杉木樹輪不同組分δ13C對氣候因子響應的初步探究

劉小英，段愛國,2*，張建國,2，張雄清，朱安明

(1.中國林業科學研究院林業研究所/國家林業局林木培育重點實驗室，北京100091；2.南京林業大學南方現代林業協同創新中心，江蘇南京210000 )

樹輪中的穩定碳同位素具有較好的記錄、指示相應氣候變化的能力，該技術被生態學家和氣象學家在研究中多次使用[1-2]。樹木的化學組成成分較多，主要包括纖維素(約占45%)、半纖維素(約占25%)、木質素(約占25%)以及含量較少的樹脂、揮發性油類、單寧和色素(約占5%)。全木、棕纖維素、木質素以及α-纖維素中均攜帶有氣候信息[3-6]，不同組分穩定碳同位素對氣候的響應存在差異性[7-8]。在研究中究竟選擇哪種組分進行研究，可以獲得更好的氣候變化信息，目前還存在一定爭議。

研究表明，在進行短期氣候研究時，選擇全木還是纖維素進行研究，結果是一樣的，且兩者之間也存在較強的相關性[9-15]，如利用穩定碳同位素對長期氣候進行重建，使用木質素進行研究效果較好[16]。相比綜纖維，α-纖維素是木材化學組成中結構比較穩定的，所含的氣候變化信息是最強的，因此，α-纖維素可以作為研究過去環境變化較好的載體[17]。但是通過對馬尾松樹輪的全木、綜纖維以及α-纖維素中穩定碳同位素對氣候的響應卻沒有太大的差異[18]。樹輪同組分對碳穩定同位素的記錄研究結果出現差異，可能是因為過去研究選擇樹種及研究的區域存在差異導致的。

樹輪穩定碳同位素研究在國外已經有較多的報道，但我國樹輪穩定碳同位素研究起步比較晚。以往在研究碳穩定同位素氣候變化的響應時，往往考慮的是樹木在不同海拔、不同區域環境條件下不同樹輪指示對氣候變化的現時響應的差異[19]。有研究[20-24]表明樹輪δ13C值與平均溫度、最高氣溫、最低氣溫、降水、平均相對濕度及日照時數有一定的相關關系。亦有研究表明樹輪穩定碳同位素對復合溫濕度指標(TH)的響應更加靈敏[25]。與樹輪穩定碳同位素有關的氣候因子中，溫度和濕度為許多研究者所關注[15,26-27]。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國重要鄉土速生針葉用材樹種，廣泛分布于我國亞熱帶山地、熱帶北緣、暖溫帶南緣等氣候區的18個省區，是一個具有明顯地理緯度變異的樹種[28-29]。以往采用樹輪寬度或密度指標研究樹木對氣候變化響應，而未見普遍應用于樹木氣候變化響應研究中的穩定碳同位素指標在樹木氣候變化響應關系的研究。鑒于此，本研究選擇設置于廣西柳州的34年生杉木種源試驗林中3個代表性地理種源，探討其樹輪穩定碳同位素與氣候變量間的關系，比較全木與α-纖維素的指示性，篩選出不同組分對氣候響應的主導氣候因子，以期為未來氣候變化條件下杉木資源的培育起到重要指導作用。

1 研究區自然概況

杉木種源試驗林位于廣西柳州六峰山林場，是由中國林科院林業研究所主持，全國杉木地理種源試驗協作組于20世紀70年代末開展的第2次杉木全分布區種源試驗時期布設。于1981年春季，采用1年生實生苗造林。種源試驗林涵蓋207個杉木地理種源，其中162個種源的保存量基本在10～15株。試驗地地處桂中丘陵地區，北緯23°42′，東經109°50′，年平均氣溫21.1 ℃，年降雨量1 418.5 mm，年蒸發量1 969.1 mm，相對濕度76%，全年日照時數1 823.7 h。

2 材料與方法

2.1 樹輪資料

采用伐倒取圓盤的取樣方法，以經緯度分布均勻，生長量具有代表性，圓盤數大于10個為依據，選取貴州六枝(GZL)、湖南雙牌(HNS)以及福建永安(FJY)等3個地理種源各12個單株，合計36個單株，分別取0號圓盤，刨光，編號，登記。應用 LignoStation年輪分析儀對不同種源各單株圓盤進行掃描，每個圓盤2個測量路徑，應用年輪分析儀自帶軟件進行年輪界線的劃分，并測量樹輪自髓心往外各年輪寬度，后借助交叉定年軟件COFECHA程序對所有定好年的序列作檢驗，保證用于年表建立的樹輪序列與試驗林實際樹齡對應無誤。

2.2 α-纖維素提取

將樹輪圓盤放在干凈的玻璃板上，依據樹輪寬度的標準程序進行交叉定年，定年的過程中用大頭針進行標注，選擇向陽的方位[30]，然后利用干凈的刻刀進行樹輪的逐年剝離，將杉木12個圓盤同一年的年輪樣品剝取后混合在一起，并用干凈的自封袋封裝，并做好對應的編號。考慮到δ13C值會受到幼齡效應的影響[31]，因此在取樣的時候去除前6年的樹輪。所有樣品采集完好，放入高速離心球磨儀中將樣品粉碎至過60目(300 μm)，留出一部分樣品進行全木的δ13C值的測定。剩余的樣品進行α-纖維素的提取。按照有機溶劑[(V(苯) ∶V(無水乙醇)=2 ∶ 1，丙酮180 mL]萃取、漂白[V(次氯酸鈉) ∶V(乙酸)=3 ∶ 2]及堿化(10%與17%的氫氧化鈉依次處理)等步驟進一步提取α-纖維素[32]。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-纖維素的粉碎。

2.3 碳穩定同位素(δ13C值)的測量

本研究采用氣象同位素質譜儀Thermo Finnigan DELTA plus XP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。用百萬分天平(Starorius)稱量粉末α-纖維素(0.20±0.05)mg，然后用錫囊將樣品包裹，卷好密封，上機測試，得到13C/12C值(相對VPDB標準)。隨機抽取24個平行樣本對δ13C測量精度進行校驗，

13C/12C的同位素比值δ13C=(Rsample/Rstandard-1)×1 000,整個碳同位素(δ13C)測量精度≤0.15‰,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[33]。

2.4 氣候數據來源

圖1 廣西來賓氣象站月平均溫度與總降水量變化Fig.1 The change trend of the average temperature and yhe 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據(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年月平均氣溫、月降水量，月平均相對濕度和日照時數。本實驗研究的氣候因子還有春(3—5月)夏(6—8月)秋(9—11月)冬(12—2月)4個季度以及氣候年(上年6月至當年11月)。(氣候資料來源于國家氣象信息中心)經檢驗，來賓站點氣象數據可靠，無明顯突變，代表了當地氣候變化趨勢(圖1)。

2.5 數據處理

利用函數計算表示杉木不同組分δ13C的統計特征；利用Pearson相關性檢測α-纖維素中δ13C值與氣候因子的相關關系(P=0.05)。采用SPSS 19.0軟件進行數據統計分析，Excel 2013 作圖。

3 結果與分析

3.1 杉木不同組分δ13C的統計特征

通過比較全木和α-纖維素中穩定碳同位素序列的基本統計特征(表1)，杉木樹輪全木和α-纖維素中穩定碳同位素的序列(1987—2013)變化范圍分別是-24.577‰～-26.336‰和-23.311‰～-25.597‰，平均值分別是-25.589‰和-24.063‰，變異系數均為負數，表明杉木樹輪的穩定碳同位素的序列在年際變化中相對穩定；從表1中還可以看出，不同地理種源杉木樹輪全木和α-纖維素中δ13C含量都存在一定的差異。而3個不同地理種源α-纖維素δ13C值的標準差、方差以及變異系數的絕對值均大于全木δ13C序列值，因此杉木α-纖維素中δ13C值相比全木中的更加離散。

表1 不同種源杉木不同組分穩定碳同位素序列的基本統計特征

3.2 杉木樹輪各組分δ13C值的一元線性回歸

杉木樹輪全木和α-纖維素中δ13C值存在一定的差異性。但是兩者是否可以相互代替進行研究是所有學者關注的問題。因而使用一元線性回歸分析各組分δ13C值的變化趨勢，擬合結果如表2。

同一杉木個體的全木和α-纖維素中δ13C的線性回歸校正R2的平均值為0.823，概率P<0.001；斜率值K為0.957、1.140和1.192，均接近K=1，說明全木和α-纖維素中δ13C年際變化趨勢一致。

表2 杉木樹輪不同組分間δ13C值的一元線性回歸分析結果

3.3 不同組分δ13C序列與氣候指標的相關分析

3個種源杉木樹輪不同組分δ13C值與氣候因子的相關性分析比較，發現不同組分中δ13C值對氣候因子的響應基本一致，與平均溫度及日照時數呈現正相關關系，與降水及相對濕度呈現負相關關系。α-纖維素中δ13C值與3月、9月的平均溫度及最低氣溫，5月、10月的日照時數呈顯著正相關關系(P<0.05)，與3月降水，10月相對濕度及3月最小相對濕度呈顯著負相關關系(P<0.05)，但是與9月降水卻呈現出顯著正相關關系(P<0.05)。除此之外，還與冬季的最低氣溫、春季的相對濕度及日照時數、秋季的最高氣溫及夏季的最小相對濕度呈顯著的相關性。但是不同組分對不同的氣候因子的敏感程度存在強弱的差異。

(1)與氣候年值的相關性分析可以看出(表3)，3個種源杉木的不同組分對溫度的響應沒有太大差異，其不同組分的極差值均小于0.08。但是對于降水、相對濕度和日照時數的相關性比較中，發現種源FJY與HNS的全木較α-纖維素中δ13C序列值與年值氣候因子的相關系數大，而種源GZL的全木較α-纖維素中δ13C序列值與年值氣候因子的相關系數小，但其相關系數極差接近0.1。

(2)與氣候因子的季度值的相關性分析可以看出(表4)，除了夏季最小相對濕度，全木中的δ13C值與氣候的相關系數高于α-纖維素，而種源FJY樹輪α-纖維素中的δ13C值與夏季最小相對濕度的相關系數達到-0.535。與氣候因子的月值相關性分析可以看出(表4)，3個種源杉木樹輪α-纖維素中的δ13C對氣候更加敏感，如種源FJY與HNS相關性對比分析。

表3 杉木不同組分中δ13C序列值與年度氣候因子的關系

*代表P<0.05,* *代表P<0.01

*representsP<0.05,* *representsP<0.01

表4 杉木不同組分δ13C序列值與月值氣候因子關系

續表4 杉木不同組分δ13C序列值與月值氣候因子關系

*代表P<0.05,* *代表P<0.01

*representsP<0.05,* *representsP<0.01

4 結論與討論

4.1 杉木不同組分δ13C之間的關系

全木和α-纖維素中的δ13C值存在明顯差異的主要原因是植物葉片光合產物在進入木質部的不同組分時穩定碳同位素存在不同的分餾[9]，因此杉木全木和α-纖維素中的δ13C值存在一定的差異。本研究發現杉木樹輪全木較α-纖維素δ13C值偏負1.5‰左右，與其他植物的研究結果相比偏大，如油松中兩者偏差范圍1.2‰～1.4‰[4]，馬尾松(PinusmassonianaLamb.)中兩者偏差范圍為1.03‰～1.2‰[18]，這可能是因為不同樹種中穩定碳同位素的分餾存在差異而造成的。

通過比較杉木樹輪不同組分中δ13C統計特征值，除了HNS以外的GZL和FJY兩個地理種源的杉木的一階自相關系數均超過0.4，說明杉木生長不僅受到當年氣象因子(降水、溫度等)的影響，還受到上年氣候因子(降水、溫度、濕度和日照時數)的影響。其中FJY的樹輪中的穩定碳同位素記錄的氣候信息差不多有40%滯后[34]。

在不同組分的δ13C統計特征值中，發現杉木α-纖維素中δ13C值相比全木中的更加離散。能更好地滿足研究需求，這與王建等[18]對馬尾松研究的結果一致，因此選擇α-纖維素進行對氣候響應的研究更加可靠。

4.2 杉木樹輪不同組分與氣候因子的敏感性分析

纖維素是細胞壁的主要組成成分，而α-纖維素是纖維素最穩定的物質，由于其通過木質素與細胞壁粘著，且不含可皂化類脂，是不可以移動的，但是全木中卻含有可皂化類脂，因此全木不適合用來研究碳穩定同位素對氣候的響應情況[35]。δ13C比率反應的是氣孔導度和光合速率之間的關系，因此，碳同位素的分餾主要受到氣孔導度的影響[9]。樹輪不同組分對杉木樹輪不同組分中δ13C通過比較不同樹輪組分中δ13C與氣候因子之間的Pearson相關系數的大小可以判斷出其對不同氣候因子的響應存在的差異性[8,36-37]。

王建等[18]研究了馬尾松不同組分穩定碳同位素的差異，發現不同組分對氣候響應的敏感性沒有顯著的差異。而本文通過對比分析杉木樹輪不同組分δ13C值與氣候因子年值的相關系數，可以看出全木和α-纖維素這兩種組分對氣候因子年值的響應也沒有顯著的差異。主要是因為全木和α-纖維素對較長尺度氣候因子的響應的靈敏度是一致的。

在對氣候因子的月值及季度值的相關性分析中發現，杉木的這兩種組分對應的氣候相關系數沒有很強的規律性。不同組分對春季氣候因子響應的相關系數的極差較小，極差值未達到0.1，而與氣候因子夏、秋、冬及單月值的極差值大于0.1，最高值可以達到0.554。這與商志遠等[5]對樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)的研究結果一致。在溫暖亞熱帶地區，樹木的生長超過了生長季，一年四季的生長只是速率的差異，而只要有生長，樹液就會流動，δ13C就會發生分餾，尤其是針葉樹種，對于我國的南方的鄉土樹種杉木而言，此種種源FJY的樹輪α-纖維素中的穩定碳同位素對生長季的溫度較敏感，與秋季的平均溫度呈顯著正相關，這與已有的研究結果是相符的[13,27,38]，且與冬季的相對濕度呈顯著負相關(P<0.05)，因此相對濕度也是比較敏感的氣候因子[39-41]。春季日照時長對杉木樹輪δ13C有正向的影響。特別是對FJY的影響，春季光照時間增長，使得植物光合作用加強，積累有機物增加，但是已有研究表明光照對穩定碳同位素的合成是一個長期積累的過程，而且是出現反向的影響[42]，出現這種差異的最可能是由選擇原產地栽培的植物與引種的植物對氣候的響應情況的差異引起的。

杉木樹輪的α-纖維素中的δ13C值與10、11月相對濕度相關性較強，特別是種源GZL與其的相關系數達到-0.549(P<0.01)。而種源FJY與6、7、8月最小相對濕度也呈現顯著負相關(P<0.05)，這個結果在西伯利亞落葉松(LarixsibiricaLedeb.)樹輪δ13C值與氣候因子的研究中發現，δ13C值與相對濕度呈顯著負相關關系[26]，本文研究結果與其一致。

樹輪α-纖維素δ13C可以很好地記錄生長地降水的情況[4,27]。但是杉木樹輪α-纖維素中的δ13C值僅與3月的降水相關系數達-0.469，其他月份的降水基本無顯著相關性。由此可見，不同樹種對降水的響應情況存在差異性。

(1)杉木樹輪的全木和α-纖維素對氣候的響應方向基本一致。(2)在進行杉木樹輪中δ13C值對氣候因子的響應研究時，α-纖維素相對于全木而言能更好地滿足實驗要求。(3)杉木樹輪穩定碳同位素可以很好的記錄生長過程中氣候變化，而不同季節的主導氣候因子存在很大的差異。同一個氣候因子在不同的時間段內的影響也是不一樣的。春季和夏季的最小相對濕度、日照，秋季的溫度、冬季的相對濕度以及3月的降水均是影響α-纖維素中δ13C值的氣候因子。

致謝:中國科學院植物研究所李燕老師對研究給予了幫助，謹致謝意!