树木年轮年代学在弦乐器断代与产地溯源中的应用

摘要

对弦乐器进行树木年轮学分析，需要检查面板、测量年轮宽度、建立乐器的年轮年表，并通过确定终止年份——即最近年轮形成年份——来进行断代。

摘要

树木年代学是一门通过分析木材中年轮来确定其形成日历年份的科学，可用于确定木质乐器的年代及真伪。本文介绍了一种对弦乐器进行树木年代学分析及解读定年结果的实验方案。该方案描述了对乐器面板进行分析的基本步骤，面板通常由挪威云杉（Picea abies）制成，少数情况下使用银枞（Abies alba）。首先，对乐器面板进行仔细检查，然后利用高分辨率图像直接在乐器上测量年轮宽度。完成测量后，构建该乐器的年轮序列，并在下一步中，结合来自不同地理区域及乐器样本的多种目标树种参考年轮年表进行定年。从事乐器定年的专家也参与构建这些参考年表。树木年代学报告会提供乐器的定年结果，以一个日历年（终止年份）表示，即面板上最后一圈（最近的）年轮形成时树木仍存活的年份。该终止年份代表“terminus post quem”（即下限年代），表明乐器最早只能在此年份之后制作，或不可能早于该年份制成。要估算实际制作年份，还需考虑木材干燥与存放所需的时间，以及木材加工过程中被去除的年轮数量。本方案旨在帮助委托此类分析的人员更好地理解分析过程，并能够准确解读树木年代学报告中关于乐器年代、来源、制作者及真伪的信息。

引言

本研究的目的是介绍一种对木质弦乐器面板进行树木年轮学分析的实验方案。树木年轮学是一种通过确定面板上年轮中最年轻一轮形成的年份，来判定乐器木材年代的方法，从而推断乐器制作的最早可能时间（即乐器不可能在此年份之前制成）。

对乐器（如小提琴）进行年代测定是其真伪鉴定的重要步骤^1,2,3,4,5,6。这一过程较为复杂，涉及乐器制作的年份，以及制作者、制琴流派或地理来源等信息。为此，通常将树木年轮学与其他多种技术结合使用，包括对乐器标签的研究（该标签常不可靠）以及对乐器及其各部分的观察，例如外形轮廓、琴头、木材纹理与老化特征、漆层、f 孔和镶边（图1）。真伪鉴定只能由专家完成^5,6,7。

图1：小提琴的面板及其组成部分。 面板（也称为前板、琴腹或音板）由挪威云杉（Picea abies）木材制成，可通过树木年轮学进行年代测定。其他部件（如琴头旋首、f形音孔和镶边）的特征与尺寸则由乐器学家研究，有助于鉴定乐器的真伪。比例尺 = 20 cm。请点击此处查看该图的放大版本。

树木年代学是研究木材中年轮的科学，也称为年轮、生长轮或生长层，这些轮纹在温带地区树木中每年形成一次。树木年代学可以明确特定年轮形成的日历年份。通过测定树皮下方最外层且最新形成的年轮，可以确定树木被砍伐前存活的最后一年。

树木年轮学基于一个原理：树木年轮宽度（及其他特征）的年际变化在很大程度上受到树木生长环境、尤其是气候的影响。当某一区域内的环境条件相似时，同种树木的年轮变化在年际间表现出相似性⁸。这意味着，在同一区域内同种树木的年轮序列（即随时间变化的年轮宽度时间序列）具有相似性。

对木质乐器的年代测定遵循用于历史物品断代的基本原则。在大多数情况下，该方法基于测量年轮宽度，建立同一物体的年轮序列，通过交叉定年法（确定其匹配位置），并将其平均整合为一个浮动年表，以相对时间表示该物体的年轮序列^3,4,6。

绝对定年（确定树木年轮形成的日历年份）是通过与一个或多个针对特定树种和地理区域建立的参考年表进行交叉定年来实现的^4,6。参考年表必须基于足够数量树木（重复性）的年轮宽度数据，并应足够长以覆盖所关注的时间段。

树木年轮学常用于确定小提琴、中提琴和大提琴等弦乐器的年代^{1,9,10,11,12,13}。对于弦乐器而言，可对其面板（也称前板、腹板或音板）的木材进行年代测定。这些部件通常由挪威云杉（Picea abies）或银枞（Abies alba）制成^4,6,13。测量必须以无损方式直接在乐器上进行，或通过图像完成。通常需在面板的不同位置进行测量，以建立可用于与参考年表比对定年的年轮序列。

定年是最关键的步骤，因为必须为所研究乐器的物种、地理区域和时间时期提供参考年表。国际树木年轮数据库（ITRDB）¹⁴ 提供了许多年表，但其中仅有少数是来自目标区域且涵盖感兴趣时间段的挪威云杉或银枞年表⁶。因此，树木年轮实验室投入大量努力构建参考年表。若存在一个由明确定义的林区、已知年代的乐器以及来自不同制造商的乐器收藏所建立的年表网络，则成功定年的可能性将大大提高，这些制造商包括意大利的斯特拉迪瓦里（Stradivari）、瓜尔内里（Guarneri）和阿马蒂（Amati）家族^5,6,15,16、奥地利的雅各布·斯坦纳（Jacob Stainer），以及德国的约阿希姆·蒂尔克（Joachim Tielke）和霍夫曼（Hoffmann）家族成员^17,18,19。16至18世纪由这些制造商制作的精美历史乐器最受音乐家和收藏家珍视，尽管许多不太知名制作者的作品重要性也在日益增长^3,4,6,12。

树木年轮学可提供最终年份，该年份必须被视为制器不早于之年（terminus post quem）——即乐器制作完成的最早可能年份。树木年轮学还用于树木来源分析（dendroprovenancing），有助于确定木材的地理来源，并将乐器归属至特定的小提琴制作者或制琴流派^3,4,6。

树木年轮学的终止年份几乎从不与乐器制作年份完全一致，因此必须估算后者，而这需要大量辅助信息以及不同领域专家之间的合作。

方案

1. 弦乐器的检查与描述 - 小提琴

注意：小提琴是最常被研究的弦乐器。因此，我们以小提琴为例描述该操作流程。

1. 检查仪器及其所有部件。拍摄仪器正面（上方）、背面、侧面、卷头和标签的详细照片，并连同测量标尺一并存档，用于最终报告和资料保存（图1）。
2. 检查乐器面板的构造方式。如有可能，先将琴弦从乐器上拆除，以便进行分析。
3. 检查面板是由一块、两块还是多块木材制成，以及它们是如何拼接的。本文所述步骤以由两块木材组成的面板为例，这是最常见的情况。
4. 在面板的径切面（图2A，C）上观察年轮的结构和方向。年轮表现为由浅色早材和较深色晚材组成的逐年生长层带，并由年轮边界所界定（图2D）。
5. 根据早材向晚材过渡的位置和变化趋势，判断哪一侧靠近树皮，哪一侧靠近髓心（图2C，G）。大多数情况下，最新形成的年轮位于面板中央接缝处（当面板由两部分组成时；图2C，D，F），这些年轮在树木生长时最接近树皮（图2D，G）。
   注意：由于需观察径向结构，年轮在此呈现为条带状而非环形。尽管如此，本方案中仍使用“年轮”和“年轮宽度”（TRW）这一术语。

2. 乐器测量位置的选择

1. 检查面板上每一块最宽的部分。
2. 查看是否存在任何损伤、修补、修饰或污垢，并观察清漆是否足够透明以看清年轮。如果乐器已被打开（正在进行维修或修复时），则在面板底面（无清漆覆盖处）测量年轮。
3. 选择年轮数量最多的区域，并检查年轮之间的边界是否可辨识（图 2C，D）。只有当木材结构清晰可见时，测量结果才准确可靠。
4. 尽量清晰地辨认树木生长时靠近树皮一侧的年轮，以准确定位终止年份（图 2D）。观察时可使用放大镜或体视显微镜。
5. 标记从树皮向髓心方向延伸的测量线，并配备测量标尺（图 2C）。为此可将标尺（例如市售的纸质卷尺）放置在面板上。

3. 采集数字图像

1. 使用图像分析系统拍摄图像以测量年轮宽度。将小提琴面板朝下放置在扫描仪上，扫描选定用于年轮测量的部位（图2B）。选择1,200 dpi或更高的分辨率。使用具有高景深的扫描仪。
   注意：拍摄图像的方法不限于扫描。也可使用相机或其他设备。若需拍摄多幅图像，则必须正确拼接。也可借助显微镜和专用测量装置（例如测量台）直接在小提琴上测量年轮宽度。当结构可见性较差或需要在体视显微镜下观察时，此方法尤为适用。此时，图像对于测量结果的进一步核对及存档具有重要价值。
2. 图像编辑时，使用图像编辑软件检查图像质量，并调整颜色、亮度和对比度，以便最清晰地观察年轮及其边界。此步骤在使用图像分析系统测量年轮时尤为有用。
3. 存储图像时，应以合适的格式（.tiff、.jpg）保存图像。

4. 树木年轮宽度的测量

1. 启动图像分析系统，最好选择专为年轮自动与手动识别及年轮宽度（TRW）测量而设计的系统。
2. 打开图像，通过测量图像中已知长度的标尺距离，手动检查或设置校准（图 2C、D）。
3. 通过点击年轮边界开始测量，记录其间距，即年轮宽度（TRW）（图 2D）。注意所测第一个年轮是更靠近树皮还是更靠近髓心。对于小提琴木材，建议手动点击年轮边界进行测量，因为年轮宽度的自动识别通常不可行或需要过多校正。
4. 沿测量线测量所有年轮宽度（TRW），并将数据保存为年轮序列（图 2E），每个年轮宽度对应一个特定的相对年份。将数据保存为一种广泛使用的数据格式。对同一块木材进行多次测量，以便后续验证。
   注意：年轮宽度测量还有其他可选方法（此处未详述）。方法一：使用通用图像分析系统，打开并校准图像，测量年轮宽度并记录数据。方法二：使用带有内置刻度尺的10倍放大镜，直接在小提琴上测量年轮宽度并记录结果。方法三：采用经典树木年轮学设备组合，包括可移动测量台、体视显微镜和专用测量记录程序^4,15。将小提琴置于测量台上，在体视显微镜下观察，启动年轮测量程序，通过点击年轮边界完成年轮宽度测量。

5. 数据处理、交叉定年及仪器年表的建立

注意：进行交叉定年需要使用专用程序和合适的参考年表。

1. 进行数据处理时，打开数据文件。此处介绍如何使用原始年轮宽度序列（即年轮宽度（单位：mm）随年份的变化；图2E）。
   注意：也可使用经过指数化处理的数据。
2. 对同一乐器的年轮序列进行交叉定年时，打开待定年的年轮序列以及同一乐器的另一条年轮序列作为参考序列，运行交叉定年程序，使二者对齐至同步（即交叉定年）位置。
3. 检查年轮模式及交叉定年参数。若测量无误，年轮模式（尤其是同一块板材的年轮）应极为相似（图2E），且交叉定年参数值较高。
   1. 检查小提琴研究中常用的以下主要交叉定年参数：同步系数 Gleichläufigkeit（Glk%）、Baillie与Pilcher的t值（TVBP）以及Hollstein的t值（TVH）^20,21,22。
   2. 若Glk ≥65%，TVBP ≥4.0，TVH ≥4.0，则认为参数具有统计学显著性。在对乐器进行定年时，应采用更严格的标准和更高的参数值（例如TVBP ≥7.0）。
   3. 同时考虑重叠期（OVL），即两条年轮序列在时间上的重叠年限。
4. 当两条年轮序列处于相同的相对时间尺度后，保存该序列位置。重复此步骤，直至完成每块板材及整件乐器所有年轮序列的交叉定年。
   注意：交叉定年基于对（两条）年轮序列的统计相似性参数计算以及图形比对（匹配）。同一乐器的年轮序列之间若高度一致，表明测量结果可靠；若年轮过窄、不清晰或缺失（即树木某年未形成年轮），则会影响定年准确性。
5. 为建立小提琴的年表，在完成同一块板材及整件乐器所有年轮宽度序列的交叉定年后，观察其图形。选择无测量误差的序列并取平均值，形成该乐器的年表。此阶段的年表尚未进行绝对定年。
   1. 为此，应从面板各部分至少获取两次测量数据。若仪器内部各序列间具有统计学显著的一致性，则将所有年轮序列平均为一个统一的乐器年表。

6. 仪器的校准日期

1. 将小提琴的年轮年表与参考年表进行交叉定年。在此步骤中使用多个参考年表。进行交叉定年，检查匹配参数的一致性，并通过目视评估所提出的定年位置。
   1. 为实现成功定年，需确保多个参考年表在统计学上具有显著参数，并通过序列的光学比对，共同确认相同的结束年份。可采用其他技术手段进一步验证定年结果，例如由匹配曲线构建平均年表，或对较长序列进行分段分析。
      注：此步骤极为关键，因定年必须依赖合适的参考年表。部分参考数据可从国际树木年轮数据库（ITRDB）¹⁴ 获取。
2. 报告结束年份，此为树木年轮年代学分析的最终结果²³。估算需在结束年份上增加的年数，以推断乐器可能的制作年代。为此，可参考标签信息（若为原始标签）及其他来源提供的有关乐器可能的年代、地理区域、制作者及乐器学特征的信息，这些信息应由其他专家评估确认。
3. 尝试验证有关乐器年代、制作者及原产地的假设，以辅助判断该小提琴是否为真品。
   注：结束年份并不表示小提琴的实际制作年份，此需另行估算。
4. 撰写报告，内容应包括树木年轮年代学的结束年份，以及支持本次研究的充分信息，这些信息有助于对定年结果进行解释。
   注：本方案最关键的步骤如图2所示。

图 2：实验方案各步骤的详细示意图。（A）一把小提琴，其面板由两块共振板（低音侧和高音侧）构成；（B）对面板进行扫描；（C）选定用于树木年轮宽度（TRW）测量的区域（精度为 0.01 mm），以及从树皮向髓心方向的测量路径（树皮和髓心均位于木板之外）；（D）径切面上的树木年轮条带，以及从颜色较深的晚材向颜色较浅的早材方向的年轮宽度测量方向；星号（*）表示两块共振板胶合的位置，其终止年份分别为 2003 年和 1995 年；+1、+2、+3… 表示年轮边界（+）及其对应的年轮编号（1, 2, 3）；比例尺 = 1 cm；（E）小提琴高音侧与低音侧的年轮序列，处于交叉定年对齐位置，并标示出终止年份分别为 2003 年和 1995 年；（F）由于乐器制作过程中去除的年轮数量不同，导致两块共振板具有不同的终止年份；（G）共振板在原木中的方位，以及对应于终止年份和树木砍伐前最后形成的、位于树皮下方的最后一个年轮。 请点击此处查看该图的放大版本。

结果

一个典型的树木年轮学研究案例涉及一把据称由克雷莫纳的安德里亚·瓜尔内里（Andrea Guarneri）制作的小提琴，该制琴师来自一个曾制造出大量珍贵乐器的家族/学派^16,24。这把小提琴内包含两张标签：一张标明该乐器由克雷莫纳的安德里亚·瓜尔内里于1747年制作，另一张则仅标注了1867年。然而，对该小提琴的器官学检查（图3）表明，它很可能源自德国，且已有约300年的历史。

讨论

本文所述方案介绍了对小提琴进行树木年轮学断代的步骤。该过程包括若干关键步骤。第一步是识别年轮，以便准确测量其宽度。这一步至关重要，因为年轮通常非常狭窄，或由于晚材含量较少而导致边界不清晰（步骤1.3）。年轮的识别可能因木材老化、深色不透明的清漆²⁸，或因损伤、修复、补漆或污垢而变得复杂（步骤2.2）。

然而，可以通过使用高分辨率相机^4,15和先进的显微技术（例如共聚焦激光扫描显微镜 [CLSM]）²⁸获取高质量图像，并结合支持多幅图像拼接的先进软件^29,30，对树木年轮的检测（和测量）进行改进和优化。一种非常有前景且日益广泛应用的技术是X射线计算机断层扫描（CT），该技术可实现对样本的虚拟切片，并从不同视角观察树木年轮结构

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CDendro	Cybis Elektronik & Data AB	https://www.cybis.se	用于树木年轮数据分析与交叉定年的 CDendro 程序
CooRecorder	Cybis Elektronik & Data AB	https://www.cybis.se	用于在图像上测量树木年轮宽度的 CooRecorder 程序
TSAP-Win	RINNTECH	https://rinntech.info/products/tsap-win/	时间序列分析软件