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方法文章

如何从树轮中提取气候变异性

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DOI：

10.3791/63414

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2022年3月9日

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1INIFAP, CENID-RASPA, 2Instituto de Geología, Universidad Nacional Autónoma de México, 3Facultad de Ciencias Naturales, Universidad Autónoma de Querétaro, 4Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad Juárez del Estado de Durango, 5Instituto de Geografía, Universidad Nacional Autónoma de México, 6Facultad de Ciencias Agrícolas y Forestales, Universidad Autónoma de Chihuahua

本文内容

摘要

树木年轮气候重建有助于更好地理解仪器记录之前的气候变化。本方案展示了如何利用树木年轮和气象仪器记录来重建过去的气候。

摘要

树木年轮已被用于重建全球多个地区的气候变量。此外，树木年轮可为过去几个世纪乃至在某些地区长达数千年的气候变异性提供宝贵的科学依据。尽管近年来树木年轮学在研究不同生态系统中大量物种的树木年轮气候潜力方面取得了重要进展，但仍有许多工作有待开展和探索。近年来，全球范围内越来越多的人（包括学生、教师和研究人员）开始关注将这一科学方法应用于延伸气候信息的时间尺度，以理解数十年、数百年乃至数千年以来的气候变化规律。因此，本研究的目的是描述开展树木年轮气候重建所需的一般性要点和基本步骤，涵盖从样地选择与野外采样到实验室分析及数据处理的全过程。在本方法的视频和文稿中，系统阐述了树木年轮气候重建的基本原理，以便初学者和学生将其作为进入该研究领域的实用指南。

引言

年轮对于我们理解树木如何响应环境至关重要。此外，由于气候会影响树木的生长，树木可作为环境指示器，记录其生命周期中的时间变化。因此，年轮在重建远超任何仪器气候记录的过去气候方面具有重要价值。

根、茎、枝、叶的生长过程以及树木的繁殖策略受水分、光照、温度和土壤养分等环境因素的调控1。例如，茎的径向生长由维管形成层控制2。维管形成层是一种分生组织，能够活跃地产生新的功能性细胞，如位于茎外周的木质部和树皮。此外，维管形成层的活动主要呈现季节性周期特征。然而，这种生长活动可能在休眠期或一年中的特定季节中断。当环境条件非最适时（例如昼夜周期变短、长期干旱、寒冷冬季或洪水），通常会发生休眠期。此外，生长与休眠周期的变化会导致形成层活性发生改变，从而在茎中形成解剖结构上可区分的同心边界，即年轮3。

由于气候季节性每年出现一次，树木通常每年形成一个年轮。因此，年轮是维管形成层对树木生长期间年内气候条件产生生理生态学响应的直观表现3。在雨季期间，树木年轮上形成的早期木质部细胞簇具有较大的细胞，称为早材4。相比之下，在旱季，由于水分匮乏，维管形成层会产生细胞壁较厚、体积较小的木质部细胞（管胞或导管），称为晚....

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方案

在开展野外考察前，须获得土地所有者的许可；若涉及保护区，则须获得相应主管部门的许可。为避免出现任何问题，非常重要的是，应有代表该主管部门的相关人员参与野外工作。

1. 取样策略

  1. 确定研究区域
    1. 根据气候信息和森林组成选择最合适的采样区域（森林可能具有高度异质性；图1A，B）。
    2. 确认采样地点具有明显的年际气候季节性以及年与年之间的气候变化，包括一年中的干/湿季节或冷/热季节。检查附近气象站的气候记录，以确定年际气候季节性和年际气候变异。
    3. 确保研究区域存在中等到较高的年际气候变异性，从而使研究样地中的树木表现出足够的年轮宽度年际变化，以便在不同树木之间进行交叉定年。
    4. 在目标区域开展实地考察，识别含有目标物种的潜在采样地点（图1B）。
    5. 使用一些推荐工具，如地图、无人机和卫星影像，以探索更大范围的森林区域并发现更多潜在的采样地点。在实地验证这些来源提供的信息。
    6. 从区域利益相关方（包括林业服务提供者、林产品生产者、农村社区和小土地所有者）等补充来源收集信息。基于上述两类信息，选择最佳的研究地点和最合适的个体，以实现研究目标。
    7. ....

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结果

根据方案的步骤1.1和1.2，本研究选择了Pinus lumholtzii B.L. Rob. & Fernald。在考虑的诸多重要因素中，主要包括以下几点：该物种为松属Pinus的一种针叶树，地理分布广泛，但从树木年轮学角度开展的研究极少；其生长环境为贫瘠、岩石裸露、持水能力低的立地，水分和养分供应不足限制了其生长，导致生长速率缓慢，商业价值较低；由于其表型特征及商业价值不高，因此可以找到受干扰较少且个体寿命较长的样地；一些前期研究表明，该物种对气候具有高度敏感性，具备良好的树木年轮学研究潜力。

在为期一周的野外工作期间，按照方案步骤1.3，共采集了50个样本。样本制备（遵循步骤2）耗时一周。在50个样本中，有41个样本完成了交叉定年，显示出高且显著的年表间相关性值（r = 0.60，p <0.01）。所有树木年轮序列的交叉定年过程均使用COFECHA软件完成。在交叉定年过程中遇到了一些警告标志，随后进行了修订与验证，以确保不存在潜在的定年误差（遵循步骤3.4至3.8）。我们共识别出5个缺失年轮和0个伪年轮。由41个序列和6960个年轮.......

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讨论

代用资料是依赖天气的自然系统，这些系统在过去存在且至今仍然存在，例如湖泊和海洋沉积物、花粉、珊瑚礁、冰芯、囊鼠堆遗迹以及树木年轮，因此可从中获取信息24。然而，在大多数对气候敏感的代用资料中，树木年轮具有最高的精确度和年际分辨率，能够将气候和生态事件的发生时间精确到具体年份，时间跨度可达数个世纪，有时甚至长达数千年3,5,25,26。目前，交叉定年技术已被用于检验和验证其他形成规律生长带（有时为年度）的代用资料的定年准确性，例如冰芯、珊瑚、蛤壳年轮27以及碳-14定年结果28,29。树木年轮学是理解过去环境过程最相关的技术之一，也是监测人类活动引起的环境变化（如污染）的关键.......

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究项目得益于 CONAFOR-2014、C01-234547 和 UNAM-PAPIIT IA201621 项目的资金支持。

....

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
ARSTAN 软件https://www.ldeo.columbia.edu/tree-ring-laboratory/resources/software
带式砂光机Dewalt Dwp352vs-b3 3x21 英寸用于打磨样品
链锯护腿林业供应商PGI 5层对位芳纶https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Chain%20Saw%20Chaps
链锯例如 Stihl 或 HusqvarnaMS 660采集横截面样品的必备设备（示例：18-24 英寸导板）
测斜仪林业供应商Suunto PM5/360PC，带百分比和角度刻度https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Clinometer
COFECHA 软件https://www.ldeo.columbia.edu/tree-ring-laboratory/resources/software
指南针林业供应商Suunto MC2 导航镜式瞄准https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=compass
树木生态学野外工作项目可获取或提升定年技能的项目http://dendrolab.indstate.edu/NADEF.htm
胸径卷尺林业供应商283D/10M 型，织物或钢制https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Diameter%20tape
数码相机CANONEOS 90D 单反相机用于拍摄样地及所采集样品的照片（https://www.canon.com.mx/productos/fotografia/camaras-eos-reflex）
显微镜用数码相机OLYMPUSDP27https://www.olympus-ims.com/es/microscope/dp27/
电工胶带或塑料薄膜用于保护样品uline.comhttps://www.uline.com/Product/Detail/S-6140/Mini-Stretch-Wrap-Rolls/
野外记录格式无特定要求用于采集每个样品的信息
野外记录本用于记录研究地点信息
手套用于野外防护
Haglöf 增量取芯钻头启动器林业供应商https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Increment%20borer
听力保护装置林业供应商无特定要求https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Hearing%20protection
头盔林业供应商无特定要求https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Wildland%20Fire%20Helmet
增量取芯器林业供应商Haglofhttps://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Increment%20borer
大容量背包无特定要求坚固背包，用于在野外运输横截面样品
护目镜林业供应商无特定要求https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Safety%20Glasses
砂纸粒度从 40 至 1200
Measure J2X 软件4.2 版本http://www.voortech.dreamhosters.com/projectj2x/tringSubscribeV2.html
STATISTICAKernel Release 5.5 程序（Stat Soft Inc. 2000）统计分析软件
体视显微镜OLYMPUSSZX10https://www.olympus-ims.com/en/microscope/szx10/
地形图、土地覆盖图从公共机构获取，或在研究初期阶段生成
绘图纸筒无特定要求坚固纸筒，用于在野外运输样品
Velmex 设备Velmex, Inc.0.001 mm 精度www.velmex.com

参考文献

  1. Oliver, C., Larson, B. Brief Notice: Forest Stand Dynamics (Update Edition). Forest Science. 42 (3), 397(1996).
  2. Dickison, W. C. Integrative Plant Anatomy. Integrative Plant Anatomy. , Academic press. (2000).
  3. Fritts, H. C. Tree-Ring and Climate. UCAR Center for Science Education. , Available from: https://scied.ucar.edu/learning-zone/ho....

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