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樹木年輪定年原理、取樣方法和分析方法

樹木年輪定年原理、取樣方法和分析方法

定年是考古分析中的一個(gè)重要方面之一。在考古領(lǐng)域有許多斷代測(cè)年方法，而樹輪定年是最精確的一種定年方法，可以精確到年，甚至到某個(gè)季節(jié)。樹輪年代學(xué)（Dendrochronology），也叫樹輪定年（Tree–ring Dating），是對(duì)樹木年輪年代序列的研究，科學(xué)的樹輪年代學(xué)是美國(guó)的天文學(xué)者道格拉斯（Douglass）博士于二十世紀(jì)初研究建立起來的。他用樹輪定年法測(cè)定了印第安人遺址中殘留樹木的樹輪，明確了遺址的年代，于是這種方法在美國(guó)的史前年代學(xué)研究中得以確立。自從科學(xué)的樹輪年代學(xué)建立以來，樹輪年代學(xué)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。在建立長(zhǎng)序列的年輪年表方面，許多國(guó)家已經(jīng)建立了不同長(zhǎng)度的年表，其中有兩條長(zhǎng)序列的年輪年表，一條是利用美國(guó)西南部考古遺址出土的木材樣本，構(gòu)建了這一地區(qū)的史前年代學(xué)框架，建立了上萬年的刺果松（Pinus aristata）年輪年表，另一條是德國(guó)建立了不間斷的可延續(xù)到整個(gè)全新世的10430年的櫟樹（Quercus）年輪年表。利用長(zhǎng)序列年輪年表不但對(duì)新石器時(shí)代的遺存進(jìn)行了定年，對(duì)古建、古美術(shù)的木材樣本進(jìn)行定年，而且對(duì)14C年代進(jìn)行了校正，推測(cè)過去一些事件的年代，河流的改道，推測(cè)過去社會(huì)經(jīng)濟(jì)和文化狀況，聚落的居住史和建筑史等?？傊?，在考古學(xué)領(lǐng)域，樹輪年代學(xué)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(duì)過去氣候（包括溫度、降水）和環(huán)境進(jìn)行重建和研究。因此，為了盡快地建立長(zhǎng)序列的年輪年表，有必要對(duì)樹輪年代學(xué)的原理、分析方法和取樣方法幾個(gè)方面系統(tǒng)介紹，使考古工作者了解和掌握，以便取到比較理想的木材樣本。

一樹輪年代學(xué)的原理

樹木樹干的形成層每年都有生長(zhǎng)活動(dòng)，春季形成層細(xì)胞分裂快，個(gè)大壁薄，在材質(zhì)上表現(xiàn)疏松而色淺，稱為春材；由夏季到秋季，形成層的活動(dòng)漸次減低，細(xì)胞分裂和生長(zhǎng)漸慢，個(gè)小壁厚，材質(zhì)上致密而色深稱為秋材。樹木的年輪，就是樹干橫截面上木質(zhì)疏密相間的同心圓圈。每一個(gè)年輪的寬度包括當(dāng)年的春材和秋材。多數(shù)溫帶樹種一年形成一個(gè)年輪,因此年輪的數(shù)目表示樹齡的多少，年輪的寬窄則與相應(yīng)生長(zhǎng)年份的氣候條件密切相關(guān),在干旱年份樹木生長(zhǎng)緩慢，年輪就窄，在濕潤(rùn)年份年輪就寬。同一氣候區(qū)內(nèi)同種樹木的不同個(gè)體，在同一時(shí)期內(nèi)年輪的寬窄規(guī)律是一致的。如果一段樹干內(nèi)層的一段年輪圖譜同另一段樹干外層的年輪圖譜一致，就說明二者有過共同的生長(zhǎng)期，生長(zhǎng)年代能夠相互銜接。如果我們以現(xiàn)生立木或已知砍伐年代的樹木樣本為時(shí)間基點(diǎn)，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(yuǎn)古時(shí)期，這樣就可以建立長(zhǎng)序列的樹木年輪年表。

一旦建立了長(zhǎng)序列的樹木年輪年表，就可以對(duì)未知年代的木材進(jìn)行分析和定年了。假如從考古遺存中取到木材樣本，首先對(duì)該木材樣本進(jìn)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(qū)，根據(jù)交叉定年原理與長(zhǎng)序列的樹木年輪年表進(jìn)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(duì)年代。

在溫濕的歐洲地區(qū)，樹輪基本沒有缺失輪，常采用以上交叉定年方法。而在氣候干旱和半干旱的地區(qū)，樹輪中丟輪較多，常采用美國(guó)的骨架定年方法，并根據(jù)中國(guó)的實(shí)際情況做出適當(dāng)調(diào)整。

二樹輪年代學(xué)的分析方法

（一）交叉定年工作程序

在定年前，對(duì)所有的樣本都應(yīng)進(jìn)行一次目估，進(jìn)一步了解每一個(gè)樣本年輪的走向、清晰程度、是否有結(jié)疤、病腐等，選取生長(zhǎng)正常的部分定年，這不僅有利于假年輪、丟失年輪的確定和識(shí)別，定年準(zhǔn)確，測(cè)量時(shí)不容易出錯(cuò)，而且在年輪分析時(shí)，如果有疑問，還便于回查。

交叉定年工作程序如下：

1年輪的標(biāo)記

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

2畫骨架圖

一般采用美國(guó)亞利桑那大學(xué)樹木年輪研究實(shí)驗(yàn)室的交叉定年方法，即骨架示意圖方法對(duì)樹木年輪進(jìn)行定年。該方法將樹輪寬度序列中的窄輪作為序列之“骨”，識(shí)別后即以豎線的長(zhǎng)短形式標(biāo)注在坐標(biāo)紙上。如果所視年輪比其兩側(cè)相鄰的年輪相對(duì)愈窄，在坐標(biāo)紙相應(yīng)的年份位置上標(biāo)注的豎線就愈長(zhǎng)，而平均寬度的年輪不標(biāo)出，以空白表示，極寬的年輪以字母W標(biāo)注。以此方法在坐標(biāo)紙上標(biāo)識(shí)出的窄輪分布型被看作是實(shí)際輪寬變化的“骨架”。每個(gè)樣本畫骨架圖。

3比較

首先對(duì)同一棵樹上的兩個(gè)樹芯進(jìn)行比較，是否窄輪重合，如果前一部分重合，后一部分不重合，那么，往后移動(dòng)一個(gè)或幾個(gè)年輪后，骨架又重合，說明有可能缺輪，要回到顯微鏡下重新確認(rèn)。確定好后再與另一個(gè)樣本用同樣的方法進(jìn)行比較。直到所有的樣本的年輪數(shù)量準(zhǔn)確無誤為止。

4年代的確定

對(duì)于活樹的樣芯，最外層年輪的年代是已知的，由于前面幾步定年準(zhǔn)確無誤，那么每個(gè)年輪的生長(zhǎng)年代就能準(zhǔn)確定年。

如果古木樣本的年輪骨架與現(xiàn)代樣本的年輪骨架重疊，那么每個(gè)年輪的生長(zhǎng)年代也就能確定了。

這里值的注意的是樣本最后一年的確定的依據(jù)是樹輪的解剖學(xué)特征。比如：如果樣芯是2005年春季、夏季采集的，樹木已經(jīng)開始生長(zhǎng)，在顯微鏡下，最后一個(gè)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(dǎo)管，這說明測(cè)量的最后一個(gè)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(jīng)停止生長(zhǎng)，在顯微鏡下，最后一個(gè)完整輪與樹皮之間只有顏色深的晚材細(xì)胞，說明測(cè)量的最后一個(gè)年輪就是樹木砍伐年代或者是取樣的年代，即2005年。

對(duì)于考古樣本，知道最外層的年輪是否是砍伐年代是非常重要的。因?yàn)橹懒丝撤ツ甏涂梢源_定遺址的年代。

遺憾的是考古遺址中發(fā)掘出的木材經(jīng)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，樹木死于或砍伐于最外層年輪的年代之后。

那么，如何確定遺址的年代呢？

第一種情況：如果確定了絕對(duì)年代的樣本有樹皮，就可以根據(jù)木材最外層年輪的年代，至少可以卡定這個(gè)遺存的上限，也就是說該遺址的年代不早于木材最外層年輪的年代，如果木材是現(xiàn)伐現(xiàn)用的，那么，遺存的年代就能確定。

第二種情況：如果一個(gè)遺址中多數(shù)樣本結(jié)束于同一年，說明這些樣本外層木質(zhì)部沒有腐爛，因?yàn)椴豢赡芏鄶?shù)樣本腐爛掉同樣的年輪數(shù)，這種情況也可以卡定這個(gè)遺存的上限。如果木材是現(xiàn)伐現(xiàn)用的，那么，遺存的年代就能確定。

第三種情況：如果樣本外邊木質(zhì)部發(fā)現(xiàn)有蟲孔，說明最外層一個(gè)年輪接近樹皮。因?yàn)橄x子一般蛀新形成的木質(zhì)部和韌皮部。這些蟲子侵蝕剛砍伐的樹、弱樹或由于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(gè)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(jù)邊材與心材的關(guān)系確定邊材損失了多少年輪，估計(jì)靠近樹皮的年輪的年代。這種樣本估計(jì)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(zhì)部損失了多少個(gè)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(cè)量

樣本年代確定后，用德國(guó)福蘭克林（Frank Rinn）公司生產(chǎn)的LINTAB樹輪寬度測(cè)量?jī)x測(cè)量，該系統(tǒng)測(cè)量精度為0.01毫米?；蛘哂妹绹?guó)生產(chǎn)的University Model 4樹輪寬度測(cè)量?jī)x測(cè)量輪寬，精度為0.01 mm。

（三）樹木年輪年表的建立

在建立樹木年輪年表之前，首先用專門用于檢查樣芯或樹盤定年和輪寬量測(cè)值的COFECHA計(jì)算機(jī)程序或用Gleichläufigkeit統(tǒng)計(jì)量檢查測(cè)量的樹輪寬度值的準(zhǔn)確性，利用ARSTAN軟件建立樹輪寬度指數(shù)序列。

三取樣方法

樹輪分析的第一步，就是獲得適當(dāng)?shù)哪静臉颖尽颖緛碓春軓V，從年代來說，可以是現(xiàn)代的、古代的；從性質(zhì)來說可能是藝術(shù)的，考古發(fā)掘的和亞化石的。從形狀來說可能是圓盤或楔形或長(zhǎng)條形或樹芯。另外，可能是干的樣本，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?。皇芤粋€(gè)氣候因素制約，如溫度或者降雨；生長(zhǎng)在干旱、半干旱地區(qū)、生長(zhǎng)條件較差的林緣木和孤立木；高寒地區(qū)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(shí)，采用較細(xì)的（直徑為4.3 mm）生長(zhǎng)錐對(duì)活樹進(jìn)行樣芯采樣。取到的樣芯放置在紙吸管或塑料吸管內(nèi)，并在吸管上用油性筆標(biāo)注代碼。紙吸管的優(yōu)點(diǎn)在于可使樣芯中的水分充分揮發(fā)以避免樣芯發(fā)霉，又可對(duì)樣芯起保護(hù)作用。若采用塑料吸管放置樣芯，則須在管壁上剪出若干小孔，以便于樣芯中的水分揮發(fā)。

（二）古木樣本的采集

凡是年輪數(shù)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(duì)于考古遺址中出土的古木，用油鋸采集樹盤，對(duì)于那些需要保存結(jié)構(gòu)，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。特別注意的是，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(shí)一定要注意保存，另外不要在主干有側(cè)枝的部位取樹盤，因?yàn)榇颂幠贻啒O不規(guī)則。如果運(yùn)輸不方便也可取楔形樣本，即樹干橫切面上選擇年輪比較規(guī)則，年輪不是太窄的部位，取原盤的1/4或1/8，這是因?yàn)槿绻贻喬菀桩a(chǎn)生不連續(xù)生長(zhǎng)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(zhì)量。當(dāng)觀察樣本時(shí)，標(biāo)本的觀察面向著光線，如果表面涂一層水，利用光的折射，觀看更清楚，同時(shí)要注意方向，必須把木材標(biāo)本近樹皮的一邊向外，把近髓心的一邊靠近身邊，即以射線垂直于胸前，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，那么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(fā)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(shù)量越多越好，這是因?yàn)樵诮徊娑曛校梢耘懦捎诩偕L(zhǎng)輪和不連續(xù)生長(zhǎng)輪造成的數(shù)據(jù)偏差。而且，大樣本量對(duì)最后的統(tǒng)計(jì)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(shù)為30個(gè)。如果出土較少木材，最好每個(gè)木材取一個(gè)樣本，甚至一個(gè)木材上取2個(gè)樣本。采集樣本的同時(shí)要對(duì)樣本進(jìn)行編號(hào)和紀(jì)錄。我們?nèi)拥哪康牟粌H僅在于了解樣本的年代，而且要盡可能地了解當(dāng)時(shí)的環(huán)境及其對(duì)人們生活的影響。因此，樣本的編號(hào)和記錄是至關(guān)重要的。樣本的編號(hào)最好與考古發(fā)掘的編號(hào)一致。樣本記錄應(yīng)記錄采樣地點(diǎn)、樣本代號(hào)、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(fā)現(xiàn)的原因（發(fā)掘、建筑、道路）等。還應(yīng)繪制取樣地點(diǎn)平面圖、描繪樣本與其它物體的空間聯(lián)系，根據(jù)共存遺物推斷樣本的可能的年代，最好附拍攝照片?？傊M可能多地提供有關(guān)樣本的信息，以便對(duì)樹輪研究的結(jié)果進(jìn)行分析。樣本登記表要和樣本上的記錄一致。

以上從樹木年輪定年的原理、分析和采樣方法幾個(gè)方面進(jìn)行了比較詳細(xì)的闡述。希望與多學(xué)科專家共同合作，建立更長(zhǎng)的年輪年表。我們應(yīng)該時(shí)刻記住，只有完成了能延伸到史前的樹輪年表，才可以在多個(gè)方面利用其精確定年的潛力，對(duì)考古遺址進(jìn)行定年，而且，還可以準(zhǔn)確了解什么年代人們做什么事情，開始理解人與自然環(huán)境的關(guān)系，還能利用精確定年的木頭進(jìn)行同位素、元素和其他分析，對(duì)14C年代進(jìn)行校正。

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