 1200 年以来干旱历史,发现中世纪暖期时气候
38817 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 方克艳等: 树木年代学的研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
总体比较干旱,并推论如果这种暖干模式持续,当前
全球进一步变暖的趋势可能加剧研究区的干旱程
度. Mann等[21]综合了北半球大量具有年分辨率的
树木年轮年表,结合冰芯、冰融化和历史资料等,重
建过去 600 多年来温度历史;Mann 等[97]使用更新
数据,重建了过去千年的温度变化. Esper 等[20]挑选
了千年长度的年表,并运用区域生长曲线( regional
curve standardization, RCS)标准化树木年轮年表,更
多地保留了年表的低频信息,温度重建成功地恢复
了中世纪暖期. D爷Arrigo等[98]运用更新树木年轮网
络,根据主成分分析划分出不同区域,综合成过去半
球温度变化历史,并对比了标准树木年轮年表和
RCS年表重建结果,印证了 RCS 年表能更好地保存
低频气候变化信息.
东亚地区基于树木年轮资料的面域气候重建也
有研究,如基于点对点方法对东亚干旱指数和温度
的重建[99] .尽管我国也有部分树木年轮面域重建工
作的研究,但是有一些工作仍然是国外科学家发表,
另外我国科学家对于重建方法方面的创新较国外相
对不足.
3郾 3摇 气候机制研究
树木年轮作为气候代用资料为气候机制研究提
供了更长的时间序列,一些研究开始利用树木年轮
气候重建结果探讨气候变化的驱动因子,如火山喷
发、太阳活动、季风与热带海洋驱动,并重建一些指
示大气涛动指数,如北大西洋涛动(NAO),北太平
洋涛动(PDO)和 ENSO 指数. Briffa 等[100]利用整个
北半球高纬地区树木年轮序列分析过去 600 年来温
度变化和火山爆发的关联,发现二者存在密切联系,
并推论过去发生的一些较短的急剧变冷事件可能也
是由于火山爆发引起的. Salzer和 Hughes[101]利用一
个美国西部 5000 多年的年表,对比发现其生长极低
年在过去千年内与火山或冰芯所记录的火山爆发存
在 86%的一致性,而更早期时段内的极低生长虽然
具有半球尺度代表性,却无法与同时期发生的火山
爆发有对应关系,这可能是那个时段气候系统对火
山爆发不够敏感. Hergel等[102]利用多元回归方法分
析基于树木年轮的重建序列以及一些基于其他指标
的重建序列,分离出气候系统内部变率及其外部驱
动因子,发现火山活动的影响比较显著,而太阳活动
的记录相对较弱. Rodolfo Rigozo 等[103]通过对智利
过去 400 多年树木年轮序列分析发现,一些显著的
周期和太阳活动周期吻合,如 11 年的周期在整个序
列中都很显著,尤其在 Maunder极小值期间,暗示了
太阳活动可能对区域过去 400 年气候变化都有
影响.
东亚地区树木年轮重建的干湿气候变化和温度
变化也出现对火山活动的明显响应,比如火山活动
后的几年温度都出现比较低的现象[104],然而干湿
变化对火山爆发的响应却存在很大的区域差异,与
模型预测存在出入[105] .另外,东亚地区气候变化尤
其是干湿变化很大程度受亚洲季风的影响,而热带
海洋系统是亚洲季风最重要的水汽来源,于是大量
东亚地区树木年轮气候重建都讨论其与海洋特别是
热带海洋的联系,经验性地探索重建区域的水汽来
源[74-75,78-79,85-86] . Cook等[95]基于大部分北美和欧洲
的树木年轮网络和少部分其他代用指标重建了
NAO指数,重建使用嵌套式模型,使得重建序列延
伸到公元 600 年. D爷 Arrigo 等[106]利用北美和东亚
地区树木年轮网络重建了过去 400 多年来北太平洋
指数(NPI)的历史,发现在器测资料时段有 3 次气
候突变,而在之前的重建时段,存在 7 次气候突变;
并探讨了其与热带印度洋和太平洋气候在重建时段
的联系. D爷Arrigo和 Wilson[75]利用东亚中高纬地区
树木年轮年表网络重建了过去 400 多年来 PDO 的
变化,重建成功地反演了太平洋区域显著的气候突
变事件,并与基于北美大陆树木年轮年表的重建进
行对比.
我国树木年轮气候学方面的研究发展很快,但
仍然存在不均衡发展的情况,多数研究还集中在单
点重建方面,树木年轮面域气候重建和机制探讨显
得相对不足.树木年轮气候重建和过去气候模拟方
面的研究仍然存在脱节,未来进行树木年轮气候重
建与气候模型模拟的对比研究,有望深入理解气候
变化的机理.
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作者简介摇 方克艳,男,1981 年生,教授.主要从事树木年轮
气候学研究. E鄄mail: kujanfang@ gmail. com
责任编辑摇 孙摇 菊
8881 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷