樹(shù)木年輪定年原理、取樣方法和分析方法
樹(shù)輪年代學(xué)(Dendrochronology),也叫樹(shù)輪定年(Tree–ring Dating),是對(duì)樹(shù)木年輪年代序列的研究,科學(xué)的樹(shù)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(lái)的。他用樹(shù)輪定年法測(cè)定了印第安人遺址中殘留樹(shù)木的樹(shù)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(shù)輪年代學(xué)建立以來(lái),樹(shù)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(wàn)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(shù)(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(guò)去一些事件的年代,河流的改道,推測(cè)過(guò)去社會(huì)經(jīng)濟(jì)和文化狀況,聚落的居住史和建筑史等。
樹(shù)輪年代學(xué)主要有兩方面的作用,一方面是利用樹(shù)木年輪分析判定過(guò)去人類文化遺存的年代,另一方面是對(duì)過(guò)去氣候(包括溫度、降水)和環(huán)境進(jìn)行重建和研究。
一 、樹(shù)輪年代學(xué)的原理
樹(shù)木樹(shù)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(shù)木的年輪,就是樹(shù)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(shù)種一年形成一個(gè)年輪,因此年輪的數(shù)目表示樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)干內(nèi)層的一段年輪圖譜同另一段樹(shù)干外層的年輪圖譜一致,就說(shuō)明二者有過(guò)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(shù)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(shù)木年輪年表。
一旦建立了長(zhǎng)序列的樹(shù)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(shù)輪分析,建立該木材樣本的樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)輪基本沒(méi)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(shù)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(shù)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(wèn),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(shù)皮方向,每10年用自動(dòng)鉛筆畫(huà)一個(gè)小點(diǎn),每50年在垂直方向畫(huà)兩個(gè)小點(diǎn),每100年在垂直方向畫(huà)3個(gè)小點(diǎn)。
2 、畫(huà)骨架圖
一般采用美國(guó)亞利桑那大學(xué)樹(shù)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(shù)木年輪進(jìn)行定年。該方法將樹(shù)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(huà)一個(gè)骨架圖。
3 、比較
首先對(duì)同一棵樹(shù)上的兩個(gè)樹(shù)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(shuō)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(wú)誤為止。
4 、年代的確定
對(duì)于活樹(shù)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(wú)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(shù)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(shù)木已經(jīng)開(kāi)始生長(zhǎng),在顯微鏡下,最后一個(gè)完整輪與樹(shù)皮之間看到顏色淺的針葉樹(shù)種的管胞或闊葉樹(shù)種的導(dǎo)管,這說(shuō)明測(cè)量的最后一個(gè)年輪就是樹(shù)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(shù)木已經(jīng)停止生長(zhǎng),在顯微鏡下,最后一個(gè)完整輪與樹(shù)皮之間只有顏色深的晚材細(xì)胞,說(shuō)明測(cè)量的最后一個(gè)年輪就是樹(shù)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?,就可以確定遺址的年代。
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(shuō),樹(shù)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(shù)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(shuō)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(shuō)明這些樣本外層木質(zhì)部沒(méi)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(chóng)孔,說(shuō)明最外層一個(gè)年輪接近樹(shù)皮。因?yàn)橄x(chóng)子一般蛀新形成的木質(zhì)部和韌皮部。這些蟲(chóng)子侵蝕剛砍伐的樹(shù)、弱樹(shù)或由于其他原因死亡的樹(shù)的樹(shù)皮。蟲(chóng)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(shù)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)的LINTAB6樹(shù)木年輪分析儀測(cè)量,該系統(tǒng)測(cè)量分辨率為10微米?;蛘哂妹绹?guó)生產(chǎn)的Velmex樹(shù)木年輪分析儀測(cè)量輪寬,精度為0.0015 mm。
(三) 樹(shù)木年輪年表的建立
在建立樹(shù)木年輪年表之前,首先用專門(mén)用于檢查樣芯或樹(shù)盤(pán)定年和輪寬量測(cè)值的COFECHA計(jì)算機(jī)程序或用Gleichl?ufigkeit統(tǒng)計(jì)量檢查測(cè)量的樹(shù)輪寬度值的準(zhǔn)確性,利用ARSTAN軟件建立樹(shù)輪寬度指數(shù)序列。
三 、取樣方法
樹(shù)輪分析的第一步,就是獲得適當(dāng)?shù)哪静臉颖?。樣本?lái)源很廣,從年代來(lái)說(shuō),可以是現(xiàn)代的、古代的;從性質(zhì)來(lái)說(shuō)可能是藝術(shù)的,考古發(fā)掘的和亞化石的。從形狀來(lái)說(shuō)可能是圓盤(pán)或楔形或長(zhǎng)條形或樹(shù)芯。另外,可能是干的樣本,也可能是濕的樣本。
(一) 活樹(shù)樣本的采集
活樹(shù)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(shù)木樣本。
為了保證樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)盤(pán),對(duì)于那些需要保存結(jié)構(gòu),不易鋸樹(shù)盤(pán)的,可以采集木材鉆心。樹(shù)盤(pán)是最好的樹(shù)輪分析樣本,在一般情況下,取2~3cm厚的樹(shù)盤(pán)。特別注意的是,如果原木尚有保存完好的樹(shù)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(shù)盤(pán),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(shù)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(pán)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(shù)盤(pán)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(shù)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(guò)來(lái)看,更不要以射線平行胸前來(lái)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(lái),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(lái),或冷凍起來(lái)。
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(shù)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(shù)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(shù)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。
注釋
[1] Sutton M. Q., Arkush B. S.. Archaeological Laboratory Methods, An Introduction. Kendail / Hunt Publishing, 1996, pp295
[2] Stokes, M.A., Smiley, T. L., 1968. An Introduction to Tree-Ring Dating, The University of Chicago Press, Chicago. pp73.
[3]張之恒:《中國(guó)考古學(xué)通論》, 南京大學(xué)出版社,1999年。
[4] Eckstein D.. History and present situation of dendrochronology in Germany. In: proceedings of the international dendrochronological symposium. Nara, Japan.February18-19,2000.1-6
[5] 王樹(shù)芝:《樹(shù)木年代學(xué)研究進(jìn)展》,《考古》 2001年第7期,47-54頁(yè)。
[6] 馬利民、胡振國(guó):《干旱區(qū)樹(shù)輪年代學(xué)研究中的交叉定年技術(shù)》,《西安工程學(xué)院學(xué)報(bào)》第24卷第3期。
[7] 邵雪梅、方修琦、劉洪濱、黃磊:《柴達(dá)木東緣山地千年祁連圓柏年輪定年分析》,《地理學(xué)報(bào)》2003年第58卷第1期。
[8] Holmes R. L.. Computer-assisted quality control in tree-ring dating and measurement. Tree-Ring Bulletin 43, 69-75,1983.
[9] Cook E. R., Holmes R. L.. Guide for computer program ARSTAN. In: Grissino-Mayer H. D., Holmes R. L., Fritts F. C.. The International Tree-Ring Data Bank program library version 2.0 user’s manual, pp. 75-87. University of Arizona, Tucson, Arizona, 1996.
注:本文轉(zhuǎn)載自中國(guó)考古網(wǎng),轉(zhuǎn)在的目的在于傳遞更多的知識(shí),如有侵權(quán)行為,請(qǐng)聯(lián)系我們,我們會(huì)立即刪除。