樹木的年輪，為什麼一年只長一圈？
― 造成顏色差異的，是細胞壁的厚度
數一數樹樁上的年輪，就能知道這棵樹活了幾年。這是廣為人知的說法，但樹木並不是在「數數」。之所以會出現明亮環與暗沉環，是因為樹木在春天和秋天「製造細胞的形狀」不同。年輪，正是樹木隨季節切換工作方式所留下的紀錄。
在公園或山路上，相信大家都看過被砍下的樹樁。表面密密麻麻地排列著細細的年輪。
仔細一看，年輪是明亮的帶狀和暗沉的帶狀交互重疊。中心附近的環間距較寬，越往外側，環就顯得越密集。
這些年輪，到底是什麼東西堆疊出來的呢？而且，為什麼會以一年一圈這麼精準的節奏增加呢？
原因大致有兩個
樹木會變粗，並不是整根樹幹都膨脹起來。只有樹皮正下方那薄如紙張的一層，會不斷製造細胞。製造出來的細胞會被留在內側，該年度的紀錄就這樣原封不動地保留下來。
春天需要輸送大量的水分，所以會形成又大又薄壁的細胞。從夏末到秋天，則轉為製造用來支撐身體、又小又厚壁的細胞。這個「疏鬆部分」和「密實部分」的組合,就是一年份的年輪。
換句話說，年輪不是用來數年齡的刻度，而是樹木這一年如何度過的紀錄。接下來依序來看。
樹木只在樹皮正下方變粗
樹幹中心的部分，是已經完成任務的舊細胞集合體。那裡已經不再生長。真正活著、持續增生細胞的，只有樹皮內側那薄薄的一層。
這一層會向外製造成為樹皮的細胞，向內製造成為樹幹主體的細胞。製造出來的細胞之後會變成輸送水分的導管，或是支撐身體的柱狀構造，然後就固定下來。也就是說，樹幹是像洋蔥一樣，一層一層地往外堆疊年度層的構造。
小時候在樹幹上釘的釘子，長大後還是留在同樣的高度。有沒有聽過這樣的說法？樹木往上長高時，並不是樹幹中途被拉長，而是從頂端延伸。所以樹幹中途的高度不會改變。變粗和長高,都只發生在固定的地方。
春天的細胞大，秋天的細胞小
春天，葉子一齊展開的時候，樹木必須把大量的水從根部送到葉子。運水的導管越粗，水流就越順暢。於是樹木會製造大量內側寬闊、壁薄的細胞。這個部分空隙多，質地疏鬆。
從夏末到秋天，生長的氣勢會放緩。這時候比起輸送水分，支撐已經長大的身體變得更重要。製造出來的細胞變小，細胞壁變厚。這個部分材質會變得緊密結實。
這種密度上的差異，直接反映成外觀上的差異。空隙多的春天部分容易散射光線，看起來明亮；緊密的秋天部分則看起來暗沉。請看圖1。明亮帶和暗沉帶的一組，就是一年份的生長量。
雨水和日照充足的年份，樹木會長得比較大，年輪的寬度也會變寬。相反地，乾燥或日照不足的年份，年輪就會變細。同一地區的樹木，在同一年份會呈現相似的寬度變化。比對這種模式，就能成為不用砍樹也能推算年代的線索。
已知在季節差異較小的熱帶地區，年輪會變得模糊，甚至難以計數。這是因為年輪記錄的不是「經過了一年」，而是「生長條件出現了大幅變化」。在雨季和乾季分明的地區，這種差異有時也會以年輪的形式呈現出來。
總結
樹木只靠樹皮正下方的薄薄一層變粗，春天製造輸送水分用的大型細胞，秋天則製造支撐身體用的小型厚壁細胞。疏鬆的部分看起來明亮，緊密的部分看起來暗沉。這一組就是一年份。年輪，正是樹木配合季節切換工作方式的紀錄。
年輪不是年齡的刻度。
而是每一年的生活方式，直接化為的厚度。
樹木如何把水運送到高處，請參考樹木為什麼能把水吸到100公尺高的地方？；葉子顏色隨季節改變的機制，則在楓葉為什麼會變成紅色或黃色？中有說明。
- 如果在公園或工地附近發現樹樁，試著從中心往外數年輪。訣竅是把明亮帶和暗沉帶當成一組來數。
- 比較一下年輪的寬度。應該會出現寬窄交替的情況。也可以確認看看同一地點的其他樹樁，寬度的排列方式是否相似。
- 觀察一下砧板或桌子等身邊木製品的木紋。木板是把樹幹縱向切開的，所以年輪會呈現條紋或山形的樣子。用手指摸摸看，有時會感覺暗沉的部分稍微比較硬。
尋找樹樁時，請勿進入私有土地或禁止進入的區域。完全沒有必要傷害活著的樹木。
想知道更多的人 ― 用語・數式・與教科書的連結從國中理化到大學專業科目，都會明確標示屬於哪個程度
- 國中國中理化課程範圍
- 高中高中「生物基礎・生物」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（植物生理學・木材物理學）的內容
- 研究連大學都還不當作「定論」教授、目前研究人員正在調查中的內容
國中用語：這個現象有專門名稱
- 形成層：樹皮正下方持續製造細胞的薄薄一層。樹木會變粗，就是靠這一層的作用。
- 早材與晚材：一年之中較早時期形成、又大又薄壁的部分是早材。較晚時期形成、又小又厚壁的部分是晚材。這就是明亮帶和暗沉帶的真面目。
- 樹輪年代學：比對年輪寬度的排列方式，藉此判定木材生長年代的研究領域。可用來調查建築物柱子或古老木板的年代。
國中高中用式子確認看看：從年輪推算一年的生長量
只要知道年輪的圈數和樹幹的粗細，就能估算出每年樹幹半徑增加了多少。用到的量有三個。直徑是樹幹的粗細，單位是公分。圈數是數到的年輪數量，單位是圈。生長量是每年半徑的增加量，單位是毫米。
| 用符號寫 | g ＝（D ÷ 2）÷ N |
| 用文字寫 | 一年的生長量 ＝ 樹幹半徑 ÷ 年輪圈數 |
| 公式從何而來 | 樹幹是在樹皮正下方，每年往外增加一層，所以半徑就是把「每年的厚度」加總了圈數份。這個公式就是反推出其平均值。 |
| 樹幹直徑（樹樁的寬度） | 60公分 |
| 數到的年輪圈數 | 100圈 |
| 長度單位的換算 | 1公分等於10毫米 |
| 由直徑求出半徑 | 60 ÷ 2 ＝ 30 |
| 每年半徑增加量（公分） | 30 ÷ 100 ＝ 0.3 |
| 換算成毫米 | 0.3 × 10 ＝ 3 |
一年增加的粗度，半徑大約是3毫米。差不多是疊上一支鉛筆芯的厚度。這薄薄的一層堆疊了100次，就形成了寬60公分的樹幹。
高中高中＋為什麼密度差異會變成顏色差異
高中木材主要由纖維素和木質素構成。細胞壁厚的部分，同體積內的材料較多，密度較高。密度高的地方不容易透光，看起來暗沉。
高中＋另一個原因是光的散射。壁薄細胞排列的部分，細胞內部的空腔較多，空氣和細胞壁的交界面也很多。光每經過一次交界面就會改變方向，於是照射進去的光有很多會反射回外面。這就是看起來明亮的原因。這和雪看起來是白色的道理相同，起作用的不是材料本身的顏色，而是交界面的數量。
大學年輪不只是寬度，也能當作「密度波形」來解讀
在年輪研究中，除了測量年輪寬度之外，還會用放射線或光線細密地測量材質密度，將一年之內的密度變化記錄成波形。已知晚材的最大密度，與該年夏末的氣溫有很好的對應關係，可作為推估過去氣候的線索。此外，只要測量木材中吸收的碳與氧同位素比例，也能得知該年降水量或濕度的資訊。可以說年輪是寬度、密度、同位素這好幾層紀錄疊合而成的帳本。
這種方法稱為樹輪年代學，使樹幹向外變粗的細胞層則稱為形成層。
📖 公式推導與更多進階內容：年輪年代學（維基百科，日文） ／ 形成層（維基百科，日文）
研究目前還不清楚的事
- 生長與氣溫對應出現偏差的問題 近年來，有報告指出在部分高緯度地區，從年輪推估的氣溫與實際觀測的氣溫出現落差。原因方面，乾燥的影響或日照變化等多種說法正在檢討中。
- 決定何時切換為晚材的機制 日照長度、氣溫、缺水這幾項因素，究竟各自如何影響細胞壁變厚，目前認為會因樹種和地點而異，還在整理當中。
- 如何解讀熱帶樹木的年輪 在季節差異較小的地區，年輪有時會不清楚，或是一年之內形成好幾圈。目前正嘗試結合同位素等方法來區分年份。
也就是說，本文的內容也是「目前已知範圍內的說明」。樹樁上的年輪看似單純，但解讀方式至今仍在不斷更新。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化／植物的身體構造 | 樹幹從外側變粗的說明、明亮帶與暗沉帶 |
| 高中 | 生物／植物的體制與生長 | 形成層的作用、早材與晚材 |
| 高中＋ | 物理／光的散射與反射 | 密度差異變成明暗差異的原因 |
| 大學 | 植物生理學・木材物理學 | 密度波形、利用同位素復原氣候 |
| 研究 | 樹輪氣候學 | 生長與氣溫的落差、熱帶地區的年輪 |
| ― | 與生活的連結 | 砧板或家具木紋的樣貌、樹樁的計數方式 |
- 美國國家海洋暨大氣總署 國家環境資訊中心「古氣候資料」
- Fritts, H. C.『Tree Rings and Climate』Academic Press, 1976
- Schweingruber, F. H.『Tree Rings: Basics and Applications of Dendrochronology』Reidel, 1988
- 日本木材学会 編『木材科学講座 木材の物理』海青社（日本木材學會 編《木材科學講座 木材物理學》海青社）
- 森林総合研究所（森林綜合研究所）關於木材構造與年輪的一般科普解說
※本文為一般大眾科普解說。文中數值僅為理解原理的參考・概略數字。在戶外觀察樹樁時，請勿進入私有土地或禁止進入的區域，並遵守地方政府或管理單位的指示。