鄭紫薇，商志遠(yuǎn)，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(jì)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(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 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(yuǎn)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(jì)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(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 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(shí)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(shì)，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(duì)樣本δ13C序列校正提取高頻序列后與氣象站氣象資料進(jìn)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(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)，溫度和降水以及日照時(shí)數(shù)對(duì)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(zhǎng)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(dāng)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(biāo)，已成為樹輪年代學(xué)研究的重要手段之一.國(guó)外樹輪穩(wěn)定碳同位素的研究相對(duì)廣泛而成熟，而國(guó)內(nèi)研究相對(duì)滯后［1－3］.尤其是處于我國(guó)東部暖溫帶大陸性季風(fēng)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(duì)我國(guó)東部季風(fēng)氣候區(qū)的氣候與環(huán)境變化會(huì)產(chǎn)生顯著影響.然而截至目前，該區(qū)僅有個(gè)別學(xué)者利用樹輪寬度開展了對(duì)溫度、相對(duì)濕度等氣象指標(biāo)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(duì)其進(jìn)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(shí)數(shù)等氣候因子對(duì)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(diǎn)位于山東省費(fèi)縣境內(nèi)的塔山，在氣候區(qū)劃上屬于季風(fēng)暖溫帶半濕潤(rùn)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(dāng)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(shì)樹種為黑松、赤松、麻櫟、油松和雜木林，森林覆蓋率達(dá)到85%以上［6］，屬國(guó)家森林公園和國(guó)家地質(zhì)公園.該區(qū)樹木生長(zhǎng)可以記錄其生長(zhǎng)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(jìn)行黑松樹芯樣品采集.共采集18棵樹144個(gè)樹芯.樣本采集方法嚴(yán)格按照國(guó)際樹輪數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行.通過COFECHA程序進(jìn)行交叉定年檢驗(yàn)，確定最長(zhǎng)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(zhǎng)年份均不超過55a.交叉定年過程在中國(guó)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(cè)定

選取東坡采集的生長(zhǎng)年份較長(zhǎng)的四個(gè)方位樹芯進(jìn)行綜纖維素提取，取相同時(shí)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(xiàn)［7－8］，采取相同坡向相同方位樹芯混合的方法進(jìn)行剝?nèi)?、裝袋，作為東坡某方位某一年的待測(cè)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(shí)驗(yàn)室完成.

利用ThermoFinnigan－DeltaplusXP型同位素比例質(zhì)譜儀測(cè)定纖維素樣品的碳同位素13C/12C之比.測(cè)定結(jié)果相對(duì)于PDB標(biāo)準(zhǔn)表示為δ13CPDB［9］，簡(jiǎn)寫為δ13C，表達(dá)式為:

整個(gè)流程分析誤差≤0.15‰.δ13C測(cè)定工作在中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)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(fèi)縣氣象(35°01'—35°33'N，117°36'—118°18'E)，氣象站與采樣點(diǎn)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(fèi)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(dòng)T檢驗(yàn)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(shí)數(shù)(1960－2010年).經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)(圖2)和Mann－Kendall時(shí)間序列趨勢(shì)檢驗(yàn)［10］(圖3)，在a=0.01水平上相同時(shí)段的逐月氣溫、降水和日照時(shí)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(shí)間序列趨勢(shì)檢驗(yàn)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(shí)測(cè)序列與多項(xiàng)式擬合序列的對(duì)比，擬合方程如下:

從實(shí)測(cè)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(shì)，這與冰芯研究及大氣觀測(cè)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(diǎn)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(huì)對(duì)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(shì)在本研究中持續(xù)至1975年前后達(dá)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(dòng)式緩慢上升趨勢(shì).這種短時(shí)間尺度上升現(xiàn)象在國(guó)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(shí)發(fā)現(xiàn)δ13C值在1934年出現(xiàn)谷值，在1936年以后出現(xiàn)一個(gè)反常的峰區(qū).他認(rèn)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(shí)還有待于進(jìn)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(duì)樹輪穩(wěn)定碳同位素的δ13C序列進(jìn)行校正，剔除大氣CO2對(duì)樹輪δ13C值的影響，連續(xù)的校正參數(shù)可由下述文獻(xiàn)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(jì)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(cè)定的大氣CO2的δ13C值和直接測(cè)定的大氣δ13C值建立的.由于半球間大氣CO2濃度相差很小［16］，相應(yīng)的大氣δ13Cair也不會(huì)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(biāo)的相關(guān)分析

將逐月平均氣溫(降水量/日照時(shí)數(shù))及不同連續(xù)月份組合的月平均氣溫(降水量/日照時(shí)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(yàn)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(shí)最小，當(dāng)氣候較冷(低于最適溫度)時(shí)，樹輪δ13C隨溫度的升高而降低;當(dāng)氣候較暖(高于最適溫度)時(shí)，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(fēng)氣候區(qū)，研究結(jié)果呈正相關(guān)，比較符合當(dāng)?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(gè)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(yàn)，與5月和10月的相關(guān)系數(shù)也通過0.05的信度檢驗(yàn).從與當(dāng)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(shì)，從3個(gè)月連續(xù)月份組合中可看出氣溫對(duì)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(dāng)年連續(xù)月份組合的相關(guān)系數(shù).其中上年12月至當(dāng)年5月的平均氣溫對(duì)樹輪δ13C的影響最顯著，即冬春季節(jié)樹輪δ13C對(duì)氣溫的響應(yīng)較為敏感，相關(guān)系數(shù)達(dá)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(zhǎng)季節(jié)，從相關(guān)系數(shù)來看，生長(zhǎng)季的平均氣溫對(duì)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(fù)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(zhǎng)對(duì)降水的響應(yīng)程度低于對(duì)溫度和日照時(shí)數(shù)的響應(yīng)，只有上年9月至當(dāng)年1月和上年9月至當(dāng)年4月的降水量與樹輪δ的相關(guān)系數(shù)通過信度檢驗(yàn)水平，其余均未通過信度檢驗(yàn).這說明上一年秋冬季節(jié)降水量對(duì)樹輪δ13C的影響存滯后效應(yīng).上一年冬季的積雪，即當(dāng)年春季的融水為樹木生長(zhǎng)提供了必要的水分條件.氣候要素通過改變樹木對(duì)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?。?0］.

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(shí)數(shù)與樹輪δ呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)至少通過了0.05的信度檢驗(yàn)，其中6～8月的相關(guān)系數(shù)通過0.01的信度檢驗(yàn)，即主要表現(xiàn)為與夏季總?cè)照諘r(shí)數(shù)顯著負(fù)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(shí)數(shù)對(duì)樹輪δ13C的影響是個(gè)長(zhǎng)期積累的過程.上年8月至當(dāng)年3月的總?cè)照諘r(shí)數(shù)對(duì)樹輪δ13C的影響超過生長(zhǎng)季6～8月總?cè)照諘r(shí)數(shù)的影響.一般認(rèn)為充足的光照可以使樹木積累更多的有機(jī)物以進(jìn)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(xì)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(shí)數(shù)長(zhǎng)短的影響，光質(zhì)對(duì)它的分餾也起到了不可忽視的作用，在紫外輻射增強(qiáng)時(shí)，光合能力下降或光合作用器官受損，則會(huì)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(shí)，但存在短時(shí)間尺度的反常峰區(qū).其形成機(jī)制還有待于進(jìn)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(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān).本研究區(qū)樹木生長(zhǎng)對(duì)降水的響應(yīng)小于對(duì)溫度和日照時(shí)數(shù)的響應(yīng);冬春季節(jié)平均氣溫對(duì)樹輪δ13C的影響很大;平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)對(duì)樹輪δ13C的影響是一個(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)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(biāo)進(jìn)行氣候重建.

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

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41072139);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)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.