利用黑松樹輪δ13C重建山東塔山地區(qū)近七十年來冬春季節(jié)的平均氣溫

鄭紫薇，趙興云,，商志遠，王 建，成瑞琴，陳振舉

（1.山東師范大學(xué) 人口、資源與環(huán)境學(xué)院，濟南 250000；2.臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，臨沂 276000；3.山東省水土保持與環(huán)境保育重點實驗室，臨沂 276000；4.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，南京210023；5.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，沈陽 110866)

利用黑松樹輪δ13C重建山東塔山地區(qū)近七十年來冬春季節(jié)的平均氣溫

鄭紫薇1,2，趙興云2,3，商志遠4，王 建4，成瑞琴1,2，陳振舉5

（1.山東師范大學(xué) 人口、資源與環(huán)境學(xué)院，濟南 250000；2.臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，臨沂 276000；3.山東省水土保持與環(huán)境保育重點實驗室，臨沂 276000；4.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，南京210023；5.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，沈陽 110866)

對采自山東塔山的黑松（Pinus thunbergii Parl）樹芯樣本進行交叉定年后建立樹輪穩(wěn)定碳同位素序列（δ13C序列）。將得到的樹輪δ13C序列進行校正以去除大氣CO2的影響，提取其高頻部分分析與氣候要素的響應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)黑松樹輪δ13C的高頻序列與對應(yīng)年份平均氣溫的響應(yīng)比對降水量的響應(yīng)顯著。氣溫和降水對樹輪δ13C的影響均有滯后效應(yīng)，即塔山地區(qū)樹輪δ13C能記錄冬季氣候變化。在相關(guān)分析基礎(chǔ)上用回歸方程重建了山東塔山地區(qū)近七十年冬春季節(jié)（即上年12月—當(dāng)年5月）的平均氣溫，分析發(fā)現(xiàn)重建序列有明顯的冷暖交替上升的變化趨勢。

塔山；樹輪；δ13C；平均氣溫

塔山在氣候區(qū)劃上屬于季風(fēng)暖溫帶半濕潤地區(qū)，位于山東魯南地區(qū)，是亞熱帶與暖溫帶之間的過渡區(qū)，地表過程復(fù)雜且多變，樹木生長對氣候變化和人類活動非常敏感（高遠等，2011）。常年降雨量為800～900 mm，是山東南部暴雨多發(fā)區(qū)，也是山東省旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生的地區(qū)。然而截至目前，魯南地區(qū)關(guān)于樹輪和氣候變化的研究很少見，只集中在少數(shù)幾個地點并且利用單一的樹輪寬度代用指標(biāo)，如沈長泗等（1998）利用樹輪寬度資料重建了山東沂山地區(qū)200多年來的濕潤指數(shù)；劉禹等（2010）利用白皮松樹輪寬度重建公元1616年以來山東于林年平均最低氣溫。利用樹輪穩(wěn)定碳同位素指標(biāo)進行氣候研究及對魯南其他地區(qū)小尺度地域氣候進行的研究則比較少見，而氣候要素本身就是一個區(qū)域差異很大的變量，不同地域有各自的特點。

樹輪穩(wěn)定碳同位素作為一種高精度的氣候變化代用指標(biāo)，已經(jīng)成為樹輪年代學(xué)研究的重要手段之一。本文利用魯南地區(qū)山東塔山東坡的黑松樹輪穩(wěn)定碳同位素資料，通過建立樹輪δ13C序列，提取出該地區(qū)高分辨率的氣候變化信息，選取冬春（上年12月—當(dāng)年5月）平均氣溫作為重建因子，重建了山東塔山近七十年來的平均氣溫變化序列并作分析。對今后在此區(qū)域開展深入的樹輪研究及氣候變化重建提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

本文研究選擇在植被資源保存比較好的塔山地區(qū)（35°26′～35°27′N，118°02′E）采集黑松樹芯樣品。東坡采集5棵樹，南坡采集6棵樹，西坡采集7棵樹。每棵樹分別從4個正方位（即N、E、S和W），每個方位采集2個樹芯，共采集18棵樹144個樹芯。樣本采集方法嚴格按照國際樹輪數(shù)據(jù)庫標(biāo)準進行。通過COFECHA程序進行交叉定年檢驗，確定最長年份的樹為東坡采集的黑松（TSE5），樹齡為73年（1938—2010年），其他坡向采集的樹木的生長年份均不超過55年。

選取東坡采集的生長年份最長的四個方位樹芯進行綜纖維素提取，將測定的四個方位綜纖維素值取相同時段的算術(shù)平均值，得到一個最終塔山東坡黑松樹輪的穩(wěn)定碳同位素長序列。由于針葉樹生長緩慢及受環(huán)境條件變化的影響，有些年份輪寬特別窄，有些年份甚至缺輪，為了滿足綜纖維素提取所需樣本量的要求，參考王建等人（2008）和劉曉宏等人（2010）的方法，采取相同坡向相同方位的樹芯混合的方法進行剝?nèi)『脱b袋，作為東坡某一方位某一年的待測樣品?；瘜W(xué)處理過程包括用苯-乙醇混合溶劑抽提，去除脂類及類脂類物質(zhì)和用冰醋酸將溶液以及亞氯酸鈉來去除木質(zhì)素兩大步驟，提取出樹輪綜纖維素。利用Thermo Finnigan-Deltaplus XP型同位素比例質(zhì)譜儀測定樣品的碳同位素13C/12C之比。測定結(jié)果相對于PDB標(biāo)準表示為δ13CPDB，簡寫為δ13C，表達式如Saurer et al（1997）文中所示：

圖1 山東塔山黑松樹輪δ13C年序列Fig.1 Time series of the δ13C in tree rings at Tashan Mountain, Shandong Province

整個流程分析誤差≤0.15‰。纖維素提取和質(zhì)譜分析分別在南京師范大學(xué)樹輪實驗室和中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所完成。樹輪δ13C測定結(jié)果如圖1。

氣象資料來自于費縣氣象站（35°01′～35°33′N，117°36′～118°18′E），氣象站與采樣點的直線距離2.35 km，海拔相差近500 m。圖2為該站多年各月平均氣溫和降水量的分布特征，該站多年平均氣溫13.6℃，最高溫度出現(xiàn)在7月，最低溫度出現(xiàn)在1月。年平均降水量為840 mm，降水季節(jié)分布不均，7—8月的降水占全年降水量的近53%，冬季降水較少。從圖2中可以看出7、8月份的水熱都比較充足，而3—6月份和9、10月份的溫度下降平緩，而降水量則明顯減少。

圖2 費縣氣象站月平均氣溫和月降水量的多年平均值（1959—2010）Fig 2 Normal value of accumulated year for monthly mean temperature and monthly rainfall from Fei county meteorological station(1959—2010)

2 樹輪δ13C高頻序列的提取

由于影響樹輪δ13C序列變化的因素主要有氣候因素，大氣CO2因素。因此在分析樹輪δ13C序列對氣候要素的響應(yīng)之前，首先需要對樹輪δ13C序列進行校正，剔除大氣CO2對樹輪δ13C值的影響，連續(xù)的校正參數(shù)可參照文獻劉禹等（1996）和Feng and Epstein（1995）。

本文利用下列公式（劉禹等，1996）計算樹輪δ13C的殘差值來消除大氣δ13Cair的影響，得到樹輪的高頻變化序列：

式中δ13Cair、δ13Cplant分別代表大氣和樹輪中穩(wěn)定碳同位素比。為了計算δ的變化，需要知道大氣中的δ13Cair。本文用Feng and Epstein（1995）建立的方程：

（式中t是公元年份）計算δ13Catm。為了用（3）式計算樹輪δ13C序列的殘差δ，我們假定大氣δ13Cair與δ13Catm相等，消除大氣CO2低頻變化影響后的樹輪δ序列，如圖3。

圖3 去除大氣CO2影響的樹輪δ高頻殘差序列Fig.3 Tree-ring δ high frequency residual series that has removed the inf uence of CO2

圖4 樹輪δ與氣象站各月不同氣候要素的相關(guān)系數(shù)圖Fig.4 Correlation coeff cients between tree ring δ and monthly different climate factors

3 與氣候要素的相關(guān)分析

通過氣候與生長響應(yīng)關(guān)系分析，來確定重建的氣候要素，為尋找最佳重建因子，對逐月氣候要素以及不同季節(jié)組合的氣候要素與樹輪δ序列分別做相關(guān)分析。塔山黑松樹輪δ與氣象站各月及月份組合不同氣候要素的相關(guān)系數(shù)見圖4。

從圖4響應(yīng)分析結(jié)果可知，塔山樹輪δ與氣溫基本呈正相關(guān)、與降水量呈負相關(guān)并且與氣溫的相關(guān)性要明顯好于與降水量的相關(guān)性。從與單個月份月平均氣溫的響應(yīng)來看，前4個月和9月份的平均氣溫對樹輪δ的影響最為顯著，均通過了0.01的信度檢驗。從季節(jié)分析，冬春季節(jié)的氣溫對樹輪δ的影響極為顯著。這與研究區(qū)所處地理氣候環(huán)境密切相關(guān)，在暖溫帶地區(qū)，一些樹種的生長活動超出了生長季之外，尤其是針葉樹種，即使在冬季，只要有生長，有樹液的流動，就會有樹輪δ13C的分餾（錢君龍等，2001）。因此冬春季節(jié)樹輪δ13C對氣溫的響應(yīng)較為敏感，而夏秋季節(jié)的月平均溫度普遍較高，且水分充足，并不是樹木生長期間的限制性因子，因而相關(guān)程度并不如冬春季節(jié)溫度顯著。這也進一步印證了很多學(xué)者研究表明的暖濕地區(qū)的樹輪δ13C能記錄冬季氣溫的變化（錢君龍等，2001；趙興云等，2005）。樹輪δ無論與單個月份或是季節(jié)降水量的相關(guān)系數(shù)均未通過信度檢驗，但依舊可以看出樹輪δ對降水量比較充足的月份響應(yīng)效果較好。

為了選出最佳重建因子，考慮到滯后效應(yīng)，將不同連續(xù)月份（包括上一年9月以后的月份）組合的月平均氣溫和降水量與樹輪δ做相關(guān)分析，選取相關(guān)系數(shù)較高和通過信度檢驗的代表性氣候因子，見表1。發(fā)現(xiàn)與連續(xù)月份的氣溫和降水量的相關(guān)明顯好于與單個月份的相關(guān)，這說明，無論是氣溫還是降水量，對樹輪δ13C的影響均是一個長期累積的過程。最后選擇重建冬春季節(jié)（即上年12月—當(dāng)年5月）的平均氣溫（相關(guān)系數(shù)r=0.757），通過0.01的信度檢驗。

表1 樹輪δ與不同月份組合的氣溫和降水量相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coeff cients between tree ring δ and temperature and precipitation of different months combination

4 氣候重建

根據(jù)以上的響應(yīng)分析，對上年12月—當(dāng)年5月的平均氣溫，重建過程采用一元線性回歸方法，建立的回歸方程如下：

式中，T–12–5代表上年12月—當(dāng)年5月的平均氣溫重建值，X代表樹輪δ序列值，R2代表方程擬合優(yōu)度，F(xiàn)為信度檢驗水平。重建方程穩(wěn)定性較好，表明塔山地區(qū)冬春季節(jié)平均溫度的變化確實是引起樹輪綜纖維素δ13C組成變化的一個重要因素，也說明了黑松樹輪綜纖維素δ13C組成可以作為冬春季節(jié)月平均溫度的一個替代性指標(biāo)。平均氣溫重建值與實測值序列對比如圖5。經(jīng)檢驗，重建值序列在0.001的顯著水平上無突變。

圖5 上年12月—當(dāng)年5月平均氣溫重建值與實測值對比圖Fig.5 Reconstruction values compared with observed values of –12 — 5 monthly average temperature

根據(jù)圖5分析，氣溫的重建序列與實測序列均有緩慢波動上升趨勢，除個別月份峰值和谷值的小波動略有1～2年的漂移外，實測值序列里波動較大的年份的峰值和谷值對應(yīng)的年份都與重建值序列的相同。且在相同時段，冬春季節(jié)平均氣溫的重建序列與實測序列的相關(guān)系數(shù)為0.998，達到了0.001的信度水平。這進一步說明本文的重建結(jié)果是可信的，但不理想的地方是，重建值序列的波動幅度太小，與實際氣溫觀測值有一定差距，這可能是冬春季節(jié)，除了氣溫，降水量對樹輪δ的影響也不可小覷，上年冬天的積雪融化給樹木生長提供了必要水分，從而在一定程度上影響著樹輪δ13C的分餾效應(yīng)。

從重建序列曲線總的變化趨勢來看，該地區(qū)的氣溫在1975年之前沒有發(fā)生明顯的增減變化，但是從1975年以后波動幅度減小、上升趨勢明顯。雖然上升幅度僅有1～2℃，仍經(jīng)歷了冷暖交替上升變化的過程，說明塔山地區(qū)冬春季節(jié)的平均氣溫在緩慢逐年升高。趙傳集和林保暖（1990）提出十九世紀以來魯南地區(qū)逐漸出現(xiàn)旱災(zāi)逐年增多的現(xiàn)象，有從偏澇型、旱澇交錯型向偏旱型轉(zhuǎn)變的趨勢。氣溫升高必然導(dǎo)致蒸發(fā)量增大，如若降水量多少與常年無異，則必然氣候趨于干旱，然而這一結(jié)論是否屬實還有待于對降水量的進一步研究。

5 結(jié)論

本文通過分析山東塔山地區(qū)黑松樹輪δ13C的高頻序列與氣候要素做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)樹輪δ13C與平均氣溫呈顯著正相關(guān)，與降水量呈負相關(guān)且對氣溫的響應(yīng)好于對降水量的響應(yīng)。連續(xù)月份的氣溫和降水量與樹輪δ13C的相關(guān)明顯好于與單個月份的相關(guān)，說明氣溫和降水量對樹輪δ13C的影響是一個長期累積的過程。上年冬季的氣溫和降水量對樹輪δ13C影響有滯后效應(yīng)，即樹輪δ13C能記錄研究區(qū)冬季氣候變化。冬春季節(jié)的月平均氣溫對樹輪δ13C的影響極其顯著，可以考慮作為塔山地區(qū)的氣候替代性指標(biāo)。重建結(jié)果表明，塔山地區(qū)的氣溫在1975年之前沒有發(fā)生明顯的增減變化，但是從1975年以后有氣溫波動升高的特征。但由于上述結(jié)果的獲得僅來自于一個序列，它的廣泛應(yīng)用還有待于進一步的研究。

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The winter and spring average temperature reconstruction based on tree ring δ13C in recent 70 years in Tashan, Shandong Province

ZHENG Zi-wei1,2, ZHAO Xing-yun2,3, SHANG Zhi-yuan4, WANG Jian4, CHENG Rui-qin1,2, CHEN Zhen-ju5
(1. College of Population, Resources and Environment, Shandong Normal University, Jinan 250000, China; 2. College of Resources and Environment, Linyi University, Linyi 276000, China; 3. Shandong Provincial Key Laboratory of Water and Soil Conservation and Environmental Protection, Linyi 276000, China; 4. College of Geographical Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 5. Forestry College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China.)

Tree-ring samples of Pinus thunbergii Parl at eastern Tashan in Shandong Province were collected to integrate the tree-ring stable carbon isotope series. In order to remove the influence of atmospheric CO2, extract the high frequency part of the tree ring δ13C. Analysis the response of tree ring δ13C series and climate factors, found that the response between tree ring δ13C and temperature is obvious than precipitation. There exists a lagging effect of the inf uence of both temperature and precipitation on tree-ring δ13C in some extent. This results indicated that tree ring δ13C in Tashan can record the winter climate change. On the basis of correlation analysis, utilize the regression equation to reconstruct near seventy years' average temperature in winter and spring season (i.e., from December last year to May current year). Analysis found that the rebuilding temperature series shows an obviously rise trend which cold and warm temperature change alternately.

Tashan; tree-ring; δ13C; average temperature

P467

A

1674-9901(2014)01-0010-06

10.7515/JEE201401002

2014-01-17

國家自然科學(xué)基金項目（41072139）；山東省自然科學(xué)基金項目（Y2008E15）

趙興云，E-mail: synzxy@sina.com