二氧化锆全锆牙:树轮？还是密码？

文·实习生 马媛媛

■ 新闻缘起
2011年3月27日，“考古中华——中国社会科学院考古研究所成立60周年成果荟萃展”在海南省博物馆举行。据悉，本次展览的最大特点是围绕考古学研究的重大课题而展开，如距今10000年前后中国文化变化的特点、历代都城制度的演变等。展览在以文物展品为主的同时，还制作了大量的遗址、墓葬模型，加大了照片和插图等辅助展品的使用，并链接了多项科技考古内容，如田野考古技术设备卫星定位系统、数字摄影测量、三维激光扫描、遥感、探地雷达等，展示了考古空间信息技术、考古勘探、年代测定、环境考古、体质人类学研究、动物考古、植物考古、化学成分和物质结构分析、木材与树木年轮分析及同位素分析等考古学发展的新趋势。
一段时间以来，讲求实证的自然科学正以强有力的高科技手段，渗入考古研究，随之而来的是科技考古的热潮。在科技考古中，树轮年代学越来越引起人们的重视。树轮年代学则是一门从诞生之日起就和考古学交织在一起的学科。在伐木后的树桩上，常常可以看到一圈圈木质疏密、颜色深浅相间的同心圆圈，这就是树木的年轮，它可谓是一部有“文字”记载的科学“巨著”。树木年轮可以告诉我们哪些秘密？我们如何利用树木年轮推进考古学的研究？带着这些问题，记者采访了中国社会科学研究院考古研究所王树芝研究员。
树轮定年可精确到季节
年轮可以说是树木在生长过程中记载自己年龄的一种独特方式。提及树轮定年的奥秘，王树芝研究员说：“树木树干的形成层每年都有生长活动，形成早材和晚材，每一个年轮的宽度包括当年的早材和晚材，多数温带树种一年形成一个年轮，因此年轮的数目就表示树龄的多少，年轮的宽窄则与相应生长年份的气候条件密切相关，在干旱年份树木生长缓慢，年轮就窄；在湿润年份年轮就宽。同一气候区内同种树木的不同个体，在同一时期内年轮的宽窄变化规律是一致的，因此，树木的不同个体之间能够交叉定年。”
说到树轮定年相比其他定年方法的优势时，王树芝研究员表示，树轮定年是最精确的一种定年方法，可以精确到年，甚至到某个季节。定年准确的长年表则可以用来推测过去社会经济和文化状况、贸易、艺术品的真伪、聚落的居住史和建筑史等，还用于气候重建、环境研究和碳十四校正。
树轮可揭示气候的变化规律
树木年轮不仅记录着自己的年龄，它还是周围环境的记录器，从这个记录器，可以提取各种环境信息，比如气候（包括温度、降水）等。王树芝研究员说：“由于太阳黑子的活动周期会影响气候，气候的变化又会影响到树木的生长，从而使树木形成不同宽窄的年轮。树木年轮定年准确、时间序列长、样本量多、环境变化指示意义明确且可定量，因此被视为高精度气候环境的代用资料。”我们通过不同地区的树木年轮能读解出不同的信息，比如，对于干旱和半干旱的柴达木盆地来说，较宽的年轮即意味着当年比较多的降水；而对于寒冷高海拔的青藏高原上限树木来说，较宽的年轮则意味着温暖。
利用树轮可以揭示过去气候的变化规律，重建过去气候，那是否可以用来预测未来的气候呢？在王树芝研究员看来，“要预测未来气候演变趋势，必须准确重建过去气候演变特征和规律。首先要建立长时间序列的年轮年表；其次所建年表不仅要保留较多的高频气候变化信息，还要保留较多的低频气候变化信息。只有深刻地把握了过去气候演变特征和规律，才能更好地预测将来。”
树轮可估计出自然灾害过程
如今，地球似乎进入了一个自然灾害频发的时期，那在过去是什么样的呢？我们对自然灾害的研究到了一个什么样的阶段呢？“我们可以利用异常年轮结构估计自然灾害过程，在分析雪崩、滑坡、泥石流、洪涝灾害、落石现象方面，已经取得了不少进展。根据树轮形态还可以分析其它地质灾害，如冰川融化造成的洪水、冰崩；还可分析非地质灾害，如飓风、龙卷风和海啸等发生的地点和时间；此外，还可以对火山爆发、地震、病虫害等进行研究。”王树芝研究员进一步解释，“年轮的异常结构包括反应木、霜轮、浅轮、火伤、裂痕、伪轮等，这些异常年轮结构大都与特殊生境或极端环境事件密切相关，对它们进行目测、解剖结构和化学成分的研究将有助于对引发树轮发生异常变化的环境事件的理解。”
“比如对地震的研究。树木的生长一旦受地震干扰，会发生十分明显的变化，而且这一影响会持续几年至十几年。譬如，在10年尺度上，祁连圆柏在1880s出现生长释放的频率最高，这可能与1870s在本区域发生的严重地震灾害有关。当然，由于地震活动的周期较长，只有存活久远的树木，方能为人们研究过去的地震事件提供有别于仪器和文字记录的另一条线索，这也需要我们进一步研究。”
树轮可储存大量古代文化的记忆
树木年轮不仅记录着周围环境的信息，也储存着大量古代文化的记忆。王树芝研究员以他们自己对柴达木盆地德令哈市和都兰县墓葬群古木树轮的研究为例，具体阐释了这一点。
“我们的研究重建了青海都兰县1176年上年7月到当年6月的降水量，从古木年轮重建的降水可以看出，60%的降水重建值低于1940年以来的年降水平均值，可以推测过去相对干旱年份发生频率要比现在干旱年份发生的频率高。另外，在51 AD-375 AD和426 AD-475 AD有两个很长的干旱期。吐谷浑部落的大规模迁移和这两个干旱期是基本一致的，这两个干旱期很有可能是当地农业经济转换成畜牧经济的一个环境动力。”王树芝研究员这样说。
“此外，在柴达木盆地考古发掘的墓葬中，有14座墓葬应用树轮年代学研究精准定年，结果显示这些墓葬的建立年代都在7—8世纪。根据定年结果和出土文物研究结果，我们认为从早唐到盛唐（7—8世纪后半叶）漫长的岁月里，青海路有可能还是中西交通的中心之一，关于青海丝绸之路的重要历史地位和作用有待进一步研究。”王树芝研究员认为，借助考古材料、历史文献等，与已有的自然科学的研究结果进行整合，有助于古代文化的深入研究。
■ 相关链接
采用碳同位素测定树木年轮
每到春回大地、万象更新时，树木就进入了快速的生长期。新长出来的年轮颜色鲜嫩，而在前一年冬季里形成的年轮则颜色较深。在降水多、气温偏高的年份，树木生长起来较快，那么这一年的年轮也就更为粗壮。专家对树木年轮测量，采用的是碳同位素的测定方法，树木在生长过程中会吸收二氧化碳，在干旱和高温时，为了防止水分流失，树叶会关闭其部分“呼吸”气孔，吸收空气中的二氧化碳也就比较少，此时碳同位素的比值就会升高。
■ 名词解释
树轮年代学，即树轮定年，是对树木年轮年代序列的研究。现代树轮年代学的内容不仅包括利用最外层树轮确定木材年代的学科，还包括从树轮序列中提取出环境信息的各种学科。树轮年代学从诞生之日起就和考古学交织在一起。树轮年代学在考古学研究中不仅可以判定过去人类文化遗存的年代，还可以对过去气候和环境进行重建和研究，尤其重要的是对碳十四年代进行校正。
■ 延伸阅读
科学家从树木年轮获取气候信息
当帝王更替、瘟疫肆虐的时候，古人总喜欢怪罪于星象。但现在看来，他们更应当责备天气才是。一项有关欧洲树木年轮的研究表明，温和的夏天可能是罗马帝国兴盛的关键原因；而持续干旱、寒潮等其他气候变化，则可能在历史动荡中起到了一定作用，从蛮族入侵导致的罗马衰亡，到横扫了中世纪大半个欧洲的黑死病，都是一些典型的案例。
考古学家使用树木年轮来判断古代遗址或建筑年代，这项技术叫做树木年代学。树木年代学家利用从活体树木上获得的年轮数据为基础，比较重叠的样本信息，将视野向更遥远的过去一步步推进。本研究的研究者也使用了同样的方法获得了气候的信息。首先，他们比较了活体树木所记录的过去200年来的气候数据，考察了温度和湿度如何影响年轮的生长。
然后，他们又考察了古建筑上的木材、河流和沼泽里保存的木头，以及考古学遗址附近的样本，以把数据向后推演得更远。
这项研究共使用了7284份来自法国和德国的橡树样本，来弄清湿度在树木年轮上的反映；另有1500份取自奥地利高海拔地区的石松和落叶松的样本，用于建立单独的温度记录数据库。
研究人员最终获得了一份连续推演到2500年前有关法国和德国气候信息的数据，并且时间点都被十分精确地标注了。“我们发觉到，我们有了一个超大的数据库。然后我们将数据整合起来，用一种新的分析方法获得了气候信号。”研究人员说，“只要你有足够的木材样本，就能保证数据的可靠性。你只需要许多材料和许多年轮。”
当研究人员把这份数据拿给历史学家和考古学家看时，他们指出这份数据与人们所了解的古代社会里发生的事件具有一致性。在社会繁荣稳定的时期，例如公元前300年—公元200年罗马帝国兴起的时候，欧洲也经历了温暖、湿润的夏天，极适宜进行农业耕作。类似的气候状况也出现在公元1000—1200年中世纪欧洲鼎盛的时期。通过对树木样本的清点，研究者也对人类活动进行了粗略的分析。在社会繁荣时期，人类砍伐了更多的树木用于建筑和燃料，也在考古学记录中留下了更多的样本。而在其他时期，比如在黑死病和大迁徙期，正值罗马帝国被从东方过来的部落摧毁的时期，那时候留下的木材样本数量锐减到几乎没有。
研究也显示，气候和大灾难也常常相一致。例如在公元3世纪发生的一场旷日持久的干旱，也恰好是外族入侵和政治动荡发生的时期。与之相反的是，在大约公元1300年的时候，一场寒流伴随着潮湿的夏天来袭，恰好与当时肆虐欧洲的饥荒和瘟疫的发生时间一致。到1347年，那场灾难夺去了欧洲将近一半人口的性命。（丁佳）