Dendrokronologinen ristiinajoitus - absoluuttinen ajoitusmenetelmä

Transkriptio

1 Dendrokronologinen ristiinajoitus - absoluuttinen ajoitusmenetelmä SAMULI HELAMA. MATTI ERONEN JA MAURI TIMONEN Eri vuodenaikoina vallitsevien olosuhteitten selkeä poikkeavuus toisistaan aiheuttaa" puiden kasvussa vuodenkiertoon sidotun rytmin. Tämä näkyy puun rungon poikkileikkauksessa, esimerkiksi kannossa, vuosirenkaina eli vuosilustoina. Kukin vuosilustoista koostuu vaaleasta varhaispuusta sekä tummasta myöhäispuusta (kuva 1). Dendrolaonologia on tieteenala, joka tutkii puiden vuosilustoja niissä havaittavan vuosi-vuodelta havaitun vaihtelun perusteella. Useimmiten puiden " vuosilustoista mitataan niiden paksuus (leveys), joka kuvastaa puun vuotuisen kasvun määrää. Suomen puulajeista on tutkittu eniten männyn (Pinus sylvestris L.) vuosilustoja. Vanhimmista männyistä on Pohjois-Suomessa mitattu jopa vuosilustoa. Näin vanhat yksilöt ovat kuitenkin harvinaisuuksia. Kukin yhdestä puusta mitatuista vuosilustosarjoista koostuu puun iän mukaisesta määrästä perättäisiä lustonleveyttä kuvaavia mittaustuloksia. Tämä tarkoittaa, että yksittäisistä puista mitatut puulustosarjat ovat meillä yleensä noin vuotta pitkiä. Tätä huomattavasti pitempiä vuosilustokronologioita voidaan kuitenkin rakentaa käyttämällä subfossiilisten tai vanhoista rakennuksista saatavien puiden vuosilustoja. Puun vuosittainen kasvu. ja täten myös vuosilustojen leveys, riippuu useista puun sisäisistä ja ulkoisista tekijöistä. Näistä huomattavimpia ovat puun oma biologinen ikä, viereisten puitten vaikutus sekä ilmasto. Kun saman puulajin edustajat reagoivat vuotuisiin ilmaston vaihteluihin samalla tavalla on sangen ymmärrettävää, että samankaltaisen ilmaston vaikutuksen alla kasvaneiden puuyksilöitten vuotuiset kasvunvaihtelut muistuttavat huomattavasti toisiaan. ilmasto onkin (samankaltaisessa ympäristössä kasvaneitten saman puulajin edustajien) kasvun yhteisvaihtelua ohjaavista tekijöistä merkittävin. Kasvun yhteisvaihtelu ja sen perusteella tehtävä lustosarjojen ristiinajoitus (Douglass 1941, Fritts 1976) ovat dendrokronologian peruslähtäkohtia joihin kaikki tieteenalan sovellutukset käytännössä nojautuvat: sen perusteella on mahdollista yhdistää useiden samana ajanjaksona eläneitten puiden vuotuinen kasvunvaihtelu toisiinsa. Yksinkertaisimmillaan tämä tapahtuu visuaalisen tarkastelun avulla. jolloin kahta vuo- 61

2 silustosarjaa sekä niissä havaittavaa vuosittaista vaihtelua verrataan toisiinsa. Mikäli puut kasvoivat samojen kalenterivuosien aikana on niiden kasvunvaihtelu näiden vuosien aikana oletettavasti huomattavan samankaltainen. Useimmiten kaikkein helpoimmin toisiinsa yhdistettäviä piirteitä kahden vuosilustosarjan välillä ovat äärimmäisen kapeat tai leveät yksittäiset lustot sekä niiden rykelmät. Visuaalisen tarkastelun lisäksi kasvunvaihtelun yhdenmukaisuutta sekä sen voimakkuutta voidaan tarkastella useilla erilaisilla tilastomatemaattisilla menetelmillä, joista yksinkertaisin ja eräs yleisimmin käytetty on Pearsonin korrelaatiokerroin (Holmes 1983). Kuva 2 esittää eräitten männyn vuosilustosarjojen kasvun yhteisvaihtelun voimakkuutta graafisesti. Esitettyjen vuosilustosarjojen välinen keskimääräinen korrelaatiokerroin on Ottaen huomioon keskimääräisen lustosarjan pi- tuuden esimerkissä, 257 vuotta, on tilastollinen todennäköisyys, jolla kyseinen korrelaatio saattaisi sattumalta ilmetä, häviävän pieni. Ristiinajoituksen suoritus Dendrokronologinen ristiinajoitus suoritetaan yleensä puiden vuosilustojen leveyksien avulla. Prosessi alkaa ristiinajoitettavan näytteen puulustosarjan lustonleveyksien mittaamisella. Mikäli tutkimus alueelta on jo olemassa valmiiksi rakennettu ja ristiinajoittamalia koottu saman puulajin vuosilustokronologia, voidaan näytteestä mitattua lustonleveyssarjaa verrata suoraan tähän referenssisarjaan. Samasta puunrungosta säteittäisesti eri suuntiin mitatut lustonleveyssarjat korreloivat kuitenkin yleensä keskenään paremmin kuin eri puuyksilöistä mitatut sarjat. Tämän vuoksi saavu-... ~('<~ ~~./'I~~'./''''''J.I'-'''.-.J-... ~.,..~~,'~ v_.../1~"""~../"of""-\~.,ar.."'...-.r,~_"'-1i"'i'"-"''''''''"''v-oi~.~~.~~ W',....,wy.,-~.'f"'"~~."..",-~ -I...".".-rl._.II.. to,"",.,.".",..\... ~.r~...,... ''''''""..._{~~~..."...'Irt--...,..~wI,.I..!..,...,.,...,... ~/_~V~- ~ ;_ ~'1""'V},~.-Iv ~...w,..~-~ -~./W"'"'w~~\~~...;.-.rJv.~ ~... ~..."...~vr IY'""'-...,.;.~~..."\'_1~~_.:'~."'i\4Jo.,""""V".A-'-"'""~ --...A'v A.,_~.y~~"roo~~~ 'v'~'iao~~"'\~,...00j0.."vi!~-.! ~r'~.-".~.:~.~""~-v.v..,.-w, '~... Iollfv".",-".~~...,.,~~."' ~ ~"'''-'' r ~... lvll..!oii\.n"",w.... ~~-- l>jvj... v"'a~'"'io.~vtr ~,...,.,~,~ ;'I"1i... ~Jr\~~\""'.oJor~"""""t~",y...~-r-~~.~~.-... ~WI'M'.,Vo/>"V~J"'\,,--~~J... WIoN '."'.-,.I'~.,-r "r""~'.,..,...,... -Jo1vw.~" '... f""i"...,{\f"'i"v'./-./~,~..,.,~ ovi,~'\~~ "",,,...ry../-./~_...\~~,...,~'"-i'o-""'v..{"'vw'o ~"-"."' Nyo~~"JV..\U._J...""""""_~...,...."""""IVVr".~~\'... V'"'f',-.--.-J'W""'.,. fy-!-. Jo...,.,."...rvv~"'v,~...""""'~.. ~""0-~v.,..,"'-J-J~'-+ ~."..~.-M ~.Jo,'tN... t-.m.' ;~...-'..,Mt" ji-.uv klo,... LI... v'. '".. "~ "1" r IV".tI.Io ,,,,,,,-- "..IIJ".Å.....hI"'~... L 'Irl l' f 1"'" ~v.."yv T'...- 'I".. " Kalenterivuosi UKr.) 62

3 tetaan ristiinajoituksessa paras tulos mittaamalla ensin yhdestä puuyksilöstä useita lustonleveyssarjoja, ristiinajoittamalla ne keskenään, ja vasta sen jälkeen vertaamalla sädekohtaisista näytteistä laskettua keskiarvos'arj aareferenssisarj aan. :Nlikäli sitä vastoin työskennellään alueella, jolta ei ole olemassa tarkoitukseen soveltuvia valmiita 'luosilustokronologioita, rulee sellaisen rakentaminen aloittaa ensin kahden ensiksi mitatun näytteen vuosilustosarjaa toisiinsa vertaamalla, sitten vertaamalla kolmannen näytteen lustosarjaa kahden ensinmitatun keskiarvosarjaan ja näin yhä soveltuvasti edeten. Jos kyseinen lustonäyte on peräisin elävästä puusta, sen viimeisen (lähinnä puun kuorta sijaitsevan) luston muodostumisvuosi on tarkalleen tiedossa. Tällöin on ristiinajoiruksen tehtävä Uihinnä (1) varmistaa, ettei mittaaja tehnyt mittausvirheitä esim. jättänyt jotain lustoa huomaamatta tai tulkinnut jotain puun poikkeavaa solurakennetta epähuomiossa ylimääräiseksi lustoksi. Jos lustonäyte on peräisin puusta, jonka ajoitus on tuntematon (esim. subfossiilinen puu tai rakennuspuu), on ristiinajoituksen tehtävänä edellisen lisäksi myös (2) näytteen varsinainen ajoitus, eli näytepuun elinkaaren sitominen kalenterivuosiin. Molemmat näistä ristiinajoituksen tehtävistä (1 & 2) ovat sinällään yhtä tärkeitä eikä niitä voida erottaa toisistaan tavoiteltaessa onnistunutta ristiinajoitusta. Kun kronologiaa varten kerättyjen näytteiden ristiinajoitus on saatu päätökseen ja niistä rakennettu kronologia on valmiina, voidaan kyseinen kronologia ristiinajoittaa jonkin läheisen samaa puulajia edustavan kronologian kanssa, joka puolestaan saattaa olla ristiinajoitettu jonkin vielä kauempana sijaitsevan kronologian kanssa. Näin muodostuva puulustokronologioitten verkosto on ristiinajoituksen viimeinen askel ja viimeistään takaa sen että kronologiat ovat absoluuttisen vuodentarkasti kalenterivuosiin sidottuja. Vaikka dendrokronologisen ristiinajoituksen pääperiaatteet ovatkin sinällään yksinkertaisia, on ristiinajoitus aina aikaasyövä prosessi, joka vaatii suorittajaltaan äärimmäistä huolellisuutta ja herkeämätöntä tarkkuutta ja keskittymistä. Niinpä esimerkiksi yksittäisen näytteen ajoittaminen alueelta, jolta ei ole olemassa valmista referenssisarjaa, voi kaikkiaan vaatia aikaa vähintään useita päiviä. Ristiinajoitus geologian työvälineenä Täysin uuden vuosilustokronologian rakentaminen lustojen mittaamisen ja ristiinajoituksen avulla aloitetaan luontevimmin elävistä puista saaduista puulustosarjoista. Tämä johtuu siitä, että niiden kuorta lähimmän luston muodostumisvuosi on tutkijan tiedossa ja lustosarja saadaan näin heti sidottua tarkasti kalenterivuosiin. Elävistä puista peräisin oleva lustomateriaali on luonteeltaan biologista ja sen käyttö monissa erikaltaisissa ekologisissa ja metsätieteellisissä tutkimussovelluksissa onkin varsin yleistä. Kuitenkin, mikäli kronologiaa halutaan pidentää ajassa taaksepäin, voidaan käyttää hyväksi puulustomateriaalia kuolleista puista. Tällaista materiaalia voidaan saada esim. järvien pohjasedimenttien tai soiden hapettomissa oloissa säilyneistä subfossiilisista puunrungoista (kuva 3). Näin on mahdollista rakentaa ajallisesti aina niin pitkiä vuosilustokronologioita riippuen siitä kuinka vanhoja puunrunkoja on mahdollista löytää. Pohjois-Lapin alueelta on viime vuosien aikana onnistuttu rakentamaan yhtämittainen kronologia yltäen viimeisen 7600 vuoden ylitse (Eronen et al. 2002) ja edustaen täten suurta osaa holoseenin aikakaudesta. Tällainen lustomateriaali on luonteeltaan geologista johtuen sen alkuperäistä kuin myös sen edustamasta geologises~ aikajänteestä. Pitkien alueellisten puulustokronologioitten rakentaminen hyödyntää sekä itse ajoituksellisia, paleobotanisia kuin myös paleoklimatologisiakin tarkoitusperiä. Kyseisen Lapin pitkän vuosilustokronologian avulla onkin kyetty vuodentarkasti rekonstruoimaan alueen lämpötilavaihteluita (Helama et ai. 2002) sekä metsänrajan liikkeitä (esim. Helama et al. 2004) kyseisen aikajänteen puitteissa. Tämän lisäksi vuosilustokronologioissa voidaan käyttää hyväksi lustomateriaalia vanhoista puutaloista ja -rakenteista. Tällainen lustomateriaali on luonteeltaan puolestaan historiallista tai arkeologista. Puiden vuosilustojen lisäksi on eritoten paleoklimatologisissa sekä paleolimnologisissa tutkimuksissa käytetty lustoja myös monista muista eri geologisista lähteistä. Esimerkkeinä voidaan 63

4 Lustmäyte 1 R=O.690 ~~~~}~I~JtW/~I~ Referenssisa~a Lustonäyte 2 #1~~ll~IW~~I~\~~~ ~I,H~~~,~III R=O.772 mainita järvisedimenttien lustotutkimukset (Ojala Ojala & Saarinen 2002b) sekä jäätiköistä mitatut lustosarjat. Useimmiten näitä lustosarjoja ei kuitenkaan ole ristiinajoitettu mikä johtaa siihen, etteivät näiden tutkimusten antamat lustoiät ole absoluuttisen vuodentarkkoja. Ojala & Saarinen (2002a) mukaan laskennallinen aikavirhe oli noin yksi vuosi sataa vuotta kohden heidän järvisedimentteihin pohjautuvassa lustomittauksessaan. Ristiinajoitus ja radiohiilimenetelmä Dendrokronologinen ristiinajoitus ja radiohiilimenetelmällä suoritettu ajoitus sotketaan silloin tällöin täysin erheellisesti toisiinsa. Tämä johtunee osaksi siitä. että subfossiilisena esiintyvää puumateriaalia voidaan ajoittaa molemmilla menetelmillä, ja itse asiassa varsin usein sama tieteellinen tutkimus saattaakin sisältää ajoitustuloksia, joista osa on saatu toisella. osa toisella näistä menetelmistä. On kuitenkin erittäin tärkeää erottaa dendrokronologian avulla ja radiohiilimenetelmäl1ä saadut ajoitustulokset toisistaan sekä ymmärtää menetelmien erot. Siinä missä ristiinajoitus perustuu vuosilustoissa havaittavaan vaihteluun. perustuu radiohiilimenetelmä eloperäisen hiilen 14C isotoopin puoliintumisajan perusteella laskettavaan ikään. Radiohii- 64 liajoituksen avulla saadut iät poikkeavat kuitenkin varsinaisista kalenterivuosista johtuen radiohiilen muodostumisnopeuden vaihteluista eri aikoina. Tämä tarkoittaa, että radiohiiliajoitus sisältää aina virherajat. jotka yleensä ovat sitä suuremmat mitä vanhempia näytteitä ajoitetaan. Ristiinajoituksen ja radiohiiliajoituksen avulla saatujen ikien ero on, että ristiinajoituksen perusteella johdetut ajoitustulokset ovat absoluuttisia vuodentarkkoja ikiä. radiohiiliajoitukset eivät. Tämän vuoksi ovat dendrokronologian avulla saadut ajoitustulokset absoluuttisiin kalenterivuosiin perustuvia ikiä (ekr.. jkr./bc. AD). kun taas radiohiilimenetelmällä saadut iät tulisikin kalenterivuosien sijaan esittää nk. radiohiilivuosina (BP, before present) tai kalibroituina radiohiilivuosina (eai. BP). Muita dendrokronologisen ristiinajoituksen etuja radiohiilimenetelmään nähden on sen yksinkertaisuus sekä siitä johtuva edullisuus, mikä käytännössä saattaa mahdollistaa suurten näyte-erien ajoittamisen (esim. Eronen et ai. 2002). Toisaalta dendrokronologinen ristiinajoitus vaatii onnistuaksl?en aina valmiin referenssisarjan, johon ajoitettavaa saman puulajin näytepuuta voidaan verrata. Dendrokronologisesti' ajoitettava näyte ei myöskään voi olla mikä tahansa puunkappale, vaan sen tulee sisältää tarpeellinen määrä mitattavissa olevia vuosilustoja. Käytännössä tämä tarkoittaa, että näyte saattaa olla dendrokronologisesti ajoittumaton johtuen joko sen riittämättömästä vuosi-

5 lustojen lukumäärästä tai olemassaolevan referenssisarjan ajallisesta pituudesta (lyhyydestä). Lisää dendrokronologiasta ovat suomeksi kirjoittaneet mm. Ivlikola (1950), Heikkinen (1984), Mielikäinen et al. (1998) ja Eronen (2002), ruotsiksi mm. Siren (1961). Englanniksi kattavin yleistajuinen teos lienee yhä Fritts (1976). Summary: Dendrochronological cross-dating - dating method with absolute accuracy This paper reviews the process of tree-ring based cross-dating. The method is exemplified visually using Scots pine (Pinus sylvestris L.) ring-widths from northern Finland. In dendrochronological cross-dating, variations in tree-rings are first examined and then synchronized among all available samples from a given region. Co-variation among tree-ring series ensures the dating of each ring to an accuracy of one calendar year. Dendrochronologically dated wood samples, and their tree-ring variations, can be used in earth sciences for purposes of palaeoclimatology and palaeobotany (e.g. Eronen et al. 2002, Helama et al. 2002, 2004). KIRJALLlSUUTIA - REFERENCES Douglass, A. E Crossdating in dendrochronology. Journal of Forestry 39, Eronen, M Puulustot: tuhansien vuosien takaisten luonnonolojen tietopankki. Academia Scientiarum Fennica. Vuosikirja - Year Book 2002, Eronen, M., Zetterberg, P., Briffa, K. R., Lindholm, Af., Meriläinen, J. & Timonen, M The supra-iong Scots pine tree-ring record for Finnish Lapland: Part 1, chronology construction and initial references. The Holocene 12, Fritts, H.C Tree Rings and CLimate. Academic Press. London. 567 s. Heikkinen, O Dendrokronologian menetelmiä ja sovellutuksia. Terra 96, He lama, S., Lindholm, M., Timonen, M. & Eronen, M Dendrochronologically dated changes in the limit of pine in northernmost Finland during the past 7.5 millennia. Boreas 33, Helama, S., Lindholm, lv1., Timonen, M., Meriläinen, J., & Eronen, A'f The supra-iong Scots pine treering record for Finnish Lapland: Part 2, interannual to centennial variability in summer temperatures for 7500 years. The Holocene 12, Holmes, R. L Computer-assisted quality control in tree-ring dating and measurement. Tree-Ring Bulletin 43, Mielikäinen, K., Nöjd, P., Pesonen, E. & Timonen, 1v Puun muisti - Kasvun vaihtelu päivästä vuosituhanteen. Metsäntutkimuslaitoksen tiedonantoja 703, k/ikola P Puiden kasvun vaihteluista ja niiden merkityksestä kasvututkimuksessa. Summary in English: On the varitions in tree growth and their significnce to growth studies. Communicationes Instituti Forestalis Fenniae 38 (5), Ojala,.4.. E. K Varved lake sediments in southern and central Finland: long varve chronologies as a basis for Holocene palaeoenvironmental reconstructions. Geological Survey of Finland, Miscellaneous Publications. 105 s. Ojala, A. E. K. & Saarinen. T. 2002a. Palaeosecular variation of the Earth's magnetic field during the last 10,000 years based on the annually laminated sediment of Lake Nautajärvi, central Finland. The Holocene 12, Ojala, A. E. K. & Saarinen, T. 2002b. Digitaalinen kuva-analyysi sedimentologisena tutkimusmenetelmänä - esimerkkejä lustosedimenteistä. Geologi 54 (2), Siren, G Skogsgränstallen som indicator för klimatfluktuationerna i noita Fennoskandien under historisk tid. Communicationes Instituti Forestalis Fenniae 54 (2), Samuli Helama ja lwatti Eronen Geologian laitos PL 64, Helsingin yliopisto samullhelama@helsinki.ji matti.eronen@helsinki.ji Mauri Timonen Metsän tutkimuslai tos, Rovaniemen tutkimusasema PL 16, Rovaniemi mauri. timonen@metla.ji 65