柴达木盆地东北部3500年树轮定年年表的初步建立
柴达木盆地东北部3500年树轮定年年表的初步建立[1]
邵雪梅1 王树芝2 徐岩1 朱海峰1 许新国3 肖永明3
（1．中国科学院地理科学与资源研究所；2．中国社会科学院考古研究所；3．青海省文物考古研究所）
1 引言
树轮资料在过去环境变化研究中发挥着重要的作用，[1-3]其原因之一是它集定年与环境指标于一体，是能够提供定年准确、连续性强、分辨率高的代用资料。定年和建立长年表在树轮年代学研究中是最基本的，也是最重要的工作。定年准确的树轮长年表可以为14C年代测定提供更精确的年代校正曲线，[4,5]能够为过去发生的事件如火山爆发、地震和干旱事件等定年，[6-8]还能为考古遗址及文物定年提供标尺，[9-11]从而了解人类文化和文明的进程。在我国夏商周断代工程中，树轮的浮动年表与14C年代测定相结合，为夏商周年表的建立起了决定性作用。[12,13]在过去百年至千年尺度的高分辨率气候变化及机制研究中，定年准确的长年表更是起了至关重要的作用。[14-16]迄今，国际上最长的树轮年表来自中欧，达12460a，[17]覆盖了全新世和新仙女木事件。当年北美洲7100a的刺果松年表[18]为14C年代测定提供了校准曲线。目前，在北美洲为定年服务的树轮长年表达8600多a。[19]南美洲的长年表也由3600多a[20]延长到了5666a，[21]澳大利亚的长年表为3600多a。[22]
目前发表的我国境内最长的树轮年表到公元前515年，来自青海都兰县内，[23]由祁连圆柏（Sabina przewalskii）样本建成。祁连圆柏是我国的特有种属，它耐高寒、干旱和瘠薄，根系发达和抗风力强的特性，使其成为我国寿命最长的树种之一。[24]生长在柴达木盆地东缘山地的祁连圆柏，其顽强的生命力以及栖息地干旱和寒冷的残酷自然环境，使其树龄达千年依旧生机勃勃，而其坚实、耐腐的材性，又使其成为当地历史时期墓葬的椁木和棺木用材。在盆地东部的德令哈、都兰、夏日哈和香日德等地，发现了不同文化时期的墓葬，遗址中出土了大量的祁连圆柏古木，[25]为我国建立长年表提供了可能。
本文利用青海省柴达木盆地东北部的祁连圆柏建立了长达3500a的树轮年表。本年表的取材与已发表的两条都兰年表[23,26]完全独立，在时间上比都兰年表向前延伸了近1000a，使其能够达到商、周朝代，成为我国目前最长的连续年表。进一步的14C测年，且与商周出土的树轮样本14C测年进行对比，可为我国夏商周断代提供精确的定年。此外，该年表的建立还可为我国西北干旱—半干旱地区树轮宽度的定年提供很好的控制标尺，有助于我国树轮年代学的发展。
2 总年表的建立
2.1 采样点概况及样本采集
本文的研究区位于青海湖西部柴达木盆地的东北部200km的范围内，用来建立树轮宽度定年年表的样本采自青海省德令哈、天峻和乌兰县境内。首先展示了所用的古木、活树和尚未倒伏的死树样点分布，共26个地点（图1）。样本全部采集于祁连圆柏。研究区景观为干旱荒漠草原，属于大陆性气候，年平均温度2～4℃，降水自东向西递减，年降水量为150～200mm。[27]在盆地东部中山海拔为3500～4000m，是山体最大降水带，[27]在此带的阳坡和半阳坡上有祁连圆柏林地，整体呈带状分布。宗务隆山为该树种分布的最西界。[28]在研究区的东部WL1和WL2样点，除祁连圆柏外，在阴坡和半阴坡上还生长着青海云杉。古墓主要坐落在宗务隆山的山前洪积扇上，海拔为3000～3600m之间，分布广泛。干旱的气候条件使以祁连圆柏为原材料的椁木、棺木和封土木在埋葬多年后仍材质完好。许多古墓已被盗掘，在野外常常能看到被盗墓者抛撒在墓外的木头。
图1 树轮采样点分布示意图
Fig.1 Map showing the location of studied tree-ring sites
古木样本的采集主要集中在德令哈市的范围内（表1），在公元2003—2005年采集。XTT样点是由4个墓葬组成的墓葬群，第1号和第2号墓的样本采自保存在德令哈考古工作站的椁木，这两座古墓是2002年8月由青海省文物考古研究所发掘和清理的，对古墓的形制、土层、墓葬中的器物，以及墓葬棺板画的分析，可以断定这两座墓属于吐蕃时期的墓葬。[29]第3号墓和第4号墓以及其余样点的样本采自盗墓贼挖掘的墓室内椁木和部分被盗墓贼盗墓时抛撒在墓外的椁木、棺木和封土柏木。MHG样点也是由墓葬群组成，共采集了5个墓的样本。取样时，墓内的椁木均采用树木生长锥钻取样芯，散落在墓外的样本用锯采集了木块。
表1 采样点信息
Table1 Information of sampling sites
续表
现生树木和尚未倒伏的死树样本是公元2000—2005年采集的。其中部分活树的样本已用来重建过去的降水量变化和土壤水分条件的变化。[30-32]死树的采集是为了改善活树年表在早期时样本量不足的状况。样本采集全部是采用树木生长锥钻取样芯。由于生长在干旱—半干旱区的祁连圆柏，含有较多的缺失轮，[33]因此，我们在获取活树样本时注意采集了不同树龄结构、不同微地貌形态下和大复本量的样本，以保证定年的准确性。
2.2 样本的交叉定年
本研究采用了美国亚利桑那大学树轮实验室的交叉定年方法，即骨架示意图方法[34]对祁连圆柏的活树样本进行了初步定年，具体的工作程序已在文章[33]中做过介绍，这里不再赘述。在量测完轮宽值后，用计算机程序COFECHA[35]对定年进行了检验。为了保证定年的准确和缺失轮放置的合理，用折线图进行了轮宽年与年变化的进一步比较。最长的活树样芯覆盖在1600a左右，覆盖的时段为公元404年至今。
两个死树样点的定年是通过与同地点的活树样本进行比较完成的。虽然，两个死树样点均来自森林的上限，有可能轮宽变化不同于下面的活树，但在半干旱区，生长在森林上下限位置的同一树种的树木，它们的轮宽在高频变化上具有很强的一致性。[36]研究区位于干旱地区，轮宽在高频变化上的相似程度可能更高，而我们的定年结果也证实了这一点。在干旱的DLH4样点，死树和活树发生窄轮的时间几乎完全一致，而在相对湿润的WL2样点，在对比死树和活树极窄轮发生的时间时发现，两者的相似程度也相当高，如在公元900—1099年的200a间，当死树是很窄的轮时，活树在相同年份也是窄轮的发生率是75%。由于研究中已利用了大量的活树样本，第一年为公元900年之后的死树样本没有参与进一步定年。死树年表的覆盖时间是公元130—1794年，共1665a。DLH4S样点的样本中，其最早的年份没有超过活树的，但WL2S样点的死树大大加强了公元600—900年时段的样本量（表2）。WL2S样点最长的死树样本为954a，覆盖公元396—1349年，只有一个缺失轮。到达公元130年那棵树的两个样本覆盖时段分别是公元130—1000年和公元244—1099年，前一个样芯只有4个缺失轮，而后一个样芯在856a间没有缺失轮。该样点较小的缺轮百分比和能够与活树交叉定年的事实为年表能准确定年提供了可行性。
表2 样本交叉定年的统计量
Table2 Results of cross-dating
续表
对古木样本定年的工作程序如下：①在显微镜下仔细分辨每一轮，从树心方向开始记年，以第一个不完整轮记为0年，后每10年以圆点进行标记，建立浮动年代；②对比一棵树的两个样芯，使每棵树内的样芯能够交叉定年，对于同一棵树中一个样本有缺失轮，而另一个样本中没有的，对有缺失轮的样本进行标记，并对浮动年代进行调整；③在轮宽量测仪上对样本进行宽度量测，获得宽度数据（我们使用的量测仪是Lintab型号，量测精度为0.01mm）；④利用COFECHA程序中未定年的浮动年表和已定好年的日历年表对比的功能，确定那些与活树在时间上有重叠的样本的年代，由于多数样本都存在缺轮的现象，所以常常只能确定样本中部分时段的年代；⑤对照已做出的定年年表，确定古木发生缺失轮的年份，并确定日历年份。在定年的具体实施中，我们反复进行定年程序中的第4和第5项工作，直到完成古木样本的定年。需要说明的是，个别可能因为年代太短，或缺失轮太多，或目前已定好年的年表在时间上还没有覆盖到，所以COFECHA程序不能提供定年年份的样本，没有参与本定年年表的建立。对于取到的木块，如果含有树心，并能够从两个方向获取数据，我们均从两个方向读取了轮宽数据。古木年表的覆盖时间是公元前1580—公元793年，共2373a。古木中最长的一个样本覆盖了1623a，从公元前1580—公元47年，含有20个缺失轮；第二长的古木样本覆盖了1219a，从公元前518—公元701年，仅含有8个缺失轮；第三长的古木样本覆盖1122a，从公元前758—公元364年，缺失轮多达30个；而第四长的古木样本覆盖963a，从公元前1468—前506年，没有缺失轮。这4块近千年的古木样本，来自3个地点的棺木，其时间跨度的匹配为古木定年提供了很好的控制标尺。展示古木公元前900—前600年间10个主要样本的轮宽变化（图2），可以看出，窄轮的发生时间有很好的一致性，这10个序列中BGT05A、MHG55A、MHG55B、XT306A和XT306B这5个样本在该时段内没有发生缺失轮，这为定年的控制提供了很好的基础，特别是公元前732—前726年间明显的宽窄变化型为定年的准确性提供了很好的支持。该轮宽变化型可以作为该时段树轮定年的重要参考标志。
图2 10个长古木样本在公元前900—前600年的轮宽变化
Fig.2 Plots of 10 longer Ring width series for the period of 900 B.C. to 600 B.C. showing cross dating among 10 specimens
为了确保古木、死树和活树样本在时间衔接上的准确，认真检查了轮宽数据在年与年之间变化的折线图（图3）。图的上部展示了2棵活树4个样芯在公元700年以前的轮宽变化，它们来自两个样点，并且在公元450—700年间没有缺失轮，从图中可以看出，样芯相互之间有很好的窄轮发生一致性；图的中部展示了3棵古木6条序列的轮宽变化，古木的窄轮在时间上也有很好的一致性，并能够与图的中上部活树的窄轮相对应；图的下部是WL2S样点的2棵树的4个样芯轮宽变化，两棵树间同样有很好的宽窄变化一致性，与上面的活树和古木样本比较可以发现，绝大多数窄轮发生的年份是一致的。虽然有个别年，当活树和古木样本是窄年时，这两棵树却表现为相对较宽的轮，如公元496年。但在该年前后的窄轮在时间上发生的一致性控制了整体定年，为定年的准确性提供了保证。
图3 活树（上）、古木（中）和死树（下）样本在重叠时段公 元450—700年的轮宽变化
Fig.3 Plots of Ring width series from living trees (up), archaeological woods (middle) and dead trees (below) for the period of 450A. D. to 700A. D., showing cross dating among different specimens
为了检查不同种类样本的统计特征，我们计算了每个样点的缺轮百分比、反映相邻年轮之间变化大小的敏感性[37]和样本之间的平均相关系数（表2）。对比活树样本，平均来看古木样本的敏感性比较低，缺轮百分比也比较低，这可能是因为用于墓中椁木特别是棺木的原木都比较粗大。从目前野外实地来看，长在坡度较缓、水分条件较好地点的树是比较粗大的，而且这样的局地环境易于采伐和搬运，因此，我们推断多数椁木和棺木均来自水分条件较好的样地，是造成敏感性低和缺失轮较少的原因。和同地点对比，死树的样点统计量低很多，原因是它们海拔较高，接近森林的上限，水分条件较下限样点的要好，特别是WL2S样点，伴有青海云杉生长，是这些样点中水分条件最好的一个。尽管如此，该样点的样本还是能够和活树以及古木的样本交叉定年，为古木和活树在年代上的衔接起了重要作用。
2.3 定年年表的建立
从前面的定年结果可以知道，古木与死树样本的重叠时段是公元130—793年，共664a，死树与活树的重叠时段是公元404—1568年，共1165a，古木与活树的重叠时段是公元404—793年，共390a。我们计算了这3个重叠时段的相关系数，分别是0.51，0.41和0.69，均达到了统计上的显著（p=0.0001）相关。这样长时段的重叠和极显著的相关，为古木、死树和活树建立总定年表提供了保证。
图4 研究区总定年年表及复本量
Fig.4 The master dating chronology and the sample depth for the study area
在建立总定年年表前，我们分别建立了古木、死树和活树的定年年表。由于DLH4S样点的死树没有超过活树的年代，且定年时发现其窄轮发生的年份与活树的相当一致，在建立总定年年表时没有采用。活树样本量较多，将COFECHA程序存下来的每个样点的轮宽年表放在一起，由 COFECHA程序再次合成了活树定年年表。考虑到活树样本量较大，而DLH6和TJ1样点的树木较为年轻，这两个样点在建立活树定年年表时没有采用。在建立年表的程序执行中，输入参数没有采用程序的默认值，即没有用样条函数滤掉轮宽的低频变化且没有用自回归模型的差值组成年表值；在定年检验中，轮宽序列没有再次进行对数转换；最后，作为缺失轮的0值没有参加总定年年表的建立以及相关系数的计算。输入参数没有采用程序的默认值的原因是利用程序建立每个样点的定年年表时已经利用了高频的信息，并且通过对数转化已强调了窄轮在定年中的作用，再次采用可能会带来人为的影响。用同样的输入参数，将古木、死树和活树定年年表放在一起，建立了总定年年表。
制表展示轮宽总定年年表以及公元1000年以前建立年表时所用的样本量（图4），需要说明的是，公元前837年以前，样本量少于10个，特别是公元前874年以前，样本量仅2～4个，其可靠性远小于后面样本量大的时段；公元1000年之后，样本量大大增加，样本量最多时是在18世纪，达800多个，所以图中没有展示样本量的变化；图中的负值指示定年中的窄轮，正值指示宽轮。一般来说，在干旱—半干旱区，窄轮是对应于少雨炎热的干旱环境，其可靠性要大于宽轮的。因此，将这个长年表作为定年的参考时，主要比较窄轮的变化型。为了便于参考，我们在表3中列出了那些极窄轮。因为建立总年表时没有考虑那些丢轮年份的轮宽，所以表3中列出的窄轮年比图4中展示的要多。这些窄轮可以为干旱—半干旱区树轮定年提供标尺，因为在干旱—半干旱区，树轮宽度资料在空间上的相关性可延伸很远，特别是当干旱发生的范围较大时。北美西部65个样点的树轮宽度年表空间相关性研究发现，平均而言，在99%的置信区间下，树轮年表显著相关的距离达992km，将置信区间下调到95%时，显著相关的距离长达1154km。[38]我们在青藏高原东北部的干旱—半干旱区树轮研究发现，本文所列出的一些窄轮，在祁连山和阿尼玛卿山的祁连圆柏年表上都有所体现（尚未发表）。
表3 发生窄轮的年份
Table 3 Years with narrow ring
续表
3 讨论与结语
在我们建立了活树的轮宽年表后，曾与距德令哈150km南部的都兰树轮年表进行过对比，发现都兰2326a的轮宽年表[26]在公元711年和公元874年或875年各丢失一轮，而追溯到公元前515年的年表[23]在公元875年也丢失了一轮（图略），丢轮的原因是都兰树轮年表在公元700—900年间样本量较少。这种一个样点的年表发生丢轮的事件在美国半干旱区也发生过，[39]只有大的样本量和仔细的定年工作才能避免。将都兰2326a的轮宽年表在公元711年和公元875年各加上一个缺失轮后，其年表延伸到公元前328年。我们又对这两个相互独立定年的年表进行了对比。在公共时段，即公元前328—公元2000年，两个年表的相关系数为0.60，可见它们完全可以交叉定年，而具有可重复能力这一点正是树轮资料作为代用资料的魅力所在。
本文所建立的年表是国内目前最长的定年年表，已延伸到商和周朝。如果将本文的样本进行连续的14C测年，再与商和周朝出土的树轮样本的14C测年结果进行比较，将有助于商和周的断代，而这一点正是建立此定年年表的意义之一。此外，该年表的建立进一步缩短了我国树轮年表长度与国际水平的差距，它也将为研究青藏高原地区更长时间尺度的气候变化提供基础。
2007年7月
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Abstract
A 3500-year Tree-ring Dating Chronology for the Northeastern Part of the Qaidam Basin is established with cross-dating techniques of Dendrochronology and samples from the living trees growing in the hilly area of the Northeastern Qaidam Basin, the dead trees still standing, the coffin wood and the sealing mound cedarwood from the diluvial fans in the study area. This chronology, completely independent of the published Dulan Chronology, is by far the longest tree-ring dating chronology in China, which covers as early as the Shang and Zhou Dynasties with its 1000 years extension over the Dulan chronology. It now serves as a scaleplate for trees ring dating in the arid and semi-arid areas of Northwestern China.
【注释】
[1] 本项目获国家自然科学基金项目（批准号：40371118）和国家文物局项目（合同号：20050107）资助。