杉木樹輪不同組分δ13C對氣候因子響應(yīng)的初步探究

劉小英，段愛國,2*，張建國,2，張雄清，朱安明

(1.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所/國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京100091；2.南京林業(yè)大學南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210000 )

樹輪中的穩(wěn)定碳同位素具有較好的記錄、指示相應(yīng)氣候變化的能力，該技術(shù)被生態(tài)學家和氣象學家在研究中多次使用[1-2]。樹木的化學組成成分較多，主要包括纖維素(約占45%)、半纖維素(約占25%)、木質(zhì)素(約占25%)以及含量較少的樹脂、揮發(fā)性油類、單寧和色素(約占5%)。全木、棕纖維素、木質(zhì)素以及α-纖維素中均攜帶有氣候信息[3-6]，不同組分穩(wěn)定碳同位素對氣候的響應(yīng)存在差異性[7-8]。在研究中究竟選擇哪種組分進行研究，可以獲得更好的氣候變化信息，目前還存在一定爭議。

研究表明，在進行短期氣候研究時，選擇全木還是纖維素進行研究，結(jié)果是一樣的，且兩者之間也存在較強的相關(guān)性[9-15]，如利用穩(wěn)定碳同位素對長期氣候進行重建，使用木質(zhì)素進行研究效果較好[16]。相比綜纖維，α-纖維素是木材化學組成中結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的，所含的氣候變化信息是最強的，因此，α-纖維素可以作為研究過去環(huán)境變化較好的載體[17]。但是通過對馬尾松樹輪的全木、綜纖維以及α-纖維素中穩(wěn)定碳同位素對氣候的響應(yīng)卻沒有太大的差異[18]。樹輪同組分對碳穩(wěn)定同位素的記錄研究結(jié)果出現(xiàn)差異，可能是因為過去研究選擇樹種及研究的區(qū)域存在差異導致的。

樹輪穩(wěn)定碳同位素研究在國外已經(jīng)有較多的報道，但我國樹輪穩(wěn)定碳同位素研究起步比較晚。以往在研究碳穩(wěn)定同位素氣候變化的響應(yīng)時，往往考慮的是樹木在不同海拔、不同區(qū)域環(huán)境條件下不同樹輪指示對氣候變化的現(xiàn)時響應(yīng)的差異[19]。有研究[20-24]表明樹輪δ13C值與平均溫度、最高氣溫、最低氣溫、降水、平均相對濕度及日照時數(shù)有一定的相關(guān)關(guān)系。亦有研究表明樹輪穩(wěn)定碳同位素對復合溫濕度指標(TH)的響應(yīng)更加靈敏[25]。與樹輪穩(wěn)定碳同位素有關(guān)的氣候因子中，溫度和濕度為許多研究者所關(guān)注[15,26-27]。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國重要鄉(xiāng)土速生針葉用材樹種，廣泛分布于我國亞熱帶山地、熱帶北緣、暖溫帶南緣等氣候區(qū)的18個省區(qū)，是一個具有明顯地理緯度變異的樹種[28-29]。以往采用樹輪寬度或密度指標研究樹木對氣候變化響應(yīng)，而未見普遍應(yīng)用于樹木氣候變化響應(yīng)研究中的穩(wěn)定碳同位素指標在樹木氣候變化響應(yīng)關(guān)系的研究。鑒于此，本研究選擇設(shè)置于廣西柳州的34年生杉木種源試驗林中3個代表性地理種源，探討其樹輪穩(wěn)定碳同位素與氣候變量間的關(guān)系，比較全木與α-纖維素的指示性，篩選出不同組分對氣候響應(yīng)的主導氣候因子，以期為未來氣候變化條件下杉木資源的培育起到重要指導作用。

1 研究區(qū)自然概況

杉木種源試驗林位于廣西柳州六峰山林場，是由中國林科院林業(yè)研究所主持，全國杉木地理種源試驗協(xié)作組于20世紀70年代末開展的第2次杉木全分布區(qū)種源試驗時期布設(shè)。于1981年春季，采用1年生實生苗造林。種源試驗林涵蓋207個杉木地理種源，其中162個種源的保存量基本在10～15株。試驗地地處桂中丘陵地區(qū)，北緯23°42′，東經(jīng)109°50′，年平均氣溫21.1 ℃，年降雨量1 418.5 mm，年蒸發(fā)量1 969.1 mm，相對濕度76%，全年日照時數(shù)1 823.7 h。

2 材料與方法

2.1 樹輪資料

采用伐倒取圓盤的取樣方法，以經(jīng)緯度分布均勻，生長量具有代表性，圓盤數(shù)大于10個為依據(jù)，選取貴州六枝(GZL)、湖南雙牌(HNS)以及福建永安(FJY)等3個地理種源各12個單株，合計36個單株，分別取0號圓盤，刨光，編號，登記。應(yīng)用 LignoStation年輪分析儀對不同種源各單株圓盤進行掃描，每個圓盤2個測量路徑，應(yīng)用年輪分析儀自帶軟件進行年輪界線的劃分，并測量樹輪自髓心往外各年輪寬度，后借助交叉定年軟件COFECHA程序?qū)λ卸ê媚甑男蛄凶鳈z驗，保證用于年表建立的樹輪序列與試驗林實際樹齡對應(yīng)無誤。

2.2 α-纖維素提取

將樹輪圓盤放在干凈的玻璃板上，依據(jù)樹輪寬度的標準程序進行交叉定年，定年的過程中用大頭針進行標注，選擇向陽的方位[30]，然后利用干凈的刻刀進行樹輪的逐年剝離，將杉木12個圓盤同一年的年輪樣品剝?nèi)『蠡旌显谝黄?，并用干凈的自封袋封裝，并做好對應(yīng)的編號。考慮到δ13C值會受到幼齡效應(yīng)的影響[31]，因此在取樣的時候去除前6年的樹輪。所有樣品采集完好，放入高速離心球磨儀中將樣品粉碎至過60目(300 μm)，留出一部分樣品進行全木的δ13C值的測定。剩余的樣品進行α-纖維素的提取。按照有機溶劑[(V(苯) ∶V(無水乙醇)=2 ∶ 1，丙酮180 mL]萃取、漂白[V(次氯酸鈉) ∶V(乙酸)=3 ∶ 2]及堿化(10%與17%的氫氧化鈉依次處理)等步驟進一步提取α-纖維素[32]。用真空冷凍干燥機(-45 ℃)進行凍干處理，采用快速核酸提取儀進行α-纖維素的粉碎。

2.3 碳穩(wěn)定同位素(δ13C值)的測量

本研究采用氣象同位素質(zhì)譜儀Thermo Finnigan DELTA plus XP測量杉木全木以及α-纖維素的δ13C的值，該過程在植被與變化國家重點實驗室完成。用百萬分天平(Starorius)稱量粉末α-纖維素(0.20±0.05)mg，然后用錫囊將樣品包裹，卷好密封，上機測試，得到13C/12C值(相對VPDB標準)。隨機抽取24個平行樣本對δ13C測量精度進行校驗，

13C/12C的同位素比值δ13C=(Rsample/Rstandard-1)×1 000,整個碳同位素(δ13C)測量精度≤0.15‰,Rsample表示樣品中的重輕同位素峰度之比，Rstandard是國際通用標準的重輕同位素峰度之比[33]。

2.4 氣候數(shù)據(jù)來源

圖1 廣西來賓氣象站月平均溫度與總降水量變化Fig.1 The change trend of the average temperature and yhe total precipitation of each month of the climate station of laibin,Guangxi (1985—2013)

本實驗采用廣西來賓氣象站點的數(shù)據(jù)(圖1)，該站點距離種源試驗林場100 km，中間無高山阻隔；所用氣象資料包括1985—2013年月平均氣溫、月降水量，月平均相對濕度和日照時數(shù)。本實驗研究的氣候因子還有春(3—5月)夏(6—8月)秋(9—11月)冬(12—2月)4個季度以及氣候年(上年6月至當年11月)。(氣候資料來源于國家氣象信息中心)經(jīng)檢驗，來賓站點氣象數(shù)據(jù)可靠，無明顯突變，代表了當?shù)貧夂蜃兓厔?圖1)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

利用函數(shù)計算表示杉木不同組分δ13C的統(tǒng)計特征；利用Pearson相關(guān)性檢測α-纖維素中δ13C值與氣候因子的相關(guān)關(guān)系(P=0.05)。采用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，Excel 2013 作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 杉木不同組分δ13C的統(tǒng)計特征

通過比較全木和α-纖維素中穩(wěn)定碳同位素序列的基本統(tǒng)計特征(表1)，杉木樹輪全木和α-纖維素中穩(wěn)定碳同位素的序列(1987—2013)變化范圍分別是-24.577‰～-26.336‰和-23.311‰～-25.597‰，平均值分別是-25.589‰和-24.063‰，變異系數(shù)均為負數(shù)，表明杉木樹輪的穩(wěn)定碳同位素的序列在年際變化中相對穩(wěn)定；從表1中還可以看出，不同地理種源杉木樹輪全木和α-纖維素中δ13C含量都存在一定的差異。而3個不同地理種源α-纖維素δ13C值的標準差、方差以及變異系數(shù)的絕對值均大于全木δ13C序列值，因此杉木α-纖維素中δ13C值相比全木中的更加離散。

表1 不同種源杉木不同組分穩(wěn)定碳同位素序列的基本統(tǒng)計特征

3.2 杉木樹輪各組分δ13C值的一元線性回歸

杉木樹輪全木和α-纖維素中δ13C值存在一定的差異性。但是兩者是否可以相互代替進行研究是所有學者關(guān)注的問題。因而使用一元線性回歸分析各組分δ13C值的變化趨勢，擬合結(jié)果如表2。

同一杉木個體的全木和α-纖維素中δ13C的線性回歸校正R2的平均值為0.823，概率P<0.001；斜率值K為0.957、1.140和1.192，均接近K=1，說明全木和α-纖維素中δ13C年際變化趨勢一致。

表2 杉木樹輪不同組分間δ13C值的一元線性回歸分析結(jié)果

3.3 不同組分δ13C序列與氣候指標的相關(guān)分析

3個種源杉木樹輪不同組分δ13C值與氣候因子的相關(guān)性分析比較，發(fā)現(xiàn)不同組分中δ13C值對氣候因子的響應(yīng)基本一致，與平均溫度及日照時數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與降水及相對濕度呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。α-纖維素中δ13C值與3月、9月的平均溫度及最低氣溫，5月、10月的日照時數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與3月降水，10月相對濕度及3月最小相對濕度呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，但是與9月降水卻呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。除此之外，還與冬季的最低氣溫、春季的相對濕度及日照時數(shù)、秋季的最高氣溫及夏季的最小相對濕度呈顯著的相關(guān)性。但是不同組分對不同的氣候因子的敏感程度存在強弱的差異。

(1)與氣候年值的相關(guān)性分析可以看出(表3)，3個種源杉木的不同組分對溫度的響應(yīng)沒有太大差異，其不同組分的極差值均小于0.08。但是對于降水、相對濕度和日照時數(shù)的相關(guān)性比較中，發(fā)現(xiàn)種源FJY與HNS的全木較α-纖維素中δ13C序列值與年值氣候因子的相關(guān)系數(shù)大，而種源GZL的全木較α-纖維素中δ13C序列值與年值氣候因子的相關(guān)系數(shù)小，但其相關(guān)系數(shù)極差接近0.1。

(2)與氣候因子的季度值的相關(guān)性分析可以看出(表4)，除了夏季最小相對濕度，全木中的δ13C值與氣候的相關(guān)系數(shù)高于α-纖維素，而種源FJY樹輪α-纖維素中的δ13C值與夏季最小相對濕度的相關(guān)系數(shù)達到-0.535。與氣候因子的月值相關(guān)性分析可以看出(表4)，3個種源杉木樹輪α-纖維素中的δ13C對氣候更加敏感，如種源FJY與HNS相關(guān)性對比分析。

表3 杉木不同組分中δ13C序列值與年度氣候因子的關(guān)系

*代表P<0.05,* *代表P<0.01

*representsP<0.05,* *representsP<0.01

表4 杉木不同組分δ13C序列值與月值氣候因子關(guān)系

續(xù)表4 杉木不同組分δ13C序列值與月值氣候因子關(guān)系

*代表P<0.05,* *代表P<0.01

*representsP<0.05,* *representsP<0.01

4 結(jié)論與討論

4.1 杉木不同組分δ13C之間的關(guān)系

全木和α-纖維素中的δ13C值存在明顯差異的主要原因是植物葉片光合產(chǎn)物在進入木質(zhì)部的不同組分時穩(wěn)定碳同位素存在不同的分餾[9]，因此杉木全木和α-纖維素中的δ13C值存在一定的差異。本研究發(fā)現(xiàn)杉木樹輪全木較α-纖維素δ13C值偏負1.5‰左右，與其他植物的研究結(jié)果相比偏大，如油松中兩者偏差范圍1.2‰～1.4‰[4]，馬尾松(PinusmassonianaLamb.)中兩者偏差范圍為1.03‰～1.2‰[18]，這可能是因為不同樹種中穩(wěn)定碳同位素的分餾存在差異而造成的。

通過比較杉木樹輪不同組分中δ13C統(tǒng)計特征值，除了HNS以外的GZL和FJY兩個地理種源的杉木的一階自相關(guān)系數(shù)均超過0.4，說明杉木生長不僅受到當年氣象因子(降水、溫度等)的影響，還受到上年氣候因子(降水、溫度、濕度和日照時數(shù))的影響。其中FJY的樹輪中的穩(wěn)定碳同位素記錄的氣候信息差不多有40%滯后[34]。

在不同組分的δ13C統(tǒng)計特征值中，發(fā)現(xiàn)杉木α-纖維素中δ13C值相比全木中的更加離散。能更好地滿足研究需求，這與王建等[18]對馬尾松研究的結(jié)果一致，因此選擇α-纖維素進行對氣候響應(yīng)的研究更加可靠。

4.2 杉木樹輪不同組分與氣候因子的敏感性分析

纖維素是細胞壁的主要組成成分，而α-纖維素是纖維素最穩(wěn)定的物質(zhì)，由于其通過木質(zhì)素與細胞壁粘著，且不含可皂化類脂，是不可以移動的，但是全木中卻含有可皂化類脂，因此全木不適合用來研究碳穩(wěn)定同位素對氣候的響應(yīng)情況[35]。δ13C比率反應(yīng)的是氣孔導度和光合速率之間的關(guān)系，因此，碳同位素的分餾主要受到氣孔導度的影響[9]。樹輪不同組分對杉木樹輪不同組分中δ13C通過比較不同樹輪組分中δ13C與氣候因子之間的Pearson相關(guān)系數(shù)的大小可以判斷出其對不同氣候因子的響應(yīng)存在的差異性[8,36-37]。

王建等[18]研究了馬尾松不同組分穩(wěn)定碳同位素的差異，發(fā)現(xiàn)不同組分對氣候響應(yīng)的敏感性沒有顯著的差異。而本文通過對比分析杉木樹輪不同組分δ13C值與氣候因子年值的相關(guān)系數(shù)，可以看出全木和α-纖維素這兩種組分對氣候因子年值的響應(yīng)也沒有顯著的差異。主要是因為全木和α-纖維素對較長尺度氣候因子的響應(yīng)的靈敏度是一致的。

在對氣候因子的月值及季度值的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，杉木的這兩種組分對應(yīng)的氣候相關(guān)系數(shù)沒有很強的規(guī)律性。不同組分對春季氣候因子響應(yīng)的相關(guān)系數(shù)的極差較小，極差值未達到0.1，而與氣候因子夏、秋、冬及單月值的極差值大于0.1，最高值可以達到0.554。這與商志遠等[5]對樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)的研究結(jié)果一致。在溫暖亞熱帶地區(qū)，樹木的生長超過了生長季，一年四季的生長只是速率的差異，而只要有生長，樹液就會流動，δ13C就會發(fā)生分餾，尤其是針葉樹種，對于我國的南方的鄉(xiāng)土樹種杉木而言，此種種源FJY的樹輪α-纖維素中的穩(wěn)定碳同位素對生長季的溫度較敏感，與秋季的平均溫度呈顯著正相關(guān)，這與已有的研究結(jié)果是相符的[13,27,38]，且與冬季的相對濕度呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，因此相對濕度也是比較敏感的氣候因子[39-41]。春季日照時長對杉木樹輪δ13C有正向的影響。特別是對FJY的影響，春季光照時間增長，使得植物光合作用加強，積累有機物增加，但是已有研究表明光照對穩(wěn)定碳同位素的合成是一個長期積累的過程，而且是出現(xiàn)反向的影響[42]，出現(xiàn)這種差異的最可能是由選擇原產(chǎn)地栽培的植物與引種的植物對氣候的響應(yīng)情況的差異引起的。

杉木樹輪的α-纖維素中的δ13C值與10、11月相對濕度相關(guān)性較強，特別是種源GZL與其的相關(guān)系數(shù)達到-0.549(P<0.01)。而種源FJY與6、7、8月最小相對濕度也呈現(xiàn)顯著負相關(guān)(P<0.05)，這個結(jié)果在西伯利亞落葉松(LarixsibiricaLedeb.)樹輪δ13C值與氣候因子的研究中發(fā)現(xiàn)，δ13C值與相對濕度呈顯著負相關(guān)關(guān)系[26]，本文研究結(jié)果與其一致。

樹輪α-纖維素δ13C可以很好地記錄生長地降水的情況[4,27]。但是杉木樹輪α-纖維素中的δ13C值僅與3月的降水相關(guān)系數(shù)達-0.469，其他月份的降水基本無顯著相關(guān)性。由此可見，不同樹種對降水的響應(yīng)情況存在差異性。

(1)杉木樹輪的全木和α-纖維素對氣候的響應(yīng)方向基本一致。(2)在進行杉木樹輪中δ13C值對氣候因子的響應(yīng)研究時，α-纖維素相對于全木而言能更好地滿足實驗要求。(3)杉木樹輪穩(wěn)定碳同位素可以很好的記錄生長過程中氣候變化，而不同季節(jié)的主導氣候因子存在很大的差異。同一個氣候因子在不同的時間段內(nèi)的影響也是不一樣的。春季和夏季的最小相對濕度、日照，秋季的溫度、冬季的相對濕度以及3月的降水均是影響α-纖維素中δ13C值的氣候因子。

致謝:中國科學院植物研究所李燕老師對研究給予了幫助，謹致謝意!