【doc】 中国红松年轮纤维素碳同位素组成对中国东部气温变化的响应

【doc】 中国红松年轮纤维素碳同位素组成对中国东部气温变化的响应 中国红松年轮纤维素碳同位素组成对中国 东部气温变化的响应 第25卷第2期 2005年6月 矿物 ACTAM玳ERAI;ICASIN/CA V.1.25.No.2 Jun.,2005 文章编号:1000-4734(2005)024)103.04 中国红松年轮纤维素碳同位素组成 对中国东部气温变化的响应 尹璐,安宁2,龙良平2,刘莹2,刘广深3,陶发祥2 (1.贵阳市环境保护研究所,贵州贵阳55o002;2.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室 稳定同位索生物气候学研究组,贵州贵阳550~;3.浙江大学资源与环境学院,浙江杭.州310328) 摘要:分别逐轮测定两棵中国红松的年轮纤维索碳同位素组成,获得两个长达109a(1880---1988年)的时间序 列.合成一个新序列并移去趋势变化后,与同样长度的中国东部年气温变化序列进行交叉相关分析.结果表 明树轮碳同位索组成对生长当年之前第二年温度变化具有灵敏响应(r:0.373,/?t=109,P<0.001).同时,碳 同位索组成也与其中一棵树的年轮宽度呈高度负相关(r=一0.390,=109,P<0.001).这一方面揭示了中国 红松年轮稳定碳同位素组成序列在重建高分辨率区域性气候变化中的重要作用,也说明树轮碳同位素组成转 录气候变化信号的复杂性. 关键词:红松;树轮;纤维素;碳同位素;气温变化 中图分类号:P597;X142文献标识码:A 作者简介:尹璐,女,1971年生,硕士研究生,从事环境工程学研究. 用树轮纤维素碳同位素组成来重建过去气候 变化通常要建立一个气候参数和碳同位素组成间 的响应函数或转换函数Il之J,转换函数的质量取决 于很多因素,其中重要的一个方面是气象的 可靠性及长度.那些适于用来重建的树种往往分 布在高山,亚高山区,远离人类愿意企及的范围, 附近的气象台站记录相对较短,大多只有40a左 右的历史.相反,在人类活动强烈,经济发达地区 的气象台站又往往具有百长度的记录.不同 地区的长时间气象记录(如气温)可以用来合成新 的序列,代表区域性的气候(如气温)变化j.因 此,该研究的主要目的是检测中国长白山红 松年轮纤维素碳同位素组成在百年级时间长度上 是否对中国东部的气温变化有敏感响应. 1取样及取样策略 所取树种一中国红松(Piru~skoraiensis)的特性 已在另一篇研究报告中述及L4j.本次实验的红松 轮盘是1988年9月取自长白山北坡云冷杉林带几 收稿日期:2005.03.21 基金项目:国家自然科学基金项目(批准号:4O472089) *通讯作者,电话:0851—5891507;传真:0851—5891609;Email tadaxian~@mail.g.ac.gn 个山峰上,地理位置为海拔1500m,东经128.8,北 纬42~24,接近长白山北坡红松分布的上界(海拔 1700m).长白山红松树龄从几十a到500a不等. 土壤为棕色针叶林土.取样点气候状况应介于附 近的天池气象站(海拔2670m,东经128~5,北纬42~ l)和中国科学院长白山森林生态系统开放研究站 气象站(海拔736m,东经1288北纬42~24)气候状 况之间,前者年平均气温一7.4cI=,年降雨量为1323 H?n,后者年平均气温3.5?,年降雨量为6001000 mm.受东亚季风的影响,降雨主要集中在夏季, 8月降雨量占全年降雨量的比率超过60%. 在稳定同位素树轮气候学研究中通常考虑如 下取样策略:?所取树种对环境条件(如气温,降雨 量,相对湿度等)的变化敏感,换言之就是该树种对 环境条件要求苛刻;?所取树种应分布在山峰,而 非山谷或山腰,也就是土壤相对较干的位置;?所 取树的周围十余米范围内应无其它树种分布,以避 免种属间对环境条件的生态竞争产生不必要的环 境噪声;所取树种高大,到达林冠层顶部可触及自 由大气的变化;?所取树种树龄应该足够长以能获 得长时间序列;?取样点附近有气象站以获得气象 记录;?所取树种应在其分布带的上界附近.我们 选取的取样点及取样树种红松基本满足上述条件. 104矿物2005年 2实验方法 2.1树轮定年 从所取1O个轮盘中选取3个树轮宽度变异 较大者进行交叉定年,分别命名为轮盘RP1,R/r2, 1LP3,其年代分别为l756—1988年(233a),1766— 1988年(223a),1771—1988年(218a).RP1和 RP2用来做碳同位素组成分析(1880一l988年, 序列长度109a),也获得了RP1的年轮宽度序列 (1789---1988年,序列长度200a)【. 2.2纤维素萃取 用手术刀剥离年轮样品后烘干粉碎至100目, 用来萃取纤维素.有些样品由于年轮宽度太窄,就 将附近几轮合并以获得足够材料萃取纤维素做同位 素组成分析.本研究报告的序列包括如下合并样 品:RPI(1918-一192【),1921—1922,19~3---1954,1969— 1971,1967--1968年),RP2(1898--1899,1901--1902, 1918--1919,19一1921,1922—1923,1卜1945, 194(}-一1948,19一1951,1953—1954,19一l958, 1959--1960,1l978,1979---1980年). 用刘广深L5J5萃取获得的纤维素样品重新进行 纤维素萃取,因为我们发现这些样品大多数为浅褐 色或浅灰色,并不是理想的纯白色.纤维素萃取的 化学如下L6J:有机溶剂索氏抽提(苯:甲醇=2: 1,12h;丙酮,12h),加去离子水,冰醋酸和亚氯酸 钠用超声波反复氯化直至样品为纯白色,用去离子 水洗净后加17%热KOH溶液萃取12h去半纤维 素,用热的去离子水洗涤3次后,用稀醋酸溶液中 和,再用去离子水反复洗涤至中性或溶液电导率小 于0.1m,,然后真空冷冻干燥样品备用.我们 弃用次氯酸钠而改用亚氯酸钠氯化,是因为前者氧 化电位较高,选择性差,而后者氧化电位适中,具有 高度选择性而有利于保护纤维素不致氧化分解. 重新处理的所有样品均为纯白色. 及其值进行校正,分析的总精度好于 ?0.1‰.IAEAC3的813CpDB标准值为(一24.9? 0.1)‰,我们测定的21个样品平均值为(一24.93 ?0.o4)‰,变化范围为一25.03%o,一24.87%o. 3结果 3.1树轮宽度 树轮宽度随年代变化以图la表示.轮宽的变 化范围为0.38—3.31mill,平均值为(1.354-0.36) nn(=203).回归分析表明原始轮宽具有明显的 线性变化趋势(图la),随着树龄的增长,树木生理 活动能力减弱,年轮宽度呈现变窄的趋势,变化幅 度为每年变窄0.OO64mm,可以用此值对原始轮宽 值进行校正(图1b),这就移去了轮宽的生理趋势. 另外一种方法是用传统的获得树轮指数的方法消 除树木的生长趋势J,这未必对于所有树木都适 合.校正后的轮宽变化范围为1.04,3.41mill,平 均值为(1.354-O.43)mm(n=200). 40 „ 3O 巨 嚣 窖 毫= t0 O0 4?0 l3O 童 . 茸 L0 00 7801800I820I840I8601880I90(I19如194019601980 树轮年代 图1RP1原始轮宽(a)及去趋势后的轮宽(b) 随年代的变化 Fig.1.Plotoftheoriginal(a)anddetrended(b) ringwidthofRP1vs.age. 2?3碳同位素比值测定3 . 2树轮纤维素稳定碳同位素组成 用石英熔封管高温燃烧法(850?,5h)制备 C02气体,在高真空线上冷冻分离纯化收集Co2, 在MAT252同位素比值质谱仪上测定碳同位素比 值.7J.测定结果以传统的”BCpDB”表示,所有数 据均用国际原子能机构(IAEA)提供的纤维素标 样(AC3)在同样条件下获得的碳同位素比值 图2显示RP1和RP2年轮纤维素碳同位素 组成的原始序列(图2a)和合并后移去线性趋势 后的序列(图2b).合并方法如下:先对两个序列 内缺失数据进行线性内插,再将对应年份的两个 碳同位素数据求算术平均值.去线性趋势的方法 同年轮宽度的一致.由于树轮碳同位素序列同样 第2期尹璐等:中国红松年轮纤维索碳同位素组成对中国东部气温 变化的响应105 可能包含生理趋势,又包含与大气二氧化碳浓度 逐年升高相伴的碳同位素比值偏负趋势,因此,用 线性回归方法综合校正比只用大气二氧化碳碳同 位素比值校正可能要好. 一 20 一 22 妻一23 茸 - 24 20 《 占: 鑫,22 妻,23 茸 , 24 8801890l90019l01920】9301940】95019601970】980I990 树轮年代 图2RP1和RP2年轮纤维素碳同位素 组成随年代的变化(a.原始序列; b.合并后去趋势后的序列) Fig.2.PlotofcarbonisotopiccompositionofRP1andRP2 growth-tirecellulosevs.age.a.Theofi~naltimeseries; b.thecombinedanddetrendedtimeseries. RP1和RP2碳同位素组成范围分别为一22.4 ‰,一20.2‰和一23.6%.一20.9‰,平均值分别 为(一21.3?0.4)‰(n=lo1)和(,22.0?0.5)%.(n =l06).因此,整体上看,RF2要比RP1富集轻同 位素.平均来看,RP2较RP1纤维素碳同位素组成 偏负0.7%..这要么由两棵树所在地土壤干湿状况 不同引起,要么由红松个体的基因型差异导致.两 棵树的年轮纤维素碳同位素组成呈现很好的正相 关性(r=0.529,n:100,P<0.001). 4讨论 4.1年轮宽度与年轮纤维素碳同位素组成的关系 树木生长季光合作用速率的快慢决定年轮的 宽窄,环境条件既影响光合作用速率又影响光合 作用过程中的碳同位素分馏.因此,理论上,年轮 纤维素碳同位素组成与年轮宽度之间应存在一定 程度的相关关系.很少有研究报告探讨二者间的 关系.相关分析表明合并后的碳同位素组成序列 与RP1的校正后的轮宽序列有显着负相关关系 (图3)(r:一0.390,n=109,P<0.001). l88018901900191019201930194019501960197019801990 树轮年代 图3树轮纤维素碳同位素比值距平和RP1轮宽距平 随年代的变化,二者间呈现明显的负相关关系 Fig.3.Plotofdeparture0fe~rbonisotopiccompositionof celluloseintreeringandoftreeringwidthvs.age. showingadistinctnegativeeorrelalionshipbetweenthem. 在图3中也可以发现二者在某些阶段呈现正 相关关系,树轮宽度与树轮纤维素碳同位素组成 间这种正,负相关的匹配模式到底受何种因素调 制是一个很有意思的问题,不排除从这种模式匹 配的探讨中能够获得有益气候信息或植物生态生 理信息的可能性. 4.2年轮纤维素碳同位素组成对中国东部气温 变化的响应 少见研究报告探讨在百年级时间长度上树轮 纤维素碳同位素组成对气温变化的响应关系.对 于我们获得的数据,如果与中国东部温度距平序 列J直接求相关系数,则二者间的正相关系数为 0.295(n=109,P<0.001).如果交叉相关,发现 树轮纤维素碳同位素距平与树轮生长当年之前第 二年的温度距平正相关系数最大,达0.373(n= 109,P<0.001)(图4). 甚 啊 1880I)l啪19IOJ2I}1930194U195111961]l97019801990 树轮年代 图4树轮碳同位素比值距平与中国东部 温度距平之间的关系(碳同位素比值年代前移两年) Fig.4PlotofdepartureoffreeriIcarbonisotope ratioandofEastChinatemperatureage,肿由lgthat theageofthecaIb0llisotopedatahasbeen artificiallyra~edbackbytwoI丑璐. :三圳505050500} l06矿物2005越 尚没有合理的机制解释为什么树轮纤维素碳 同位素组成能够记录生长年之前第二年的气温信 号.这种信号是怎样被储存在植物体内,在合成 纤维素时被转录进纤维素分子中?不管怎样,这 种相关关系的存在为区域性气候变化的重建开辟 lJ 世 娟 18801890I900lgll】l9201930l{“)19j()I960l970198O1990 树轮年代 图5重建的与实测的中国东部气温距平值的比较 Fig.5.Comparisonofthereconstructedand measureddeparturesofEastClrinatemperature. 参考文献: 了一个新途径.图5显示实测的中国东部气温距 平值与重建值的比较. 5结论 本研究报告尝试了用两个碳同位素序列合成 新序列,来寻找树轮纤维素碳同位素组成与树轮宽 度和区域性气候变化的关系.在百年级时间长度 上,长白山红松对中国东部的气温变化具有灵敏响 应,这提供了用树轮同位素组成重建区域性气候变 化的新途径,也表明植物一气候系统相互作用的复 杂性.诚然,很多机制问题尚需进一步探讨. 致谢:感谢中国科学院地理与资源科学研究所吴祥定研究 员协助树轮定年和轮宽测定,中国科学院地球化学研究所 耿龙年先生协助碳同位素分析. 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RESpONSEoFCARBoNIS0ToPEC0?哟Sr】rIoNoFCH]【I,i】 ESEREDPINEANNUAI GRO,7~THRGCELLULoSEToEATCHA1]RA田【瓜EVARIA.I?]0Ns YINLu,ANNiIlg2,LONGLiang-ping2,LIUYingz,LIUGuang-shen3,TAOFa—xian~ (1,Guiyang胁却胁ofEn~omnentalProteaion,Guiyang550002,China; 2.StableIsotopeBiochmatologyResewchGroup,State协 ,ofEnviro~&o~hemist,y, InstituteofGeochemistry,ChineseAa~temyofSciences,C~.iyang550002, China 3.ofResourcesandEnvironmentalSciences,ZhejiangUniversity,Hanzhou310028,Ch/na) Abstract:Two109一years一 0ldtimeseriesoftreeringcellulosecarbonisotopecompositionfromtwoChineseredpines(P/nus kora/ens/s)wereobtained.Theyweremergedanddetrended.Anewserieswasconstructed.Anegativecorrelationwas foundbetweenthenewseriesandthedetrendedringwidthseriesofoneoftwotrees(r:一0.390,n:109,P<0.001). Moreover,apositivecorrelationexistsbetweenthecarbonisotopecompositionofthenewseriesandthelastsecondyear temperatureofeastChina(r:0.373,n=109,P<0.001).rllaismaysetupanewpathforregionalclimatereconstruction byusingtreeringcellulosecarbonisotopeseries.Ontheotherhand,itimpliesthattheprocessfortreeringcelluloseto transdt,ceclimatesignalsisverysophisticated. Keywords:Pinuskoraiensis;treering;cellulose;carbonisotope,climatevariation