树木年轮在全球变化研究中的应用 课程论文

树木年轮在全球变化研究中的应用

江丽城环1102班

摘要：本文中树木年轮作为过去全球变化产物的古环境感应体，具有定年准确、连续性强、分辨率高和易于复本等特点。树木年轮的宽度、密度、同位素含量等都与气候因子温度、湿度以及大气成分的变化成复杂的相关关系。本文总结了树木年轮分析的几种主要分析方法以及在全球气候变化、环境监测中与治理大气污染中的应用。

关键词：树木年轮全球变化气候变化环境监测大气污染

Abstract:Tree rings in this article as the product of the ancient past global environmental changes induced body with dating is accurate, continuous, high resolution and easy replica features.Width, density, and so isotopic content of tree rings and climatic factors temperature, humidity, and atmospheric composition changes into a complex relationship.This paper summarizes several major analytical methods and tree ring analysis in the global climate change, environmental monitoring of air pollution in the application and management.

Keywords: Tree rings Global Change Climate Change Environmental Monitoring

Air Pollution

0 引言

人类正面临着一系列前所未有的重大全球性环境问题，如海平面上升、温室效应、全球变暖、人口激增、土地荒漠化、生物物种的快速灭绝、森林面积剧减、臭氧层破坏、水资源匮乏、环境恶化与灾害频发、大气中氧化作用的减弱等[1]。多年来各地科学家的潜心研究，使人们认识到，人类在改变居住环境时，影响的范围并非是局部的、区域性的，而是全球规模，它涉及地球系统各个圈层之间的相互作用，因此，全球变化成为当前地球科学研究中的热点问题。

根据所依据的信息来源和研究方法不同，当前全球变化研究包括三种途径[2]：（1）全球变化的重建，它是以残存的过去全球变化产物作为其依据，从而反推形成产物的环境的状态，推测原因；（2）全球变化的动态监测；（3）全球变化模拟。过去全球变化是IGBP核心计划之一，过去全球变化信息根据来源和属性可分为三种类型：观测记录、考古和历史文献记载、古环境感应体。古环境感应体主要包括古沙丘、黄土与古土壤、冰芯、树木年轮等。本文中树木年轮作为古环境感应体，以其生长特性为依据，来研究环境对年轮生长影响的学科，旨在获取代用数据，重建环境因子的变化史实[3]。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，长期以来在全球变化研究中得到了广泛的应用[4]。

1 全球变化研究背景下的树木年轮研究的必要性

1.1 全球变化研究现状

大量观测结果和证据表明[9]:地球正在变暖并伴随气候系统的其它变化，20世纪全球平均气温增加了0.6℃左右；20世纪是过去千年最暖的一个世纪，90年代是过去千年最暖的一个10年，而1998年是过去千年最暖的1年；人类活动产生的温室气体和气溶胶改变了大气状况并进而影响气候，过去50年观测到的变暖事实主要是人类活动所致。这些研究揭示出许多人类前所未知的事实，被国际社会公认为自然科学的重要进步。

适应是人类社会应对全球变化挑战的明智选择，开展全球变化适应研究是极为必要的。出于全球环境变化可能对人类社会生存造成严重影响的忧虑，自20世纪70年代提出气候变化以及对人类社会可能产生的影响起，国际科学界和各国政府就开始讨论人类社会如何响应全球变化并采取相应的政策。具体研究方向是从20世纪70年代开始提出的预防和阻止到80年代减缓，直到目前普遍认同的适应。对全球和区域环境变化的适应与可持续发展之间应存在协调统一的关系，人类通过对全球变化的多方位研究及研究成果应用实践来实现人们期望的可持续发展。由此可知，对包括树木年轮在内的古环境研究体进行应用研究的必要性。

1.2 树木年轮特性与主要分析方法

树木年轮作为过去全球变化的主要信息源之一，分别在物理、化学、生物方面具备可提取的信息。

在物理学上体现为其密度分析，年轮密度分析在年轮气候学研究中是一个重大突破。树木年轮是树木形成层周期性生长的结果，在季节差异明显的地区，温暖或湿润的生长季树木生长快，细胞大而细胞壁薄，形成较宽的浅色早材；寒冷或干燥的季节树木生长缓慢，细胞小而细胞壁厚，形成较窄的暗色晚材；早材和晚材合起来为一个年轮[2]。木材密度变化正是与这些敏感的细胞特性紧紧联系在一起的。

在生物学上表现为宽度分析，树木年轮宽度分析是最早使用也是最常用的分析方法之一。在树木横断面上年轮的宽度可以反映树木生长量的状况。每年年轮宽度的大小，与树木年龄、前期生长状况和环境等多方面因素密切相关。环境变化所引起的树木年轮宽度变化反映的是对树木生长限制最大的环境因子的变化，如在温度起主导作用的森林北界或山地森林上限地区，低温年份年轮窄，高温年份年轮宽；在水分条件为限制因素的干旱、半

干旱地区，宽轮对应于多雨年，窄轮对应于少雨年。在树木年轮中的缺轮、伪轮等异常变异年轮，有时可以用来反映冻害、虫灾、火灾等异常环境事件。

在化学中的体现为同位素和化学元素分析，树木年轮的木质部分几乎都是由碳、氢、氧三元素构成的，它们都含有可测的稳定同位素，同位素的比值又在一定程度上与温度、降水等环境因素有关，因此，根据年轮中碳、氢、氧同位素比值的变化可以反映环境的变

含量的变化及其对树木肥化作用，以化，而碳13C/12C比值的变化还能够用来反映大气中CO

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及环境污染状况。在年轮的碳同位素中还含有放射性的同位素14C，每个年轮中14C的含量与年轮形成时大气中的14C含量相平衡，根据树木年轮中14C的变化，可以推断大气中14C浓度的变化，并进一步推断导致大气中14C浓度变化的太阳活动和宇宙射线变化的历史。树木在生长过程中不断地从环境中吸取矿质养分，因此树木年轮中的化学元素含量与当年环境中化学元素的含量存在着相关性，根据树木年轮中化学元素含量的变化，可以反映环境中化学元素的变化，如环境污染等。

图1 树木年轮的结构与影响窄轮形成的气候因子（吴定祥等，1990）树木年轮可提供时间分辨率为年或季的全球变化信息，根据Hans Oeschser and John A.Eddy的主要天然环境档案的特征表，树木年轮讨论的时间尺度为104年的变化，是重建

几十到几百年尺度全球变化的最重要的信息源之一。

在众多记录环境历史变化的信息源中，树木因分布广泛、寿命长久，且能同时感应自然干扰和人为干扰的影响，其年轮保留着人类活动的痕迹[5]。具有定年准确、连续性强、分辨率高和易于复本等特点，年轮指标量测精确，而且树体内的元素浓度相对高，能揭示环境中的污染元素生物有效性水平的历史变化，是可靠的年代信息源之一。

2 多方位研究与应用

树木年轮的宽度、密度、同位素含量等都与气候因子温度、湿度以及大气成分的变化成复杂的相关关系。本文总结了树木年轮分析的几种主要分析方法以及在全球气候变化、环境监测中与治理大气污染中的应用。

2.1 年轮在气候变化中的应用

近年来,随着气候变化和环境变迁研究的迫切需要，年轮气候学在自然科学领域已成为一门甚为活跃的分子学科,在古气候重建研究中得到了广泛的应用。

这门学科真正的奠基人应是美国天文学家A.E.Douglass,早在1939年，他就构造出一个从公元700年至1929年的延续年轮宽度年表。

按照经典的年轮气候学理论[6]，取样应该在典型的取样环境中进行，那里制约树木生长的环境因子单一而且生长稀疏，相互间影响不大，异步干扰小。研究表明[7]，当水分成为树木生长的限制性因子时，年轮宽度往往表现出与降水的正相关，当水分充足时，轮宽与降水无关或负相关。温度的影响比较复杂，而且与其它环境因子相互作用，表现的不一致。在高寒地区，暖冬利于树木的早期生长，而在生长旺盛时，温度往往不在成为限制因子，由于蒸发的增强，水分的充足与否又限制了树木的生长。另外，温度往往与地形如坡向、坡度等有关。

20世纪80年代初,随着树木年轮图像分析技术的应用，树轮密度分析愈来愈受到年轮气候学家的重视。20世纪90年代以来，随着图像分析技术的不断完善，利用树轮早材、晚材颜色不同，从而来估计年轮密度大小和确定边界位臵的研究越来越多在一次扫描中就可以得到早晚材宽度、密度、亮度等多个指标，为年轮气候重建提供了大量的信息[8]。1947年，Urey提出植物在不同温度下合成的碳化合物数量不同，将同位素方法最早引入到树木年轮气候学领域。

树木年轮氢、氧同位素的气候学研究始于20世纪70年代。已有的研究表明[7]，树轮氢氧同位素记录了环境变化的信息。在干旱半干旱地区，树轮同位素比值与环境水(降水)及相对湿度的存在线性相关。研究表明，对于气候条件简单或地势平坦的地区，树轮同位

素序列是温度变化历史的良好载体。在水分条件受限制的地区，降水量的变化也可以较好的表达同位素的短期波动，树轮同位素组成与降水量之间的关系已被许多试验结果证明。

虽然年轮气候研究的各种方法都可以独立的完成对气候的重建，但是，由于树木生长受环境条件影响的复杂性，将多种方法结合起来研究气候变化，取长补短，使得非典型环境中年轮气候分析以及年轮气候分析的精确性进一步提高。

大范围的森林虫害、火灾、旱灾等不利因素对树木生长的影响都能在年轮结构和年轮宽度的变化模式上反映出来，因而，可利用树木年轮宽度特征来分析和重建森林干扰历史。

随着人类活动的加剧和现代工业的发展，以及伐木毁林的不断增加，大气中的等温室气体也日趋升高。研究温室气体浓度增加及由温室效应所导致的大气温度的升高对生态系统的影响是当前生态学研究的热点之一。

另外，虽然作物的产量与树木的生长之间没有直接的联系，但无论作物的产量还是树木的生长都与同一地区的环境变化紧密相关。这样，作物的产量和树木年轮宽度之间可能存在某种潜在的联系。[10]

2.2 年轮在环境监测中与大气污染中的应用

环境中污染物数量增加和浓度的上升已经引起人们的关注。选择正确、有效、快速的生物监测手段和途径是环境影响评价成功的关键之一。

1974年Lepp首次将年轮化学用于监测环境中痕量金属的长期变化获得成功。年轮化学研究对再现环境，尤其是土壤中元素含量的历史演变，了解环境污染的形成、发展与制定整治方案具有重要价值。

树木年轮在环境研究中的重要领域在本文中主要包括大气痕量金属沉降的监测、水体和土壤重金属沉积的监测、有机污染物的推断、人工合成放射性元素污染的调查。研究已证明树木年轮能精确记录大气痕量金属(如Pb)浓度的变化。早期的研究通常是在污染点源附近开展，如公路旁，之后类似研究在金属冶炼厂附近进行，其结果表明，年轮中Pb浓度的升高是始于冶炼厂开工之后，同时也发现当冶炼厂工厂关闭后，树木年轮中Pb浓度急剧下降[5]。年轮化学研究还用于监测土壤、沉积层和溪流水体化学性质的历史变化。Hupp等用柳橡树和栋树年轮化学性质的变化来监测美国弗吉尼亚州Chickahominy河沉积层中金属的沉积，距城区最近处生长的树木近30年间形成的年轮中Zn、Cu、Ni和Pb的浓度都有所上升，沉积层中金属浓度相应地也有增加。树木年轮中检测到的污染物保存着地下水受污染的记录相对于污染地点上其它植物而言，污染物在土壤持水层的空间分布可通过检测树木体内污染物浓度的上升描绘出来。

对大气污染的研究中，过去侧重于研究南北极冰川、冻土冻原或湖泊沉积物的研究，但这些研究手段及指示程度很难揭示具体地区的大气污染历史。对大气污染的年轮研究主要通过两个方面即树木生长量和年轮污染物含量。Leep认为空气污染物引起植物伤害，使

等空其生长衰退或死亡，并在树木年轮中反映出来。工业活动产生的废气成分较复杂，SO

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气污染物对植物的气孔开闭和光合作用生理生化过程取决于植物种类、污染物成分、浓度和作用时间。

全球变化已是不容争辩的事实,在未来还将以更快的速度发生。如何减缓这种全球性的环境变化以及如何适应于这种变化后的环境,已经成为摆在人们面前的重要课题。利用树木年轮代用资料重建过去气候变化,是解决这一课题的重要部分。

参考文献

[1] 联合国社会发展研究所.全球化背景下的社会问题[M].北京:北京大学出版社,1997.108.

[2] 张兰生等.2000.全球变化[M].北京:高等教育出版社.

[3] 吴祥定.1990.树木年轮与气候变化[M].北京:气象出版社.

[4] 吴祥定,邵雪梅.1993.中国树木年轮学研究动态与展望[J].地球科学进展,8(6):31-35.

[5] 温达志等.2004.树木年轮分析在环境监测中的应用进展[J].广西科学,11(2):134-142.

[6] 吴祥定,湛绪志.1991.样条函数拟合在年轮气候学分析中的可适用性[J].气象学报,49(1):100-103.

[7] 于大炮等.2003.树木年轮分析在全球变化研究中的应用[J].生态学杂志,22(6):91-96.

[8] Sheppard PR,Graumlich LJ.et al.1996.Reflected-light image analysis of conifer tree rings for reconstructing climate [J ].Holocene,6(1):62~68.

[9]IPCC. Climatic change 2001: The scientific basis[A]. Summary for Policymakers and Technical Summary of the Working Group 1 Report[C]. Cambridge. C.k: Cambridge University Press,2001.98. [10] 王婷等.2003.树木年轮宽度与气候变化关系研究进展[J].植物生态学报,27(1)::23-33.