樹木年輪定年原理、取樣方法和分析方法

2021-11-16 14:26:40 DianjiangHK 3

     樹輪年代學(Dendrochronology),也叫樹輪定年(Tree–ring Dating),是對樹木年輪年代序列的研究,科學的樹輪年代學是美國的天文學者道格拉斯(Douglass)博士於二十世紀初研究建立起來的。他用樹輪定年法測定了印第安人遺址中殘留樹木的樹輪,明確了遺址的年代,於是這種方法在美國的史前年代學研究中得以確立。自從科學的樹輪年代學建立以來,樹輪年代學有了長足的發展。

      在建立長序列的年輪年表方面,許多國家已經建立了不同長度的年表,其中有兩條長序列的年輪年表,一條是利用美國西南部考古遺址出土的木材樣本,構建了這一地區的史前年代學框架,建立了上萬年的刺果松(Pinus aristata)年輪年表,另一條是德國建立了不間斷的可延續到整個全新世的10430年的櫟樹(Quercus)年輪年表。利用長序列年輪年表不但對新石器時代的遺存進行了定年,對古建、古美術的木材樣本進行定年,而且對14C 年代進行了校正,推測過去一些事件的年代,河流的改道,推測過去社會經濟和文化狀況,聚落的居住史和建築史等。

   樹輪年代學主要有兩方面的作用,一方面是利用樹木年輪分析判定過去人類文化遺存的年代,另一方面是對過去氣候(包括溫度、降水)和環境進行重建和研究。

一 、樹輪年代學的原理

        樹木樹幹的形成層每年都有生長活動,春季形成層細胞分裂快,個大壁薄,在材質上表現疏松而色淺,稱為春材;由夏季到秋季,形成層的活動漸次減低,細胞分裂和生長漸慢,個小壁厚,材質上致密而色深稱為秋材。樹木的年輪,就是樹幹橫截面上木質疏密相間的同心圓圈。每一個年輪的寬度包括當年的春材和秋材。多數溫帶樹種一年形成一個年輪,因此年輪的數目表示樹齡的多少,年輪的寬窄則與相應生長年份的氣候條件密切相關,在幹旱年份樹木生長緩慢,年輪就窄,在濕潤年份年輪就寬。

      同一氣候區內同種樹木的不同個體,在同一時期內年輪的寬窄規律是一致的。如果一段樹幹內層的一段年輪圖譜同另一段樹幹外層的年輪圖譜一致,就說明二者有過共同的生長期,生長年代能夠相互銜接。如果我們以現生立木或已知砍伐年代的樹木樣本為時間基點,年代早一些的樣本與之有一部分年輪圖譜重疊,他們就可以銜接,就這樣一直能銜接下去,甚至可以銜接到遠古時期,這樣就可以建立長序列的樹木年輪年表。

      一旦建立了長序列的樹木年輪年表,就可以對未知年代的木材進行分析和定年了。假如從考古遺存中取到木材樣本,首先對該木材樣本進行樹輪分析,建立該木材樣本的樹輪圖譜,如果該木材樣本與已建立的合成年輪年表的木材樹種相同、又在同一氣候區,根據交叉定年原理與長序列的樹木年輪年表進行比較,就可以找到唯一的重合位置,從而確定該木材樣本的絕對年代。

     在溫濕的歐洲地區,樹輪基本沒有缺失輪,常采用以上交叉定年方法。而在氣候幹旱和半幹旱的地區,樹輪中丟輪較多,常采用美國的骨架定年方法,並根據中國的實際情況做出適當調整。


二、 樹輪年代學的分析方法

(一)交叉定年工作程序

      在定年前,對所有的樣本都應進行一次目估,進一步了解每一個樣本年輪的走向、清晰程度、是否有結疤、病腐等,選取生長正常的部分定年,這不僅有利於假年輪、丟失年輪的確定和識別,定年準確,測量時不容易出錯,而且在年輪分析時,如果有疑問,還便於回查。

交叉定年工作程序如下:

1、年輪的標記

      將打磨好的樣本,由髓心向樹皮方向,每10年用自動鉛筆畫一個小點,每50年在垂直方向畫兩個小點,每100年在垂直方向畫3個小點。

2 、畫骨架圖

      一般采用美國亞利桑那大學樹木年輪研究實驗室的交叉定年方法,即骨架示意圖方法對樹木年輪進行定年。該方法將樹輪寬度序列中的窄輪作為序列之「骨」,識別後即以豎線的長短形式標註在坐標紙上。如果所視年輪比其兩側相鄰的年輪相對愈窄,在坐標紙相應的年份位置上標註的豎線就愈長,而平均寬度的年輪不標出,以空白表示,極寬的年輪以字母W 標註。以此方法在坐標紙上標識出的窄輪分布型被看作是實際輪寬變化的「骨架」。每個樣本畫一個骨架圖。

3 、比較

      首先對同一棵樹上的兩個樹芯進行比較,是否窄輪重合,如果前一部分重合,後一部分不重合,那麽,往後移動一個或幾個年輪後,骨架又重合,說明有可能缺輪,要回到顯微鏡下重新確認。確定好後再與另一個樣本用同樣的方法進行比較。直到所有的樣本的年輪數量準確無誤為止。

4 、年代的確定

     對於活樹的樣芯,最外層年輪的年代是已知的,由於前面幾步定年準確無誤,那麽每個年輪的生長年代就能準確定年。

如果古木樣本的年輪骨架與現代樣本的年輪骨架重疊,那麽每個年輪的生長年代也就能確定了。

這裏值的註意的是樣本最後一年的確定的依據是樹輪的解剖學特征。比如:如果樣芯是2005年春季、夏季采集的,樹木已經開始生長,在顯微鏡下,最後一個完整輪與樹皮之間看到顏色淺的針葉樹種的管胞或闊葉樹種的導管,這說明測量的最後一個年輪就是樹木砍伐年代的前一年或者是取樣年代的前一年,也就是2004年。如果樣芯是2005年秋季到冬季采集的,樹木已經停止生長,在顯微鏡下,最後一個完整輪與樹皮之間只有顏色深的晚材細胞,說明測量的最後一個年輪就是樹木砍伐年代或者是取樣的年代,即2005年。

     對於考古樣本,知道最外層的年輪是否是砍伐年代是非常重要的。因為知道了砍伐年代,就可以確定遺址的年代。

遺憾的是考古遺址中發掘出的木材經常表面腐爛,不知道損失了多少年輪,在這種情況下,我們只能有把握地說,樹木死於或砍伐於最外層年輪的年代之後。


那麽,如何確定遺址的年代呢?

第一種情況:如果確定了絕對年代的樣本有樹皮,就可以根據木材最外層年輪的年代,至少可以卡定這個遺存的上限,也就是說該遺址的年代不早於木材最外層年輪的年代,如果木材是現伐現用的,那麽,遺存的年代就能確定。

第二種情況:如果一個遺址中多數樣本結束於同一年,說明這些樣本外層木質部沒有腐爛,因為不可能多數樣本腐爛掉同樣的年輪數,這種情況也可以卡定這個遺存的上限。如果木材是現伐現用的,那麽,遺存的年代就能確定。

第三種情況:如果樣本外邊木質部發現有蟲孔,說明最外層一個年輪接近樹皮。因為蟲子一般蛀新形成的木質部和韌皮部。這些蟲子侵蝕剛砍伐的樹、弱樹或由於其他原因死亡的樹的樹皮。蟲子侵蝕的年輪深度通常只有幾個年輪,因此它們的存在意味著最外層的年輪靠近砍伐年。這種樣本的最外層年輪的年代與遺址的年代接近。

第四種情況:樣本存在部分邊材,可以根據邊材與心材的關系確定邊材損失了多少年輪,估計靠近樹皮的年輪的年代。這種樣本估計的最外層年輪的年代與遺址的年代接近。

第五種情況:樣本只有心材,這種樣本就難判定木質部損失了多少個年輪,這種樣本最外層年輪的年代與遺址的年代相差較大。


(二) 樣本的測量

      樣本年代確定後,用德國的LINTAB6樹木年輪分析儀測量,該系統測量分辨率為10微米。或者用美國生產的Velmex樹木年輪分析儀測量輪寬,精度為0.0015 mm。


(三) 樹木年輪年表的建立

       在建立樹木年輪年表之前,首先用專門用於檢查樣芯或樹盤定年和輪寬量測值的COFECHA計算機程序或用Gleichläufigkeit統計量檢查測量的樹輪寬度值的準確性,利用ARSTAN軟件建立樹輪寬度指數序列。

三 、取樣方法

       樹輪分析的第一步,就是獲得適當的木材樣本。樣本來源很廣,從年代來說,可以是現代的、古代的;從性質來說可能是藝術的,考古發掘的和亞化石的。從形狀來說可能是圓盤或楔形或長條形或樹芯。另外,可能是幹的樣本,也可能是濕的樣本。


(一) 活樹樣本的采集

        活樹樣本取樣,最好遵循下面的原則:選擇受人為影響小;受一個氣候因素製約,如溫度或者降雨;生長在幹旱、半幹旱地區、生長條件較差的林緣木和孤立木;高寒地區和高海拔的森林上限的樹木樣本。

為了保證樹木受到最小的傷害,采樣時,采用較細的(直徑為4.3 mm)生長錐對活樹進行樣芯采樣。取到的樣芯放置在紙吸管或塑料吸管內,並在吸管上用油性筆標註代碼。紙吸管的優點在於可使樣芯中的水分充分揮發以避免樣芯發黴,又可對樣芯起保護作用。若采用塑料吸管放置樣芯,則須在管壁上剪出若幹小孔,以便於樣芯中的水分揮發。


(二) 古木樣本的采集

         凡是年輪數在100輪以上的木材甚至木炭和化石木都可以作為樹輪分析的樣本。對於考古遺址中出土的古木,用油鋸采集樹盤,對於那些需要保存結構,不易鋸樹盤的,可以采集木材鉆心。樹盤是最好的樹輪分析樣本,在一般情況下,取2~3cm厚的樹盤。特別註意的是,如果原木尚有保存完好的樹皮,或有完整邊材的木材,取樣時一定要註意保存,另外不要在主幹有側枝的部位取樹盤,因為此處年輪極不規則。如果運輸不方便也可取楔形樣本,即樹幹橫切面上選擇年輪比較規則,年輪不是太窄的部位,取原盤的1/4或1/8,這是因為如果年輪太窄,容易產生不連續生長輪或斷輪。在取樹盤之前,可以利用手持放大鏡初步觀察一下樣本的質量。當觀察樣本時,標本的觀察面向著光線,如果表面塗一層水,利用光的折射,觀看更清楚,同時要註意方向,必須把木材標本近樹皮的一邊向外,把近髓心的一邊靠近身邊,即以射線垂直於胸前,而不要倒過來看,更不要以射線平行胸前來觀察。如果考古遺址有木炭,那麽可以把木炭樣本用棉花包裹起來,或浸在聚乙二醇(碳蠟)溶液中保存。如果考古發掘的木材濕而軟,要用塑料布包裹起來,或冷凍起來。

       樣本的數量越多越好,這是因為在交叉定年中,可以排除由於假生長輪和不連續生長輪造成的數據偏差。而且,大樣本量對最後的統計分析也是很重要的。但是,取大量樣本必然需要大量的人力、物力、才力,因此,如果出土大量原木,最好在帶有樹皮和邊材明顯的木材上取樣,樣本數為30個。如果出土較少木材,最好每個木材取一個樣本,甚至一個木材上取2個樣本。采集樣本的同時要對樣本進行編號和紀錄。我們取樣的目的不僅僅在於了解樣本的年代,而且要盡可能地了解當時的環境及其對人們生活的影響。因此,樣本的編號和記錄是至關重要的。樣本的編號最好與考古發掘的編號一致。樣本記錄應記錄采樣地點、樣本代號、樹種、樣本在遺址中的位置(包括水平位置和垂直位置)、采樣人、采樣日期、樣本發現的原因(發掘、建築、道路)等。還應繪製取樣地點平面圖、描繪樣本與其它物體的空間聯系,根據共存遺物推斷樣本的可能的年代,最好附拍攝照片。總之,要盡可能多地提供有關樣本的信息,以便對樹輪研究的結果進行分析。樣本登記表要和樣本上的記錄一致。


註釋

[1] Sutton M. Q., Arkush B. S.. Archaeological Laboratory  Methods, An Introduction. Kendail / Hunt Publishing, 1996, pp295

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