1 引言

自從Douglass確立了樹木年代學(xué)的原理和方法以來，樹木年輪一直是樹木年代學(xué)的主要研究對象年輪是記載氣候和環(huán)境變化的記錄儀。。利用年輪寬度來重建過去上百甚至幾千年的降雨和溫度變化，利用年輪密度分析和年輪中元素濃度的變化來推測過去環(huán)境變化，已成為變化研究的重要手段之一。歐美各國學(xué)者很盛行利用樹木年輪資料對氣候和環(huán)境要素尤其是環(huán)境污染變化進(jìn)行研究，我國從八十年代也開始了利用樹木年輪進(jìn)行環(huán)境污染狀況研究的工作。

目前對于樹輪寬度的測量通常不存在什么問題，但許多研究證明，年輪平均密度特別是早晚材密度特征相對于年輪寬度來說對氣候變化更為敏感，而對于樹輪內(nèi)部木材密度的測量一直存在很大的難度。從 20世紀(jì) 40年代末開始，研究人員就嘗試不同的樹輪密度測量方法，其中包括體積比重法 (Volumetric-gravimetric methods)、光透視法 (Light transmission)、硬度測定法(Hardness)、抗張強度測定法 ( Tensile strength)、β微粒法 ( Beta particles ) 等。每種方法都是基于不同的工作原理，且各具特點，但對于樹木年代學(xué)研究而言，它們都存在著不同程度的限制條件，以至于不能被廣泛地應(yīng)用于該研究中。

直到20世紀(jì)60年代，隨著X射線技術(shù)被成功地應(yīng)用于樹木年代學(xué)研究中，樹輪密度和年輪元素的研究逐漸興起，所得到的年輪密度、年輪元素濃度等若干指標(biāo)，為分析環(huán)境因子對樹木生長的影響提供了新的依據(jù)，為樹輪氣候?qū)W的發(fā)展開辟新的領(lǐng)域。

AZ-F0200年輪元素分析系統(tǒng)主要以生長錐取下的樹木樣芯為對象，通過高質(zhì)量的圖形掃描系統(tǒng)獲取高分辨率的樹木樣芯圖像，并采用專門的照明系統(tǒng)去除陰影和不均勻現(xiàn)象的影響，然后用專業(yè)軟件進(jìn)行年輪寬度和密度分析。針對樹木樣芯，通過結(jié)合了X-射線成像與XRF元素分析技術(shù)的目前的年輪元素分析儀，獲取樣品的年輪密度圖像和多種元素分布圖像，測定樹木年輪中Al、Si、S、Cl、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、As、Hg、Pb等多種元素的濃度，并利用專業(yè)軟件進(jìn)行密度分析。

利用上述樹木年輪寬度、密度測定及年輪元素分析結(jié)果，建立樹木年輪表，探求不同樹種生長與氣候因子的關(guān)系，推測過去環(huán)境變化尤其是環(huán)境污染狀況。根據(jù)區(qū)域內(nèi)的氣象資料和同時期的樹木年輪信息，建立樹木年輪數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，并據(jù)此重建典型氣候帶的氣候變化譜，進(jìn)一步揭示氣候變化對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響。

2.2 采樣設(shè)置

2.2.1 樣地設(shè)置

選擇樹木生長對環(huán)境因子（溫度、降水等）變化非常敏感的地區(qū)。在采樣布局上，選取土層較薄、坡度大、受人類活動影響較小的地點。根據(jù)研究目的不同，按照海拔、坡向、坡位等因子進(jìn)行樣地設(shè)置。

2.2.2 樣樹選擇

每個樣地同一樹種樣本為20～30株，北方地區(qū)20株為宜，南方地區(qū)30株為宜。選擇樹木基部、根莖無動物洞穴、無干梢、樹干通直的樹木。為了重建盡量長的年輪氣候變化譜，應(yīng)選取老齡的樹木包括枯死的古老樹木。

2.2.3 樣本采集

為了重建盡量長的年輪氣候變化譜，選取老齡的樹木包括枯死的古老樹木，活體樹木用生長錐在樹干胸徑處采樣，方向一般與山坡等高線方向一致，或者與山坡的坡向垂直，同一樣地內(nèi)采樣方向必須保持一致。已死亡的樹木在樹干均勻處截采樣本盤（樹木截面）。用Haglof生長錐采樣時，先將錐體取出裝在錐柄上，然后將生長錐端水平，腳下站穩(wěn)，兩手持錐柄兩端，前端螺旋刃口對準(zhǔn)樹體，旋轉(zhuǎn)錐柄。當(dāng)錐體過樹心后，停止旋轉(zhuǎn)錐柄。用取芯勺提取鉆芯，將勺尖緊緊貼在錐體內(nèi)壁，平穩(wěn)較快地提取鉆芯并放置于鉆條箱中。

2.3 樣品采集時間和頻率

有休眠期的樹木應(yīng)在樹木的休眠期進(jìn)行，無休眠期的樹木一年四季隨時可以采樣。

2.4 分析指標(biāo)

年輪寬度、早材寬度、晚材寬度、早材密度、晚材密度、年輪密度、大年輪密度、小年輪密度、早材晚材界線密度、年輪元素含量。

2.5 系統(tǒng)組成和技術(shù)指標(biāo)

AZ-F0200年輪元素分析系統(tǒng)由生長錐、年輪寬度分析單元、年輪密度和元素分析單元共同組成。

技術(shù)指標(biāo)：

生長錐：直徑4.35mm、5.15mm、10mm、12mm可選，長度范圍100mm～1000mm。

兩線螺紋式鉆頭每旋轉(zhuǎn)一圈可轉(zhuǎn)進(jìn)8mm；三線螺紋式鉆頭每旋轉(zhuǎn)一圈可轉(zhuǎn)進(jìn)12mm。

年輪寬度分析單元：

掃描儀：可分辨小粒子大小0.005mm/0.011mm

分析軟件：可水平和垂直方向測量年輪，判斷無效年輪和估算丟失的年輪。可測量年輪寬度值，可測量早晚材寬度，可計算年輪密度大值、小值、平均值和方向。

年輪密度和元素分析單元：

可測Mg、Al、Si、S、Cl、K、Ca、Ti、Ba、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Br、Rb、Sr、Pb等多種元素濃度，精度1ppm；

測量原理：X-射線熒光分析（XRF）和數(shù)字X-射線成像技術(shù)；

控制臺：一個300x200mm X/Y可移動電腦控制臺，掃描點長2.5微米；樣品槽：多放9個長280mm，寬7~12mm的木條樣品；

分析軟件：用戶可選擇分析區(qū)域、分辨率以及掃描時間，批量工作功能支持無人看守下的批量測量，可得多種元素的密度曲線

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 重建方程的建立及檢驗

利用樹木年輪寬度、年輪密度和年輪元素濃度等資料以及*的氣象資料，采用單相關(guān)、逐步回歸分析法建立回歸方程，并利用誤差縮減值、符號檢驗、乘積平均數(shù)以及逐一剔除法對回歸方程進(jìn)行檢驗。

3.2 重建結(jié)果特征分析

主要包括變化階段分析、周期分析、大熵譜分析、頻率極值分析、趨勢分析和突變特征分析。

3.3 重建結(jié)果區(qū)內(nèi)外對比

利用所具有的資料，將所得到的重建結(jié)果與其他研究人員所得結(jié)果進(jìn)行比較，一般包括階段比較、突變比較、趨勢比較等。

4 應(yīng)用案例

4.1 下圖是一條松木樣品至于年輪密度元素分析單元掃描儀支架上的掃描結(jié)果，掃描解析度50微米。背景黑色，木質(zhì)則以彩色呈現(xiàn)。射線影像以反灰階疊加上去，藍(lán)色折線是鈣元素剖面圖。

4.2 賽馬環(huán)境科學(xué)中心應(yīng)用年輪密度元素分析儀進(jìn)行歐洲赤松密度的研究。