氣候變遷–以古為鑑：樹輪中的歷史軌跡
92/09/04
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鄒佩珊｜
輔英科技大學環境工程衛生系
穿梭在臺灣山林中，有人寄情山水，依戀於旖旎的青山翠谷，有人徜徉於森林浴中，滌盡塵慮。但是在樹木的世界裏，仍存在許許多多的祕密，讓我們進入大自然的微觀世界，聽聽樹輪訴說往昔，並一同造訪那荒煙蔓草的時代，揭開過去沒有人文紀載時期的神祕面紗。
樹輪研究的歷史
人們很早就觀察到，樹輪的寬窄型態和環境之間似乎存在某些關連。但是一直到二十世紀的三○年代，樹輪相關研究才真正成為一門科學，引起科學家的注意與關切。
起先是美國天文學家道格拉斯（A. E. Douglass）為了證實太陽黑子活動是以11年為周期，意外發現當地樹輪寬窄形態有類似的變化，故而聯想到樹輪可能反應出降水變化，因而建立樹輪學的基本原理與方法，開始了樹輪相關的研究，從而揭示美國亞歷桑納州印第安人活動區的乾旱情形。七○年代以後，拜分析工具和技術日益進步之賜，加上樹輪本身具有可以精確定年的優越特性，近年來更成為探討古全球環境變遷的一項重要工具。
樹木生長的主要特徵之一是樹輪的形成與變異，這除了受到樹木本身的遺傳因子控制外，也受到環境的制約。樹輪不僅能用來判定年代，更像是環境的紀錄器，可供探討過去數百年至數千年來各種環境因子的變化，包括氣候、水文、環境污染、地震、火山、部落遷徙……等問題。樹輪生長快慢受到外界環境與氣候因素的影響很大，而且不論環境如何變化，都會逐年忠實地記錄在其中。
什麼是樹輪
以針葉樹樹幹的橫截面來看，由樹皮到樹心（髓心）之間有一圈圈深淺分明的輪紋。每一道淺色和深色輪紋合起來才是樹木在一年中生長的樹輪，才真正稱為「樹木年輪」。由樹皮往內看，首先是一層薄薄的管束形成層，此薄層細胞向外分裂形成後生韌皮部，向內分裂形成樹幹的主體—後生木質部，就是俗稱的「木材」。一般說來，越靠近形成層的樹輪是晚期形成的，越往樹幹中心部位，形成的年代越早，也就是越老的樹輪。
一年四季中，氣候寒暖不同，會影響樹幹內形成層的活力。每年春季，相當於樹木徑向生長的前期，形成層活動旺盛，產生一些體積大、細胞壁較薄的細胞，就是我們看到淺色輪紋部分，稱為早材；到了夏末或秋季的生長後期，形成層產生出體積小、壁較厚的細胞，即深色輪紋，稱為晚材。由於晚材和次年早材的界限明顯，藉此可判斷出一棵樹的樹輪數目、寬度和每一輪的形成年代。
樹輪之間的寬窄有著很大的差異，最主要是由於周遭環境或氣候發生了變化。大致說來，在風調雨順、氣候暖和的年代，所形成的樹輪寬度會比較寬些；在寒冷、乾旱的時期，樹輪寬度就會比較窄。複雜的氣候環境因子藉由樹木生長，可轉化成簡單的樹輪差異形式，來替代外界複雜的變化。
在一道道的樹輪中，有時存在一些「變異輪」。例如，如果在樹木徑向生長的前期，突然發生嚴寒或乾旱事件，可能在一年輪中會看到有兩道或多道輪紋產生，就是所謂的「偽輪」；或是在整年氣溫很低與大火山爆發後，會形成「霜輪」；甚至可能因持續多年的嚴寒或乾旱，樹木為了維持其基本生理消耗，停止徑向的細胞分裂，而有「缺輪」的現象。這些變異現象，在分析樹輪時，尤其在訂定每一輪的年代時，都需要特別注意，以免造成誤判。
樹輪如何再現過去的環境氣候
要以樹輪重現過去的環境，首先得依照想要研究的主題，在適當地點選擇樹輪樣本。例如要了解氣候變化情形，可以就不同氣候類型區進行採樣。像生長在林木界限附近的樹，即在此界限以上就不再存有這種樹林的高度，主要可以反映出氣溫的變化；而生長在乾旱地區的樹木，則會反映出當地降水的變化情形。要研究大氣污染的問題時，就要在不同方位、多個地點採樣，這樣才能對不同程度的污染進行比較。
採回的樹輪樣本經過處理後，要將每一道輪紋代表的年代定出，並找出有「偽輪」、「缺輪」等變異現象，以防止錯誤定年。之後，量測各輪的寬度、材質密度、同位素組成或是各項元素含量變化，每一個樣本的變化序列經過「標準化」（standardization）處理，去除樹木本身因生長特性所造成的個別差異後，再合併、組合所有的標本序列，就能建立出各種的樹輪指標年表（dendrochronology）。最後，透過生物統計模式的計算和分析，可以得知樹輪指標與氣候或環境的關係，進而推算出過去的氣候變化、水文變遷、火山歷史、地震或是山崩事件。
在同一氣候區內的同種樹木，在同一時期內樹輪寬窄的形態類似。例如一棵活樹內層的樹輪形態和天然殘林、古代建築用材或廢墟中的木頭外層之樹輪型態一致，就可以將兩者銜接起來，成為更長的樹輪序列。目前美國亞歷桑那大學的科學家哈蘭以各種來源的刺果松標本，已建立出約涵蓋一萬兩千年範圍的樹輪序列。這樣的時間表將能提供北美洲自上次冰河期結束以來氣候變遷的逐年說明，揭開北美洲初次有人定居時的奧祕，甚而藉此增進科學家對當前全球暖化的了解。
樹輪與古氣候
近二十多年來，不僅是科學家，就連經濟學家和行政決策者，皆意識到人類的命運與全球氣候是緊密不可分的。因而樹輪學家們利用樹輪所推得的溫度、降水和乾旱歷史等古氣候訊息，可以讓人們了解過去氣候是如何變化的。基本上，在古氣候研究中，樹輪研究的主要目的是：
延伸氣象紀錄–從不同地區廣泛地採取不同樹種、不同年代的樣本，推得過去氣候變化訊息，儘可能延長世界各地僅僅數百年的氣象觀測紀錄。例如臺灣地區利用樹輪資料已可以推知過去五百年來山區的氣候變化型態。
了解現今的氣象狀況–比較過去和今日的氣候型態，了解地球的變化趨勢，提醒人們對周遭環境所應抱持的態度。對於當前全球暖化、溫室效應的現象，依據美國Lamont-Doherty地球觀測所二○○二年初於北半球三大洲的樹輪研究成果顯示，在距今一千至八百年前，全球也曾歷經一次類似二十世紀的增溫現象。由此可知，瞭解人為活動的影響與氣候變化的自然周期之間的差異和關係，將有助於改善預測未來氣候變化之研究模型。
探討長期氣候變化的成因–研究氣候的另一重要目的，就是要知道控制變化的因素，以求能預測往後的變化，及早做好因應的對策。像北美洲南部的周期性乾旱現象，就可能與太陽黑子的活動周期有著密切的關係。
樹輪與考古
依據樹輪寬度變化形態，可以校正和定出某些歷史、考古和地質事件發生的年代。一個非常有名的例子，是有關北美西南部印第安人的遷徙歷史。在科羅拉多高原上的Mesa Verde地區，有著不同時期的印第安人遺址，研究人員從廢墟梁柱上取得樹輪標本，經分析後得知各文化期的時代，也推知當時氣候的冷暖乾濕狀況，揭露出天候對印第安人謎樣的蹤跡影響甚巨。此外樹輪資料還曾用來判定古教堂年代，鑑定藝術品的真偽和年代，甚或協助案件調查。一九三五年，瑞士警方就曾由一綁架案現場所留下的自製木梯，利用樹輪分析木梯輪紋的變化形態和組織構造，發現與嫌犯家中的地板相同，因而確定歹徒的罪名。
樹輪與環境污染
現今樹輪學的另一個重要主題是探討環境污染的問題。空氣、土壤、地下水污染都可能會影響樹木生長，而反應在樹輪上可能會形成寬窄、材質密度突然發生變異。因此在距離污染源不同距離、不同方位的地方採取樣本，測定樹輪中諸如銅、鉛、硫、鋁等元素含量變化，將可以了解污染的程度範圍和起始年代。
樹輪在地形學和特殊事件上的應用
樹輪除了可用來重建氣溫、降水、地下水位等連續性變化之外，還能追蹤研究一些歷史上的偶發性事件，包括地質事件發生的頻率和影響範圍：
塊體運動–生長在不穩定邊坡上的樹，常會形成偏心輪，從這種生長速率的改變情形，可以得知某一湖邊或邊坡，歷來發生山崩的規模和頻率。例如臺灣中部山區等地，在歐洲阿爾卑斯山和北極圈附近的樹輪，已被用來推斷冰川前進和後退的活動。
火山活動–大量火山灰進入空氣中，阻絕太陽輻射熱，會使得氣溫下降。在高寒地區的樹往往會因此形成「霜輪」，成為明顯的火山活動標記。在美洲聖海倫斯火山附近的樹木樣本中，由寬度驟然變窄的現象，可以追蹤一八○○年以來該火山的活動事件。
火災紀錄–森林大火過後會在一些樹木中留下「火燒疤」，使得原本正常的同心樹輪成為不完整的輪紋，有如一片片花瓣，而成為火災史記。在美國西南部、印尼熱帶林區和臺灣山區等地，都可以由適當的材料中，得知當地的野火歷史。
除了上述的事件之外，像地震、地表水逕流量、地下水面變化、地體構造運動和海、河水面變化等事件，都可能在不同種類的樹木身上留下紀錄，供我們探討自然的律動。
樹輪標本越長，我們可以知道越早期的環境變化，所以選取的樹木，除了能敏感反應外界的變化外，樹齡是越老越好。而臺灣擁有種類繁多的針葉樹和闊葉樹，加上所處的地理位置和氣候形態特殊，因此在樹木年輪中必然會記錄下不少精彩絕倫的故事，若能有系統地加以研究，我們將可以從中得知臺灣島過去的種種經歷。
