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        利用黑松樹(shù)輪δ13C重建山東塔山地區(qū)近七十年來(lái)冬春季節(jié)的平均氣溫

        2014-07-02 00:26:21鄭紫薇趙興云商志遠(yuǎn)成瑞琴陳振舉
        地球環(huán)境學(xué)報(bào) 2014年1期
        關(guān)鍵詞:樹(shù)輪塔山平均氣溫

        鄭紫薇,趙興云,,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,濟(jì)南 250000;2.臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,臨沂 276000;3.山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,臨沂 276000;4.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,南京210023;5.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,沈陽(yáng) 110866)

        利用黑松樹(shù)輪δ13C重建山東塔山地區(qū)近七十年來(lái)冬春季節(jié)的平均氣溫

        鄭紫薇1,2,趙興云2,3,商志遠(yuǎn)4,王 建4,成瑞琴1,2,陳振舉5

        (1.山東師范大學(xué) 人口、資源與環(huán)境學(xué)院,濟(jì)南 250000;2.臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,臨沂 276000;3.山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,臨沂 276000;4.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,南京210023;5.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,沈陽(yáng) 110866)

        對(duì)采自山東塔山的黑松(Pinus thunbergii Parl)樹(shù)芯樣本進(jìn)行交叉定年后建立樹(shù)輪穩(wěn)定碳同位素序列(δ13C序列)。將得到的樹(shù)輪δ13C序列進(jìn)行校正以去除大氣CO2的影響,提取其高頻部分分析與氣候要素的響應(yīng)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)黑松樹(shù)輪δ13C的高頻序列與對(duì)應(yīng)年份平均氣溫的響應(yīng)比對(duì)降水量的響應(yīng)顯著。氣溫和降水對(duì)樹(shù)輪δ13C的影響均有滯后效應(yīng),即塔山地區(qū)樹(shù)輪δ13C能記錄冬季氣候變化。在相關(guān)分析基礎(chǔ)上用回歸方程重建了山東塔山地區(qū)近七十年冬春季節(jié)(即上年12月—當(dāng)年5月)的平均氣溫,分析發(fā)現(xiàn)重建序列有明顯的冷暖交替上升的變化趨勢(shì)。

        塔山;樹(shù)輪;δ13C;平均氣溫

        塔山在氣候區(qū)劃上屬于季風(fēng)暖溫帶半濕潤(rùn)地區(qū),位于山東魯南地區(qū),是亞熱帶與暖溫帶之間的過(guò)渡區(qū),地表過(guò)程復(fù)雜且多變,樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)非常敏感(高遠(yuǎn)等,2011)。常年降雨量為800~900 mm,是山東南部暴雨多發(fā)區(qū),也是山東省旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生的地區(qū)。然而截至目前,魯南地區(qū)關(guān)于樹(shù)輪和氣候變化的研究很少見(jiàn),只集中在少數(shù)幾個(gè)地點(diǎn)并且利用單一的樹(shù)輪寬度代用指標(biāo),如沈長(zhǎng)泗等(1998)利用樹(shù)輪寬度資料重建了山東沂山地區(qū)200多年來(lái)的濕潤(rùn)指數(shù);劉禹等(2010)利用白皮松樹(shù)輪寬度重建公元1616年以來(lái)山東于林年平均最低氣溫。利用樹(shù)輪穩(wěn)定碳同位素指標(biāo)進(jìn)行氣候研究及對(duì)魯南其他地區(qū)小尺度地域氣候進(jìn)行的研究則比較少見(jiàn),而氣候要素本身就是一個(gè)區(qū)域差異很大的變量,不同地域有各自的特點(diǎn)。

        樹(shù)輪穩(wěn)定碳同位素作為一種高精度的氣候變化代用指標(biāo),已經(jīng)成為樹(shù)輪年代學(xué)研究的重要手段之一。本文利用魯南地區(qū)山東塔山東坡的黑松樹(shù)輪穩(wěn)定碳同位素資料,通過(guò)建立樹(shù)輪δ13C序列,提取出該地區(qū)高分辨率的氣候變化信息,選取冬春(上年12月—當(dāng)年5月)平均氣溫作為重建因子,重建了山東塔山近七十年來(lái)的平均氣溫變化序列并作分析。對(duì)今后在此區(qū)域開(kāi)展深入的樹(shù)輪研究及氣候變化重建提供一定的參考依據(jù)。

        1 材料與方法

        本文研究選擇在植被資源保存比較好的塔山地區(qū)(35°26′~35°27′N(xiāo),118°02′E)采集黑松樹(shù)芯樣品。東坡采集5棵樹(shù),南坡采集6棵樹(shù),西坡采集7棵樹(shù)。每棵樹(shù)分別從4個(gè)正方位(即N、E、S和W),每個(gè)方位采集2個(gè)樹(shù)芯,共采集18棵樹(shù)144個(gè)樹(shù)芯。樣本采集方法嚴(yán)格按照國(guó)際樹(shù)輪數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。通過(guò)COFECHA程序進(jìn)行交叉定年檢驗(yàn),確定最長(zhǎng)年份的樹(shù)為東坡采集的黑松(TSE5),樹(shù)齡為73年(1938—2010年),其他坡向采集的樹(shù)木的生長(zhǎng)年份均不超過(guò)55年。

        選取東坡采集的生長(zhǎng)年份最長(zhǎng)的四個(gè)方位樹(shù)芯進(jìn)行綜纖維素提取,將測(cè)定的四個(gè)方位綜纖維素值取相同時(shí)段的算術(shù)平均值,得到一個(gè)最終塔山東坡黑松樹(shù)輪的穩(wěn)定碳同位素長(zhǎng)序列。由于針葉樹(shù)生長(zhǎng)緩慢及受環(huán)境條件變化的影響,有些年份輪寬特別窄,有些年份甚至缺輪,為了滿(mǎn)足綜纖維素提取所需樣本量的要求,參考王建等人(2008)和劉曉宏等人(2010)的方法,采取相同坡向相同方位的樹(shù)芯混合的方法進(jìn)行剝?nèi)『脱b袋,作為東坡某一方位某一年的待測(cè)樣品。化學(xué)處理過(guò)程包括用苯-乙醇混合溶劑抽提,去除脂類(lèi)及類(lèi)脂類(lèi)物質(zhì)和用冰醋酸將溶液以及亞氯酸鈉來(lái)去除木質(zhì)素兩大步驟,提取出樹(shù)輪綜纖維素。利用Thermo Finnigan-Deltaplus XP型同位素比例質(zhì)譜儀測(cè)定樣品的碳同位素13C/12C之比。測(cè)定結(jié)果相對(duì)于PDB標(biāo)準(zhǔn)表示為δ13CPDB,簡(jiǎn)寫(xiě)為δ13C,表達(dá)式如Saurer et al(1997)文中所示:

        圖1 山東塔山黑松樹(shù)輪δ13C年序列Fig.1 Time series of the δ13C in tree rings at Tashan Mountain, Shandong Province

        整個(gè)流程分析誤差≤0.15‰。纖維素提取和質(zhì)譜分析分別在南京師范大學(xué)樹(shù)輪實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所完成。樹(shù)輪δ13C測(cè)定結(jié)果如圖1。

        氣象資料來(lái)自于費(fèi)縣氣象站(35°01′~35°33′N(xiāo),117°36′~118°18′E),氣象站與采樣點(diǎn)的直線(xiàn)距離2.35 km,海拔相差近500 m。圖2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。從圖2中可以看出7、8月份的水熱都比較充足,而3—6月份和9、10月份的溫度下降平緩,而降水量則明顯減少。

        圖2 費(fèi)縣氣象站月平均氣溫和月降水量的多年平均值(1959—2010)Fig 2 Normal value of accumulated year for monthly mean temperature and monthly rainfall from Fei county meteorological station(1959—2010)

        2 樹(shù)輪δ13C高頻序列的提取

        由于影響樹(shù)輪δ13C序列變化的因素主要有氣候因素,大氣CO2因素。因此在分析樹(shù)輪δ13C序列對(duì)氣候要素的響應(yīng)之前,首先需要對(duì)樹(shù)輪δ13C序列進(jìn)行校正,剔除大氣CO2對(duì)樹(shù)輪δ13C值的影響,連續(xù)的校正參數(shù)可參照文獻(xiàn)劉禹等(1996)和Feng and Epstein(1995)。

        本文利用下列公式(劉禹等,1996)計(jì)算樹(shù)輪δ13C的殘差值來(lái)消除大氣δ13Cair的影響,得到樹(shù)輪的高頻變化序列:

        式中δ13Cair、δ13Cplant分別代表大氣和樹(shù)輪中穩(wěn)定碳同位素比。為了計(jì)算δ的變化,需要知道大氣中的δ13Cair。本文用Feng and Epstein(1995)建立的方程:

        (式中t是公元年份)計(jì)算δ13Catm。為了用(3)式計(jì)算樹(shù)輪δ13C序列的殘差δ,我們假定大氣δ13Cair與δ13Catm相等,消除大氣CO2低頻變化影響后的樹(shù)輪δ序列,如圖3。

        圖3 去除大氣CO2影響的樹(shù)輪δ高頻殘差序列Fig.3 Tree-ring δ high frequency residual series that has removed the inf uence of CO2

        圖4 樹(shù)輪δ與氣象站各月不同氣候要素的相關(guān)系數(shù)圖Fig.4 Correlation coeff cients between tree ring δ and monthly different climate factors

        3 與氣候要素的相關(guān)分析

        通過(guò)氣候與生長(zhǎng)響應(yīng)關(guān)系分析,來(lái)確定重建的氣候要素,為尋找最佳重建因子,對(duì)逐月氣候要素以及不同季節(jié)組合的氣候要素與樹(shù)輪δ序列分別做相關(guān)分析。塔山黑松樹(shù)輪δ與氣象站各月及月份組合不同氣候要素的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)圖4。

        從圖4響應(yīng)分析結(jié)果可知,塔山樹(shù)輪δ與氣溫基本呈正相關(guān)、與降水量呈負(fù)相關(guān)并且與氣溫的相關(guān)性要明顯好于與降水量的相關(guān)性。從與單個(gè)月份月平均氣溫的響應(yīng)來(lái)看,前4個(gè)月和9月份的平均氣溫對(duì)樹(shù)輪δ的影響最為顯著,均通過(guò)了0.01的信度檢驗(yàn)。從季節(jié)分析,冬春季節(jié)的氣溫對(duì)樹(shù)輪δ的影響極為顯著。這與研究區(qū)所處地理氣候環(huán)境密切相關(guān),在暖溫帶地區(qū),一些樹(shù)種的生長(zhǎng)活動(dòng)超出了生長(zhǎng)季之外,尤其是針葉樹(shù)種,即使在冬季,只要有生長(zhǎng),有樹(shù)液的流動(dòng),就會(huì)有樹(shù)輪δ13C的分餾(錢(qián)君龍等,2001)。因此冬春季節(jié)樹(shù)輪δ13C對(duì)氣溫的響應(yīng)較為敏感,而夏秋季節(jié)的月平均溫度普遍較高,且水分充足,并不是樹(shù)木生長(zhǎng)期間的限制性因子,因而相關(guān)程度并不如冬春季節(jié)溫度顯著。這也進(jìn)一步印證了很多學(xué)者研究表明的暖濕地區(qū)的樹(shù)輪δ13C能記錄冬季氣溫的變化(錢(qián)君龍等,2001;趙興云等,2005)。樹(shù)輪δ無(wú)論與單個(gè)月份或是季節(jié)降水量的相關(guān)系數(shù)均未通過(guò)信度檢驗(yàn),但依舊可以看出樹(shù)輪δ對(duì)降水量比較充足的月份響應(yīng)效果較好。

        為了選出最佳重建因子,考慮到滯后效應(yīng),將不同連續(xù)月份(包括上一年9月以后的月份)組合的月平均氣溫和降水量與樹(shù)輪δ做相關(guān)分析,選取相關(guān)系數(shù)較高和通過(guò)信度檢驗(yàn)的代表性氣候因子,見(jiàn)表1。發(fā)現(xiàn)與連續(xù)月份的氣溫和降水量的相關(guān)明顯好于與單個(gè)月份的相關(guān),這說(shuō)明,無(wú)論是氣溫還是降水量,對(duì)樹(shù)輪δ13C的影響均是一個(gè)長(zhǎng)期累積的過(guò)程。最后選擇重建冬春季節(jié)(即上年12月—當(dāng)年5月)的平均氣溫(相關(guān)系數(shù)r=0.757),通過(guò)0.01的信度檢驗(yàn)。

        表1 樹(shù)輪δ與不同月份組合的氣溫和降水量相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coeff cients between tree ring δ and temperature and precipitation of different months combination

        4 氣候重建

        根據(jù)以上的響應(yīng)分析,對(duì)上年12月—當(dāng)年5月的平均氣溫,重建過(guò)程采用一元線(xiàn)性回歸方法,建立的回歸方程如下:

        式中,T–12–5代表上年12月—當(dāng)年5月的平均氣溫重建值,X代表樹(shù)輪δ序列值,R2代表方程擬合優(yōu)度,F(xiàn)為信度檢驗(yàn)水平。重建方程穩(wěn)定性較好,表明塔山地區(qū)冬春季節(jié)平均溫度的變化確實(shí)是引起樹(shù)輪綜纖維素δ13C組成變化的一個(gè)重要因素,也說(shuō)明了黑松樹(shù)輪綜纖維素δ13C組成可以作為冬春季節(jié)月平均溫度的一個(gè)替代性指標(biāo)。平均氣溫重建值與實(shí)測(cè)值序列對(duì)比如圖5。經(jīng)檢驗(yàn),重建值序列在0.001的顯著水平上無(wú)突變。

        圖5 上年12月—當(dāng)年5月平均氣溫重建值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖Fig.5 Reconstruction values compared with observed values of –12 — 5 monthly average temperature

        根據(jù)圖5分析,氣溫的重建序列與實(shí)測(cè)序列均有緩慢波動(dòng)上升趨勢(shì),除個(gè)別月份峰值和谷值的小波動(dòng)略有1~2年的漂移外,實(shí)測(cè)值序列里波動(dòng)較大的年份的峰值和谷值對(duì)應(yīng)的年份都與重建值序列的相同。且在相同時(shí)段,冬春季節(jié)平均氣溫的重建序列與實(shí)測(cè)序列的相關(guān)系數(shù)為0.998,達(dá)到了0.001的信度水平。這進(jìn)一步說(shuō)明本文的重建結(jié)果是可信的,但不理想的地方是,重建值序列的波動(dòng)幅度太小,與實(shí)際氣溫觀測(cè)值有一定差距,這可能是冬春季節(jié),除了氣溫,降水量對(duì)樹(shù)輪δ的影響也不可小覷,上年冬天的積雪融化給樹(shù)木生長(zhǎng)提供了必要水分,從而在一定程度上影響著樹(shù)輪δ13C的分餾效應(yīng)。

        從重建序列曲線(xiàn)總的變化趨勢(shì)來(lái)看,該地區(qū)的氣溫在1975年之前沒(méi)有發(fā)生明顯的增減變化,但是從1975年以后波動(dòng)幅度減小、上升趨勢(shì)明顯。雖然上升幅度僅有1~2℃,仍經(jīng)歷了冷暖交替上升變化的過(guò)程,說(shuō)明塔山地區(qū)冬春季節(jié)的平均氣溫在緩慢逐年升高。趙傳集和林保暖(1990)提出十九世紀(jì)以來(lái)魯南地區(qū)逐漸出現(xiàn)旱災(zāi)逐年增多的現(xiàn)象,有從偏澇型、旱澇交錯(cuò)型向偏旱型轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。氣溫升高必然導(dǎo)致蒸發(fā)量增大,如若降水量多少與常年無(wú)異,則必然氣候趨于干旱,然而這一結(jié)論是否屬實(shí)還有待于對(duì)降水量的進(jìn)一步研究。

        5 結(jié)論

        本文通過(guò)分析山東塔山地區(qū)黑松樹(shù)輪δ13C的高頻序列與氣候要素做相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)樹(shù)輪δ13C與平均氣溫呈顯著正相關(guān),與降水量呈負(fù)相關(guān)且對(duì)氣溫的響應(yīng)好于對(duì)降水量的響應(yīng)。連續(xù)月份的氣溫和降水量與樹(shù)輪δ13C的相關(guān)明顯好于與單個(gè)月份的相關(guān),說(shuō)明氣溫和降水量對(duì)樹(shù)輪δ13C的影響是一個(gè)長(zhǎng)期累積的過(guò)程。上年冬季的氣溫和降水量對(duì)樹(shù)輪δ13C影響有滯后效應(yīng),即樹(shù)輪δ13C能記錄研究區(qū)冬季氣候變化。冬春季節(jié)的月平均氣溫對(duì)樹(shù)輪δ13C的影響極其顯著,可以考慮作為塔山地區(qū)的氣候替代性指標(biāo)。重建結(jié)果表明,塔山地區(qū)的氣溫在1975年之前沒(méi)有發(fā)生明顯的增減變化,但是從1975年以后有氣溫波動(dòng)升高的特征。但由于上述結(jié)果的獲得僅來(lái)自于一個(gè)序列,它的廣泛應(yīng)用還有待于進(jìn)一步的研究。

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        The winter and spring average temperature reconstruction based on tree ring δ13C in recent 70 years in Tashan, Shandong Province

        ZHENG Zi-wei1,2, ZHAO Xing-yun2,3, SHANG Zhi-yuan4, WANG Jian4, CHENG Rui-qin1,2, CHEN Zhen-ju5
        (1. College of Population, Resources and Environment, Shandong Normal University, Jinan 250000, China; 2. College of Resources and Environment, Linyi University, Linyi 276000, China; 3. Shandong Provincial Key Laboratory of Water and Soil Conservation and Environmental Protection, Linyi 276000, China; 4. College of Geographical Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 5. Forestry College, 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. In order to remove the influence of atmospheric CO2, extract the high frequency part of the tree ring δ13C. Analysis the response of tree ring δ13C series and climate factors, found that the response between tree ring δ13C and temperature is obvious than precipitation. There exists a lagging effect of the inf uence of both temperature and precipitation on tree-ring δ13C in some extent. This results indicated that tree ring δ13C in Tashan can record the winter climate change. On the basis of correlation analysis, utilize the regression equation to reconstruct near seventy years' average temperature in winter and spring season (i.e., from December last year to May current year). Analysis found that the rebuilding temperature series shows an obviously rise trend which cold and warm temperature change alternately.

        Tashan; tree-ring; δ13C; average temperature

        P467

        A

        1674-9901(2014)01-0010-06

        10.7515/JEE201401002

        2014-01-17

        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)

        趙興云,E-mail: synzxy@sina.com

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