年轮蕴藏着森林的秘密

尼尔·佩德森 (Neil Pederson) 接触树木年轮的契机是一位“和蔼可亲”的大学导师，尽管如此，他却是“我见过的最无聊的教授之一”，佩德森说。“我当时就发誓不再研究树木年轮了。”但是树木年轮却不断回来困扰他。作为一名未来的森林生态学家，他需要更多地了解森林的历史。因此，他在研究生院阅读了无数篇文章，这些文章都强调树木年轮在揭示森林过去方面的重要性。最终，“我爱上了树木年轮的美丽和丰富的信息，”他说。“从那时起，树木年轮就向我揭示了树木和森林的绝对弹性。我着迷了。”如今，他和他的同事们正在利用这些古老自然资源中固有的数据来更好地了解气候变化和碳动态对森林的影响，而长寿树木的数据可以追溯到几十年甚至几个世纪，因此这些数据更有价值。这比现代卫星图像、二氧化碳测量和计算机模型要长得多，这些高科技信息收集技术只能追溯到大约 30 年前。“树木年轮可以增强这些记录，”佩德森说。“卫星记录……代表了一棵树生命的一小部分，更不用说一片森林的‘生命’了。此外，它只捕捉了一个地区的天气‘常态’，而且正如我们所了解的，气候会随着时间而变化。夜间天气报告中的天气常态或平均值是基于 30 年的平均值。因此，虽然卫星记录可以很好地覆盖空间，但由于这些记录的简短性，它们可能在告诉我们有关森林的信息方面有限。”

佩德森现为哈佛大学哈佛森林的高级生态学家，哈佛森林是一处占地 4,000 英亩的研究基地。他与哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站副研究员莱娅·安德鲁-海尔斯以及苏黎世联邦理工学院森林管理小组研究负责人马蒂厄·勒维斯克一起分析了树木年轮，以确定他们收集的信息是否与高科技设备的精确度相匹配。他们想知道树木年轮是否可以作为长期了解森林碳储存和气候变化的指标，结果发现可以。

森林是重要的碳“汇”，可以吸收化石燃料燃烧释放到大气中导致全球变暖的二氧化碳。但人们对现在或过去森林中储存的碳量知之甚少，科学家直到最近几年才开始了解过去气候变化的影响。

科学家们研究了两种广泛分布的树种的年轮样本——北美鹅掌楸（ Liriodendron Tulipifera ）和北美红橡树（ Quercus rubra ），它们生长在美国东部三个气候不同的地区，然后分析了其中储存的碳和氧分子（或稳定同位素）。他们将这些样本与卫星获得的估计值进行了比较，发现每年和随着时间的推移，年年都具有很强的一致性。顺便说一句，没有树木被砍伐以获取年轮。相反，科学家们为每个样本取出一个增量芯，每个芯比铅笔略窄。

“我们的研究首次将树木年轮的稳定同位素与卫星最新一代的生产力估计值进行了比较，”Levesque 说。“我们利用了新开发的卫星数据，这是我们研究的主要创新之处。”

他们的研究成果发表在《自然通讯》杂志上。

“鹅掌楸是我最喜欢的树种之一，它对降雨非常敏感，”佩德森说。“事实上，它们被认为是干旱落叶树。（这些植物在干旱或干旱时期会落叶。）1999 年纽约市地区发生干旱期间，一些鹅掌楸在 8 月份变黄，并因一年的干旱而落下了许多叶子。2005 年，在肯塔基州，在 8 月份发生干旱之后，我每天上班时经过的三棵鹅掌楸在 9 月份随着雨水的回归开始长出新叶子。我惊呆了。这些观察让我认为这个物种可能是一个很好的 [研究] 候选对象。

佩德森说，鹅掌楸对土壤中的水分含量非常敏感。他还补充道：“鹅掌楸是美国东部大部分地区重要的木材和生态树种……我们还选择了坚固的北方红橡树，因为它的生理结构不同，作为一个物种的重要性，以及作为了解森林生产力的研究物种的价值。”

Levesque 表示同意。“这两个物种都值得研究，”他说。“它们在北美东部分布广泛，对气候敏感，这使它们成为我们研究的理想物种。”此外，“树木年轮就像温度计和雨量计，可以很好地记录气候，”他补充道。

事实上，年轮显示，无论气候如何，水源都是影响森林年生长的最大因素。“这些阔叶树需要水分才能生长，”安德鲁-海尔斯说。“有些人可能认为在潮湿地区，水分并不重要，但我们的研究发现，即使在今天这样非常潮湿的时期，这些树木仍然对水分变化很敏感。树木年轮中测量的稳定同位素对跟踪水分非常敏感。”

Levesque 表示同意。“水分供应是美国东北部、东南部和中部温带森林生长的最重要因素之一，”他说。“这并不意味着更多的水分 [意味着] 更多的生长，因为太湿的环境也可能是一个限制因素。我们所说的‘无论气候如何’只是意味着水分是树木生长和生产力的主要限制因素，无论研究地点的当地气候条件如何。”

这一点很重要，因为气候变化开启了一个极端天气事件急剧增加的时代，包括长期干旱、强降水和洪水以及危险的热浪，因此有关历史气候波动的更多信息可能有助于预测未来气候对森林的影响。专家认为森林的健康状况是减轻碳污染的关键因素。

佩德森指出，人们认为 16 世纪和 17 世纪的干旱比近几个世纪的干旱严重得多，但可能是气候变化——通过促使某些地区降水量增加——使早期的干旱相比之下显得更加严重。“然而，需要记住的重要一点是，尽管预计未来美国东北部和东部地区会下更多雨，但气候变化带来的变暖将增加蒸发和植物的干旱压力，”佩德森说。“目前还不清楚会发生什么。”

他说，随着世界部分地区变得更加湿润，气候变暖导致该地区夏季的总水量减少，干旱可能会加剧。或者，该地区会变得非常潮湿，以至于气候变暖的上升将抵消降水量的增加。或者——如果降雨减少——气候变暖的增加将加剧树木的干旱压力，即使可用水量似乎没有变化，他说。

研究人员希望扩大研究范围，研究更多树木和其他物种，并追溯更久远的过去。“考虑到最长的遥感数据始于 1982 年，而树木可以存活数百年，这类工作将极其重要，”安德鲁-海尔斯说。

佩德森表示同意。“这类研究将提供大量洞见，让我们了解这些树木如何应对气候和极端气候事件……我们可以从树木的记忆中学到很多东西，”他说。

玛琳·西蒙斯为 Nexus Media 撰稿，这是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合通讯社。