山東塔山黑松樹輪穩(wěn)定碳同位素與氣候要素的響應(yīng)

鄭紫薇，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，山東濟南 250000;2.臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東臨沂 276000; 3.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210023;4.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，遼寧沈陽 110866)

山東塔山黑松樹輪穩(wěn)定碳同位素與氣候要素的響應(yīng)

鄭紫薇1，2，商志遠3，王 建3，成瑞琴1，2，陳振舉4

(1.山東師范大學(xué)人口資源與環(huán)境學(xué)院，山東濟南 250000;2.臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東臨沂 276000; 3.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210023;4.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，遼寧沈陽 110866)

在山東塔山東坡采集黑松(Pinus thunbergii Parl)樹芯樣本，建立樹輪穩(wěn)定碳同位素年表，發(fā)現(xiàn)在數(shù)十年尺度上與工業(yè)革命以來大氣穩(wěn)定碳同位素比率降低的事實相吻合，但1976年之后樹輪穩(wěn)定碳同位素比率(δ13C)有逐漸上升的趨勢，其原因可能是大氣中CO2的積累效應(yīng)導(dǎo)致了大氣與海洋之間CO2交換的不穩(wěn)定性.通過對樣本δ13C序列校正提取高頻序列后與氣象站氣象資料進行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)樹輪δ13C序列與溫度呈正相關(guān)，與降水量和日照時數(shù)呈負相關(guān)，溫度和降水以及日照時數(shù)對樹輪δ13C的影響均存在一定的滯后效應(yīng)，該地區(qū)樹木生長的限制性氣候因子比較復(fù)雜，可能受到多種氣候因子的共同影響，在氣候重建研究中應(yīng)當慎重選擇.

塔山;樹木年輪;穩(wěn)定碳同位素;氣候要素

1 引言

樹輪穩(wěn)定碳同位素作為一種高精度氣候變化代用指標，已成為樹輪年代學(xué)研究的重要手段之一.國外樹輪穩(wěn)定碳同位素的研究相對廣泛而成熟，而國內(nèi)研究相對滯后［1－3］.尤其是處于我國東部暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)的山東魯南地區(qū)，是亞熱帶與暖溫帶之間的氣候過渡區(qū)和氣候變化敏感區(qū)，該區(qū)域氣候環(huán)境變化對我國東部季風氣候區(qū)的氣候與環(huán)境變化會產(chǎn)生顯著影響.然而截至目前，該區(qū)僅有個別學(xué)者利用樹輪寬度開展了對溫度、相對濕度等氣象指標的重建工作［4－5］，樹輪穩(wěn)定碳同位素與氣候環(huán)境響應(yīng)的研究尚未見到.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，分析其組成狀況及特征，并對其進行校正，提取高頻序列后，通過相關(guān)函數(shù)等方法探究溫度、降水量及日照時數(shù)等氣候因子對校正后樹輪δ13C序列的響應(yīng)，為本區(qū)域今后深入開展樹輪研究及氣候重建提供理論依據(jù).

2 研究區(qū)概況

采樣點位于山東省費縣境內(nèi)的塔山，在氣候區(qū)劃上屬于季風暖溫帶半濕潤地區(qū)，是亞熱帶與溫帶之間的氣候過渡區(qū)和氣候變化敏感區(qū).當前塔山植被已整體演替為針葉林、針闊混交林和落葉闊葉林，主要優(yōu)勢樹種為黑松、赤松、麻櫟、油松和雜木林，森林覆蓋率達到85%以上［6］，屬國家森林公園和國家地質(zhì)公園.該區(qū)樹木生長可以記錄其生長環(huán)境中氣候變化的許多信息.

3 材料與方法

3.1 樣本采集與定年

在植被資源保存比較好的塔山地區(qū)，進行黑松樹芯樣品采集.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73a(1938a－2010a)，其它坡向采集的樹木的生長年份均不超過55a.交叉定年過程在中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所完成.

3.2 樹輪穩(wěn)定碳同位素提取與測定

選取東坡采集的生長年份較長的四個方位樹芯進行綜纖維素提取，取相同時段的算術(shù)平均值，得到塔山東坡黑松樹輪的穩(wěn)定碳同位素序列.為了滿足綜纖維素提取所需樣本量的要求，參考相關(guān)文獻［7－8］，采取相同坡向相同方位樹芯混合的方法進行剝?nèi)?、裝袋，作為東坡某方位某一年的待測樣品.化學(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)，用冰醋酸及多次加入亞氯酸鈉氯化以去除木質(zhì)素兩大步驟，提取出樹輪綜纖維素.纖維素提取過程在南京師范大學(xué)樹輪實驗室完成.

利用ThermoFinnigan－DeltaplusXP型同位素比例質(zhì)譜儀測定纖維素樣品的碳同位素13C/12C之比.測定結(jié)果相對于PDB標準表示為δ13CPDB［9］，簡寫為δ13C，表達式為:

整個流程分析誤差≤0.15‰.δ13C測定工作在中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所完成.

3.3 氣象數(shù)據(jù)來源與分析

氣象資料來自于費縣氣象(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1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.

圖1 費縣氣象站月平均氣溫和月降水量的多年平均值(1959－2010年)

圖2 氣象站數(shù)據(jù)滑動T檢驗結(jié)果

論文中采用的部分氣象資料為月平均氣溫(1959－2010年)，月總降水量(1959－2010年)，月日照時數(shù)(1960－2010年).經(jīng)滑動t檢驗(圖2)和Mann－Kendall時間序列趨勢檢驗［10］(圖3)，在a=0.01水平上相同時段的逐月氣溫、降水和日照時數(shù)序列均在置信區(qū)間內(nèi)，未發(fā)生突變，說明該氣象站數(shù)據(jù)可靠，可用作氣候響應(yīng)分析.

圖3 氣象站數(shù)據(jù)Mann－Kendall時間序列趨勢檢驗結(jié)果

4 結(jié)果與討論

4.1 樹輪穩(wěn)定碳同位素的年序列特征分析

圖4中展示了塔山黑松樹輪δ13C的實測序列與多項式擬合序列的對比，擬合方程如下:

從實測序列來看，樹輪δ13C的最小值是－26.34‰(1963a)，最大值為－23.10‰(1941a)，平均值為－25.00‰.從擬合序列看出:自1940年開始，樹輪δ13C值有不斷下降的趨勢，這與冰芯研究及大氣觀測數(shù)據(jù)顯示的自工業(yè)革命以來大氣穩(wěn)定碳同位素比率(δ13Cair)下降的特點相吻合.研究［3，11］表明，由于化石燃料燃燒放出過多的貧13C的CO2氣體，導(dǎo)致大氣中穩(wěn)定碳同位素組成δ13Cair值不斷降低.大氣CO2的碳同位素組成會對樹輪穩(wěn)定碳同位素的組成產(chǎn)生影響.大氣CO2中的δ13Cair值降低，樹輪中的穩(wěn)定碳同位素組成δ13C值也隨之降低.

這種趨勢在本研究中持續(xù)至1975年前后達到谷值，值得注意的是，從1976年至今樹輪δ13C值不但沒有繼續(xù)降低，反而呈現(xiàn)波動式緩慢上升趨勢.這種短時間尺度上升現(xiàn)象在國內(nèi)的一些研究中也有體現(xiàn)［1，12－13］，鄭成華(1992)分析樹輪穩(wěn)定碳同位素樣品時發(fā)現(xiàn)δ13C值在1934年出現(xiàn)谷值，在1936年以后出現(xiàn)一個反常的峰區(qū).他認為這種現(xiàn)象是由于大氣CO2的積累效應(yīng)破壞了大氣－海洋間C平衡，因而產(chǎn)生的CO2交換所致［12］.陳中笑，程軍(2011)分析表明，大氣CO2持續(xù)增加具有明顯的季節(jié)和年際變化.其中，1973～1974，1988～1993，1998～2000年大氣CO2增加有明顯減緩的過程，而同期人為排放并未減少，這是由于大氣、海洋和大氣、陸地植被間的CO2交換的非穩(wěn)定性所致［12－13］.分析所顯示的年份雖然在本研究中得到了很好的響應(yīng)，然而這種交換效應(yīng)是否確實還有待于進一步研究.

4.2 樹輪穩(wěn)定碳同位素高頻序列的提取

由于氣候因素影響樹輪δ13C序列的高頻變化，大氣CO2濃度影響樹輪δ13C序列的低頻變化.因此需要對樹輪穩(wěn)定碳同位素的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)可由下述文獻提供［14－15］.本文利用下列公式［14］來消除大氣δ13Cair的影響，得到樹輪的高頻變化序列δ:

δ13Cair、δ13Cplant分別代表大氣和樹輪中穩(wěn)定碳同位素比率.為了計算δ值，需要知道大氣中δ13Cair.本文用Feng［15］建立的方程:

該公式是用從冰芯中測定的大氣CO2的δ13C值和直接測定的大氣δ13C值建立的.由于半球間大氣CO2濃度相差很?。?6］，相應(yīng)的大氣δ13Cair也不會相差太大.在這里假定大氣δ13Cair與δ13Catm相等，消除大氣CO2低頻變化影響后的樹輪δ高頻序列，如圖5.

圖5 去除大氣CO2影響的樹輪δ高頻變化序列

4.3 與氣候指標的相關(guān)分析

將逐月平均氣溫(降水量/日照時數(shù))及不同連續(xù)月份組合的月平均氣溫(降水量/日照時數(shù))與樹輪δ做相關(guān)分析，考慮到滯后效應(yīng)，加入與上一年不同連續(xù)月份組合.選取相關(guān)系數(shù)較高和部分信度檢驗通過0.05的代表性氣候因子.結(jié)果見表1、表2.樹輪δ13C與溫度之間的關(guān)系比較復(fù)雜，并沒有一致的結(jié)論存在［5，17－19］.從表1得知，樹輪δ13C與平均氣溫基本呈正相關(guān).有研究表明［17］，樹輪δ13C在最適溫度時最小，當氣候較冷(低于最適溫度)時，樹輪δ13C隨溫度的升高而降低;當氣候較暖(高于最適溫度)時，樹輪δ13C隨溫度的升高而升高.研究區(qū)地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，研究結(jié)果呈正相關(guān)，比較符合當?shù)厍闆r，即隨著平均氣溫的升高，氣孔導(dǎo)通度(g)降低，葉片內(nèi)部CO2濃度降低，造成了樹輪δ13C隨氣溫升高而增大.

從與單個月份月平均氣溫的相關(guān)程度來看，與1～4月和9月、12月份的月平均氣溫呈極其顯著性相關(guān)，通過了0.01的信度檢驗，與5月和10月的相關(guān)系數(shù)也通過0.05的信度檢驗.從與當年不同連續(xù)月份組合的相關(guān)系數(shù)來看，均有先減小再增大的趨勢，從3個月連續(xù)月份組合中可看出氣溫對樹輪δ13C的影響存在明顯的滯后效應(yīng)，表現(xiàn)在加入上一年氣溫的連續(xù)月份組合與樹輪δ13C的相關(guān)系數(shù)要高于當年連續(xù)月份組合的相關(guān)系數(shù).其中上年12月至當年5月的平均氣溫對樹輪δ13C的影響最顯著，即冬春季節(jié)樹輪δ13C對氣溫的響應(yīng)較為敏感，相關(guān)系數(shù)達到最大值.參見表1連續(xù)月份組合的相關(guān)系數(shù)下劃線部.而山東塔山地區(qū)3～8月份為樹木的主要生長季節(jié)，從相關(guān)系數(shù)來看，生長季的平均氣溫對樹輪δ13C的影響不如冬春季節(jié)的影響顯著.

從表2來看，樹輪δ與降水量呈負相關(guān)，這與一些學(xué)者的研究結(jié)果［2，20－21］相一致.本研究區(qū)樹木生長對降水的響應(yīng)程度低于對溫度和日照時數(shù)的響應(yīng)，只有上年9月至當年1月和上年9月至當年4月的降水量與樹輪δ的相關(guān)系數(shù)通過信度檢驗水平，其余均未通過信度檢驗.這說明上一年秋冬季節(jié)降水量對樹輪δ13C的影響存滯后效應(yīng).上一年冬季的積雪，即當年春季的融水為樹木生長提供了必要的水分條件.氣候要素通過改變樹木對CO2同化速率(A)和葉片氣孔導(dǎo)通度來影響樹輪δ13C值，水分脅迫導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，樹輪δ13C值增大，反之，降水量增加，氣孔導(dǎo)通數(shù)增大，樹輪δ13C值減小［20］.

表1 樹輪δ與月平均氣溫的相關(guān)系數(shù)

表2顯示，大多數(shù)月份總?cè)照諘r數(shù)與樹輪δ呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)至少通過了0.05的信度檢驗，其中6～8月的相關(guān)系數(shù)通過0.01的信度檢驗，即主要表現(xiàn)為與夏季總?cè)照諘r數(shù)顯著負相關(guān).隨著月份組合數(shù)增多，相關(guān)系數(shù)增大(參見表2下劃線部分)，說明光照時數(shù)對樹輪δ13C的影響是個長期積累的過程.上年8月至當年3月的總?cè)照諘r數(shù)對樹輪δ13C的影響超過生長季6～8月總?cè)照諘r數(shù)的影響.一般認為充足的光照可以使樹木積累更多的有機物以進行光合作用，葉片氣孔數(shù)目減少或關(guān)閉，氣孔導(dǎo)通率降低，細胞內(nèi)部CO2濃度降低，導(dǎo)致樹輪δ13C值增大［22－24］.然而樹輪δ13C的分餾不僅受光照時數(shù)長短的影響，光質(zhì)對它的分餾也起到了不可忽視的作用，在紫外輻射增強時，光合能力下降或光合作用器官受損，則會導(dǎo)致植物的δ13C值降低［22］.

5 結(jié)論

1)山東塔山地區(qū)黑松樹輪δ13C序列部分記錄了工業(yè)革命以來由于化石燃料燃燒，導(dǎo)致大氣CO2濃度增加，大氣δ13C 降低的事實，但存在短時間尺度的反常峰區(qū).其形成機制還有待于進一步研究.

2)校正后的樹輪δ與氣象資料的相關(guān)分析表明，與平均氣溫呈正相關(guān)，與降水量和日照時數(shù)呈負相關(guān).本研究區(qū)樹木生長對降水的響應(yīng)小于對溫度和日照時數(shù)的響應(yīng);冬春季節(jié)平均氣溫對樹輪δ13C的影響很大;平均氣溫、降水量和日照時數(shù)對樹輪δ13C的影響是一個長期的累積過程，均存在顯著的滯后效應(yīng).

3)塔山地區(qū)樹木生長的限制性氣候因子比較復(fù)雜，可能受到多種氣候因子的共同影響.因此在重建此區(qū)氣候的研究上需慎重選擇，多氣象要素綜合分析，選取出最優(yōu)指標進行氣候重建.

表2 樹輪δ與月總降水量及月日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)

［1］錢君龍，呂軍，屠其璞，等.用樹輪α－纖維素δ13C重建天目山地區(qū)近160年氣候［J］.中國科學(xué)(D輯)，2001，31(4):333－341.

［2］徐海，洪業(yè)湯，朱詠煊，等.安圖紅松樹輪穩(wěn)定δ13C、δ18O序列記錄的氣候變化信息［J］.地質(zhì)地球化學(xué)，2002，30(2):59－65.

［3］呂軍，屠其璞，錢君龍.利用樹輪δ13C重建大氣CO2濃度序列［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報，2002，13(3):377－379.

［4］沈長泗，陳金敏，張志華，等.利用樹木年輪資料重建山東沂山地區(qū)200多年來的濕潤指數(shù)［J］.地理研究，1998，17(2):150－156.

［5］劉禹，雷鶯，宋慧明，等.以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［J］.地球環(huán)境學(xué)報，2010，1(1):28－35.

［6］高遠，陳玉峰，董恒，等.50年來山東塔山植被與物種多樣性的變化［J］.生態(tài)學(xué)報，2011，31(20):5984－5991.

［7］王建，錢君龍，梁中，等.樹輪穩(wěn)定碳同位素分析的采樣方法——以天目山柳杉為例［J］.生態(tài)學(xué)報，2008，28(12):6070－6078.

［8］劉曉宏，劉禹，徐國保，等.樹木年輪穩(wěn)定同位素分析樣品前處理方法探討［J］.冰川凍土，2010，32(6):1242－1250.

［9］Saurer M，Borella S，Schweingruber F，et al.Stable carbon isotopes in tree rings of beech:climatic versus site－related influences［J］.Trees，1997，11(5):291－297.

［10］魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù)(第二版)［M］.北京:中國氣象出版社，2007.

［11］趙興云，王建，商志遠，等.天目山柳杉樹輪13C序列所反映的植物水分利用率對大氣CO2濃度變化的生理響應(yīng)［J］.地理科學(xué)，2008，28(5):698－702.

［12］鄭成華.樹輪同位素古氣候?qū)W研究(摘要)［J］.地質(zhì)地球化學(xué)，1992(6):124－128.

［13］陳中笑，程軍.Enso，火山活動與大氣CO2的年際變化［J］.氣候變化研究進展，2011，7(3):171－177.

［14］劉禹，吳祥定，Leavitt SW，Hughes M K.黃陵樹木年輪穩(wěn)定C同位素與氣候變化［J］.中國科學(xué)(D輯)，1996，26(2):125－130.

［15］Feng X，Epstein S.Carbon isotopes of trees from arid environment and implications for reconstructing atmospheric CO2concentration.Geochim.Cosmoochim［J］.Acta，1995，59(12):2599－2609.

［16］Keeling CD，Mook W G，Tans PP.Recent trends in the13C/12C ratio of atmospheric carbon dioxide［J］.Nature，1979(277):121－123.

［17］朱西德，王振宇，李林，等.樹木年輪指示的柴達木東北緣近千年夏季氣溫變化［J］.地理科學(xué)，2007，27(2):256－260.

［18］王建，賀清艷，商志遠，等.南京紫金山馬尾松樹輪δ13C對氣候變化響應(yīng)敏感性的研究［J］.長江流域資源與環(huán)境，2012，21(9): 1106－1111.

［19］王蔚蔚，張軍輝，戴冠華，等.利用樹木年輪寬度資料重建長白山地區(qū)過去240年秋季氣溫的變化［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2012，31 (4):787－793.

［20］王亞軍，陳發(fā)虎，勾曉華.利用樹木年輪資料重建祁連山中段春季降水的變化［J］.地理科學(xué)，2001，21(4):373－377.

［21］張同文，王麗麗，袁玉江，等.利用樹輪寬度資料重建天山中段南坡巴倫臺地區(qū)過去645年來的降水變化［J］.地理科學(xué)，2011，31(2):251－256.

［22］McCarroll D.，Pawellek F.Stable carbon isotope ratios of Pinus sylvestris from northern Finland and the potential for extracting a climate signal from long Fennoscandian chronologies［J］.The Holocene，2001(11):517－526.

［23］McCarroll D，Jalkanen R，Hicks S，Tuovinen M，etal.Multiproxy dendroclimatology:a pilot study in northern Finland［J］.The Holocene，2003，13(6):829－838.

［24］何春霞，李吉躍，孟平，等.樹木葉片穩(wěn)定碳同位素分餾對環(huán)境梯度的響應(yīng)［J］.生態(tài)學(xué)報，2010，30(14):3828－3838.

The Relationship between Pinus Thunbergii Parl Tree－ring Stable Carbon Isotope from Tashan in Shandong and Partial Climatic Factors

ZHENG Zi－wei1，2，SHANG Zhi－yuan3，WANG Jian3，CHENG Rui－qin1，2，CHEN Zhen－ju4
(1.School of Population，Resources and Environment，Shandong Normal University，Jinan，250000; 2.School of Resources and Environment，Linyi University，Linyi，276000; 3.School of Geographical Science，Nanjing Normal University，Nanjing，210023; 4.School of Forestry，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.We found that tree－ring stable carbon isotope ratio(δ13C)reflected the facts that the atmosphericδ13C value decreased since the industrial revolution on decadal scale.However，it has a rising tendency since 1976，the reasonmay be the instability led by the exchange of CO2between the atmosphere and ocean due to the accumulative effect of atmospheric CO2.The correlation analysis between the sampleδ13C series and meteorological indiceswere performed.The positive correlation was shown between tree－ringδ13C series and temperature，and a negative correlation between treeringδ13C series and precipitation and sunshine duration.There exists a lag effect of the influence of temperature，precipitation and sunshine duration on tree－ringδ13C to some extent.The results indicated that the relationship between tree－ring stable carbon isotope series and meteorological indices are complicated，ormay be subjected to the combined effect ofmany climate factors，so it should be deliberately selected during climate reconstruction.

Tashan;tree－ring;stable carbon isotope;climate factor

P467

A

1672－2590(2015)03－0077－07

2015－03－23

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)

鄭紫薇(1988－)，女，吉林敦化人，山東師范大學(xué)人口資源與環(huán)境學(xué)院碩士研究生.