年輪氣候學是根椐樹木年輪的變化推論過去氣候的學科。在四季變化明顯的地區，樹木一般每年形成一個生長輪，即年輪。年輪的寬窄同當年降水或溫度關係十分密切，故可用以恢復古氣候，是一種定年最方便，參數最客觀的代用資料。
基本介紹
- 中文名：年輪氣候學
- 外文名：dendroclimatology
- 對應：四季變化
- 屬性：樹木年輪
- 作用：用以恢復古氣候、定年等
- 定義：根椐樹木年輪推論過去氣候的學科
形成及變化,細胞生長,形成層區的變化,變化規律,運用,發展歷史,國外研究,國內研究,動向,發展前景,學科關係,
形成及變化
“年輪系指莖的橫切面上所見一年內木材和樹皮的生長層而言。”這是1957年國際木材解剖學家協會所發表的《木材解剖學名詞術語》中，有關“年輪“這個名詞的定義。至於年輪是怎樣形成的，這首先要從維管形成層的結構及其活動規律談起。維管形成層（或稱形成層）是由原形成層發展而來的一種具有無限分生能力的次生分生組織。在植物的一生中，它不斷向外產生次生韌皮部，向內產生次生木質部。形成層由紡錘狀原始細胞和射線原始細胞所組成。軸向伸長的紡錘狀原始細胞，兩端呈楔形，在橫切面上多成長方形，切向寬大於徑向寬，細胞的長度比寬度大數倍。
細胞生長
上述兩類原始細胞雖然在外部形態上差別較大，但其超微結構基本相同。在形成層的活動期間，原始細胞中間具1—2個大液泡，周圍的細胞質中富含核糖體與高爾基體，以及發育良好的內質網等。休眠期的形成層原始細胞中，液泡變小，數目增多，高爾基體小泡及內質網也相應減少，細胞中還出現了較多的蛋白質體和油滴，這些儲藏物質往往在翌年生長季開始時被利用。
木本植物根或莖的徑向增粗，主要是通過紡錘狀原始細胞平周分裂的結果，這種有絲分裂的進程較慢，如在松柏類植物中，每分裂一次需4一6天（莖的頂端分生組織細胞只需8—18小時）。當一個紡錘狀原始細胞平周分裂成兩個子細胞時，其中一個衍生為木質部母細胞（或稱木質部原始細胞），或者衍生成韌皮部母細胞（或稱韌皮部原始細胞）。另一個仍保持紡錘狀原始細胞分生狀態。在形成層活躍期間，有的細胞已經分裂或正在分裂，有的尚處於分生組織狀態，這樣形成層就成了一個相當寬而尚未分化的細胞區。在這個區域中，有一層真正的形成層原始細胞，同時還包括未分化的衍生細胞。由於從細胞形態上難以區分上述各類細胞，為方便起見，人們將這些細胞統稱為形成層區（或形成層帶）。
形成層區的變化
從形成層區的切向切面看，形成層原始細胞排列方式大體分為兩種：一是在椴屬（Tilia）和刺槐屬（Robinia）等植物的形成層中，紡錘狀原始細胞幾乎排列在同一水平層，稱為疊生形成層。一是紡錘狀原始細胞的侵入生長，使縱向伸長的細胞末端相互交錯，而不排列在同一水平層上，故稱為非疊生形成層，如栗屬（Castanea）和胡桃屬（Juglans）等植物。
紡錘狀原始細胞為適應莖或根的徑向增粗，本身也進行細胞分裂，以增加原始細胞的數目，這種分裂特稱為增殖分裂。在不同的植物中，增殖分裂的方式也不一樣，如在具疊生形成層的植物中，多以徑向垂周分裂為主，而在非疊生形成層的松柏類和某些雙子葉植物中，常見為假橫向分裂，或稱斜向垂周分裂。從紡錘狀原始細胞經分裂形成射線原始細胞，這是一種普遍現象。射線原始細胞本身也進行橫向或垂周分裂，最後形成單列或多列射線。
變化規律
在溫帶地區生長的木本植物，隨著季節性的氣候變化，也明顯地反映在形成層的周期活動上。冬季形成層原始細胞停止分化，翌年春季又開始恢復活動，到了夏秋逐漸減弱，而後停止活動。如此周而復始，年復一年。當形成層原始細胞恢復活動時，可分為兩個階段：（1）形成層原始細胞徑向伸展，徑向壁變得很薄，這時易受霜凍的傷害。（2）原始細胞開始分裂，這一階段往往比前階段晚1至數星期。生長在北京地區的樹種，形成層開始活動的時間，大體在每年四月的上、中旬。在大多數樹種中，當形成層開始分化時，韌皮部分子的分化往往先於木質部達一個月或更長，或兩者幾乎同時分化。形成層分化停止的時間，在不同生境和樹種中均有很大變化，生長在北溫帶地區的樹木，多集中在九月份。春季，形成層恢復活動時，紡錘狀原始細胞迅速向內分裂的分化成大量的木質部分子，此時分化的管胞或導管分子的直徑較大，數目多，壁較薄，木纖維數量較少，因此材質顯得比較疏鬆，這部分木材稱為早材（或叫春材）。到了同年夏秋季節，形成層的活動逐漸減弱，原始細胞平周分裂的速度也相應的減慢，分化的細胞直徑較小，數量少，而木纖維的數量相應增多，這部分的材質比較緻密，稱晚材（或稱夏材）。在雙子葉植物的環孔材（如櫟樹和白蠟樹）中，早材部分的導管分子直徑明顯增大，而晚材的導管分子相當小。散孔材與裸子植物木材中，由早材至晚材的變化，一般是逐漸進行的，即沒有顯著界線。不過在上一個生長季的晚材與下一個生長季的早材之間卻存在著明顯的界線。
運用
運用年輪的研究成果開始於本世紀初，這位學者是道格拉斯，他1867年出生於美國佛蒙特，後來到亞利桑那州建立起一個新氣象站。1901年他開始到弗拉格斯塔夫附近一些伐木營地，考察那裡新伐樹木的年輪型式，想找出證據說明這些年輪中記錄了以11年為周期的太陽黑子活動。他沒有立即找到證據，但他注意到，一個地區和另一個地區的年輪型式似乎一無二致。例如，一個伐木營地新伐的樹木，裡面是兩道薄薄的年輪，外面是三道厚厚的年輪，其他營地新伐的樹木也是這樣。人們可以推斷，這種型式表明，兩年是壞天氣，三年是好天氣。道格拉斯注意到，他發現的這種型式的年輪似乎在亞利桑那州北部到處皆有。
年輪氣候學
年輪氣候學在本世紀的頭20年中，道格拉斯繼續研究年輪的型式。事實上，通過識別年輪來測定古老建築的年代是道格拉斯的創舉。美國西南部印第安人村莊的廢墟，長期以來引起考古學家的興趣。那些村莊原由工匠精心建造，其中有許多房屋顯然已經使用了好多世紀，可是後來不知何故，那些村莊都廢棄了。據估計，那些村莊早在公元前2000年就已存在。道格拉斯從1916年起開始考察印第安村莊廢墟殘留的木料，研究其年輪以確定其年化。到1929年，他終於製成一個“浮動”年表。
有文明傳統的地方，在使用年輪方面可能出人意料，令人驚訝。比如說，在中世紀俄國的諾夫哥羅德，街上泥濘不堪，市民就往路面鋪原木。一層陷進泥里就再鋪一層，到現在至少有28條街已經堆滿了一層又一層的原木，這些原木的年代從公元953年起一直到1462年，真是年輪博覽會。又如，像倫勃朗和魯本斯等藝術大師的油畫，分析其橡木油畫板上的年輪型式就可知作畫的年代。
發展歷史
國外研究
20世紀初，美國A.E.道格拉斯最早論證了樹木年輪寬度變化與降水量之間的關係，並在30年代創建了專門研究樹木年輪的實驗室。此後，年輪氣候學家對形成年輪的生理過程與氣候的關係作了詳細研究，並在樣本樹種的選擇和年輪序列的統計分析技術方面取得進展，逐步建立起年輪氣候學的基本原理和分析方法。
選取樣本時，應選擇生長條件最受某個氣候要素(溫度或降水)限制的樹木。例如，生長在高緯度或高寒山區森林上界處的樹木，由於受到熱量不足的限制，常能很好地反映出冷暖的變化；在乾旱、半乾旱地區，由森林向草原或荒漠過渡的林緣樹木，由於受到雨量不足的限制，常能反映乾濕的變化。在實際套用中常在同一地點選取多個重複的樣本，互相對比，以準確定年和消除非氣候因子影響。此外，對年輪寬度變化還要進行樹木隨年齡變化的生長量等方面的訂正，並用已有的各項資料校驗。經過嚴格校驗後的年輪序列，可以反映大尺度的氣候變遷。例如，美國V.C.拉馬奇在美國加利福尼亞州惠特尼山亮葉松分布上界附近所取的年輪序列與歐洲（英國中部）氣溫變化趨勢是一致的。70年代初，美國H.C.弗里茨根據年輪寬度變化與氣壓距平場的關係，繪製出1700年以來北半球西半部每十年平均的環流圖。
國內研究
中國自20世紀30年代開始研究年輪氣候學。研究表明，在華北和西北廣大地區，用年輪分析了解歷史時期的氣候變遷，尤其用以反映降水量的變化，很有價值。70年代後期，北方的許多省（區）和青藏高原等地都廣泛開展了這項工作。各地得到許多反映溫度或降水的長達數百年的序列，為研究歷史時期氣候變遷的史實提供更多的依據。
氣溫變化趨勢圖
氣溫變化趨勢圖木匠從久遠的時代起，就知道樹幹裡面有年輪，有了年輪，木材上才出現了紋理。據人們所知，亞里士多德的同事就曾提到過年輪，不過到達·文西才第一次提出年輪是每年增加一圈的。今天已經眾所周知：春回大地，萬象更新，緊挨著樹皮裡面的細胞開始分裂；分裂後的細胞大而壁厚，顏色鮮嫩，科學家稱之為早期木；以後細胞生長減慢，壁更厚，體積縮小，顏色變深，這被稱為後期木，樹幹里的深色年輪就是由後期木形成的。在這以後，樹又進入冬季休眠時期，周而復始，循環不已。這樣，許多種樹的主幹里便生成一圈又一圈深淺相間的環，每一環就是一年增長的部分。這種年輪在針葉樹中最顯著，在大多數溫帶落葉樹中不明顯，而許多熱帶樹中則根本沒有。
樹是活檔案，樹幹里的年輪就是記錄。它不僅說明樹木本身的年齡，還能說明每年的降水量和溫度變化。年輪上可能還記錄了森林大火、早期霜凍以及從周圍環境中吸取的化學成分。因此，只要人們知道了如何揭示樹的秘密，它就會向人們訴說從它出世起，周圍發生的大量事情。樹可以告訴人們有文字記載以前發生過的事情，還可以告訴人們有關未來的事情。樹中關於氣象的記錄可以幫助人們了解促成氣象的那些自然力量，而這反過來又可幫助人們預測未來。
動向
世界上許多年輪氣候學家正進一步探討樹木生長受氣候影響的機制和在更大範圍內開展年輪研究的可能性。為從樹木年輪中獲得更多的氣候信息，已嘗試對年輪的密度和同位素含量變化進行分析，並已獲得較好效果。顯然，它們與年輪寬度分析一樣，將成為年輪氣候學中重要的研究途徑。
發展前景
人類生產和生活各個方面與氣候關係密切。合理地利用氣候資源，有效地防禦氣候災害已成為氣候學研究越來越重要的問題。未來的氣候變化受到人們極大的關注。自世界氣象組織 (WMO)1979年制定了世界氣候計畫(WCP)以來，各國學者對氣候變化和異常及其對人類的影響，進行了更為廣泛深入的研究。新技術和新方法的普遍套用，使氣候學研究的範圍大為擴大，氣候學正向綜合研究氣候系統的方向發展。
