不同種源杉木樹輪α纖維素δ13C對年氣候因子的響應(yīng)

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(xué)研究院林業(yè)研究所，國家林業(yè)和草原局林木培育重點實驗室，北京 100091；2. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210000；3. 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)科技信息研究所，北京 100091)

造林樹種種源選擇已成為人類應(yīng)對氣候的重要途徑，探討不同地理種源主要造林樹種樹輪指標對氣候變化的響應(yīng)及評價未來氣候變化對林木種源生長的影響已成為亟待解決的重要科學(xué)問題。林木種源是指取得種子或其他繁殖材料的地理來源或原產(chǎn)地[1]。地理種源的變異是樹木長期氣候環(huán)境適應(yīng)性進化的產(chǎn)物，從遺傳角度看，不同地理種源經(jīng)過自然選擇基因型組成會發(fā)生變化，形成固有的遺傳基礎(chǔ)[2-4]，因此，在引種栽培時往往采取“就近原則”，選擇同一種源或同一種源區(qū)的幼苗進行栽植[5]。然而，有研究者通過對不同種源山毛櫸（Fagus sylvaticaL.）應(yīng)對氣候變化的響應(yīng)情況進行研究，發(fā)現(xiàn)不同種源山毛櫸對異地（栽植地）的氣候具有不同的響應(yīng)特征，而最適宜種源并不滿足“就近原則”[6-7]。

樹輪穩(wěn)定碳同位素（δ13C）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生理生態(tài)、氣候變化、水文等研究領(lǐng)域，現(xiàn)已逐步成為了解生物與其生存環(huán)境相互關(guān)系的工具；而樹木是如何應(yīng)對氣候變化依舊被氣候?qū)W家關(guān)注，與樹輪寬度、木材密度相似，樹輪穩(wěn)定碳同位素指標對不同尺度上氣候變化的響應(yīng)存在很大的差異[8]。目前，針對氣候響應(yīng)研究的氣候因子主要有平均氣溫[9]、降水[10]、相對濕度[11-12]、最高氣溫、最低氣溫[13]、最小相對濕度及日照時數(shù)[6]。有研究表明，樹輪穩(wěn)定碳同位素比樹輪寬度指標對氣候變化的響應(yīng)更靈敏。在種源層面上，樹木種源對環(huán)境的影響具有差異性，研究發(fā)現(xiàn)，不同種源的白刺（Nitraria tangutorumBobr.）對不同梯度的水分響應(yīng)存在較大的區(qū)別[14]；不同種源的落葉松（Larix gmelinii(Rupr.) Kuzen.）對原產(chǎn)地環(huán)境條件的響應(yīng)也出現(xiàn)差異[15]。不同種源樹木樹輪的早材、晚材、整輪寬度對年平均氣溫和年最高氣溫較敏感[16]。杉木（Cunninghamia lancealata（Lamb.）Hook.）是我國重要的鄉(xiāng)土針葉用材樹種[17]，其生長呈現(xiàn)明顯的地理緯度變異，針對杉木樹輪指標在種源層面上響應(yīng)氣候變化的研究相對較少，而將高靈敏度的樹輪穩(wěn)定碳同位素指標引入不同種源樹木生長對氣候變化響應(yīng)的研究國內(nèi)外未見報道。

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的30個代表性地理種源，探討其樹輪α纖維素中穩(wěn)定碳同位素與年際氣候因子間的關(guān)系，以期篩選出關(guān)鍵氣候因子，為未來氣候變化條件下種源層面上區(qū)域杉木的培育提供科學(xué)支撐。

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，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)[18]。依據(jù)杉木產(chǎn)區(qū)的劃分，其屬于杉木的中心產(chǎn)區(qū)。試驗林于1981年春季，采用1年實生苗造林。種源試驗林所處林地較平坦，隨機區(qū)組設(shè)計。造林行間距2 m×2 m，每個小區(qū)4株，重復(fù)10次，進行了1次疏伐，至2013年秋季，杉木種源試驗林保留密度為1 261株·hm-2，平均胸徑20.14 cm，平均樹高13.45 m。試驗林地處桂中丘陵地區(qū) (23°42′ N，109°50′ E)，年平均氣溫21.1℃，年降水量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 研究材料與方法

2.1 樹輪資料

結(jié)合種源林商業(yè)采伐，對所有種源保留單株在20 cm高度處截取了圓盤，考慮地理分布的代表性及圓盤數(shù)量大于10個，選取貴州六枝（GZl）、湖南雙牌（HNs）以及福建永安（FJy）等30個地理種源各11個單株，合計330個單株進行分析，其中，中心產(chǎn)區(qū)10個種源，一般產(chǎn)區(qū)5個種源，邊緣產(chǎn)區(qū)15個種源。平均胸徑20.33 cm，平均樹高13.57 m。應(yīng)用LignoStation年輪分析儀對不同種源各單株圓盤進行掃描，分別以樹木的南、北2個方向進行測量，應(yīng)用年輪分析儀自帶軟件進行年輪界線的劃分，并量測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。

2.2 α-纖維素提取

將樹輪圓盤放在干凈的玻璃板上，選擇向陽的方位[19]，在顯微鏡下用大頭針標注經(jīng)交叉定年的樹輪。考慮到δ13C值會受到幼齡效應(yīng)的影響[20]，在取樣時去除前6年的樹輪。利用干凈的刻刀進行樹輪的逐年剝離，將同一種源的11個圓盤同一年的年輪樣品剝?nèi)『蠡旌显谝黄?，放入高速離心球磨儀將樣品粉碎至過60目篩（300 μm）。按照有機溶劑（苯:無水乙醇=2∶1，丙酮180 mL）萃取、漂白（次氯酸鈉∶乙酸=3∶2）及堿化（10%與17%的氫氧化鈉依次處理）等步驟提取α-纖維素[21-22]。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-纖維素粉末的混合。

2.3 碳穩(wěn)定同位素（δ13C）的測量

采用儀器Thermo Finnigan DELTA plus XP氣象同位素質(zhì)譜儀測量杉木全木以及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。用百萬分之一天平（Starorius）稱量粉末α-纖維素（0.20±0.05）mg，用錫囊將樣品包裹，卷好密封后上機測試，得到13C/12C值（相對VPDB標準），即δ13C。整個碳同位素（δ13C）測量精度≤0.15‰。

式中：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[23]。

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(1985－2013)Fig. 1 The change trend of the mean temperature and year 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年的年平均氣溫（T）、年最高氣溫（Ta）、年最低氣溫（Ti）、年降水量（P），年平均相對濕度（RH）、年最小相對濕度（RHi）和日照時數(shù)（S）（氣候資料來源于國家氣象信息中心來賓氣象站點的數(shù)據(jù)）。經(jīng)檢驗，來賓站點氣象數(shù)據(jù)可靠，無明顯突變，該站點氣候數(shù)據(jù)代表了當?shù)貧夂蜃兓厔荨?/p>

3 結(jié)果與分析

3.1 不同種源杉木δ13C的統(tǒng)計特征

對30個種源交叉定年后，選用去除大氣CO2濃度的年表作為后續(xù)分析年表，年表統(tǒng)計特征包括各種源樹輪δ13C的最小值、最大值、平均值、標準差、一階自相關(guān)系數(shù)、二階自相關(guān)系數(shù)及平均敏感度。

從杉木樹輪α-纖維素δ13C的測定結(jié)果可知：1987—2013年杉木樹輪δ13C的變幅為-20.997‰～-25.910‰（表1）。δ13C序列隨時間呈波動變化，所有種源的δ13C平均值達-24.022‰，標準差變幅為0.24‰～0.47‰?？傮w上，不同種源樹輪樣品δ13C均值比較離散，為基于樹輪穩(wěn)定碳同位素探討不同種源對氣候變化的響應(yīng)提供了必要條件。

通過對不同地理種源杉木年輪 α-纖維素δ13C序列進行自相關(guān)分析（表1）發(fā)現(xiàn)：不同地理種源杉木的一階、二階自相關(guān)系數(shù)較大，一階自相關(guān)系數(shù)為 0.181～0.866，而二階自相關(guān)系數(shù)為0.044～0.749，且大部分種源的一階和二階自相關(guān)系數(shù)超過0.4。由此可以說明，大部分種源杉木樹輪α-纖維素中δ13C值在響應(yīng)氣候變化時存在明顯“滯后效應(yīng)”，故選擇當年、前1年、前2年的氣候因子進行相關(guān)分析。

3.2 不同種源杉木樹輪δ13C值與氣候因子相關(guān)性分析

3.2.1 杉木樹輪δ13C與年氣象因子的相關(guān)分析從圖2可看出：大部分杉木種源樹輪α-纖維素中δ13C與年平均氣溫、年最高氣溫、年最低氣溫呈顯著正相關(guān)，與年平均相對濕度、年最小相對濕度呈顯著負相關(guān)，而與年降水、日照時數(shù)及濕潤度指數(shù)不顯著相關(guān)。這是因為樹輪α纖維素中δ13C的累積主要通過植物的光合作用進行，而溫度的升高，有利于光合作用過程中酶活性的提高，能更有效的吸收大氣中的CO2，有效促進光合作用，從而使樹輪穩(wěn)定碳同位素可以更靈敏的響應(yīng)氣候的變化。杉木生長需要的濕度相對較大，當植物葉片處于干燥的環(huán)境時，水分的減少導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度降低，限制了葉片中CO2的供給，從而樹輪α纖維素中δ13C增大，致使樹輪穩(wěn)定碳同位素可以更靈敏的響應(yīng)氣候的變化。

不同產(chǎn)區(qū)杉木樹輪的δ13C對氣候因子的響應(yīng)靈敏程度存在差異。圖2表明：對于湖南安化、福建南平、福建崇安、廣西三江、廣東樂昌、廣西融水、湖南祁陽、江西遂川、湖南雙牌、廣東始興等杉木種源而言，不同種源樹輪的δ13C與當年的最小相對濕度和前2年的平均溫度、最低氣溫、最高氣溫及平均相對濕度的相關(guān)系數(shù)較高，其中，與前2年的平均相對濕度呈顯著負相關(guān)（p＜0.05），與當年的最小相對濕度呈極顯著負相關(guān)（p＜0.01）。對于四川汶川、浙江龍泉、江西修水、四川古藺、云南西疇等杉木種源而言，不同種源樹輪δ13C與當年的最低氣溫、前1年的最小相對濕度、平均氣溫及前2年的平均相對濕度、最高氣溫的相關(guān)系數(shù)較高，其中，與前1年最小相對濕度呈極顯著負相關(guān)（p＜0.01），與當年的平均相對濕度呈顯著負相關(guān)（p＜0.05）；而廣東紫金、貴州六枝、湖南新寧、江蘇句容、廣西博白、福建永安、湖北谷城、陜西南鄭、云南屏邊、湖北羅田、河南商城、安徽東至、貴州麻江、浙江麗水、福建武平的杉木種源，不同種源樹輪δ13C值與當年的最小相對濕度、平均相對濕度和前2年的平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫的相關(guān)系數(shù)較大，其中，與當年的最小相對濕度和平均相對濕度呈極顯著負相關(guān)（p＜0.01），且與當年的最小相對濕度相關(guān)系數(shù)較大。不同產(chǎn)區(qū)原產(chǎn)地的氣候、地貌、土壤等立地條件均不相同，由于受到不同因素的影響，不同杉木種源的遺傳基礎(chǔ)出現(xiàn)差異，當將其引種到同一氣候條件下進行栽培時，這種差異性導(dǎo)致了不同種源對栽植地氣候因子的差異性響應(yīng)。

表 1 1987－2013年不同種源杉木樹輪穩(wěn)定碳同位素（δ13C）序列的基本統(tǒng)計特征Table 1 Basic statistical characteristics of stable carbon isotope sequences of different tree provenances in China from 1987 to 2013

不同地理種源杉木樹輪的δ13C與當年降水呈不顯著相關(guān)（圖2）。種源FJw與當年最低氣溫呈現(xiàn)出負相關(guān)性，而大多數(shù)種源與當年、前1年及前2年最低氣溫呈顯著或極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最大達0.677（p＜0.01）。對最小相對濕度的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，除種源Ync相關(guān)性不顯著外，其余種源均與當年、前1年及前2年最小相對濕度呈顯著或極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最大達-0.744（p＜0.01）。與日照時數(shù)的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，僅少數(shù)種源與當年、前1年及前2年呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最大達0.457（p＜0.01）。不同地理種源杉木樹輪δ13C與平均氣溫的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)（圖2），大部分種源與當年、前1年及前2年呈顯著或極顯著正相關(guān)，而種源GXb與平均氣溫呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)可達-0.418（p＜0.05）。多數(shù)種源與當年、前1年及前2年平均相對濕度呈顯著或極顯著負相關(guān)，而種源GDz、GXs及Ynb與前1年呈顯著或極顯著正相關(guān)。不同地理種源杉木樹輪δ13C與前2年最高氣溫的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)（圖2），種源GXs與其呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，相關(guān)系 數(shù) 0.569（p＜0.01） ， 種 源 SXn、 FJw、 HBt、HNq、HNs、GDs、GZm、Ynb、SCc與最高氣溫呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)可達0.447（p＜0.05）。

圖 2 杉木樹輪δ13C與年際氣候因子相關(guān)分析Fig. 2 Correlation analysis between δ13C and annual climatic factors of fir tree rings

3.2.2 不同地理種源杉木樹輪δ13C與當年氣候因子相關(guān)性隨經(jīng)緯度的變化 從杉木地理種源樹輪δ13C與當年氣候因子相關(guān)性隨經(jīng)度的變化趨勢（圖3）可知：杉木種源樹輪δ13C與年降水的相關(guān)性受經(jīng)度影響較?。╮=0.028），與年平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、日照時數(shù)的相關(guān)性隨經(jīng)度的增加總體上呈先增強后減弱的變化規(guī)律，且在110～115°E間正相關(guān)性最強。杉木種源樹輪δ13C與平均相對濕度及最小相對濕度的負相關(guān)性隨經(jīng)度的增大總體呈先增強后減弱的趨勢，且在110～115° E間呈現(xiàn)最強負相關(guān)性，δ13C與最小相對濕度的負相關(guān)性隨經(jīng)度的這種先增強后減弱的變動趨勢可由二次多項式描述，且達顯著水平（r=-0.462）。從穩(wěn)定碳同位素與各年際氣候因子的相關(guān)系數(shù)隨緯度的變化趨勢圖（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，杉木種源樹輪δ13C與年降水量的相關(guān)系數(shù)受種源所處緯度的影響較大，隨緯度的增加呈先上升后下降的顯著變化趨勢（r=0.434），而不同種源樹輪δ13C與年平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、平均相對濕度、日照時數(shù)、最小相對濕度的相關(guān)關(guān)系則受緯度影響較小。

3.3 不同種源杉木樹輪α-纖維素中δ13C與氣候因子的多元回歸分析

圖 3 δ13C與當年各年際氣候因子的相關(guān)系數(shù)隨著經(jīng)（緯）度的變化散點圖Fig. 3 Scatter diagram of correlation coefficients between the δ13C value and inter-annual climate factors along with longitude and latitude of provenances

為了更深入地了解氣候因子對不同種源杉木樹輪δ13C的影響情況，以樹輪α纖維素δ13C為因變量，自變量選取相關(guān)性較強的當年最小相對濕度（X1）及前2年的平均氣溫（X2）、最低氣溫（X3）、最高氣溫（X4）和平均相對濕度（X5），回歸方法選擇逐步回歸法，置信度＜0.05，輸出結(jié)果見表2。

從表中2中α-纖維素δ13C序列的逐步回歸分析可知：在剔除了對α-纖維素中δ13C序列影響不顯著的因子后，HNh、FJc、GXs、GDc、GXr、HNq、JXs、HNs、GDs、ZJq、JXx、GDz、GZl、HNx、JCr、FJy、HBc、SXn、Ynb、HBt、HeN、Ahd、GZm、ZJs、FJw等25個種源樹輪α-纖維素δ13C序列受氣候因子當年最小相對濕度影響顯著，其中，部分種源同時受到前2年平均相對濕度或前2年最低氣溫的顯著影響，R2處于0.176～0.627之間，說明以當年最小相對濕度為主的氣候因子對杉木不同地理種源樹輪α-纖維素中δ13C序列的貢獻量為17.6%～62.7%；而福建南平（FJn）和四川汶川（SCc）種源均分別與前2年的最低氣溫和平均相對濕度呈顯著正線性及負線性相關(guān)，廣西博白（GXb）種源與前2年平均氣溫呈顯著負線性相關(guān)，云南西疇（Ync）、四川古藺（SCl）種源與前2年平均相對濕度具顯著負線性相關(guān)關(guān)系。

表 2 δ13C與年值氣候因子多元回歸分析模型Table 2 Multiple regression analysis model between δ13C values and yearly climate factors

4 討論

不同種源杉木（1987—2013）樹輪α纖維素中穩(wěn)定碳同位素（δ13C）的變幅為-20.997‰～-25.910‰，且表現(xiàn)出較強的一階自相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.181～0.866，表明廣西柳州不同種源杉木樹輪δ13C的年際變化相對穩(wěn)定，能較好的呈現(xiàn)環(huán)境的變化，這與靳翔等[9]對岷江冷杉樹輪δ13C變幅及年際變化的研究結(jié)果相一致。

本研究發(fā)現(xiàn)，大部分杉木種源δ13C與年平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫呈顯著正相關(guān)，與最小相對濕度、平均相對濕度呈極顯著負相關(guān)，而與年日照總時數(shù)呈不顯著正相關(guān)。杉木不同種源樹輪δ13C與氣候因子的這種正負相關(guān)性與對亞熱帶樹種猴面包樹[24]及亞高山暗針葉林[25]的研究相似。

研究還發(fā)現(xiàn)，不同種源的杉木對氣候因子響應(yīng)的靈敏度不同，可見，影響樹輪中δ13C值的因素并不單一，是多個因子的綜合效應(yīng)[26]。樹輪α纖維素中δ13C值與葉片氣孔導(dǎo)度及環(huán)境溫度相關(guān)[13]，而葉片是通過感知環(huán)境中水分多少來調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度，當葉片處于相對干燥的環(huán)境中，水分的減少導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度降低，限制了葉片CO2的供給，最終導(dǎo)致樹輪中δ13C值增大[27]。溫度是影響CO2分餾的主要條件，當溫度低于平均溫度，且二者之間差值較大時，將會影響樹輪中碳的固定[28]。通過對杉木樹輪中δ13C值與當年、前1年、前2年氣候因子相關(guān)性的分析可以看出，17個種源對前2年平均氣溫、15個種源與前2年最低氣溫、21個種源與前2年最高氣溫以及11個種源與前2年的平均相對濕度相關(guān)系數(shù)較大，而14個種源與當年最小相對濕度呈顯著負相關(guān)性，除了廣東紫金、貴州六枝和湖南新寧的3個種源樹輪δ13C值對氣候因子的響應(yīng)是即時效應(yīng)外，其余的種源對氣候因子的響應(yīng)均存滯后效應(yīng)。由此可以看出，各氣候因子對杉木樹輪中穩(wěn)定碳同位素的影響是長期積累的結(jié)果，這與在低海拔地區(qū)樹輪穩(wěn)定碳同位素對年氣候因子的響應(yīng)出現(xiàn)明顯滯后效應(yīng)的結(jié)論一致[29]。

通過對相關(guān)系數(shù)較高的氣候因子進行逐步回歸分析，發(fā)現(xiàn)除了福建南平（FJn）種源與前2年的最低氣溫和平均相對濕度呈線性關(guān)系，廣西博白（GXb）種源與前2年平均氣溫呈線性關(guān)系，云南西疇（Ync）、四川古藺（SCl）種源與前2年平均相對濕度呈線性關(guān)系外，其余26個種源杉木樹輪α纖維素中δ13C值隨當年最小相對濕度的增大而出現(xiàn)減小的趨勢。因此，當年最小相對濕度可以作為影響杉木樹輪α纖維素中δ13C的主導(dǎo)氣候因子。在濕度較大的環(huán)境中，杉木往往生長較好，其有機物的分餾作用越強，導(dǎo)致樹輪中δ13C減小[28]。

5 結(jié)論

中亞熱帶柳州地區(qū)不同地理種源杉木樹輪α-纖維素中δ13C對同一氣候因子的響應(yīng)方向基本一致，大部分種源樹輪δ13C與平均相對濕度和最小相對濕度呈負相關(guān)，與平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫呈顯著正相關(guān)，與日照時數(shù)、降水和濕潤度指數(shù)的相關(guān)性不大，且有90%的杉木種源樹輪δ13C對氣候的響應(yīng)存在明顯滯后效應(yīng)。不同地理種源杉木樹輪α-纖維素中δ13C對最小相對濕度這一氣候因子的響應(yīng)較靈敏，從生物學(xué)基礎(chǔ)上闡明了樹輪穩(wěn)定碳同位素的固定、分餾受到生長環(huán)境中最小相對濕度的影響較大，而對年降水量多少的依賴性較小。研究結(jié)果有效的填補了種源層面上樹輪穩(wěn)定碳同位素對氣候響應(yīng)研究的不足，也為未來氣候變化條件下杉木人工林健康培育提供了依據(jù)。