山东塔山黑松树轮稳定碳同位素与气候要素的响应

郑紫薇，商志远，王 建，成瑞琴，陈振举

(1.山东师范大学人口资源与环境学院，山东济南 250000;2.临沂大学资源环境学院，山东临沂 276000; 3.南京师范大学地理科学学院，江苏南京 210023;4.沈阳农业大学林学院，辽宁沈阳 110866)

山东塔山黑松树轮稳定碳同位素与气候要素的响应

郑紫薇1，2，商志远3，王 建3，成瑞琴1，2，陈振举4

(1.山东师范大学人口资源与环境学院，山东济南 250000;2.临沂大学资源环境学院，山东临沂 276000; 3.南京师范大学地理科学学院，江苏南京 210023;4.沈阳农业大学林学院，辽宁沈阳 110866)

在山东塔山东坡采集黑松(Pinus thunbergii Parl)树芯样本，建立树轮稳定碳同位素年表，发现在数十年尺度上与工业革命以来大气稳定碳同位素比率降低的事实相吻合，但1976年之后树轮稳定碳同位素比率(δ13C)有逐渐上升的趋势，其原因可能是大气中CO2的积累效应导致了大气与海洋之间CO2交换的不稳定性.通过对样本δ13C序列校正提取高频序列后与气象站气象资料进行相关分析，发现树轮δ13C序列与温度呈正相关，与降水量和日照时数呈负相关，温度和降水以及日照时数对树轮δ13C的影响均存在一定的滞后效应，该地区树木生长的限制性气候因子比较复杂，可能受到多种气候因子的共同影响，在气候重建研究中应当慎重选择.

塔山;树木年轮;稳定碳同位素;气候要素

1 引言

树轮稳定碳同位素作为一种高精度气候变化代用指标，已成为树轮年代学研究的重要手段之一.国外树轮稳定碳同位素的研究相对广泛而成熟，而国内研究相对滞后［1－3］.尤其是处于我国东部暖温带大陆性季风气候区的山东鲁南地区，是亚热带与暖温带之间的气候过渡区和气候变化敏感区，该区域气候环境变化对我国东部季风气候区的气候与环境变化会产生显著影响.然而截至目前，该区仅有个别学者利用树轮宽度开展了对温度、相对湿度等气象指标的重建工作［4－5］，树轮稳定碳同位素与气候环境响应的研究尚未见到.本文利用鲁南地区山东塔山东坡的黑松树轮稳定碳同位素资料，分析其组成状况及特征，并对其进行校正，提取高频序列后，通过相关函数等方法探究温度、降水量及日照时数等气候因子对校正后树轮δ13C序列的响应，为本区域今后深入开展树轮研究及气候重建提供理论依据.

2 研究区概况

采样点位于山东省费县境内的塔山，在气候区划上属于季风暖温带半湿润地区，是亚热带与温带之间的气候过渡区和气候变化敏感区.当前塔山植被已整体演替为针叶林、针阔混交林和落叶阔叶林，主要优势树种为黑松、赤松、麻栎、油松和杂木林，森林覆盖率达到85%以上［6］，属国家森林公园和国家地质公园.该区树木生长可以记录其生长环境中气候变化的许多信息.

3 材料与方法

3.1 样本采集与定年

在植被资源保存比较好的塔山地区，进行黑松树芯样品采集.共采集18棵树144个树芯.样本采集方法严格按照国际树轮数据库标准进行.通过COFECHA程序进行交叉定年检验，确定最长年份的树为东坡采集的黑松(TSE5)，树龄为73a(1938a－2010a)，其它坡向采集的树木的生长年份均不超过55a.交叉定年过程在中国科学院地理科学与资源研究所完成.

3.2 树轮稳定碳同位素提取与测定

选取东坡采集的生长年份较长的四个方位树芯进行综纤维素提取，取相同时段的算术平均值，得到塔山东坡黑松树轮的稳定碳同位素序列.为了满足综纤维素提取所需样本量的要求，参考相关文献［7－8］，采取相同坡向相同方位树芯混合的方法进行剥取、装袋，作为东坡某方位某一年的待测样品.化学处理过程包括用苯－乙醇混合溶剂抽提去除脂类及类脂类物质，用冰醋酸及多次加入亚氯酸钠氯化以去除木质素两大步骤，提取出树轮综纤维素.纤维素提取过程在南京师范大学树轮实验室完成.

利用ThermoFinnigan－DeltaplusXP型同位素比例质谱仪测定纤维素样品的碳同位素13C/12C之比.测定结果相对于PDB标准表示为δ13CPDB［9］，简写为δ13C，表达式为:

整个流程分析误差≤0.15‰.δ13C测定工作在中国科学院沈阳应用生态研究所完成.

3.3 气象数据来源与分析

气象资料来自于费县气象(35°01'—35°33'N，117°36'—118°18'E)，气象站与采样点的直线距离2.35 km，海拔相差近500 m.图1为该站多年各月平均气温和降水量的分布特征，该站多年平均气温13.6℃，最高温度出现在7月，最低温度出现在1月.年平均降水量为840 mm，降水季节分布不均，7～8月的降水占全年降水量的近53%，冬季降水较少.

图1 费县气象站月平均气温和月降水量的多年平均值(1959－2010年)

图2 气象站数据滑动T检验结果

论文中采用的部分气象资料为月平均气温(1959－2010年)，月总降水量(1959－2010年)，月日照时数(1960－2010年).经滑动t检验(图2)和Mann－Kendall时间序列趋势检验［10］(图3)，在a=0.01水平上相同时段的逐月气温、降水和日照时数序列均在置信区间内，未发生突变，说明该气象站数据可靠，可用作气候响应分析.

图3 气象站数据Mann－Kendall时间序列趋势检验结果

4 结果与讨论

4.1 树轮稳定碳同位素的年序列特征分析

图4中展示了塔山黑松树轮δ13C的实测序列与多项式拟合序列的对比，拟合方程如下:

从实测序列来看，树轮δ13C的最小值是－26.34‰(1963a)，最大值为－23.10‰(1941a)，平均值为－25.00‰.从拟合序列看出:自1940年开始，树轮δ13C值有不断下降的趋势，这与冰芯研究及大气观测数据显示的自工业革命以来大气稳定碳同位素比率(δ13Cair)下降的特点相吻合.研究［3，11］表明，由于化石燃料燃烧放出过多的贫13C的CO2气体，导致大气中稳定碳同位素组成δ13Cair值不断降低.大气CO2的碳同位素组成会对树轮稳定碳同位素的组成产生影响.大气CO2中的δ13Cair值降低，树轮中的稳定碳同位素组成δ13C值也随之降低.

这种趋势在本研究中持续至1975年前后达到谷值，值得注意的是，从1976年至今树轮δ13C值不但没有继续降低，反而呈现波动式缓慢上升趋势.这种短时间尺度上升现象在国内的一些研究中也有体现［1，12－13］，郑成华(1992)分析树轮稳定碳同位素样品时发现δ13C值在1934年出现谷值，在1936年以后出现一个反常的峰区.他认为这种现象是由于大气CO2的积累效应破坏了大气－海洋间C平衡，因而产生的CO2交换所致［12］.陈中笑，程军(2011)分析表明，大气CO2持续增加具有明显的季节和年际变化.其中，1973～1974，1988～1993，1998～2000年大气CO2增加有明显减缓的过程，而同期人为排放并未减少，这是由于大气、海洋和大气、陆地植被间的CO2交换的非稳定性所致［12－13］.分析所显示的年份虽然在本研究中得到了很好的响应，然而这种交换效应是否确实还有待于进一步研究.

4.2 树轮稳定碳同位素高频序列的提取

由于气候因素影响树轮δ13C序列的高频变化，大气CO2浓度影响树轮δ13C序列的低频变化.因此需要对树轮稳定碳同位素的δ13C序列进行校正，剔除大气CO2对树轮δ13C值的影响，连续的校正参数可由下述文献提供［14－15］.本文利用下列公式［14］来消除大气δ13Cair的影响，得到树轮的高频变化序列δ:

δ13Cair、δ13Cplant分别代表大气和树轮中稳定碳同位素比率.为了计算δ值，需要知道大气中δ13Cair.本文用Feng［15］建立的方程:

该公式是用从冰芯中测定的大气CO2的δ13C值和直接测定的大气δ13C值建立的.由于半球间大气CO2浓度相差很小［16］，相应的大气δ13Cair也不会相差太大.在这里假定大气δ13Cair与δ13Catm相等，消除大气CO2低频变化影响后的树轮δ高频序列，如图5.

图5 去除大气CO2影响的树轮δ高频变化序列

4.3 与气候指标的相关分析

将逐月平均气温(降水量/日照时数)及不同连续月份组合的月平均气温(降水量/日照时数)与树轮δ做相关分析，考虑到滞后效应，加入与上一年不同连续月份组合.选取相关系数较高和部分信度检验通过0.05的代表性气候因子.结果见表1、表2.树轮δ13C与温度之间的关系比较复杂，并没有一致的结论存在［5，17－19］.从表1得知，树轮δ13C与平均气温基本呈正相关.有研究表明［17］，树轮δ13C在最适温度时最小，当气候较冷(低于最适温度)时，树轮δ13C随温度的升高而降低;当气候较暖(高于最适温度)时，树轮δ13C随温度的升高而升高.研究区地处暖温带大陆性季风气候区，研究结果呈正相关，比较符合当地情况，即随着平均气温的升高，气孔导通度(g)降低，叶片内部CO2浓度降低，造成了树轮δ13C随气温升高而增大.

从与单个月份月平均气温的相关程度来看，与1～4月和9月、12月份的月平均气温呈极其显著性相关，通过了0.01的信度检验，与5月和10月的相关系数也通过0.05的信度检验.从与当年不同连续月份组合的相关系数来看，均有先减小再增大的趋势，从3个月连续月份组合中可看出气温对树轮δ13C的影响存在明显的滞后效应，表现在加入上一年气温的连续月份组合与树轮δ13C的相关系数要高于当年连续月份组合的相关系数.其中上年12月至当年5月的平均气温对树轮δ13C的影响最显著，即冬春季节树轮δ13C对气温的响应较为敏感，相关系数达到最大值.参见表1连续月份组合的相关系数下划线部.而山东塔山地区3～8月份为树木的主要生长季节，从相关系数来看，生长季的平均气温对树轮δ13C的影响不如冬春季节的影响显著.

从表2来看，树轮δ与降水量呈负相关，这与一些学者的研究结果［2，20－21］相一致.本研究区树木生长对降水的响应程度低于对温度和日照时数的响应，只有上年9月至当年1月和上年9月至当年4月的降水量与树轮δ的相关系数通过信度检验水平，其余均未通过信度检验.这说明上一年秋冬季节降水量对树轮δ13C的影响存滞后效应.上一年冬季的积雪，即当年春季的融水为树木生长提供了必要的水分条件.气候要素通过改变树木对CO2同化速率(A)和叶片气孔导通度来影响树轮δ13C值，水分胁迫导致气孔关闭，树轮δ13C值增大，反之，降水量增加，气孔导通数增大，树轮δ13C值减小［20］.

表1 树轮δ与月平均气温的相关系数

表2显示，大多数月份总日照时数与树轮δ呈负相关，相关系数至少通过了0.05的信度检验，其中6～8月的相关系数通过0.01的信度检验，即主要表现为与夏季总日照时数显著负相关.随着月份组合数增多，相关系数增大(参见表2下划线部分)，说明光照时数对树轮δ13C的影响是个长期积累的过程.上年8月至当年3月的总日照时数对树轮δ13C的影响超过生长季6～8月总日照时数的影响.一般认为充足的光照可以使树木积累更多的有机物以进行光合作用，叶片气孔数目减少或关闭，气孔导通率降低，细胞内部CO2浓度降低，导致树轮δ13C值增大［22－24］.然而树轮δ13C的分馏不仅受光照时数长短的影响，光质对它的分馏也起到了不可忽视的作用，在紫外辐射增强时，光合能力下降或光合作用器官受损，则会导致植物的δ13C值降低［22］.

5 结论

1)山东塔山地区黑松树轮δ13C序列部分记录了工业革命以来由于化石燃料燃烧，导致大气CO2浓度增加，大气δ13C 降低的事实，但存在短时间尺度的反常峰区.其形成机制还有待于进一步研究.

2)校正后的树轮δ与气象资料的相关分析表明，与平均气温呈正相关，与降水量和日照时数呈负相关.本研究区树木生长对降水的响应小于对温度和日照时数的响应;冬春季节平均气温对树轮δ13C的影响很大;平均气温、降水量和日照时数对树轮δ13C的影响是一个长期的累积过程，均存在显著的滞后效应.

3)塔山地区树木生长的限制性气候因子比较复杂，可能受到多种气候因子的共同影响.因此在重建此区气候的研究上需慎重选择，多气象要素综合分析，选取出最优指标进行气候重建.

表2 树轮δ与月总降水量及月日照时数的相关系数

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［21］张同文，王丽丽，袁玉江，等.利用树轮宽度资料重建天山中段南坡巴伦台地区过去645年来的降水变化［J］.地理科学，2011，31(2):251－256.

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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

国家自然科学基金项目(41072139);山东省自然科学基金项目(Y2008E15)

郑紫薇(1988－)，女，吉林敦化人，山东师范大学人口资源与环境学院硕士研究生.