改善新西兰（Aotearoa）的时间序列研究：基于树木年轮数据的放射性碳和稳定同位素时间序列的新研究

《Dendrochronologia》：Improving chronology for Aotearoa New Zealand: new research in tree-ring derived radiocarbon and stable isotope Time series

毛利木制文物年代测定面临radiocarbon校准不确定性和传统年轮学应用限制，本研究通过改进校准曲线与稳定氧同位素技术结合，提升考古木制品计时精度，为新西兰750年人类史提供更精确的时间框架。

　　### 项目背景与意义

在新西兰（Aotearoa New Zealand），毛利人（Māori）的木制品，包括房屋构件、栅栏柱、雕刻和独木舟（waka）等，为研究过去提供了重要的线索。这些文物不仅是物质文化遗产的重要组成部分，也承载着毛利人对祖先和历史的深厚联系。它们的年代测定对于理解其与社会、环境或文化变迁时期的关系具有重要意义，同时也为未来的文物保护和文化传承提供了科学依据。目前，科学家们主要依赖放射性碳测年（radiocarbon dating）等实证方法来确定这些木制品的年代。然而，在新西兰，由于过去800年内的放射性碳测年校准存在不确定性，导致年代测定的精度受到限制。此外，尽管在其他地区，年轮测年（dendrochronology）被广泛用于考古木制品的年代测定，但在新西兰，由于树种和年轮特征的限制，这种方法的应用并不广泛。因此，年轮测年主要局限于19世纪和20世纪初的新西兰的贝壳杉（kauri）木材。为了克服这些挑战，提升新西兰考古遗址和木制品的年代测定精度，我们开展了一个跨学科研究项目，旨在通过基于年轮的碳测年校准和稳定同位素研究，建立更精确的年代测定体系。

### 放射性碳测年的挑战与改进措施

放射性碳测年是新西兰考古研究中最常用和最可靠的方法之一。然而，由于放射性碳年（radiocarbon years）并不等同于日历年代（calendar years），因此需要通过校准曲线，如SHCal20（南半球）和IntCal20（北半球）来转换。这些校准曲线是通过分析已知年代的年轮、洞穴沉积物等增量档案建立的，它们反映了大气中碳-14的长期变化。然而，校准曲线的某些特征，如“波动”（wiggles）和“平台”（plateaux），会对测年精度产生影响。波动指的是碳-14浓度随时间的短期变化，而平台则是碳-14浓度相对稳定的一段时期。在新西兰，由于人类定居时间较短，这些特征可能导致测年结果的不确定性。例如，2009年在奥克兰（Auckland）的穆里瓦伊海滩（Muriwai Beach）发现的独木舟样本，其放射性碳测年结果为123 ± 20年，校准后得到的年代范围是1690–1930年，即240年的不确定性。这种不精确的年代测定限制了我们对文物与社会、环境变迁时期之间关系的理解。

为了解决这一问题，研究人员采用了放射性碳波动匹配测年（wiggle-match dating）方法，该方法通过将已知相对年代的木材年轮序列与校准曲线进行匹配，以获得更精确的年代。例如，2017年的一项研究成功地将奥塔豪帕（Otāhau Pā）的栅栏对齐年代确定为1768 ± 4年。这项研究利用了一段已知年代的贝壳杉木材，构建了一个1650–1829年的碳测年数据集。随着研究的深入，这一数据集被进一步扩展至1450年，以提高年代测定的准确性。通过这些努力，我们希望能够在新西兰建立一个更精确的碳测年校准曲线，从而提高对考古遗址和文物的年代测定能力。

### 经典年轮测年与稳定同位素测年的局限性

除了放射性碳测年，经典年轮测年也是用于确定考古木制品年代的重要方法。这种方法依赖于将木材的年轮模式与已知年代的年轮序列进行比对，以确定树木的生长年份。然而，在新西兰，由于树种和年轮特征的限制，这种方法的应用受到了阻碍。例如，贝壳杉虽然在新西兰有较长的年轮记录，但其年轮宽度变化较小，导致年轮测年难以准确识别每年的生长边界。此外，贝壳杉的分布主要集中在新西兰的上北岛（Upper North Island），这也限制了其在更广泛地区应用的可能性。

相比之下，稳定同位素测年（stable isotope dating）提供了一种新的思路。这种方法利用氧同位素（如1?O/1?O比值）的年度变化模式，通过与已知年代的同位素序列进行比对，来确定未知年代的木材年代。在英国、日本和中国等地，这种方法已被成功应用于历史建筑和考古遗址的年代测定。例如，Loader等人（2019）开发了一个专门用于稳定同位素年轮测年的软件工具——ISODATE，该工具能够处理同位素数据并进行精确的年代匹配。此外，通过稳定同位素测年，研究人员能够更精确地确定树木的生长年份，从而减少年代测定的不确定性。在新西兰，我们正在探索这种方法在贝壳杉和 matai 树木上的应用，以建立一个稳定的同位素年代序列，并进一步测试不同树种之间的跨物种测年能力。

### 氧同位素的来源与树种特性

氧同位素的年度变化模式受到多种因素的影响，包括树木吸收的水源、叶片中的蒸发富集作用以及光合作用过程中生物化学反应引起的同位素分馏。为了更好地理解这些过程，我们正在对新西兰上北岛的贝壳杉进行长期监测，以确定其在不同季节的水源来源，评估树体大小对水源深度的影响，并深入了解同位素分馏机制。我们选择贝壳杉作为研究对象，是因为它在新西兰的年轮测年和碳测年研究中具有重要的地位，且我们有充分的树木样本进行研究。

在项目中，我们采集了来自不同季节和不同深度的样本，包括树叶、树干年轮和土壤层中的有机物。这些样本被用于分析其氧同位素组成，以了解其与环境条件之间的关系。此外，我们还定期收集雨水、树冠滴水和溪流水样，以获取更全面的水源信息。通过这些数据，我们希望揭示氧同位素在树干年轮中的变化规律，并建立一个能够反映新西兰上北岛长期环境变化的稳定同位素年代序列。

### 研究成果与未来展望

本研究的主要目标是建立一个更精确的放射性碳测年校准曲线，并开发基于稳定同位素的年轮测年方法，以提高新西兰考古遗址和文物的年代测定精度。通过这些努力，我们期望能够提供更精确的年代信息，使考古学家和毛利部落能够更好地理解这些文物的历史背景和文化意义。此外，这些研究还具有重要的环境意义，因为基于年轮的碳测年数据和氧同位素序列可以为重建新西兰的气候历史提供宝贵的信息。

目前，我们已经取得了初步成果。通过分析现代贝壳杉树干和历史建筑木材样本，我们正在构建一个覆盖约400年的稳定同位素年代序列（1600–2018年）。这一序列将为未来的研究提供重要参考，特别是如果能够实现跨物种测年，将大大拓展我们的研究范围。同时，我们还在努力提高碳测年校准曲线的精度，特别是在过去千年内的数据。通过增加贝壳杉样本的数量和覆盖范围，我们希望能够在新西兰建立一个独立的、高分辨率的碳测年数据集，从而减少对现有校准曲线的依赖。

此外，我们还计划对考古遗址中的木材样本进行稳定同位素测年测试，以验证其在实际应用中的有效性。这些样本包括来自湿地防御工事（pā）项目的栅栏柱和独木舟木材，它们的年代已经通过放射性碳测年方法确定。通过与这些已知年代的样本进行对比，我们希望能够进一步优化同位素测年方法，并确保其在不同环境条件下的适用性。这些研究成果不仅有助于提高新西兰考古研究的精度，也将为全球其他地区的同位素测年研究提供参考。

### 研究的跨学科合作与未来方向

本研究的跨学科性质使其能够整合多种科学方法和技术，以实现更全面的年代测定。我们与多个研究机构和大学合作，包括新西兰奥克兰大学（University of Auckland）和英国斯旺西大学（Swansea University），共同推进研究工作的进展。这种合作不仅促进了数据的共享和分析，也提高了研究的可靠性和可重复性。此外，我们还与毛利社区密切合作，确保研究方法和结果能够与毛利传统知识（Mātauranga Māori）相结合，为毛利部落提供有价值的科学信息。

未来，我们计划进一步扩展研究范围，包括更多树种的稳定同位素测年工作，如 matai、miro 和 totara。这些树种在新西兰的考古遗址中也具有重要地位，因此建立它们的稳定同位素年代序列将有助于更全面地理解新西兰的环境变化和人类活动历史。同时，我们也在探索如何利用这些数据进行更精细的年代测定，特别是在那些由于年轮特征限制而难以进行经典年轮测年的样本中。

总之，本研究通过结合放射性碳测年和稳定同位素测年方法，旨在提高新西兰考古遗址和木制品的年代测定精度。这不仅有助于更准确地理解新西兰的历史，也为未来的文物保护和文化传承提供了科学支持。通过这些努力，我们希望能够在新西兰建立一个更精确、更全面的年代测定体系，为考古学、环境科学和毛利文化研究提供重要的数据和方法。