庫姆塔格檉柳沙包年層穩定碳同位素與氣候環境變化

張錦春，姚 拓，劉長仲，劉世增，孫 濤，袁宏波，唐進年，丁 峰，李學敏，劉 瑞，宋德偉

(1. 甘肅農業大學草業學院，蘭州 730070； 2. 甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，民勤 733300；3. 甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室培育基地，武威 733000； 4. 甘肅省治沙研究所，蘭州 730070；5. 草業生態系統教育部重點實驗室，蘭州 730070)

庫姆塔格檉柳沙包年層穩定碳同位素與氣候環境變化

張錦春1,2,3,4，姚 拓1,5,*，劉長仲1, 5，劉世增2,3,4，孫 濤3,4，袁宏波2,3,4，唐進年3,4，丁 峰2,3,4，李學敏3,4，劉 瑞4，宋德偉4

(1. 甘肅農業大學草業學院，蘭州 730070； 2. 甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，民勤 733300；3. 甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室培育基地，武威 733000； 4. 甘肅省治沙研究所，蘭州 730070；5. 草業生態系統教育部重點實驗室，蘭州 730070)

采用年層環境分析法，建立庫姆塔格沙漠檉柳沙包年層穩定碳同位素序列，并利用記錄的環境信息和附近氣象資料，分析檉柳沙包穩定碳同位素與氣候環境變化。結果表明：(1)檉柳沙包年層穩定碳同位素比率(δ13C)在20世紀40—60年代出現波動，80年代后趨于下降，δ13C序列變化符合全球樹輪δ13C下降趨勢，表明大氣CO2濃度增加會對檉柳沙包年層δ13C造成影響。(2)檉柳沙包年層穩定碳同位素分辨率(Δ)與全球氣候變化趨勢相一致，120a以來，全球氣候變暖，檉柳沙包Δ偏重，為干熱的氣候環境，19世紀80年代以前，氣溫偏低，檉柳沙包Δ值偏輕，代表冷濕的氣候環境。(3)不同生境環境下檉柳沙包年層Δ值對氣候環境要素產生不同的響應，高海拔的山前檉柳沙包Δ值與年降水、濕度及季節性氣壓、光照相關性顯著，Δ值受多個氣候要素的影響，其滯后作用不明顯；低海拔的干旱沙漠區檉柳沙包Δ值對年氣溫及季節性降水、濕度特別敏感，Δ值存在明顯的滯后效應。

庫姆塔格；檉柳沙包；穩定碳同位素序列；年層；氣候環境

檉柳沙包是干旱區發育的一種特殊生物地貌類型，它的形成和發育是檉柳和風沙長期作用的結果。每年春、夏季為風沙活動較為強烈的季節，風沙流攜帶沙粒遇到檉柳灌叢阻擋產生沉降和堆積，形成不同厚度的沙層；秋末冬初風速較低，空氣相對濕度較大，檉柳落葉沉積于沙層上，再經霜雪的壓實和保護形成一個連續的枯枝落葉層。檉柳沙包這種特有的沙層和枯枝落葉層交替沉積而成的層理結構，稱為“檉柳沙包年層”。由于沙包形成的氣候條件十分干燥，從而使其這種“年層”結構長期保存。檉柳沙包年層不僅與樹木年輪等一樣，可以用來計數年代，其組成物質還蘊含豐富的環境信息，可用于研究氣候環境的變化。這對干旱荒漠區生態環境研究具有十分重要的意義[1- 2]。

檉柳沙包年層結構及其形成已經引起有關學者的關注，并對其形成作過較為詳細的描述和研究[2- 4]，年層中的組成物質有豐富的環境信息。如通過對沙層厚度、粒度和礦物組成等分析，可了解沙源、風強和干旱程度等的變化[3]；通過檉柳枯枝落葉層δ13C值、有機質C、N和C/N值及陽離子Ca2+、K+、Mg2+、Na+含量等測定和分析，可了解過去氣候環境的變化狀況[4]。因此，對檉柳沙包組成物質的分析，可作為研究干旱區環境變化的有效工具之一。

庫姆塔格沙漠位于羅布泊洼地東南，是我國八大沙漠中唯一分布有羽毛狀沙丘的沙漠。其沙漠環境成因問題引起了國內外學者的普遍關注，并從地理學角度進行了初步的研究和分析，尚缺乏荒漠植被所反映的環境變化過程分析[5- 8]。庫姆塔格沙漠屬我國溫帶干旱區，沙漠中普遍分布有高達10 m以上的檉柳沙包，并且這里的環境長期無人為干擾，是反映荒漠環境變化較為理想的天然實驗室[9]。本文在提取沙漠中典型檉柳沙包中富含的環境信息基礎上，采用年層分析法建立檉柳沙包δ13C序列，分析年層結構中枯枝落葉層δ13C組成，揭示荒漠環境的變化過程，為區域環境演化提供證據。

1 材料與方法

1.1 自然概況

野外調查取樣在庫姆塔格沙漠進行，地理位置39°07′50′′—41°00′03′′ N，89°57′49′′—94°54′08′′ E，總面積約2.29萬km2，是我國的第六大沙漠。區域氣候屬極端干旱大陸性氣候，年均氣溫11.3—11.9℃，年均降水量25.2—74.6 mm，年蒸發量2800—3000 mm，干燥度指數高達92，主風向為強勁的東北風，多沙塵和浮塵天氣，8 級以上大風天數在100 d以上。土壤以灰棕漠土和風沙土為主，局部水位較高的河床低地常出現不同程度的鹽化現象[10]。植被類型為典型荒漠，植被稀疏，物種貧乏，以旱生、超旱生和鹽生的灌木、半灌木和小灌木為主要建群植物，檉柳屬植物是調查區域內的優勢植物。

1.2 研究材料

檉柳屬(Tamarix)植物是多年生灌木，具有耐旱、耐鹽、耐高低溫、耐風蝕等特點而能適應嚴酷的生態環境。檉柳沙包具有清晰的沙物質和枯枝落葉互層組成的層理，構成了檉柳沙包年層，它不僅是較理想的測年材料，同時記錄了沙漠環境變化信息[4]。在對庫姆塔格沙漠多年考察的基礎上，選取沙漠南部洪積地貌、東部濕地、東北部雅丹和西北部谷地4種地貌類型的檉柳沙包作為研究對象，通過對沙包年層樣品提取與分析，探討檉柳沙包沉積過程及其所反映的氣候環境變化。

1.3 研究方法

2010年9月深入庫姆塔格沙漠，分別沿沙漠北緣、東緣、南緣3 條路線對不同生境條件下檉柳沙包形態特征、地理分布進行調查，并結合前期沙漠考察工作積累，最終確定4 個檉柳沙包采樣點，分別代表沙漠南部洪積區(HJ)、東部濕地區(SD)、西北部谷地區(GD)、東北部雅丹區(YD)的典型生境區域。選取不同生境條件的高分辨率的理想檉柳沙包剖面，進行沙包年層結構的觀察描述，高密度分層采集檉柳沙包中植物枯枝落葉和沙物質，獲得測試樣品。4 個檉柳沙包采樣信息如表1。

表1 檉柳沙包采樣點基本信息

HJ：南部洪積地貌 The proluvial landforms of southern desert； SD：東部濕地The wedland landforms of eastern desert；GD：西北部谷地The valley landforms of northwestern desert；YD：東北部雅丹The Ya Dan landforms of northeastern desert

從沉積層的整合形態可以直觀判斷每個沙包上部年層連續，按每一個年層為單位由上至下連續取樣，并測量每層厚度。對于沙包下部剖面，紋層結構不清晰，很難準確辨認年層結構，可采取實際年層均值替代法進行剖面分層取樣。具體取樣步驟包括：先用GPS精確對采樣沙包定位并對周圍生境條件進行描述記錄，用工具鏟除去沙包表面浮土后，從沙包頂層向下依次挖去土壤剖面，用噴壺噴濕剖面縱截面，使沙包紋層更加清晰，仔細分辨沙包的連續年層，并用牙簽定位，用游標卡尺測量并記錄牙簽所定紋層的厚度，從上至下依次取樣，并裝入密封袋進行編號。采樣完成后，對整個剖面的高度進行測量，并采集沙包剖面基底AMS測年樣品和沙包地上不同方位和層次的檉柳枝葉混合樣[2,4]。

實驗室內分別將樣品中的枯枝落葉與沙物質用相應的篩子分離，重新標記備用。分離后的枯枝落葉樣品用清水洗凈、晾干，置于烘箱(80 ℃)中烘干，再進行樣品磨碎，研磨后樣品用燃燒法收集完全燃燒后產生的CO2，用MAT- 253質譜計分析樣品13C/12C同位素比值。并通過換算以δ13C表示的表達式為：

δ13C(‰)=[(R樣品-R標準)/R標準]×1000‰

式中,R樣品和R標準分別表示樣品和標準的碳同位素豐度比(13C/12C)。同位素結果采用的是PDB標準[11]。樣品處理和分析均在蘭州大學西部環境教育部重點實驗室進行，分析誤差< 0.1‰。

為了真實反映檉柳沙包年層δ13C所記錄的氣候要素變化，使用冰芯氣泡中CO2測量值和大氣中CO2直接測量值[12- 14]，擬合大氣δ13C變化曲線，并依據公式計算穩定碳同位素分辨率[15- 16]，去除大氣CO2濃度的影響[17]。穩定碳同位素分辨率(Δ)表達式為：

Δ=(δ13Cp-δ13Ca)/(1+δ13Ca/1000)

式中,δ13Cp為大氣CO2碳同位素比率，δ13Ca為植物組織碳同位素比率。

氣象數據分析中，使用采樣點附近的敦煌、若羌、哈密、紅柳河4 個氣象站作為參考站點。其中哈密、紅柳河氣象站距采樣點較遠，且高山阻擋效應明顯，與研究區氣象條件存在較大差異。敦煌、若羌氣象站位于采樣點東西兩緣，并同屬塔里木盆地區，氣候條件一致。因此選取敦煌、若羌站氣象數據進行分析。

收集整理敦煌、若羌氣象站1951—2006年觀測數據資料，個別缺失數據采用多年平均值進行插補，并經均一性和突變性檢驗。為消除單站數據分析帶來不同采樣點氣象要素值的偏移，統計整理2 個氣象站氣溫、降水、濕度、氣壓、光照的年度平均和春、夏、秋、冬4 個季節的平均值，并與檉柳沙包年層Δ值進行對應，分析各氣象要素與檉柳沙包當年Δ值與滯后一年Δ值的相關性。

2 結果與分析

2.1 檉柳枝葉與其沙包枯枝δ13C對比分析

圖1 不同檉柳沙包年層δ13C值比較Fig.1 Comparison of the δ13C in age layers in different Tamarix sand-hillocks HJ：南部洪積地貌 The proluvial landforms of southern desert； SD：東部濕地The wedland landforms of eastern desert；GD：西北部谷地The valley landforms of northwestern desert；YD：東北部雅丹The Ya Dan landforms of northeastern desert

通過對4 個采樣點的檉柳枝葉及其沙包近30 個年層的枯枝δ13C平均值進行比較分析(圖1)，結果表明，檉柳枝葉δ13C偏輕，介于-25.61‰—-22.89‰之間，平均為-24.33‰；沙包枯枝δ13C相對偏重，介于-25.34‰—-22.63‰之間，平均為-23.90‰。由于沙包年層中枯枝落葉的分解導致殘余的有機質同位素偏重，檉柳枝葉δ13C較沙包年層枯枝δ13C低1.16‰，說明植物光合產物在運轉過程中存在穩定碳同位素分餾過程[18- 19]。不同分布海拔區檉柳枝葉及沙包枯枝δ13C差異顯著，表現為沙漠東緣、南緣高海拔區的HJ檉柳沙包和SD檉柳沙包偏重，北部低海拔區的GD檉柳沙包和YD檉柳沙包偏輕，南北檉柳枝葉δ13C差值為2.54‰，沙包枯枝δ13C差值為2.17‰。分析認為檉柳沙包δ13C的海拔變化主要與其相聯系的環境因素，如氣壓、氣溫、水分等差異造成的。如高海拔區溫度和CO2分壓低，植物為增加光合效率，降低了葉肉組織對CO2吸收的限制，造成植物內部CO2分壓降低，導致植物葉片δ13C變重。

2.2 檉柳沙包年層δ13C序列特征分析

植物的生長是通過光合作用固定大氣中的CO2以合成自身的組成物質，因此植物在同化大氣中的CO2的過程中會引起碳同位素的分餾。通過對4 個典型檉柳沙包年層δ13C序列測定分析(圖2)認為：沙漠南部HJ和東部SD檉柳沙包年層測定為120a左右，δ13C值在-20.99‰—-24.50‰之間，這與新疆羅布泊檉柳沙包δ13C變化基本吻合[4]，百年尺度上的2 個檉柳沙包年層δ13C序列變化基本一致， 20世紀40年代前平穩變化，40—60年代出現波動變化，80年代后呈現下降趨勢，由于受生境條件的限制，沙漠東部SD沙包地處黨河流域，人為灌溉影響是不可避免的，其檉柳沙包年層δ13C變化不是完全由氣候變化所致；沙漠北部GD、YD沙包年層測定為38—72a之間，δ13C值在-23.02‰—-26.59‰之間，年層δ13C與南部和東部沙包具有較好的對應趨勢，并在20世紀80年代以后呈現顯著下降趨勢，但由于測定沙包的沉積年層數量少，很難反映百年尺度上的環境信息。

自工業化革命以來，化石燃料CO2排放的增加使得大氣CO2濃度明顯增大[20- 21]，改變原有大氣CO2的碳同位素組成，導致檉柳枝葉δ13C值的下降，這一變化趨勢在調查的4 個檉柳沙包年層δ13C序列變化中，僅在20世紀80年代以后比較明顯，可見大氣CO2濃度增加會對檉柳沙包年層δ13C造成影響。為了能夠真實反映檉柳沙包年層δ13C所記錄的氣候要素變化，需計算碳同位素分辨率，以去除大氣CO2濃度增加對檉柳沙包年層δ13C的影響。

2.3 檉柳沙包年層Δ序列及氣候環境分析

沙漠北部的GD沙包和YD沙包采集到的沉積年層數量少，反映的環境信息量相對較少，同時沙漠東緣SD沙包又受人為灌溉的影響較大，很難真實反映出自然環境的變化信息。為全面反映檉柳沙包所

圖2 檉柳沙包120年以來δ13C序列Fig.2 The series of the δ13C in age layers of Tamarix sand-hillocks since 120 years

記錄的全部環境信息變化過程，本文主要分析沙漠南部HJ檉柳沙包年層序列，建立該檉柳沙包年層穩定碳同位素分辨率(Δ)序列(圖3)，包括沙包下部年層均值替代法取樣的層次序列和沙包上部計年法取樣的年代序列。從圖3可以看出，120a以來的檉柳沙包年層Δ序列呈現階段性變化，Δ值在20世紀40—60年代有較大的波動，90年代后呈穩定增長趨勢，并與沙包年層δ13C序列呈互反變化過程；而120a以前檉柳沙包Δ值相對較高且變化平穩，并在后期呈現明顯的低值過渡。從全球氣候變化趨勢分析，16世紀進入1000年來最長冷季(1590—1850)，1660年之后溫度回升，但到1700年呈現微弱下降趨勢，1835年后溫度持續上升到現在，尤其20世紀80年代之后，升溫明顯加快[9]。本研究檉柳沙包在120a來反映的Δ值較小，δ13C組成偏重，主要是由于大氣CO2濃度增高形成溫室效應，導致了全球氣候變暖，同時，由于西北內陸區遠離海洋，高山環繞，區域降水稀少，蒸發強烈，形成以干熱為主的氣候環境；檉柳沙包下部層次Δ序列主要指示了19世紀80年代以前的氣候變化，Δ序列變化平穩，Δ值較大而δ13C組成偏輕，由于受大氣CO2濃度影響較小，氣溫相對較低，代表冷濕的氣候環境。Δ序列在20世紀40—60年代出現較大的波動變化可能與小范圍的年季降水、溫度的變化有關，這在近代其他氣象資料分析中有所反映[22- 24]。可見，去除大氣CO2濃度后檉柳沙包Δ序列變化與氣候環境具有顯著的響應關系。

圖3 去除CO2濃度影響后的Δ序列Fig.3 The series of Δ after detrend the effects of atmosphere CO2 concentration

2.4 檉柳沙包年層Δ值與氣候要素相關性分析

考慮到檉柳沙包年層Δ值滯后性，對檉柳沙包當年Δ值及前一年Δ值與各氣候要素相關系數分別進行分析比較。在取樣的4 個檉柳沙包中，東北部YD沙包取樣年層不到50a，數據較少，未進行相關性分析，其它3個檉柳沙包年層Δ序列與各氣候要素相關系數如表2。由表2顯示：檉柳沙包因分布的生存環境不同，對各氣候要素的響應也有所不同。沙漠南部HJ沙包年層Δ值與水分要素最為密切，大氣相對濕度和降水與檉柳生長年層Δ值均呈負相關性，年均降水、夏季降水與年層Δ值相關性均達到顯著水平，而年均相對濕度及春季、夏季和秋季平均相對濕度則達極顯著水平；季節性氣壓與光照對HJ檉柳沙包年層Δ值影響也較為明顯，春季氣壓、光照及夏季光照與檉柳當年Δ值相關性達極顯著水平，與滯后年Δ值達顯著相關性，季節性滯后效應不明顯；沙漠北部GD沙包年層Δ值與氣溫的相關性最為顯著，年均氣溫、春季氣溫與檉柳沙包Δ值相關系數高，相關性均達極顯著水平，夏季、秋季氣溫與Δ值相關系數較高，與當年Δ值呈顯著相關性，與滯后年Δ值呈極顯著相關性，即氣溫的滯后性明顯，而春季降水、濕度對GD沙包年層Δ值也達到顯著水平；沙漠東部SD沙包年層Δ值受氣溫、光照的影響較大，年均氣溫與當年Δ值呈顯著性相關，與滯后年Δ值呈極顯著相關，具有明顯的年度氣溫和生長季氣溫滯后作用，年均光與年層Δ值達到顯著相關性，光照的滯后性較弱。

表2 檉柳沙包年層Δ序列與氣候要素的相關系數

黑體加下劃線數據相關系數置信度超過99%;黑體數據相關系數置信度超過95%;D為當年氣候要素與Δ值關系;Z為滯后一年氣候要素與Δ值關系;HJ：南部洪積地貌;SD：東部濕地;GD：西北部谷地;YD：東北部雅丹

綜上分析認為，不同生境檉柳沙包形成了不同的微氣候環境，進而導致了檉柳沙包年層Δ值對各氣候要素的敏感程度不同。HJ檉柳沙包分布在海拔較高的山前洪積區，氣溫、濕度及降水變化受山體的阻擋效應較為明顯，形成了相對冷濕的微氣候環境，低溫雖影響植物生長，但大氣濕度、降水有利于植物保持水分，并使植物生長周期相對延長，光照時間相對較長，從而使檉柳沙包年層Δ值對濕度、降水及光照氣候因子相關性增強；GD檉柳沙包分布與高緯度、低海拔的干旱沙漠區，長期處于高溫、缺水狀態的植物能最大限度的通過關閉氣孔、降低氣孔導度使蒸騰水分散失減至最少，以維持正常代謝活動，植物為適應干旱氣候環境，在適宜的溫度和降水條件下能快速完成季節性生長代謝，因此氣溫對檉柳沙包年層Δ值的響應最為敏感，氣溫的季節性滯后作用較明顯；SD檉柳沙包分布于東部沙漠與濕地的過渡帶，對水分的效應不明顯，檉柳沙包年層Δ值受氣溫、光照的影響較大，存在氣溫的滯后效應。

3 結論與討論

檉柳沙包計年法作為一種簡捷的測年手段，在干旱荒漠區生態環境演變研究中具有十分重要的意義。1985年夏訓誠根據檉柳沙包發育特征確定了年層結構，并將檉柳沙包年層與AMS測年和考古資料進行了對比，驗證了檉柳沙包年層計年的準確性[2]；南京大學曹瓊英教授多年來通過對檉柳枝葉層穩定同位素δ13C、有機碳、氮元素分析和沙層厚度分析，以解釋“紅柳沙包年層的環境記錄”[1]。本文依據檉柳沙包取樣時間及取樣層理進行沙包沉積紋層定年，檉柳沙包取樣當年的紋層結構尚未形成，因此以沙包取樣年份上年度作為沙包沉積的最后年代，并以連續取樣的沉積紋層數依次類推確定檉柳沙包年代序列。為驗證檉柳沙包沉積紋層定年結果準確性，通過對沙漠東緣SD沙包和東北部YD沙包剖面基底樣品進行AMS測年，結合檉柳沙包沉積層平均厚度及沙包基底層取樣深度推算沙包沉積年代，并與實際測年結果進行比較(表3)，結果表明測試的檉柳沙包沉積紋層計年與AMS年齡推斷存在很好的對應關系，誤差值均<5%。同時，通過收集采樣點東部敦煌市氣象站年度風速數據，與沙漠南緣HJ沙包和西北緣GD沙包近40a的年層厚度序列變化進行對應分析(圖4)，結果顯示：檉柳沙包沉積層厚度隨年平均風速變化基本趨于一致， 20世紀50年代以來隨著風速值的波動變化，年層沉積層厚度呈現增減變化，20世紀80年代和90年代風速出現2次明顯的下降趨勢，對應的檉柳沙包年層沉積隨著風速逐年遞減，沉積層厚度變薄。可見，2個檉柳沙包沉積層厚度基本反映了區域風沙過程及其沉積環境變化，利用檉柳沙包沉積紋層定年可作為理想可靠的計年手段而應用。

表3 檉柳沙包年層誤差分析

圖4 檉柳沙包年層厚度與風速變化Fig.4 The chang with wind speed and thickness in annual stratum for Tamarix sand-hillocks

自工業革命革命以來，大氣CO2濃度持續升高，造成全球植物δ13C下降，本研究的4個檉柳沙包年層δ13C有著與全球樹輪δ13C變化一致的下降趨勢[25- 29]，尤其在19世紀50年代后的下降更為明顯，表明大氣CO2濃度增加會對檉柳沙包年層δ13C造成影響。為了去除大氣CO2濃度增加對檉柳沙包年層的影響，對檉柳沙包層次Δ序列的氣候響應進行分析認為：檉柳沙包年層Δ序列的總體變化過程與全球氣候變化趨勢相一致[9]。檉柳沙包在120a來反映的Δ值較小，δ13C組成偏重，主要是由于大氣CO2濃度增高形成溫室效應，導致了全球氣候變暖[30- 31]，結合干旱內陸區降水稀少，蒸發強烈等特點[32]，可推斷120a以來的氣候環境以暖干為主，而檉柳沙包指示19世紀80年代以前Δ序列變化平穩，Δ值較大而δ13C組成偏輕，由于受大氣CO2濃度影響較小，氣溫相對較低，代表冷濕的氣候環境。另外，通過前人對樹木年輪分析所指示的氣候變化及其他氣象資料分析中，20世紀以來以來氣候環境曾經歷過干濕交替變化，可與本研究Δ值在20世紀40—60年代呈現的波動變化相對應[33- 34]。同時據庫姆塔格沙漠周邊5個氣象站點50a以來年平均氣溫變化趨勢統計數據表明[35- 36]，1985年以前區域年平均氣溫相對穩定，90年代后區域年平均氣溫呈現出明顯的上升趨勢，這也與檉柳沙包Δ值反映的全球氣候明顯變暖的環境特點相一致。因此，通過年層計年法對檉柳沙包穩定碳同位素組成的分析，可作為研究干旱區環境變化的有效手段，在重建百年尺度上的溫度、降水時空變化過程，獲得更為客觀、可信的氣候環境變化信息。本研究利用采集到120a來的檉柳沙包年層δ13C序列進行近世紀以來的環境分析，采集到的沙包年層短暫，所反映的氣候環境變化序列也較為短暫，今后需要結合地質學測年方法建立更大尺度內的年代序列，分析檉柳沙包在形成過程中所反映的氣候環境變化過程。

植物對氣候要素的響應因植物種類、生長季節及其生境而異，對荒漠植物而言, 環境溫度、水分等均對其穩定碳同位素組成產生影響。首先溫度是影響植物碳同位素分餾的重要氣候因子，直接影響參與光合作用的酶的活性，又影響葉片的氣孔導通系數(g)、CO2的吸收率及Ci/Ca值，從而影響植物的碳同位素分餾[37]。水分作為干旱區植物生長的最主要的限制因子，干旱區降水減小，水分脅迫加重，空氣濕度、土壤含水量必然降低，水分虧缺能促使植物關閉氣孔、降低氣孔導度以減少水分散失，同時進入植物葉片內部的CO2減少，從而達到植物對δ13C的分餾能力減弱[16,38]。另外，光照可影響植物光合羧化酶的活性等與光合相關的過程，因而影響植物碳同位素分餾[39- 40]。但光照過強會抑制葉片光合作用、加速蒸騰，當水分供應不上時，氣孔會關閉以減少水分散失，因此造成對13C的分餾減弱[16,41]。目前，不同植物δ13C與溫度、降水關系研究尚存在較大爭議，如Pearman、Tans等人研究認為植物δ13C與溫度呈正相關關系[34- 35]，而Farmer、Leavitt等人結果則為負相關性[42- 43]，Ehleringer和Peuelas等研究發現δ13C與降水量之間存在顯著負相關[44- 45]，這些研究的差異性主要是因植物種類、生長特點及其生境差異造成的，同時大氣CO2濃度也對植物碳同位素產生分餾。本研究利用檉柳沙包年層Δ序列的推算消除了大氣CO2濃度對檉柳沙包年層δ13C的影響，進而分析Δ值對其它氣候要素的響應。不同生境環境檉柳沙包年層Δ值在對各氣候要素的響應程度不同。高海拔的山前洪積區氣候要素受山體的阻擋，微氣候環境相對冷濕，大氣濕度、降水、氣壓、光照因子對檉柳沙包年層Δ值均產生顯著相關性，表明Δ值受多個氣候要素的影響；低海拔的干旱沙漠地帶氣候條件相對嚴酷，荒漠植物為適應干旱的氣候環境，能快速完成季節性生長代謝活動，因而氣溫及季節性降水對檉柳沙包年層Δ值的響應較為敏感；沙漠濕地過渡帶檉柳沙包年層Δ值受氣溫、光照的影響較大。可見，隨著生境條件的改變，氣候環境因子將發生相應的變化，植物為了適應不同的微氣候環境，通過葉片氣孔開閉、氣孔導度的升降改變細胞內外CO2比率，進而調節植物對13C的識別能力，對氣候環境因子做出不同的響應。

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Climate environmental change and stable carbon isotopes in age layers ofTamarixsand-hillocks in Kumtag desert

ZHANG Jinchun1,2,3,4，YAO TUO1,5,*, LIU Changzhong1, 5, LIU Shizeng2,3,4，SUN Tao3,4，YUAN Hongbo2,3,4，TANG Jinnian3,4，DING Feng2,3,4，LI Xuemin3,4，LIU Rui4，SONG Dewei4

1PrataculturalCollegeofGansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070，China2MinqinNationalResearchStationforDesertSteppeEcosystem，Minqin733300，China3StateKeyLaboratoryBreedingBaseofDesertificationandAeolianSandDisasterCombating，Wuwei733000，China4GansuDesertControlResearchInstitute，Lanzhou730070，China5KeyLaboratoryofGrasslandEcosystemMinistryofEducation，Lanzhou730070，China

Kumtag desert, China′s sixth largest desert, lies in the south-east of the Lop Nur region，and is famous with the unique dune type of Pseudo-feathery dunes in the whole world. Kumtag desert is expanding and threatening to engulf previously productive lands with its arid wasteland character with the speed of 1—4 m eastward annually.Tamarixsand-hillocks is a frequent special biological landform types, with legible age layers structure composited by sand and plant litters, in Kumtag desert. And it is very important for regional environmental evolution research because of noting the desert environmental information diversification. In the present paper, we try to explore desert environmental change process of Kumtag desert based on stable isotope techniques collecting stable carbon isotope sample ofTamarixsand-hillocks from the different habitats and set up the stable carbon isotope series in age layers of four typicalTamarixsand-hillocks, proluvial landforms, wedland landforms,YaDan landforms and valley landforms, meanwhile environmental information and local meteorological data were collected as well. The results showed that the ratio of stable carbon isotope (δ13C), in age layers ofTamarixsand-hillocks, was fluctuated during 40—60 s of twenty century, and had declined since 1980s. The change tendency of stable carbon isotope series was accord with the stable carbon isotope downtrend of tree-ring all over the world. It was indicated that atmospheric CO2concentration increasing affected the carbon isotope of stable carbon isotope (δ13C) in age layers ofTamarixsand-hillock. The resolution ratio(Δ)of stable carbon isotope in age layers ofTamarixsand-hillocks had a similar change trendency to the global climate changes. It was dry and warm climate environment in the recent 120 years, which the resolution ratio(Δ)was reduced with the global climate warming. However, the climate environment was colder and moister before the industrial revolution in the nineteenth century, and the resolution ratio(Δ)was rosen. There was different response of the solution ratioΔof stable carbon isotope in age layers ofTamarixsand-hillocks under different habitats to climatic elements changes. In the high altitude area, the resolution ratio(Δ)in age layers was restricted by several climatic factors. e.g. air temperature, humidity, atmospheric pressure, etc. the resolution ratio(Δ) composition had significantly relationship with annual air relative humidity, annual precipitation, seasonal atmospheric pressure and seasonal illumination intensity. The resolution ratio(Δ)composition was affected by several climatic factors, but the hysteresis effect was not obvious. On the contrary, in the arid desert area in low elevation, the resolution ratio(Δ) composition had had greatly sensitivities to annual temperature, seasonal precipitation and seasonal air relative humidity, and the hysteresis effect was obvious.

Kumtag；Tamarixsand-hillocks；stable carbon isotope series；age layers；climate environment

國家自然基金資助項目(40961013)；甘肅省自然基金資助項目(1208RJZA262)

2012- 10- 08;

2013- 10- 11

10.5846/stxb201210081381

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yaotuo@gsau.edu.cn

張錦春，姚拓，劉長仲，劉世增，孫濤，袁宏波，唐進年，丁峰，李學敏，劉瑞，宋德偉.庫姆塔格檉柳沙包年層穩定碳同位素與氣候環境變化.生態學報,2014,34(4):943- 952.

Zhang J C，Yao T, Liu C Z, Liu S Z，Sun T，Yuan H B，Tang J N，Ding F，Li X M，Liu R，Song D W.Climate environmental change and stable carbon isotopes in age layers ofTamarixsand-hillocks in Kumtag desert.Acta Ecologica Sinica,2014,34(4):943- 952.