青海都兰地区公元前515年以来树木年轮表的建立及应用
青海都兰地区公元前515年以来树木年轮表的建立及应用
王树芝（中国社会科学院考古研究所）
树轮年代学（Dendrochronology）是对树木年轮年代序列的研究。树木树干的形成层每年都有生长活动，春季形成层细胞分裂快，个大壁薄，在材质上表现疏松而色浅，称为春材；由夏季到秋季，形成层的活动渐次减低，细胞分裂和生长渐慢，个小壁厚，材质上致密而色深，称为秋材。树木的年轮就是树干横截面上木质疏密相间的同心圆圈。每一个年轮的宽度包括当年的春材和秋材。年轮的数目表示树龄的多少，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，反之则宽。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规律是一致的。如果一段树干内层的一段年轮序列同另一段树干外层的年轮序列一致，就说明二者有过共同的生长期，生长年代能够相互衔接。因此，只要能找到适当的木材标本，就可以一直衔接到远古时期，建立起该气候区的年轮年表。科学的树轮年代学是美国的天文学者道格拉斯博士于20世纪初研究建立起来的。这种方法在美国的史前年代学研究中起了很大的作用，其后，该方法在欧洲各国被广泛应用。目前，有两条长的年轮年表，一条是美国的10000a B. P. 的刺果松年轮年表，另一条是德国的10000a B. P. 的欧洲栎年轮年表，日本目前已经有了可追溯到公元前4000年以上的不间断序列[1]。国外在利用古木进行交叉定年建立年表上有很多成功的例子，如20世纪80年代在欧洲地区建立的大多数几千年长度的长年表都是依靠大量的古木样本衔接而成，最近在瑞典北部建立的7400a苏格兰松年表也是通过880棵平均年龄仅有百年的活树、枯树和古木建立的。我国树轮年代学研究开始于20世纪30年代，比较成功的实例是康兴成等人于20世纪90年代在青海省都兰县鄂拉山建立了长达1835a的树轮序列[2]。
树轮年代学在考古上的作用有两方面，一方面是利用树木年轮分析判定过去人类文化遗存的年代，另一方面是对过去气候（包括温度、降水）和环境进行重建和研究[3]。
我们从20世纪90年代末开始把树轮年代学应用到考古学研究中，研究地域选在青海地区。因为在青海柴达木盆地东部的都兰北部山区有稀疏的老龄祁连圆柏林。此外，青海历史悠久，在地上和地下保存有大量的木材。干旱、半干旱地区的千年祁连圆柏活树和古代的祁连圆柏木材为长序列的树轮年表的建立提供了研究材料。该地区也被认为是我国树木年轮气候学研究很有潜力的地区之一[4]。
都兰古墓群是一个沉睡在地下1000多a的宝库，但是，古墓群的年代目前还不清楚[5]。只有建立一个长序列的树木年轮年表才能为确定古墓群的年代提供唯一的日历记录，同时，也为古代文化和历史的研究提供精确的时间依据，为研究气候与古代人类生活的关系提供参考。这就是本文研究的目的。
具体研究内容有三个：①建立古代浮动年轮年表，然后把此年表与已经建立的活树年轮年表进行衔接，使浮动年轮年表转换为绝对年轮年表；②对遗址出土的木材进行定年，为墓葬群进行编年；③从树轮中提取降水信息，探讨降水与古人类生活的关系。
1 样品采集
都兰古墓群位于都兰热水血渭草场察汗乌苏河的对岸，柴达木盆地的南缘，巍峨的昆仑山的山麓（图1）。多数古墓背对山沟的洪积扇居高临下，前朝开阔的察汗乌苏河，墓的前方视野非常开阔。都兰古墓群分布有200多座墓葬，墓葬形制多为覆斗形，封土中有夹杂柏木的现象，墓室内用柏木构建[6]，大墓中约有60根原木，小墓中约有20根原木，原木长达6m左右，直径最大者达60cm，木材保存完好，多数有完整的髓心和保存完好的树皮。1999年7—9月间，北京大学考古文博院、青海省文物考古研究所联合在青海省都兰热水血渭草场热水沟南岸发掘了4座中、大型墓葬，从原木和棺椁上取45个木材样本，用于建立古代浮动年轮年表。2000年，青海省文物考古研究所又在此遗址发掘了10座墓葬，同年10月，从10座墓里取到了30个圆盘样本。
图1 采样地点位置示意图
2 试验方法
2.1 木材鉴定方法
不同树种的木材在其横向、径向、弦向三个切面上的构造特征不同，将未知木材的构造特征与有关书籍上的描述和照片资料进行对比，就可以确定木材的种属。
具体的工作程序是：从采集的样本上取1cm3木样进行软化，用徒手切片法，做横向、径向、弦向三个方向切面，然后在高倍体视显微镜下观察、记载木材横向、径向、弦向三个切面上特有的结构特征，最后根据《中国木材志》[7]的描述和照片资料进行树种鉴定。
2.2 交叉定年方法
由于年轮的宽窄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，反之则宽，因此，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规律是一致的，这就为不同样本的交叉定年提供了依据。交叉定年工作程序如下[8][9][10]：
2.2.1 年轮的标记
将打磨好的样本，由髓心向树皮方向，每10a用铅笔画一个小点，每50a在垂直方向画两个小点，每100a在垂直方向画3个小点。
2.2.2 画骨架图
采用美国亚利桑那大学树木年轮研究实验室的交叉定年方法，即骨架示意图方法对祁连圆柏年轮进行定年，将树轮宽度序列中的窄轮作为序列之“骨”，识别后即以竖线的长短形式标注在坐标纸上。如果所视年轮比其两侧相邻的年轮相对愈窄，在坐标纸相应的年份位置上标注的竖线就愈长，而平均宽度的年轮不标出，以空白表示，极宽的年轮以字母W标注。以此方法在坐标纸上标识出的窄轮分布型被看作是实际轮宽变化的“骨架”。每个样本画一张骨架图。
2.2.3 比较
首先对同一棵树上的两个圆盘进行比较，是否窄轮重合，如果前一部分重合，后一部分不重合，那么往后移动一个或几个年轮后，骨架又重合，说明有可能缺轮，要回到显微镜下重新确认。确定后再与另一个样本用同样的方法进行比较，直到所有的样本的年轮数量准确无误为止。
2.2.4 年代的确定
考古样本建立的古代浮动年轮年表与现代年表进行交叉定年，确立年代，使浮动年轮年表变成绝对年轮年表。
年代确定后，用德国Heidelberg公司生产的LINTAB树轮测量仪测量，该系统测量精度为0.01mm。将数据标准化，利用COFECHA[11]程序对定年和轮宽量测值进行检查，利用ARSTAN[12]软件建立树轮宽度指数序列。
3 试验结果
3.1 古墓木材种属的鉴定
虽然，同一气候区内不同树种在同一时期内年轮的宽窄规律是一致的，但是同一树种年轮的宽窄规律变化更趋向一致。因此，出土木材样本用于树木年代学研究以前，最好先鉴定一下木材树种。将1999年都兰热水血渭草场热水沟南岸发掘出土的木材做三个方向的切面，在体视显微镜下进行观察，结构特征如下：晚材带窄，早材带占全轮宽度的绝大部分。早材至晚材渐变，木射线细，没有树脂道（图2）。射线薄壁细胞与早材管胞间交叉场纹孔式为柏木型（图3），木射线单列，高度多数29个细胞（图4）。因此，将出土木材鉴定为柏科（Cupressaceae），圆柏亚科（Juniperoideae），圆柏属（Sabina Mill.），祁连圆柏（Sabina przewalskii Kom）。
图2 出土圆柏木材横切面（25倍），示年轮与管胞
图3 出土圆柏木材径切面（600倍），示交叉场
图4 出土圆柏木材弦切面（600倍），示单列射线
3.2 年轮年表的建立
利用严格的交叉定年工作程序对45个热水古墓群的样本进行测量和定年，测量精度为0.01mm，利用COFECHA程序检查圆盘样本的定年和轮宽量测值，我们建立了跨度为1315a的浮动年轮年表，此浮动年表[13]与康兴成[14]1997年发表的利用青海都兰县鄂拉山地区海拔3100m以上的活树建立的跨度为1835a（159—1993年）的年表进行交叉定年，结果显示，两个年表在年度上重叠641a（159—800年），即有641a的共同生长期，经显著性测验，达到了0.99的显著水平，据此，我们建立的都兰古墓群的浮动年轮年表成为绝对年轮年表，年表长度1315a，即从公元前515年到公元800年（图5）。
图5 热水古墓群的古代年轮年表 （515B.C.—800A.D.）
3.3 都兰古墓群的编年
2000年发掘的10座墓中，在7座墓葬中取到7个带有髓心和完好树皮的样本（图6）。树皮的存在，保证了最外层树轮的年代就是树木的砍伐年代。
将7个样本的年轮图谱分别与古代年轮年表按照前面的交叉定年程序进行交叉定年，确定了具有树皮的7个样本最外层年轮的年代，即树木的砍伐年代。需要说明的是，在取到的样本中有的圆柏可以看到用斧头加工的痕迹，木材表面有清晰可见的木材结构形成的花纹（图7），斯克威格鲁伯（Schweingruber）认为，如果存在这种现象，说明加工的是湿的新鲜木头[15]，亦即木材是现伐现用的。显示了7个样本交叉定年的结果（图8），图中长方形的长度代表该树木的生长年龄，即髓心到最外层年轮的年轮数目；每个长方形的最左边的开始年代为木材髓心，即树木生长的起始年代；最右边的年代为树木最外层年轮的年代，即树木的砍伐年代，由于木材是现伐现用的，所以树木被砍伐的年代就应该是墓葬的建立年代。
图6 古墓群出土的有髓心和完好树皮的木头
图7 古墓群出土原木上保留的斧头加工的痕迹
结果表明，00DRXM10墓葬的建立年代为611年，00DRXM21墓葬的建立年代为685年，00DRXM14墓葬的建立年代为691年，00DRXM19墓葬的建立年代为713年，00DRXM3墓葬的建立年代为732年，00DRXM23墓葬的建立年代为753年，00DRXM8墓葬的建立年代为784年。
图8 墓葬群的建立年代
图9 现代年表树轮宽度指数与降水的关系
3.4 古代降水的重建
都兰县气象站距离采样地点15km，海拔为3200m，与采样地点（3600m左右）相差仅几百m。气象站有1940年以来的月平均气温和降水记录，年降水平均值为188mm，年平均温度3℃。利用都兰县气象站提供的1940年以来的月平均气温和降水资料与活树建立的跨度为1835a（159—1993年）的树木年轮宽度指数进行拟合，结果发现，树木年轮宽度指数与年平均气温和月平均气温相关不显著，然而，上一年7月份到当年6月份的降水量（P）与树木年轮宽度指数（RI）存在着显著相关，相关系数为0.67，年平均降水186mm（图9），用公式表示如下：
P = 123.7RI +57.13
经分析可以发现，年轮年表中公元前515到前417年和759到800年两个时间段样本数量较少（图10），所以只将公元前418到758年的树木年轮宽度指数代入此公式，得到这一时间段的上一年7月份到当年6月份的年降水量。通过图（图11）可以看到年降水变化范围从100mm到300mm；干旱年份时常发生，60%年份的年降水量少于现代的平均年降水量（186mm）；在51—375年和426—475年有两个很长时间的干旱期[16]。
图10 建立都兰古墓群年轮年表的样本数量分布
图11 利用古墓群年轮表的树轮宽度指数重建过去的降水
4 讨论
4.1 关于都兰古墓群的归属
关于都兰墓葬群的归属，目前有三种看法。①许新国认为都兰热水古墓群是吐蕃统治下的吐谷浑邦国的墓地，归属吐蕃文化的吐谷浑类型[17]。②陈光国等认为都兰热水、夏日哈一带墓地的发现、发掘证明青海藏区在吐蕃时期以前都有较多的墓群，这也就是说土葬是藏区早先实行得相当久远的一种丧葬制度，将都兰热水古墓全归为吐蕃[18]。同样三木才、刘树军从都兰县热水境内1号古墓的结构、形制、周边环境，丧葬仪轨，殉葬种类及品位等迹象中，寻找规律，探讨诸多遗迹所蕴含的文化属性和宗教隐喻，认为都兰1号墓的文化系统属于吐蕃本教[19]。另外，在出土的丝绸中有一件织有波斯萨珊王所使用的婆罗文体字“伟大的光荣的王中之王……”的织锦，是目前世界上所发现的仅有的一件确证无疑的8世纪波斯锦。③谢佐、毛文柄、汤惠生等认为都兰热水古墓归吐谷浑，是典型吐谷浑文化[20]。从我们对7座墓葬的建立年代看，1座墓建立的年代为611年，在吐蕃灭吐谷浑（663年）之前，6座墓分别为685年、691年、713年、732年、753年、784年，为吐蕃灭吐谷浑之后，古墓群建立年代的确定为古墓群的归属提供了精确的时间参考。
4.2 古代降水与现代降水的比较
从古代出土样本树木年轮宽度指数重建的降水可以看出，60%年份的降水重建值低于1940年以来的年平均降水值（186mm），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。
4.3 降水与古代人类生活方式的关系
吐谷浑是我国古代西北的一个部族，4世纪初吐谷浑部从辽东慕容鲜卑分离出来，西迁至今内蒙古阴山。西晋永嘉末（313年左右），又从阴山南下，经陇山，到今甘肃临夏西北。不久又向南、向西发展，统治了今甘南、四川西北和青海等地的氐、羌等族[21]，吐谷浑这次大规模的迁移在我们重建的第一个长时间干旱期（51—375年）期间。452年，吐谷浑居住于都兰县[22]，在我们重建的第二个长时间干旱期（426—475年）期间，因此这两个长时间的干旱期，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。
5 结语
在青海地区建立了公元前515年以来的树木年轮年表，是目前在我国建立的最长的年轮年表，长年表的建立为青海地区古文化的研究树立了精确的年代学标尺。
对都兰古墓群进行了编年。从年轮数据可以看出，本文所分析的7座墓的建立年代分别是611年、685年、691年、713年、732年、753年和784年。
公元前418到758年相对干旱年份发生频率要比1940年以来的干旱年份发生的频率高。
树木年轮是周围环境的记录器，通过树木年轮这个记录器，我们可以认识自然环境与古代人类生活的关系。从公元前418到758年，干旱年份虽时有发生，但在51—375年和426—475年有两个很长的干旱期。文献记载，4世纪（在重建的第一个干旱期），吐谷浑从辽东慕容鲜卑分离出来，西迁南下，游牧生息于今青海的广大区域；452年（在重建的第二个干旱期）吐谷浑居住于都兰县，因此这两个长时间的干旱期，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。
附记：本文年表的建立、古代降水的重建是与德国考古研究院欧亚所的Pavel Tarasov，Karl Uwe Heussner和Mayke Wagner等共同完成。墓葬的年代与中国科学院地理资源与环境研究所邵雪梅研究员合作完成；在取材过程中得到了青海省文物考古研究所许新国所长和肖永明、刘小何等同志的大力帮助；木材结构照片由王增林副研究员拍摄。写作中袁靖研究员和赵志军副研究员给予了指导。在此深表谢意。
2004年11月
Abstract
Dendrochronology is the study on the chronosequence of tree annual rings. A treasure that has slept under
the ground for over 1000 years, Dulan ancient tomb complex remains a mystery in terms of its age. Only the establishment of a long sequence of tree rings table could provide us not only with accurate calendar records for the age, but also with accurate time basis for the study on ancient history and culture and on the relation between climate and ancient human life.
【注释】
[1] 王树芝：《树木年代学研究进展》，《考古》2001年第7期。
[2] 康兴成、Graumlich L. J.，Sheppard P.：《青海都兰地区1835年来的气候变化——来自树轮资料》，《第四纪研究》1997年第1期。
[3] 王树芝：《树木年轮分析在考古学研究中的应用》，《中国文物报》，2001年5月16日。
[4] 王亚军、陈发虎、勾晓华、杜淑英：《祁连山中部树木年轮宽度与气候因子的响应关系及气候重建》，《中国沙漠》2001年第21卷第2期。
[5] 程起骏：《打开吐谷浑古国之门的钥匙》，《柴达木开发研究》2001年第2期。
[6] 沈睿文：《都兰吐蕃大墓考古获新成果》，《中国文物报》1999年第94期（总第761期）。
[7] 成俊卿、杨家驹、刘鹏：《中国木材志》，中国林业出版社，1992年。
[8] Marvin, A. S., Terah, L. S. An Introduction to Tree-Ring Dating, The University of Chicago Press, 1968.
[9] 邵雪梅、方修琦、刘洪滨、黄磊：《柴达木东缘山地千年祁连圆柏年轮定年分析》，《地理学报》2003年第58卷第1期。
[10] 马利民、胡振国：《干旱区树轮年代学研究中的交叉定年技术》，《西安工程学院学报》第24卷第3期。
[11] Cook E. R., Holmes R. L. Guide for Computer Program Arstan. In: Grissino-Mayer H.D., Holmes R. L., Fritts F. C. The International Tree-Ring Data Bank Program Library Version 2.0 User’s Manual. University of Arizona, Tucson, Arizona, 1996, pp.75-87.
[12] Holmes R. L., Computer-assisted Quality Control in Tree-ring Dating and Measurement. Tree-Ring Bulletin 43, 69-75, 1983.
[13] Wagner, M., Heussner, K. U., Wang, Sh-Zh: Die neue Dendrochronologische Standardkurve fǜr Qinghai, NW China (515B.C. bisheute), Terra Nostra, (6), 2002.
[14] 康兴成、Graumlich L. J.，Sheppard P.：《青海都兰地区1835年来的气候变化——来自树轮资料》，《第四纪研究》1997 年第1期。
[15] Schweingruber, F. H. Tree-rings Basics and Applications of Dendrochronology, D. Reidel Publishing Company, Dordrecht, Holland, 1988.
[16] Tarasov P., Heussner K. U., Wagner, Wang Shuzhi. Precipitation Changes in Dulan 515B. C.-800A. D. Inferred from Tree-ring Datarelated to the Human Occupation of NW China, Eurasia Antiqua (9), 2003.
[17] 许新国：《寻找遗失的“王国”》，《柴达木开发研究》2001年第6期。
[18] 程起骏：《打开吐谷浑古国之门的钥匙》，《柴达木开发研究》2001年第2期。
[19] 三木才、刘树军：《都兰古墓1号殡葬民俗文化考察》，《柴达木开发研究》2001年第6期。
[20] 程起骏：《打开吐谷浑古国之门的钥匙》，《柴达木开发研究》2001年第2期。
[21] 许新国：《寻找遗失的“王国”》，《柴达木开发研究》2001年第6期。
[22] 青海省文物管理处、青海师范学院政史系：《青海历史概况》（初稿），1979年。