年輪から気候変動を抽出する方法

要約

年輪気候の再構築は、機器による記録を超えて過去の気候変動をよりよく理解するのに役立ちます。このプロトコルは、年輪と気象計器の記録を使用して過去の気候を再構築する方法を示しています。

要約

年輪は、世界中の多くの場所で気候学的変数を再構築するために使用されてきました。さらに、年輪は、過去数世紀、場合によっては数千年の気候変動に関する貴重な洞察を提供することができます。年輪年代学がここ数十年でさまざまな生態系に存在する多数の種の樹状気候の可能性を研究するための重要な開発にもかかわらず、多くのことが行われ、探求されていません。これに加えて、ここ数年で、世界中のより多くの人々(学生、教師、研究者)が、気候情報のタイムラインをさかのぼって延長し、気候が数十年、世紀、または数千年の規模でどのように変化したかを理解するために、この科学を実装することに関心を持っています。したがって、この作業の目的は、サイトの選択とフィールドサンプリングから実験室の方法とデータ分析まで、年輪気候の再構築を行うために必要な一般的な側面と基本的な手順を説明することです。この手法のビデオと原稿では、年輪の気候再構築の一般的な基礎が説明されているため、新人や学生がこの研究分野のガイドとして利用できます。

概要

年輪は、樹木が環境にどのように反応するかを理解するための基本です。さらに、気候は樹木の成長に影響を与えるため、樹木は生涯にわたる時間変動を記録する環境ゲージとして機能します。このように、年輪は、過去の気候を再構築するために、どの観測記録よりもはるかに貴重なものであった。

根、茎、枝、葉の成長過程、および樹木の繁殖戦略は、水、光、温度、土壌栄養素などの環境要因によって調節されます¹。例えば、茎は放射状に成長し、維管束形成層は放射状成長を制御します²。血管形成層は、茎の外側の境界に位置する木部や樹皮などの新しい機能細胞を積極的に生成する骨折組織です。さらに、血管形成層は主に季節サイクル中に活動します。ただし、この成長活動は、休眠期間中や一年の特定の季節に中断される可能性があります。この休眠期間は通常、環境変数が最適でない場合に発生します(たとえば、日周期の短縮、干ばつの期間の延長、寒い冬、洪水など)。さらに、成長サイクルと休眠サイクルは、形成層の活動の変化に変換され、その結果、年輪³と呼ばれる幹に解剖学的に異なる同心円状の境界が生じます。

気候の季節性が毎年発生するため、樹木は通常、毎年1つの年輪を生成します。したがって、年輪は、樹木の成長中の年内気候条件に対する維管束形成層の生態生理学的応答の視覚的現れです³。雨季に年輪上に形成される木部細胞の初期のクラスターは、アーリーウッド⁴と呼ばれるより大きな細胞によって特徴付けられます。対照的に、乾季には、水不足に対応して、維管束形成層は、レイトウッドと呼ばれる細胞壁が厚い小さな木部細胞(気管または血管)を生成します。解剖学的構造のこの変化は針葉樹でより顕著であり、アーリーウッドはレイトウッドよりも明るい色を示し、暗い色を示しています⁵。アーリーウッドの始まりとレイトウッドの終わりの間のスペースは、1つの年輪として定義されます(図8F)。

雨季と乾季が明確に定義された場所で育つ樹木は、降水量が多い年または少ない年が予想されます。この変動性により、樹木は雨の多い年にはより広い年輪を生成し、乾燥した年にはより狭い年輪を生成するようになります。これらの幅の広いリングと狭いリングの時間パターンは、バーコードとして見ることができます。この年輪幅の時間的変動は、年^{輪研究における}最も重要な原則の1つであるクロスデートのプロセスを適用するための基礎である6。クロスデートのプロセスは、すべてのサンプルの広いリングと狭いリングのパターンが、対応する形成年を割り当てるために時間内に正常に同期されている場合に満足のいくものです。

季節的な気候が発生する世界の多くの地域では、年輪に記録される最も支配的な信号は、気候変動に関連している可能性が高い⁷。しかし、年輪には、樹齢(若い木が古い木よりも早く成長する)、周囲の樹木との資源の競争、および内部および外部の攪乱(例:死亡イベント、害虫の発生、または^火災)8に関連する追加情報も含まれています。したがって、年輪幅を使用して過去の気候を再構築しようとする前に、この原稿で説明されているいくつかの統計的手順を通じて、非気候のシグナルを取り除く必要があります。

このプロトコルの主な目標は、過去の気候変動を理解するために、年輪データに基づいて気候の再構築を開発する方法を示すことです。したがって、この原稿では、気候の再構築を開発するために必要なサンプリング、サンプル調製、クロスデート、年輪幅の測定など、基本的なフィールドおよび実験室の方法を紹介します。さらに、このプロトコルでは、年輪の幅から共通の変動を抽出し、気候データと相関する年輪年代を構築するために使用される基本的な統計分析についても説明します。最後に、単純な線形回帰モデルを使用して、プロトコルは、年輪年代を予測変数として、気候データを予測子として使用して、過去の気候を再構築する方法を示します。

プロトコル

フィールドトリップの前に、保全地域の場合、または対応する当局の所有者の許可を得ています。問題を回避するために、当局を代表する一部の人員が現場作業に参加することが非常に重要です。

1. サンプリング戦略

1. 分析範囲の決定
   1. 気候情報と森林構成に基づいて、最適なサンプリングエリアを選択します(森林は非常に不均一である可能性があります。 図1A、B)。
   2. サンプリングサイトが、年間気候の季節性と、年間を通じて乾燥/雨季または寒冷/暑い季節を含む年ごとの気候変動が明らかであることを確認してください。近くの気象観測所からの気候記録を調べて、年間の気候季節性と年々の気候変動を判断します。
   3. 調査サイトの樹木が、樹木間のサンプルをクロスデートするのに十分な年輪幅の変動を示すように、中程度から高い気候の年々変動が存在することを確認します。
   4. 関心のある地域でフィールドトリップを実施して、関心のある種を持つ可能性のある場所を特定します(図1B)
   5. カートグラフィ、ドローン、衛星画像などの推奨ツールの一部を使用して、より広い森林エリアを探索し、より多くのサンプリング エリアを検出します。これらのソースからの情報を現場で確認します。
   6. 森林サービスプロバイダー、森林生産者、農村コミュニティ、小規模土地所有者など、地域の利害関係者など、補完的な情報源から情報を収集します。両方の情報源から得られた情報に基づいて、目的を達成するために最適な研究サイトと最も適切な個人を選択してください。
   7. 対象種の中で最も長生きする個体が観察される領域を選択します(図2A、B)。立っている枯れ木、倒れた木、切り株を観察します。古い死んだサンプルは、年代をさかのぼって拡張できるため、非常に重要です(図2A、C、D、E)
   8. 上記の特性を持つ個人の位置をGPSで登録します。
2. 最適なツリーを選択するための考慮事項
   1. 最適な場所が見つかったら、適切にサンプリングする樹木を選択します。浅い岩の多い土壌や急な斜面にある樹木は、気候変動に対してより敏感です。これらの生態生理学的特性を使用して、樹木が記録する可能性が最も高い制限要因を決定します(図2A)。
      注:競争の激しい場所で樹木のサンプルを採取することは避けてください。これらの高密度の場所では、樹木は強い林分ダイナミクス信号を持ち、気候信号は減少します。
   2. サイト情報をフィールド形式で記録します。座標、標高、テレインの傾斜角、場所の名前、植生の種類、優勢な種、現在の土地利用など、エリアに関する地理情報と生態情報を収集します。
   3. サンプリングされた樹木の情報 (直径、高さ、損傷の有無、小川の近くまたは上、急な斜面、または渓谷にある場合) を記録します。
      注:上記の情報は、サンプルを分析して研究結果を裏付け、より適切に解釈する際に役立ちます。樹木やサンプルが損傷にさらされたり、樹木が成長する場所の条件によって、成長の年間変動が変わる可能性があるためです。このメタデータは、気候要因に依存しない成長の変動を説明するのに役立ち、ノイズの多いサンプルを考慮または排除する要素を提供し、常に気候信号の強調表示を考慮します。
   4. サイト名とサンプル番号(サイト名、ツリー番号、サンプル番号の最初の 3 文字で構成される)に基づいて、各サンプルのコードを指定します。たとえば、このサイトで取得された最初のサンプルのコードは RMI01A で、これはサイトに対応する Río Miravalles (RMI)、ツリー番号 1 (01)、および最初のサンプル (A) です。
      注:この場合のサンプルという用語は、インクリメントコアまたは1つのツリーから取得した断面の一部を指します。
   5. ほとんどの樹状気候研究で行われているように、特定の表現型特性を持つ個人を選択し、特定の環境条件で成長することにより、選択的サンプリングを実行して研究の目的に対処します。樹木の成長に対する気候の影響を予測し、樹木のサイズと林分力学を統合することが目標である場合は、非選択的サンプリングを実行します。
   6. 寿命の長い外観の樹木を選択します。場合によっては、上部が乾燥している、立ち枯れている、幹がねじれている(つまり、らせん状)、枝が垂れ下がっている(図3A-C)。長寿の個人は、環境記録をさらに遡って拡張します。
   7. 寿命の長い樹木は、直近の数年間に非常にコンパクトで幅の狭い年輪を観察することで、観察や交差年代測定が困難です。これらの同じ時期に成長している若い木を特定し、より広く目立つ年輪を記録し、古い木の年代測定を容易にします。
   8. サンプリング戦略内で、サンプリングされた樹木のうち、若い個体の10%〜20%をサンプリングすることを検討してください。
   9. 可能な限り長い増分コアを取得するために、木にしっかりとした幹があることを確認してください。さらに、腐った領域は、切片化されたサンプルや内部リングの損失を引き起こし、インクリメントボーラーが詰まる可能性があるため、避けてください。
   10. 選択した樹木が中空でないことを確認します。プラスチック製のハンマーで木を優しく叩き、木の共鳴に耳を傾けます。共鳴が強いか深い場合は、木が空洞である可能性があることを意味します。音が乾いている場合は、木が中空である可能性は低いです。
       注:インクリメントボーラーが中空の木に引っかかる可能性があり、インクリメントボーラーを抽出するのが難しくなり、サンプルの品質が良くない可能性があるため、この手順は重要です。
   11. 上記を考慮し、腐敗が検出されない場合でも、以下の点に十分注意してください。インクリメントボーラーを導入するときは、ある程度の力を加えて木を貫通させます。この必要な力が変化すると、ボーラーはより柔らかくなり、この時点で停止してサンプルを採取します。
       注意: インクリメントボーラーを駆動するために力が続けられると、樹脂と混合された腐った木材がインクリメントボーラーバレルに集まり、エクストラクターで取り外すのが難しいプラグを形成します。これが発生した場合は、ナイフや鋼材を使用して木製プラグをインクリメントボーラーから解放しないでください(これにより、切断部分が損傷し、役に立たなくなる可能性があります)。
   12. インクリメントボーラーの端は金属の錆に非常に敏感で、潤滑剤と木片を使用してプラグを押し、インクリメントボーラーシリンダーを解放します。木材はインクリメントボーラーの端に損傷を与えません。
   13. 樹脂状の木や大量の樹液を扱うときは、ボーラーを頻繁にオイルで清掃してください。金属に付着したレジンの残留物を洗浄するために、潤滑剤またはエタノールを使用してください。
3. サンプル収集(インクリメントコアの収集)
   1. Presslerインクリメントボーラー(図4A)は、^{大きな損傷を受ける}ことなく生きている木から小さなコアを抽出するように設計された精密ツール6でサンプルを収集します。長さ(100-1000 mm)、直径(4、5、10、12 mm)、およびねじ山(2および3; 図4B、C)。他の木材切削工具と同様に、ボーラーを鋭く清潔に保ちます。鋭利でないボーラーは、コアがねじれたり壊れたりする可能性があります。
   2. サンプリングする樹種に応じて適切なボーラーを選択します。ほとんどの木材では、サンプリングに任意の長さまたは直径の3本ねじ穴あけ機を使用してください。広葉樹種の場合、貫通が遅く、木材への摩擦と応力が少なく、サンプリングプロセス中に破損する可能性が低くなるため、直径が小さく長さの2本ねじ穴あけ機を使用します。
   3. 偽リングまたは年々の密度変動(IADF)および/またはマイクロリングの頻度が高い種では、5mmの代わりに直径12mmの穴あけ器を使用してください。これにより、より広いサンプル表面を抽出して、難しいリングをよりよく視覚化し、これらの問題の特定が容易になります(図4B)。広葉樹で長い穴あけ器を使用しようとすると、サンプリングプロセス中にそれを壊すリスクがあります。
   4. 木材サンプルを採取するには、インクリメントボーラーを幹の軸に対して90°(垂直)の木の中心に向けて向きを変えます。
   5. インクリメントボーラーをツリーに押し込み、同時にハンドルを時計回りに回します。ボーラービットの初期貫通時の圧力不足は、不規則または壊れたコアを引き起こす可能性があるため、この部分は不可欠です。ビットが完全に貫通したら、圧力を緩め、目的の深さに達するまでハンドルを回します(図5A)。
   6. 良好なサンプル品質を確保するために、個人ごとに少なくとも2つのサンプルを採取してください。斜面に樹木が生えている場合は^、斜面の等高線に平行にサンプルを採取します(図4A)樹木7によって生成される反応木材を避けます。
      注:針葉樹では、木は斜面を下る幅の輪の形で反応木材を生成して、木を直立させ、圧縮木材と呼ばれます。被子植物(広葉樹)では、斜面を上って幅の広い年輪が作られ、それをテンションウッドと呼びます。リアクションウッドは、木の中心を見つけ、年輪の幅に対する非気候の影響を避けるために考慮する必要があります。
   7. ボーラーが木の中心まで十分に深く回転したら(図5B)、抽出器をボーラーに挿入し、ツリーの中心に向かって押します(図5C)。
   8. 抽出器を全長まで挿入したら、ボーラーを少し反時計回りに回して、サンプルとツリーの間の接続を切断します(図5C)。次に、コアを運んでいる抽出器を取り外し(図5D、E)、穴あけ器を木から取り外して反時計回りに回して抽出を終了します(図5F)。
   9. サンプルを採取した後、木が樹脂のシールを形成するか、樹液の滲出物に続いて二次成長することに細心の注意を払ってください。特別な条件下では、損傷は樹木に損傷を与える可能性のある病原体の侵入経路である可能性があります⁶。
   10. 保護自然地域や国立公園などの制限区域で作業する場合は、サンプリングされた樹木を保護するために特別な対策を講じることを検討してください。インクリメントボーラーによる軽傷をカンペチェワックスまたは蜜蝋で覆います。
   11. フィールドワーク中に、穴あけ器の内側に木材が詰まっている、先端が壊れている、インクリメントボーラーが木に詰まっているなどの問題が発生した場合は、手順1.2.9.-1.2.12を参照してください。さらに、フィールドに複数のインクリメントボーラーを持って行きます。
       メモ : コアを抽出するための黄金律はありません。不規則性を避け、必要な最善の情報を取得するようにしてください(図4)。インクリメントコアの手入れとサンプリングの詳細については、オンラインで無料で入手できる^Maeglin9およびPhipps10の論文を参照してください。
   12. コアはもろいので取り扱いには注意してください。抽出後すぐに各サンプルを保管してください。直径が5mm以下のサンプルの場合は、換気を改善し、真菌の増殖を避けるために、ミシン目のあるプラスチックストローまたは紙製ストローに入れます(図6A)。直径12 mmのサンプルの場合は、新聞紙またはその他の種類の紙で包みます(図6B)。
   13. フィールドワーク中および実験室への輸送中は、サンプルを保護し、サンプルをプラスチックキャップ付きの固体プラスチックチューブに保管してください。
   14. 枯れた木や切り株が見つかった場所では、チェーンソーを使用して断面を抽出します。これにより、小さな木と大きな木の両方からのサンプルが可能になります(図6C)。
       注:このタイプのサンプルの目的は、年代の期間を延長し、コアに見つからない欠落しているリングを検出するのを助けることです。欠落している年輪は、木の全周が露出している場合、または明らかになります⁶。
   15. チェーンソーで採取したサンプルや、ある程度の木材の分解を伴うサンプルでは、サンプルの破片が失われる可能性があります。これを避けるために、サンプルをプラスチックで包みます(図6D、E)。

図1:温帯針葉樹林(A)Pinus montezumae、Pinus arizonica、Pinus ayacahuiteの針葉樹混交林。(B)Pseudotsuga menziesii、Pinus arizonica、およびPinus ayacahuiteの針葉樹混交林。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:サイトの選択 (A)制限条件(浅く乾燥した土壌と急な斜面)で、長命の個体を見つける可能性が高い森林地帯。(B)長寿の個体は、年輪気候研究に不可欠です。(C、D、E)枯れ木(切り株、倒木、ある程度劣化した木材)を見つけて選択することで、時系列を時間を延ばすことができます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:最適な樹木標本の選択 (A)長寿個体の特徴である枯れた樹冠の上部と太い枝を持つ樹木、および(B、C)ねじれた茎と枝を持つ、つまりらせん状の樹木の画像、つまり長寿個体を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:サンプル収集に使用されるツール。 (A)インクリメントボーラー(Pressler)、年輪年代学的サンプルを抽出するツール。(B)直径12mmの穴あけ器は、年輪を定義するためにより多くの材料が必要な場合に推奨され、より大きなサンプルボリュームの抽出を可能にし、複雑な年輪の視覚化を改善し、成長問題の特定を容易にします。(C)ほとんどの場合に使用される直径5mmの穴あけ機。このタイプのボーラーは、コアサンプリングに使用されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:サンプル収集プロセス (A) ドリルを幹の中心に向け、幹の軸に対して垂直な90°の角度で配置し、同時にボーラーを木に向かって押し、時計回りに回します。(B)ボーラーが1インチの深さに挿入されたら、時計回りに回し続けてトランクの中心に到達し、抽出器をボーラーの内側シリンダーに挿入します。(C)抽出器が全長まで挿入されたら、穴あけ器を反時計回りに1回転させて、サンプルと木の間の接続を切断します。(D、E)木材サンプルの抽出。(F)反時計回りに回して、ボーラーをトランクから取り外します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図6:木材サンプルを保護する技術。 サンプルは壊れやすい場合があるため、各サンプルは収集後に適切に保管する必要があります。(A)直径5mmのボーラーで採取したサンプルを、ミシン目のあるプラスチックストローまたは紙製ストローに入れます。ミシン目はより良い換気を可能にし、真菌の増殖を防ぎます。(B)直径12mmの試験片は硬くなっています。これらのサンプルは、新聞紙またはその他の紙の種類またはマニラ封筒に包まれています。(C)チェーンソー(D、E)で断面を収集するときは、プラスチックで包んでさらにサポートし、輸送中に破片が失われないようにする必要があります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2. 実験室でのサンプル調製

1. Stokes と Smiley⁶ が示す標準的な手順に従って、ラボでのサンプルの調製と年代測定を行います。
2. サンプルを日陰で乾燥させて、木材からの水分の損失が徐々に木材の変形を最小限に抑えるようにします(図7A)。コアが十分に水分を失ったら、木製のマウントまたはレールに取り付け、接着剤で固定し(図7B)、テープまたはスレッドで固定します(図7C、D)。
3. 木製の芯をマウントに配置するときは、木製の芯の向きに注意してください。平面に対して垂直に配向された木材の木部細胞などのコアを固定して観察し、表面化します(図7E)。この向きにより、年輪の木材の解剖学的構造を明確に視覚化できます。
4. 120〜1200グリットの範囲のさまざまなグリットのサンドペーパーを使用してサンプルを研磨し、研磨します。表面の大きな凹凸を示す可能性のある断面では、2つの可能なオプションのいずれかに従います。
   1. オプション1:電動ブラシで作業し、後でサンプルを研磨します。オプション2:30の範囲で、より粗いサンドペーパーグリットでサンディングプロセスを開始し、グリットを徐々に1200に増やします。これにより、成長リングをより簡単に見ることができ、区別することができます(図7F、G)。
5. サンプルの上部全体を研磨します(図7E)。木製ラックに接着されたセクションの反対側のサンプルパーツの最小30%と最大50%を研磨します。これにより、リングの明瞭さを高め、年代測定プロセス中に配置されるポイントとマークを消去する目的で、後の研磨プロセスに十分な木材の一部を持つことができます。

図7:サンプルの調製 (A)日陰でサンプルを乾燥させることで、水分の損失が緩やかになり、木材(ねじれた芯)の変形が最小限に抑えられます。(B)サンプルを木製のラックに取り付け、接着剤で固定する方法の例、および(C、D)は、テープまたは細いロープでトリムに取り付ける方法を示しています。(E)木質繊維の正しい位置を示し、成長年輪に対して垂直に向ける必要があります。この向きにより、成長リングの解剖学的構造を明確に視覚化できます。(F、G)これは、120から1200までのサンドペーパーグリットを使用したサンディングとポリッシングの品質の一例です。この手順により、成長リングを視覚化し、区別することができます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3. 年輪年代測定

1. サンプルを研磨した後、各コアをステレオスコープで10倍から15倍の倍率で分析します。複数の成長リングを同時に観察および比較できるステレオスコープを考えてみましょう。
2. 研究者が成長年輪が何であるかをよく理解したら、使用する種に応じて、各サンプルの成長年輪を数えます。この手順により、樹齢の近似値が得られます。さらに、クロスデートプロセス中に遭遇する可能性のあるバリエーションの種類を認識します(図8A)。年輪カウントは、内輪(木の中心)から外輪(樹皮)まで順番に行います。
3. サンプルに小さな印をつけて、時間内の場所を知って戻ってサンプルを再訪します。10 年ごとに小さなドットを 1 つ、50 年のセグメントごとに 2 つのドット、100 年ごとに 3 つのドットを配置します (図 8A)。
4. 他の種類のマークを使用して、特定の特性を持つリングを強調します。たとえば、成長バンドのごく一部しかないマイクロリングが明らかな場合は、2つの平行なポイントを使用してそれらをマークします。リングがない疑いがある場合や確実な場合は、2つの交互の点または円を使用してマークし、偽のリングが特定された場合は、対角線を使用して1つのリングであることを示します。
   注意: カウント技術の詳細については、Stokes and Smiley⁶ で示されている標準的な手順に従ってください。
5. 年輪を数えたら、成長グラフまたはスケルトンプロットを使用して、幅の広い年輪と幅の長い年輪の時間パターンと変動性を比較します。このグラフィカルな部分により、複数のサンプルを同時に比較し、共通の同期成長パターンを決定できます(図8B)。この手法により、リングをカウントするときに誤ってマークされた可能性のある成長の不一致を検出できます。
   注:スケルトンプロットの作成の詳細については、参考文献⁶ と以下のリンクを参照してください:https://www.ltrr.arizona.edu/skeletonplot/plotting.htm。
6. 最後の外輪(樹皮を除く)の日付がわかっている若い生きている木のサンプルでは、サンプルに直接年代測定する予備的な年輪を実行します。例えば、2021年12月、つまり生育期の終わりに北半球の森林からサンプルが採取され、年輪の形成が完了した場合、最後に完全に形成された年輪の日付は2021年になります。これを使用して、外側の部分(樹皮)からサンプルの中心までのリングを数えます。
7. 古い木のサンプルは、一般的にコアの最も外側の部分で、より狭い年輪の期間を示しています。これらのコアのスケルトンプロット(図8C)を生成して、成長パターンを既知の年代測定済みサンプルまたは以前の地域リング幅マスター年表(図8D)と比較します。
8. サンプルを比較するには、異なる木の間の細いリングと幅の広いリングの間の同期を探します(図8A、B)。サンプルは、クロスデート手法に基づいて成功した一致が見つかったときに日付が記入されたと見なされます。
9. 成長の同期パターンが明確でないサンプルでは、成長のばらつきの違い、リングの不在、または偽のリングにより、サンプル間のリングごとにレビューして問題を検出し、完全に年代測定されたサンプルと比較します。この種のリングの異常は、極端に乾燥したまたは寒い条件の年に発生するため、近くの観測所の気候レコードを使用して、疑わしい欠落リングを確認します。
10. 潜在的な問題が特定されたら、カウントを修正し、同期が達成されたかどうかをテストします。
11. すべての生きている樹木がクロスデートされた後、一般にマスター年表と呼ばれる平均成長チャート(図8D)を作成します。これは、すべての日付が付けられた成長プロットの平均であり、時間領域⁶上のサイトの成長パターンを示します。これは、死亡日が不明な枯れ木など、交差年代測定が必要なより多くのサンプルの年代測定ツールとして役立ちます(図8C)。

4. 年輪の測定

1. サンプルの年代が特定されたら、木の年輪の幅を測定します。可能であれば、リング幅全体と、年々のバンド(アーリーウッドとレイトウッド)の幅を測定します。これらの測定を行うには、0.001 mm¹¹ の精度の測定システムを使用します(図8E)。
2. 測定システムステージをスライドさせ、架橋接眼レンズ付きのステレオスコープでサンプルを観察することにより、成長リングと部分リングを1つずつ測定します。測定システムに応じて、最も内側のリングから外側のリングまで測定を開始します(図8F)。
3. 機械的な測定システムが利用できない場合は、スキャナーを使用して高解像度の画像を撮影し、CRANのCooRecorderやR測定などの専用ソフトウェアを使用して年輪測定を行います。

図8:クロスデートと年輪測定(A)2つのサンプル間の年輪数と成長パターンの比較を示す。(B)両方のサンプルの成長変動が紙のグラフにどのように反映されるかの例(スケルトンプロット)。このタイプのグラフは、多くのサンプルの成長を同時に比較(クロスデート)することを可能にし、正しい年代測定を達成するために不可欠な手法です。グラフ0、50、60などの上部のマークは、マスター年表を使用して正確な年に日付が付けられた枯れ木サンプルのA.(C)スケルトンプロットに示されているサンプルでカウントされた年輪の数を示しています。(D)マスター年表の例、正しく日付が付けられた生きている木の平均。(E)0.001mmの精度の測定システムを使用して、各年間成長を測定しました。(F)Pinus lumholtziiの年間成長と年輪の3つの異なるバンド部分(総年輪、アーリーウッド、レイトウッド)を示す模式図。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

5. クロスデートの検証

1. リングの幅を測定したら、年代測定の精度と品質をテストします。ソフトウェアCOFECHA¹² (https://ltrr.arizona.edu/research/software) と dplR¹³ を使用して、クロスデートの統計的検証を行います。COFECHA解析ソフトウェアで同じサンプルを使用して構築されたマスター年表内のリングシリーズのセグメント間で有意でない相関(< 0.3281、p > 0.01)を特定します。
2. ソフトウェアで、重要でないセグメント相関値を特定するフラグを探し、サンプルのセグメントと全体のマスター年表(分析された各サンプルのすべての標準化された値の平均)との間の潜在的な不一致を簡単に特定できます。
3. 不一致は、選択した樹木の特定のマイクロサイト条件に起因する測定またはリング識別によるエラーに関連している可能性があり、これは他のサンプル間の全体的な変動と同期していません。現場での観察とメモでこれらを確認し、このサンプルを保存するか排除するかを決定します。
4. COFECHA統計の解釈の詳細については、Speer⁷を参照してください。

6. 年表作成

1. 年輪の測定値のトレンドを下げたり標準化したりして、年齢、樹木の形状、林分力学、擾乱の影響など、気候以外の情報(ノイズ)をすべて除去します。
   1. サンプルデータ(負の指数関数的(図9A)、直線(図9C)、または3次スプライン)に数学方程式を当てはめます。これは、サンプルで見つかった基準と時間的傾向に応じて(図9A)。次に、測定された各リング幅を、その適合値または期待値で割ります。
   2. 個々の樹木の標準化値を平均値関数に平均し、樹齢の違いや全体的な成長率の違いによる成長率の差を調整します。これにより、分散が比較的一定で、平均^{が 8 に} 等しい標準化された時系列が生成されます (図 9B、D)
2. 年輪幅シリーズを標準化するための完璧なレシピはありません。すべてのリング幅の測定値をグラフィカルに検査して、トレンド除去法を適用する前にサンプルに埋め込まれた傾向を特定します。
3. 任意の統計プラットフォームを使用して標準化を実現します。ARSTANやdplRのようなソフトウェアは、特にこのタイプの分析^13,18用であり、https://ltrr.arizona.edu/research/software およびCRANのRパッケージとして無料で入手できます。
4. 自己回帰移動平均モデリング(ARMAモデリング)と呼ばれる統計的手順を使用して、自己相関の除去を実行します。これは、すでに説明した2つのプログラムに自動的に適用されます。これは、年輪の経年変動が年輪に及ぼす影響を研究するために必要です。
5. 年輪の測定値が標準化され、自己相関が削除されたら、サイトの年表を作成します(図10A)。年輪サイトの年表は、算術平均とは異なり、非定型年(外れ値)の影響を減衰させる堅牢な二重加重平均を使用した、すべての標準化されたシリーズの平均です。
6. ARSTANまたはdplRによって生成されたサイト年代学からの3つの主要な統計指標、すなわち、表現された人口シグナル(EPS)、平均感度(MS)、およびシリーズ間の相互相関(ISC)を使用して、品質と気候再構築の可能性を評価します。
7. EPS を使用して、年表で使用されるさまざまなサンプルと、サンプル数が無限である仮想の年表との間の類似度を推定します (図 10B)。0.85より大きい値は許容可能と考えられており、年代学が所与の部位¹⁹の共通の信号を表現するのに十分な数のサンプルを有することを示唆している。
8. MSを使用して、リング幅間の相対的な変動性を測定します。平均感度の値は 0 から 2 の範囲で、ゼロ値は 2 つの隣接するリング間に違いがないことを意味し、2 は、値がゼロ³ より大きいリングの隣にリングがゼロ値を持つことを意味します。平均感度値が0.3より大きい場合は、十分な経年変動と気候再構築の可能性を示しています。
   注:平均感度は、樹木の成長と気候との間の潜在的な関係の指標として解釈できます。
9. ISC を使用して、各サンプルの平均ピアソン相関係数を、サイトの他のすべての時系列から生成されたマスター時系列に対して計算します。この統計は、樹木間の樹木の成長の一般的なシグナルを示しています。

図9:年輪幅測定(RW)のトレンド除去および標準化手順の例(測定からインデックスまで)。 リング幅指数 (RWI) への標準化が計算されるため、平均は 1 付近にあり、分散は均一になります。(A)リング幅シリーズRWは、年齢効果による成長の指数関数的減少を示し、ベストフィットのトレンド除去曲線が適用され、この例では負の指数曲線(赤色)を使用しています。(C)これは直線(赤色)の2番目の例です。(B、D)正規化インデックス(RWI)は、曲線の値をRWシリーズで除算した後に生成されます。この分割により、曲線に適合する傾向が排除され、気候信号 (灰色の時系列) と 20 年間の平滑化スプライン (赤色) が最大化され、干ばつや雨季などの低頻度のイベントを観測できます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

7. 月次相関分析

1. 相関分析を実行して、年間樹木の成長 (サイトの年表) と毎月の気候変数 (降水量、気温、蒸発、相対湿度など) との関係を特定します。この解析を使用して、季節気候変数とサイトの年代学との間の最も高い相関値に基づいて、年輪を再構築する期間を評価します。
2. 前年と現在の月次気候記録との相関分析を実行します(図11A)。このタイプの解析を実行するために使用可能ないくつかのプログラムのいずれかを使用します(参考文献 ^3、20、13を参照)。
   注:月次から季節への解像度での分析は、ピアソン相関係数を使用して、気候変数と年輪サイトの年代との間の関連性の程度を示しています。
3. 相関分析の実行には、最寄りの気象観測所の気候レコードまたはグリッド データセットの最も近いグリッド ポイントを使用します。さらに、レコードの品質を評価し、利用可能な最善のオプションを使用します。
4. 複数の気象観測所で相関解析を実行する場合は、1 つの地域の気候レコードを編集する前に、各地域のレコードを 1 つずつ調査します。年輪の年表と最も高い相関値を表示するステーションのみを使用してください。
5. 地域平均を利用可能な最適なグリッド データセットと比較することで、複数の気象観測所を組み合わせる際の気候変動性を評価し、損失を回避します。

8. 単純線形回帰モデルと気候変数の再構成

1. 最も強い気候成長を示す季節期間が特定されたら(図11Bおよび 図12A)、単純または多重線形回帰分析を実行して再構築モデルを構築します(図12B)。
2. この手順を広範な月間の組み合わせで実行して、最適な再構成モデル(説明力が最も高いモデル、調整されたR² 値)を取得します。この分析では、年輪年代指数を独立変数とし、季節性累積月間の降水量を従属変数として考えます。
3. 回帰モデルが生成されたら、観測データの共通期間の時系列に適用します。
4. その後、観測データと再構築データの共通期間を2つの期間に分割し、各期間に共通回帰モデル全体で使用されたデータの半分を含むようにして、モデルを統計的に検証し、キャリブレーションと検証のテストを実行します。
5. 次の統計変数を決定して、回帰モデルの統計的予測力と不確実性を検証します (詳細な説明については、ディスカッションを参照してください): 相関係数 (r)、調整済み R²、誤差の低減 (RE)、符号検定、対応のあるサンプル t 検定、推定の標準誤差 (SE)、検証の二乗平均平方根誤差 (RMSEv)、および Durbin-Watson 検定。
6. 回帰モデルが統計的に検証されたら、それを使用して、年輪年代学を使用して応答の気候変数を再構築します。
7. 最後に、気候の再構築にさらなる信頼性と確実性を提供するために、過去の文書化された記録または近くの場所からの他の樹状気候の再構築で再構築を検証します。

結果

プロトコルのステップ1.1および1.2に従って、 Pinus lumholtzii B.L. Rob.&フェルナルドはこの研究に選ばれました。考慮された最も重要な側面の中で、いくつかは次のとおりです:それは マツ 属の針葉樹であり、地理的分布が広く、年輪年代学の観点からの研究はほとんどありません。それは、岩だらけの露頭があり、貯水容量が少ない貧しい場所で発生し、?...

ディスカッション

プロキシレコードは、湖や海の堆積物、花粉、サンゴ礁、氷床コア、パックラット貝塚、年輪など、過去に存在し、現在も存在する天候に依存する自然のシステムであるため、それらから情報を導き出すことができる²⁴。しかし、ほとんどの気候に敏感なプロキシから、年輪は最高の精度と年輪の解像度でプロキシを表し、気候的および生態学的イ?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
ARSTAN Software			https://www.ldeo.columbia.edu/tree-ring-laboratory/resources/software
Belt Sander		Dewalt Dwp352vs-b3 3x21 PuLG	For sanding samples
Chain Saw Chaps	Forestry Suppliers	PGI 5-Ply Para-Aramid	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Chain%20Saw%20Chaps
Chainsaw	Stihl or Husqvarna for example	MS 660	Essential equipment for taking cross sections samples (Example: 18-24 inch bar)
Clinometer	Forestry Suppliers	Suunto PM5/360PC with Percent and Degree Scales	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Clinometer
COFECHA Software			https://www.ldeo.columbia.edu/tree-ring-laboratory/resources/software
Compass	Forestry Suppliers	Suunto MC2 Navigator Mirror Sighting	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=compass
Dendroecological fieldwork programs		Programs where dating skills can be acquired or honed	http://dendrolab.indstate.edu/NADEF.htm
Diameter tape	Forestry Suppliers	Model 283D/10M Fabric or Steel.	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Diameter%20tape
Digital camera	CANON	EOS 90D DSLR	To take pictures of the site and the samples collected (https://www.canon.com.mx/productos/fotografia/camaras-eos-reflex)
Digital camera for microscope	OLYMPUS	DP27	https://www.olympus-ims.com/es/microscope/dp27/
Electrical tape or Plastic wrap to protect samples	uline.com		https://www.uline.com/Product/Detail/S-6140/Mini-Stretch-Wrap-Rolls/
Field format		There is no any specific characteristic	To collect information from each of the samples
Field notebook			To take notes on study site information
Gloves			For field protection
Haglöf Increment Borer Bit Starter	Forestry Suppliers		https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Increment%20borer
Hearing protection	Forestry Suppliers	There is no any specific characteristic	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Hearing%20protection
Helmet	Forestry Suppliers	There is no any specific characteristic	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Wildland%20Fire%20Helmet
Increment borer	Forestry Suppliers	Haglof	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Increment%20borer
Large backpacks		There is no any specific characteristic	Strong backpack for transporting cross-sections in the field
Safety Glasses	Forestry Suppliers	There is no any specific characteristic	https://www.forestry-suppliers.com/Search.php?stext=Safety%20Glasses
Sandpaper			From 40 to 1200 grit
Software Measure J2X		Version 4.2	http://www.voortech.dreamhosters.com/projectj2x/tringSubscribeV2.html
STATISTICA	Kernel Release 5.5 program (Stat Soft Inc. 2000)		Statistical analysis program
Stereomicroscope	OLYMPUS	SZX10	https://www.olympus-ims.com/en/microscope/szx10/
Topographic map, land cover map			Obtained from a public institution or generated in a first phase of research
Tube for drawings		There is no any specific characteristic	Strong tube for transporting samples in the field
Velmex equipment	Velmex, Inc.	0.001 mm precision	www.velmex.com