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中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室

2017-06-21 11:28:00
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中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室
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(一)树木年轮年代学简介

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。

树轮年代学学科的出现,开辟了一条研究古环境的新领域,它在古气候、以及林业部门发挥了极大的作用。由于 树木年轮具有定年准确、连续性强、分辨率高和易于复本等特点,使其成为了时间尺度较短(几百年到千年尺度)的气候代用资料,为气候模式研究以及古环境研究提供参考。通过对树木的高生长及径向生长、树木细胞结构的研究,有利于 树木生长量以及优 势树种的研究,为环境绿化做出贡献。

时至今日,树木年轮研究已经不局限于传统研究区域(北美、欧洲、俄罗斯),该研究在除南极大陆以外的其余六大陆地全面展开,不仅在全球中高纬度和高海拔地区进行研究,在中低纬度地区也开展了此项工作。

研究的领域也在不断地扩大,从最初的树轮宽度的研究,然后再到利用 X-射线进行树轮密度的研究,到利用化学方法即利用C、H、O同位素对树轮微观结构进行研究,以及利用图像分析法对树轮灰度进行研究,方法在不断地翻新,技术也在不断地成熟。主要涉及到对古气候资料(包括降水、温度、湿度等)以及古地质构造和突发的灾害事件的研究。并且利用树轮资料对未来气候变化趋势进行预测。

通过几十年的研究,树木年轮学已经取得了巨大的成果。在所有的全球几个大陆上,北美有多达上百个的树木年轮样本序列。其次较多的树木年轮样本在欧洲。国际树木年轮库中的采样点已超过 2000多个,已研制完成的超过1000a的树轮长年表有150多个,最长的年表在北美洲达8600多年,欧洲为10000多年,俄罗斯为3200多年,南美洲为3600多年,澳大利亚为3600多年。Schweingruber等人对年轮密度与环境变化的关系做过较系统的分析,利用密度分析重建了阿尔卑斯许多地点的气候变化。在北欧的瑞典,以及一些低纬度国家都开展了该项研究。而且,由于树轮标本采集工具和采集方法的不断改进,树轮研究的对象也在不断地扩展。从存活树木上采取标本,扩展到从炭化木和石化木上采取。欧洲和北美的许多长达数千年和近万年的树轮年表,较早年代的年轮数值多是来自于炭化木和石化木。利用同位素方法,对树木年轮进行分析。利用稳定C、H 和0 同位素分析,可以重建古气候变化以及气候变化对树木生长的影响。1982年Freyer等在前人工作的基础上建立了C 3 植物的δ 13 C(样品中 13 C和 12 C 的比值与PDB的偏差百分数)和环境的数学表达式,开始了利用C同位素对树木年轮进行研究。

我国的树轮研究也取得了可喜的成果。 60年代以后,北京、陕西、甘肃、新疆、青海、内蒙古、四川、西藏、黑龙江、吉林、辽宁、山东、江苏、湖南、江西、浙江、广东等17个省市区都广泛开展了这项工作,最长年表序列达到2326年(青海),得到许多表征温度、降水或环境演变的长达数百年甚至上千年的序列,对现代小冰期(约1430-1850年)以来气候变化的史实,提供了更多的依据。尤其是在新疆开展的树轮研究工作,经过40余年的研究,在各方面都取得了成果。 新疆的树木年轮库(如 今的国家重点开放树木年轮理化实验室 )存有 3000多棵树木钻芯标本和1000多棵树木圆盘树轮标本。采样点已经超过100个,已经研制完成了110多个年表,最长的年表在北疆达780年。在利用树木年轮宽度重建古气候变化的研究方面,也取得了不错的成果。例如,张志华,吴祥定等人重建了新疆东天山300多年来的干旱日数变化;袁玉江,李江风利用乌鲁木齐河源的树轮资料重建了该地区450年来的冬季温度变化;袁玉江,叶玮等人重建了位于天山西部伊犁地区314年的降水序列。此外,李江风,袁玉江等人除利用树轮宽度资料对古气候进行了重建,还利用树轮资料重建河流径流量以及河流径流深度场,开辟了我国乃至亚洲水文重建工作的先河。
(二) 年轮研究的基本过程

1 野外采样

( 2)采样准备工作

• 确定采样区域和采样范围;

• 了解、调研采样区域的交通状况和林业管理领导部门,最好出发前能有所联系,以取得林业管理部门的支持;

• 备 1/10万、1/5万的大比例尺地形图,按采样要求,初步作出定点布局。

采点注意事项:

• 采点要尽可能控制一个区域的环境的近似性,大区气候的相似性,水文条件,最好在一条主河道的大支流上;

• 采点必须符合一定气候或水文限制因子;

• 采点设置在树木敏感区 ,山区在林缘的上下限,沙漠区设置在地下水位敏感区域;

• 小地形的近似性,即样本一组树的立地条件不能相差甚远;

• 避开幼年林冠遮蔽影响,察看采点周围应采树木树冠和枯死木或树桩位置;

• 在大比例尺地图上预先标出预选采点位置。

室内采样仪器工具准备

仪器包括指南针、 G.P.S经纬高度仪、土壤中子测湿仪、树木测高仪、照相机或摄像机、望远镜、生长锥、样条箱、皮尺、卷尺、野外劳保用品和服装、记录登记表等。

临境准备

准备越野车,租赁驴、驼、马等交通工具。并且了解林区情况,确定路线,方向等,注意携带野外防护安全设备以及药品等。

( 2)采样环境选择

要考虑到环境因子限制,森林上下线限制因子,林中和林缘木的年表参量变化以及剔除样本序列参数和环境状况。

( 3) 采样量

在干旱、半干旱地区采样量至少在一个采点应采 10棵相同树种的样本,一般以20棵为适宜。

( 4)样本的采集高度

圆盘采样一般以距地 40cm为宜,树芯采样一般为1m 为宜。

( 5)采样时选择树株的目视标志

a.对根茎、特别是根的基部,要巡视基部有无动物洞穴;

b.察观主干树有无干梢,特别在上林缘木,干梢是开始腐心标志;

c.树干是否弯曲偏扭,若有弯曲,应调查当地主导风向、常年风向对它的影响。

( 6)采样树种选择

主要不要选择伪轮断缺轮太多的树种,和经济林木。一般选取树龄大于 200年的树木进行采集。

( 7)样本编号与记录表

2 样本预处理

将采自野外的样本带回实验室后,进行加工处理,以供定年、测量,扫描使用。主要通过以下两个步骤对样本进行预处理:

① 样本固定、打磨

待取回的样本干燥后,使用白乳胶将其固定在样本槽内(要确保样本的木质纤维直立在样本槽内);然后,使用砂带机磨去样本弧形部分;最后,先用 p240号粗砂纸打磨,再用600c号细砂纸打磨,使样本达到光、滑、亮,轮界清晰分明,在40倍显微镜下可以看到清晰的细胞轮廓为止。

② 年轮标识

年轮标识,是从样本最外轮向髓芯数,每到公元整十年,做一记号,如 1990年、1980年、1970年……做出“·”标志,到公元整五十年,做出“ ? ”标志,到公元整一百年,做出“┇”标志。并记录样本总长度。

除标识之外,一些窄轮、怀疑伪轮、缺、断轮,尽可能在预处理中标出,并作记录,便于定年。

利用美国的 MeasureJ2X树木年轮宽度测量系统(0.001mm),将轮宽值和年代以测量格式直接传入计算机。

使用 图像对比 程序查找缺轮、伪轮,并作相应修正;同时, 用国际年轮库的 COFECHA [6] 定年质量控制程序进行交叉定年的检验,确保每一生长年轮具有准确的日历年龄。

3 年表研制

采用 ARSTAN [6] 年表研制程序进行年表的研制,一般包括标准年表( STD)、差值年表(RES)和自回归年表(ARS)三种年表类型,以增加在气候重建时的年表可选择性。标准年表是通过轮宽的标准化,剔除与树龄有关的生长趋势,得到年轮指数,再根据指数序列与主序列间的相关系数,剔除相关差的标本,最后采用双权重平均法合并得到的,它是常规意义上的树轮年表。差值年表则是在标准化年表的基础上,去掉树木特有的和前期生理条件对后期生长造成的连续性影响而建立的一种年表,它只含有群体共有的高频变化。自回归年表则是估计采样点树木群体所共有的持续性造成的生长量,再将其加回到差值年表上得到的,因此它既含有群体所共有的高频变化,又含有群体所共有的低频变化。而常规年表除此之外还有少量的树木个体持续性变化造成的低频分量。

在年表研制过程中消除了树木生长中与年龄增长相关联的生长趋势及部分树木之间的非一致性扰动,排除其中的非气候信号。即,生长量订正和标准化:

① 生长量订正

本文的生长量订正采用磨光样条函数 (Reinsch,1967)计算,即

≤ s

在上述条件的约束下,使总样条函数 g″(x)平方和为最小。

式中 y 1 为输入序列; δy 1 为权重序列; s为尺度参数。

对年轮宽度(灰度)序列来说,若干年内局部标准偏差正比于局部平均值,粗略的认为,订正后的曲线应当通过年轮宽度(灰度)的局部平均值,如果使用权重平均值,就难以达到这种结果,因此,对于所有 i都令δy i = 1.0于是上式可化简为一个无权重剩余平方和的形式。给定s值,就可用迭代法算出相应的样条。

在实际计算中,多采用拉格朗日乘子 p选择样条的参数。每一个p值,对应一条样条形式。P的普通对数可在+∞到-∞范围内取值,不过在实际应用里,所有与s相应的p值对数出现在+2.00到-10.00范围内。p值的选用不受样条数据的平均值或方差的影响,对于一个不随时间变化的过程来说,还与N无关。此外,以p代替s可以直接计算样条而不必迭代,这就大大减少了计算时间。

将许多取自森林内部不同原始年轮序列,用于大范围内的各种 p值进行拟合,后检验每个曲线,经反复试验,发现当log p =-4.00时,一般能得到满意的拟合曲线(cook and Opeters,1981)。

样条函数频率响应函数可由傅里叶变换计算,如下式:

例如:对 logp=-4.0,50﹪频率的响应周期为53年,在一定的频率上应有50﹪频率响应的样条的p值应为:

对一些用直线或负指数曲线难以拟合好的年轮宽度序列的订正,样条函数对数据的拟合较为自然,因它所起的作用就和对这些数据加中心权重而作滑动平均一样。

应指出,磨光样条函数不能解决一切生长量的订正问题。在信号与噪声频谱与低频相重叠的地方,总由于频率响应曲线形状而丢失部分气候信息。这是任何滤波计算的共同问题。磨光样条,按需要者的要求,可剪裁为高度灵活的订正处理方法。

4 重建方程的建立及检验

利用树木年轮资料以及必备的气象资料,采用单相关、逐步回归分析法建立回归方程,并利用误差缩减值,符号检验,乘积平均数以及逐一剔除法对回归方程进行检验。

5 重建结果特征分析

主要包括变化阶段分析,周期分析,最大熵谱分析,频率极值分析,趋势分析和突变特征分析。

6 重建结果区内外对比

利用所具有的资料,将所得到的重建结果与其他研究人员所得结果进行比较,一般包括阶段比较,突变比较,趋势比较等。
(三) 年轮室简介

2002年,在科技部、中国气象局及新疆气象局的大力支持下, 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所建立了树木年轮理化实验室 。实验室拥有面积为820m2的实验楼一座,存有3000多棵树木的钻芯标本和1000多棵树木的圆盘树轮标本;装备的仪器有树木年轮宽度测量系统,树木年轮图像分析系统及激光粒度仪,还将装备X-射线树木年轮密度测定系统、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)等先进设备。树木年轮理化实验室现有研究室成员22人,其中博导1人,硕导4人,是中国气象科学研究院、中科院新疆生态与地理研究所、兰州大学、新疆大学、新疆师范大学研究生的联合培养单位。发表论文60多篇,出版专集、专著各1部,获国家科学技术进步奖三等奖1项。 树木年轮理化实验室设有展厅、树轮样本预处理室、激光粒度仪室、化学分析室、 X- 射线树木年轮密度测定系统室、树木年轮宽度测量和图像分析室。

图 1 国家重点开放树木年轮理化实验室全貌

文本框: 图2 化学实验室

图 2 化学实验室

图 3 激光粒度仪室

图 4 圆盘标本储存室

图 5 样芯储存柜

图 6 用于年轮标识的 4 × 10 倍的显微镜

图 7 WinDENDRO 树轮图像分析仪

图 8 树轮宽度测量仪

(四) 新疆年轮研究所取得的成果

新疆树木年轮研究工作始于 20 世纪 60 年代初期,主要开展树木年轮气候、年轮水文研究。在国内著名年轮气候专家李江风研究员的领导下,新疆的树木年轮研究在 70 年代末 80 年代初进入了一个快速发展的时期。从 1977 年 10 月以来,先后在昌吉、哈密、阿勒泰、伊犁、塔里木河中下游、乌鲁木齐河、玛纳斯河、奎屯河、天池、四工河、精河、博尔塔拉河等地进行了树木年轮的采样,研制标准化树轮年表 187 个。

新疆的年轮研究工作曾得到国际年轮库主席、美国亚利桑纳大学年轮实验室教授 Fritts 的大力支持。 1990 年,中美联合在新疆东天山进行了树轮采样。此外,还与中国科学院地理科学与资源研究所,中国气象科学研究院、兰州大学等单位具有良好的协作关系。

自 1977 年以来,新疆年轮研究做了不少国内首次进行的工作,主要有:研制出了大样本的树轮年表(哈密 1 号年表最多含有 50 个轮宽序列, 1979 年);利用树木年轮重建了额尔齐斯河年径流量,填补了我国年轮水文学研究的空白;在塔里木中下游的流动沙漠区进行树轮气候研究;进行了用树木年轮重建春小麦产量、牧草产量的广义年轮生态学研究;在伊犁地区,研制树轮年表 22 个,在国内率先创立了大样本、多年表、面控制的采样布局策略,进行了用年轮估算地表水资源在不同丰枯期的空间分布型式和相对变化幅度的工作。近几年,新疆的树木年轮气候研究又取得了新的进展: 1 利用树木年轮重建山区降水日数。 2 在国内首次用树木年轮年表重建降水进而估算小冰期盛期降水量的工作。 3 对上年冬季低温限制天山云杉年轮生长的可能生理机制进行研究。

到目前为止,已发表研究论文 60 多篇,其中一些论文发表在《科学通报(英)》、《气象学报(英)》、《生态学报》、《冰川冻土》、《第四纪研究》、《自然资源学报》等中高级刊物上。 1989 年出版了我国第一本树木年轮研究专集《新疆年轮气候年轮水文学研究》; 1997 年“新疆 300~500 年水文、气候序列的重建与应用”获得我国树木年轮研究唯一的一项国家科学技术进步奖(三等奖); 2000 年在国家科技著作出版基金的资助下由科学出版社出版了我国第一本年轮水文学研究专著《树木年轮水文学研究与应用》。

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