全 文 ：白栋树木年轮对俄亥俄河谷附近气侯与空气污染的反应
J
.
R
. 入工c el e na h e n等
用树木生态学方法进行的研究表明 : 相
对微妙的局部或地区性污染物会影响树木的
生长 。 As h by 与F r it ts 发现 : 反应工业城 市附
近气候的白栋 (口u erc 哪 al a bL . )年 轮 的
异常 , 可能是空气污染造成的 。 年轮对气候
的反应随冶炼厂散发的污染源的距 离 而 减
少 , 并且可能是树木长期处于空气污染—酸雨逆境造成的 。 树木生态学方法也用于研
究东北部红云杉 ( 尸 fce a , ub en : ) 的减 少和
评价光化学氧化剂与酸雨对树木生 长 的 影
响 。
本研究的目的在于是否能用白栋树年轮
解析的方法来确定俄亥俄河谷高度工业化地
区大气污染的影响 。
材料与方法
数据的收集与分析 ’ 在 rI o n t o n一 A “ h -
l
a n d与 P o r t s m o u t h范围 内 , 沿起点在 大 气
梯度的 5个范围内 , 收集树木的园盘 ( 图 1
略 ) 。 所选的林分是混交栋林 , 基本上是同
龄林 , 以往 50 或更多年没有大火灾 、 采伐或
风倒的迹象或记载 。
在 5 个样地的 15 个林分内 , 从 7一 1 8株
优势与亚优势白栋树地面以上 1 . 4米处 选 取
成对的树木园盘 , 气干 、 磨光并用 B a n in s -
加 r型生长测定仪测定年轮辐 , 其精度为 0 . 01
毫米 。 标绘所测定的系列盘 , 确定其年代 。
用拟合的多项式生长曲线和计算标准年轮辐
来取代可能有交叉数据的系列 。 然后 , 合并
每个取样点所在的林分指数 , 以便进一步的
分析 。 这些简化指数的统计列于表 1 ( 略 ) 。
用阿利桑那大学树木年轮研究实验室的树木
年轮分析程序进行计算 。 林分平均的原始年
轮辐与样地的年轮辐标绘出并形象地进行对
比 。
每个样地的简化指数对生长年 1 一 9 月
的月平均温度和各月全部降雨等主要成分作
逐步回归 。 无论带或不带 3年早期生长量 , 二
者都用 5 一 9月的平均温度和各月全部降雨
作逐步回归。 每个主要成分的得分由月温 、
月降雨量和早年正常生长量组成 。 转换原始
气候数据为正交的主要成分 , 消去自变量的
组间相关 。 这就提供了一个多重回 归 模 型
( 反应函数 ) 有效而可靠的平均值 , 以便描
述年轮辐指数与气候的相互关系 。 用这个模
型 中含有的早期生长 , 可部分地说明早期年
份生长条件的滞后影响 。 由于模型也包括了
早期生长季节的气候条件 , 大量的早期生长
成分通常反映着生长变化的重要的非气候性
根源 , 所以 , 对早期生长的影响 , 可以随空
气污染胁迫而增加 。 空气污染是不受气候支
配的 。 在进入回归的下一个成分 , F 值降至
1
.
0 以下阶段 , 挑选最后的反应函数 。 不 同
回归方程 的气候数 据 来 自 I r o nt o n 的气象
站 。 用 1 5 9 4一 1 9 7 9年 I r o n t o n ha 温 度 , 降雨量
同俄亥俄州 C ol u m b us 的进行了对 比 , 发现
用 F r it st 描述的图解法所得 的结果是比较相
似的 。
作为检验模型稳定性的一种方法 , 按 20
年活动期延迟 1年 , 计算了实际指数和用反
应函数预测的指数之间相关 。 第 2 个处理是
对同一年代表的各个时 期 ( 1 9 0 0一 1 9 3 0 与
1 9 3 1一 19 7 8 ) 所导出的反应函数的相应的系
数进行对比 。
结果与讨论
各个林分与样地简要的原始年轮辐系列
的测定揭示出完全相似的生长模式 。 平均年
轮辐范围从 4 样地的 0 . 16 士 0 . 09 厘米到 5样
地 0 . 2 士 0 . 05 厘米 。 所有样地在靠近年代表
的中部发生或多或迅速生长的短暂时期。 1
样地的平均年轮辐表现 出最引人注目的生长
波动 : 1 8 6 0一 1 9 2 0年稳定地减少至大约 0 . 03
厘米 /年 , 然后 , 1 9 2 1一 1 9 2 2年回升到 0 . 3 0
厘米 /年以上 。 为得到适当的曲线拟合和编
索引 , 这样激烈的生长增加需要分解为个别
系列 。 从 1 8 0 0年代末钢铁生产时代的高峰时
期起 , 其余样地表现出较缓慢的释放模式 。
无论如何 , 1 9 2 0年所有样地平均生长速率达
最高点 , 然后逐渐下降。 除了1 9 6 0年代中期
因干旱生长下降外 , 1 9 50 年代以后 , 一直稳
定 。
用年代统计 ( 表 1 略 ) 来指示树木年轮
辐系列中潜在的某些气候信息至比较样地之
间的反应 。 一般地在限制生 长的地方 , 平均
灵敏度与标准差较高 , 而一阶自相关较低 。
据此 , 它们也可能表示其它类似地方的空气
污染的影响 。 本研究各样地之间标准差 、 一
阶自相关与平均灵敏度的对比表明 : 与假想
的空气污染梯度没有明显的相关关系 。 平均
灵敏度一般是高的 , 而自相关和标 准 差 比
W if 和 A m e s用白栋的资料所作的自相关和
标准差略低。 然而 , 这些统计同获自俄亥俄
州其它地方的白栋的数值差不多 。
根据工业区建立和发展的历史 , 推断研
究地区大气污染水平于 1 9 3 0年开始 明 显 增
加 , 直到 1 9 7 0年代继续增加 , 1 9 7 0年后污染
物开始减少 ; 根据气流模式和距污染源的远
近 , 推断 1 、 3 样地将承受最高污染数量 ,
继之为 2 、 4 样地 , 最远点 5 样地只承受最
低的数量 。
按照上述假设 , 导 出 了1 9 0 0一 1 9 3 0 年
间 , 预计整个地区空气质量相对 良好 , 和
1 9 3 1一 1 9 7 8年间 , 现代工业时期的年轮辐指
数对气候的反应函数 。 也导出了 1 9 0 0一 1 9 7 8
年全部时期的反应 函数 ( 表 3 略 ) 计算出每
一时期带或不带作一个预测因子的 3 年早期
生长的单独模型 , 用来检验表现出非气候因
子 , 例如空气污染的明显的早期影响。
这些分析揭示出 : 1 9 3 0年之前所有样地
早期生长的影响很小 ; 而气候的变量单独就
能说明大部分指数的年变化 ( 表 3 ) 。
1 9 3。年后 , 发现所有样地的模型的可决
系数 ( R Z ) 相当低 。 但在 2 、 4 和 5 样地 ,
尽管有差别 , 但早期生长都只 占很 小 的 比
重 。 然而 , 早期生长在 1 、 3 样地的变量却
分别增加到 23 %和 24 % 。 这些结果意味着 :
靠近重工业化河谷地段的林木生长 , 最近已
受到与气候无关的 , 但却能影响树木生长的
强烈因子的制约。 1 9 3 1一 19 7 8年的 所 有 模
型 , 甚至是把早期生长考虑进去的模型 , R Z
值均降低 。 这也许部分地可归因于包含气候
变异在内的较长的分析期 , 尤其是低频率成
分 。 但似乎不能单独说明R “值大幅度降低的
原 因 , 更确切一些 , 在模型中缺乏时间稳定
性 , 进一步表明了近期气候对树木生长的影
响下降了 。
为了检验每个样地树木年轮对气候的永
恒稳定性 , 标绘了实际指数与根据 I r o nt o n
气候数据所预测的指数的移动相关图 ( 图 2 .
略 ) 。 模型趋向于无论有或无早期生长量 ,
一般差异都很小 。 样地 4 和 5 的年轮年代表
的趋势不明显 , 始终如一 。 另外 , 在 1 、 2 、
3 样地 , 与时间的相关性有或多或 少 的 ’降
低 ; 而最明显的降低则是在似乎污染物最多
的样地 」 。 因此 这些对比表明 : 该地区最
靠近空气污染源的样地 , 存在影响树木生长
的非气候性因素 。
各样地反应函数的另一项对比 , 是用没
有带早期生长的 1 9 0 0一 1 9 7 8年的样地 5 ( 原
文是 3 , 根据图 3标题和上下文似为 5 之误
一译者注 ) 的模型所得的预测指数与每一个
二其它样地的实际指数求相关系数。 各样地的
年轮表比 5样地 ( 可推测该地受污染最轻 )
的年轮表受空气污染或其他非气候性因素的
影响更强烈 , 与预测的年轮表呈相对的弱相
关。 事实上 , 移动坐标相关图展现出 l 、 3
样地最差的相关 ( 图 3 略 ) 。 直到 1 9 5 0年代
的 10 年为止 , 2 、 4 样地中等 , 并 始 终 保
持平稳 。 50 年代后 , 5样地和所有的样地一
样 , 预测指数明显下降。 差的模型的另一个
短暂期 , 除了 5 样地之外 , 恰巧都 出 现 在
1 9 4 0年以前。
大致在 19 4 0年相关性下降的原因是不清
楚的 。 就 I ro n切 n气候特征的向量而 言 , 要
素成分得分析检验揭示 出影响树木 生 长 的
1 9 3 5一 1_ 9 3 7 ( 接近 1 9 3 0年代千旱期 ) 标准气
候模型的相当大的偏差 。 同类相关性分析的
异常相似的情况也发生在 1 9 4 0年前后靠近俄
亥俄州东北部 C le ve l a n d的白栋和另 外 3 个
阔叶树种 。 A s h b y 与F r i t t s报导 了 1 9 4 0年与
1 9 5 0年间 , 印第安纳州的白栋比预测生长量
低可能是受附近城市污染引起的 。 在广大范
围的各地和不同植物 , 这种异常情况似乎更
一致。 事实上 , 所有样地上报导的树木异常
生长都是接近主要工业污染源的 , 说明空气
污染可能是引起异常生长的因素 。
总结与结论
俄亥俄州南部地区的年轮辐指数对气候
表现出规律性的反应 。 即在接触空气污染中
相应出现时间上和空间上的差异 。 非气候性
因素 , 也许是空气污染物 , 在最接近污染源
的样地 , ]一 9 30 年后比这以前的 30 年更影响年
生长量 。 从 1 9 0 0年以来的一段时间内 , 那些
曝露于高污染物中的白栋的指数跟气候呈现
下降的关系 , 而在离污染源较远的样地 , 这
种关系则不明显。 根据反应函数 , 在三个受
影响的样地的生长量 , 大约在 1 9 3。年后 , 倾
向于比单独用气候预测的小 。
这些结果提供了俄亥俄河谷 工 业 区 空
气污染已经减少了附近森林白栋生长量的详
细证据此影响的地理范围不可能通过少数取
样样地来确定 , 它看来象是到达 A s hl a n d一
I r o n t o n地区北部至少 2 0公里 。
按所怀疑的局部大气污染梯度记录到的
附加影响 , 全部样地指数与气候的相关随时
间下降 。 这样的结果与树木的生 长反应具有
时间稳定性这一年轮气候学的基本假设是相
矛盾的。
这里报导的证据与其他研究者在相似工
业区进行的树木年轮的研究结果基本一致。
然而 , 无空气污染的地方与时期树木年轮与
气候数据的缺乏 , 妨碍了象其他某些研究那
样 , 对污染物对生长的潜在影响作出更明确
的估价 。
变化了的树木年轮反应发生的机制与特
殊污染物及其综合作用 , 仍然是推测的 。 单
独的或综合的不同的污染物 , 大概会造成树
木年轮年代表上相似的非气候性影 响 的 模
式 。 二氧化硫明显地形成这个地区的主要污
染物梯度 。 由于出现了 O 。 (与可能的酸性 沉
降物 ) 对东北部各种林木年轮辐大规模影响
的迹象 , 所以应该考虑这样一种可能性 : 即
本项研究在所有样地中所记录到的树木年轮
辐对气候的敏感性近期明显下降 , 就包含了
这些污染的影响。 显然 , 进一步的 调 查 研
究 , 将能严格地确定这些趋势的 程 度与 原
因 。
( 参考文献 30 篇 , 略 )
齐之 尧译 吴德友校摘
自 《 J 。 E n v 三r o n . Q u a l . 努 1 9 8弓. v o l . 1 4 ,
呱 2 5 2 7 4一 2 7 9
( 土接 第 5 页 )
保持水分的生态学方法
水分保持的传统含义引起人们对于用工
程方法来控制 自然资源是否正确表示怀疑 。
在用工程方法控制时 , 水分保持就被归结为
把河水拦蓄在大的堤坝中 , 建造大的混凝土
渠道网 。 这种保持水分的策略并不能解决边
远居民的水分危机。 为了维持人们的生计 ,
水分保持必须以生态原则为基础 。 必须认识
到水资源的破坏或者是由于过分掠夺了生态
体系中的 自然资源 (破坏了水循环 ) , 或者是
由于过多地把废弃物加到了生态休系中 ( 污
染 ) 。 在亚洲 , 水分保持意味着不要破坏和
乱用水资源 , 这就是说要尊重主要的生态过
程 , 如水循环 , 要尊重维持生命所必需的和
不必需的要求之间的差异 , 并保证在把一些
主要的资源 ( 如水 ) 用于不是维持生命所必
需的事情前 , 首先要满足贫苦或边远居 民维
持生命的需要 。
袁剑舫译 自A M B IO , V o l . 1手, N o · 2 ,
P
.
9 5一 9 5 , 一9 8 5 . 杨景辉校