AZ-F0200树木年轮元素分析系统

1 引言

自从Douglass确立了树木年代学的原理和方法以来，树木年轮一直是树木年代学的主要研究对象年轮是记载气候和环境变化的记录仪。。利用年轮宽度来重建过去上百甚至几千年的降雨和温度变化，利用年轮密度分析和年轮中元素浓度的变化来推测过去环境变化，已成为变化研究的重要手段之一。欧美各国学者很盛行利用树木年轮资料对气候和环境要素尤其是环境污染变化进行研究，我国从八十年代也开始了利用树木年轮进行环境污染状况研究的工作。

目前对于树轮宽度的测量通常不存在什么问题，但许多研究证明，年轮平均密度特别是早晚材密度特征相对于年轮宽度来说对气候变化更为敏感，而对于树轮内部木材密度的测量一直存在很大的难度。从 20世纪 40年代末开始，研究人员就尝试不同的树轮密度测量方法，其中包括体积比重法 (Volumetric-gravimetric methods)、光透视法 (Light transmission)、硬度测定法(Hardness)、抗张强度测定法 ( Tensile strength)、β微粒法 ( Beta particles ) 等。每种方法都是基于不同的工作原理，且各具特点，但对于树木年代学研究而言，它们都存在着不同程度的限制条件，以至于不能被广泛地应用于该研究中。

直到20世纪60年代，随着X射线技术被成功地应用于树木年代学研究中，树轮密度和年轮元素的研究逐渐兴起，所得到的年轮密度、年轮元素浓度等若干指标，为分析环境因子对树木生长的影响提供了新的依据，为树轮气候学的发展开辟新的领域。

AZ-F0200年轮元素分析系统主要以生长锥取下的树木样芯为对象，通过高质量的图形扫描系统获取高分辨率的树木样芯图像，并采用专门的照明系统去除阴影和不均匀现象的影响，然后用专业软件进行年轮宽度和密度分析。针对树木样芯，通过结合了X-射线成像与XRF元素分析技术的目前*的年轮元素分析仪，获取样品的年轮密度图像和多种元素分布图像，测定树木年轮中Al、Si、S、Cl、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、As、Hg、Pb等多种元素的浓度，并利用专业软件进行密度分析。

利用上述树木年轮宽度、密度测定及年轮元素分析结果，建立树木年轮表，探求不同树种生长与气候因子的关系，推测过去环境变化尤其是环境污染状况。根据区域内的气象资料和同时期的树木年轮信息，建立树木年轮数据与气象数据的相关关系，并据此重建典型气候带的气候变化谱，进一步揭示气候变化对森林生态系统的影响。

2.2 采样设置

2.2.1 样地设置

选择树木生长对环境因子（温度、降水等）变化非常敏感的地区。在采样布局上，选取土层较薄、坡度大、受人类活动影响较小的地点。根据研究目的不同，按照海拔、坡向、坡位等因子进行样地设置。

2.2.2 样树选择

每个样地同一树种样本为20～30株，北方地区20株为宜，南方地区30株为宜。选择树木基部、根茎无动物洞穴、无干梢、树干通直的树木。为了重建尽量长的年轮气候变化谱，应选取老龄的树木包括枯死的古老树木。

2.2.3 样本采集

为了重建尽量长的年轮气候变化谱，选取老龄的树木包括枯死的古老树木，活体树木用生长锥在树干胸径处采样，方向一般与山坡等高线方向一致，或者与山坡的坡向垂直，同一样地内采样方向必须保持一致。已死亡的树木在树干均匀处截采样本盘（树木截面）。用Haglof生长锥采样时，先将锥体取出装在锥柄上，然后将生长锥端水平，脚下站稳，两手持锥柄两端，前端螺旋刃口对准树体，旋转锥柄。当锥体过树心后，停止旋转锥柄。用取芯勺提取钻芯，将勺尖紧紧贴在锥体内壁，平稳较快地提取钻芯并放置于钻条箱中。

2.3 样品采集时间和频率

有休眠期的树木应在树木的休眠期进行，无休眠期的树木一年四季随时可以采样。

2.4 分析指标

年轮宽度、早材宽度、晚材宽度、早材密度、晚材密度、年轮密度、年轮密度、最小年轮密度、早材晚材界线密度、年轮元素含量。

2.5 系统组成和技术指标

AZ-F0200年轮元素分析系统由生长锥、年轮宽度分析单元、年轮密度和元素分析单元共同组成。

技术指标：

生长锥：直径4.35mm、5.15mm、10mm、12mm可选，长度范围100mm～1000mm。

两线螺纹式钻头每旋转一圈可转进8mm；三线螺纹式钻头每旋转一圈可转进12mm。

年轮宽度分析单元：

扫描仪：可分辨最小粒子大小0.005mm/0.011mm

分析软件：可水平和垂直方向测量年轮，判断无效年轮和估算丢失的年轮。可测量年轮宽度值，可测量早晚材宽度，可计算年轮密度值、最小值、平均值和方向。

年轮密度和元素分析单元：

可测Mg、Al、Si、S、Cl、K、Ca、Ti、Ba、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Br、Rb、Sr、Pb等多种元素浓度，精度1ppm；

测量原理：X-射线荧光分析（XRF）和数字X-射线成像技术；

控制台：一个300x200mm X/Y可移动电脑控制台，扫描点长2.5微米；样品槽：最多放9个长280mm，宽7~12mm的木条样品；

分析软件：用户可选择分析区域、分辨率以及扫描时间，批量工作功能支持无人看守下的批量测量，可得多种元素的密度曲线

3 数据处理

3.1 重建方程的建立及检验

利用树木年轮宽度、年轮密度和年轮元素浓度等资料以及的气象资料，采用单相关、逐步回归分析法建立回归方程，并利用误差缩减值、符号检验、乘积平均数以及逐一剔除法对回归方程进行检验。

3.2 重建结果特征分析

主要包括变化阶段分析、周期分析、熵谱分析、频率极值分析、趋势分析和突变特征分析。

3.3 重建结果区内外对比

利用所具有的资料，将所得到的重建结果与其他研究人员所得结果进行比较，一般包括阶段比较、突变比较、趋势比较等。

4 应用案例

4.1 下图是一条松木样品至于年轮密度元素分析单元扫描仪支架上的扫描结果，扫描解析度50微米。背景黑色，木质则以彩色呈现。射线影像以反灰阶叠加上去，蓝色折线是钙元素剖面图。

4.2 环境科学中心应用年轮密度元素分析仪进行欧洲赤松密度的研究。