利用黑松树轮δ13C重建山东塔山地区近七十年来冬春季节的平均气温

郑紫薇，赵兴云,，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，济南 250000；2.临沂大学 资源环境学院，临沂 276000；3.山东省水土保持与环境保育重点实验室，临沂 276000；4.南京师范大学 地理科学学院，南京210023；5.沈阳农业大学 林学院，沈阳 110866)

利用黑松树轮δ13C重建山东塔山地区近七十年来冬春季节的平均气温

郑紫薇1,2，赵兴云2,3，商志远4，王 建4，成瑞琴1,2，陈振举5

（1.山东师范大学 人口、资源与环境学院，济南 250000；2.临沂大学 资源环境学院，临沂 276000；3.山东省水土保持与环境保育重点实验室，临沂 276000；4.南京师范大学 地理科学学院，南京210023；5.沈阳农业大学 林学院，沈阳 110866)

对采自山东塔山的黑松（Pinus thunbergii Parl）树芯样本进行交叉定年后建立树轮稳定碳同位素序列（δ13C序列）。将得到的树轮δ13C序列进行校正以去除大气CO2的影响，提取其高频部分分析与气候要素的响应关系，发现黑松树轮δ13C的高频序列与对应年份平均气温的响应比对降水量的响应显著。气温和降水对树轮δ13C的影响均有滞后效应，即塔山地区树轮δ13C能记录冬季气候变化。在相关分析基础上用回归方程重建了山东塔山地区近七十年冬春季节（即上年12月—当年5月）的平均气温，分析发现重建序列有明显的冷暖交替上升的变化趋势。

塔山；树轮；δ13C；平均气温

塔山在气候区划上属于季风暖温带半湿润地区，位于山东鲁南地区，是亚热带与暖温带之间的过渡区，地表过程复杂且多变，树木生长对气候变化和人类活动非常敏感（高远等，2011）。常年降雨量为800～900 mm，是山东南部暴雨多发区，也是山东省旱涝灾害频繁发生的地区。然而截至目前，鲁南地区关于树轮和气候变化的研究很少见，只集中在少数几个地点并且利用单一的树轮宽度代用指标，如沈长泗等（1998）利用树轮宽度资料重建了山东沂山地区200多年来的湿润指数；刘禹等（2010）利用白皮松树轮宽度重建公元1616年以来山东于林年平均最低气温。利用树轮稳定碳同位素指标进行气候研究及对鲁南其他地区小尺度地域气候进行的研究则比较少见，而气候要素本身就是一个区域差异很大的变量，不同地域有各自的特点。

树轮稳定碳同位素作为一种高精度的气候变化代用指标，已经成为树轮年代学研究的重要手段之一。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，通过建立树轮δ13C序列，提取出该地区高分辨率的气候变化信息，选取冬春（上年12月—当年5月）平均气温作为重建因子，重建了山东塔山近七十年来的平均气温变化序列并作分析。对今后在此区域开展深入的树轮研究及气候变化重建提供一定的参考依据。

1 材料与方法

本文研究选择在植被资源保存比较好的塔山地区（35°26′～35°27′N，118°02′E）采集黑松树芯样品。东坡采集5棵树，南坡采集6棵树，西坡采集7棵树。每棵树分别从4个正方位（即N、E、S和W），每个方位采集2个树芯，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73年（1938—2010年），其他坡向采集的树木的生长年份均不超过55年。

选取东坡采集的生长年份最长的四个方位树芯进行综纤维素提取，将测定的四个方位综纤维素值取相同时段的算术平均值，得到一个最终塔山东坡黑松树轮的稳定碳同位素长序列。由于针叶树生长缓慢及受环境条件变化的影响，有些年份轮宽特别窄，有些年份甚至缺轮，为了满足综纤维素提取所需样本量的要求，参考王建等人（2008）和刘晓宏等人（2010）的方法，采取相同坡向相同方位的树芯混合的方法进行剥取和装袋，作为东坡某一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和用冰醋酸将溶液以及亚氯酸钠来去除木质素两大步骤，提取出树轮综纤维素。利用Thermo Finnigan-Deltaplus XP型同位素比例质谱仪测定样品的碳同位素13C/12C之比。测定结果相对于PDB标准表示为δ13CPDB，简写为δ13C，表达式如Saurer et al（1997）文中所示：

图1 山东塔山黑松树轮δ13C年序列Fig.1 Time series of the δ13C in tree rings at Tashan Mountain, Shandong Province

整个流程分析误差≤0.15‰。纤维素提取和质谱分析分别在南京师范大学树轮实验室和中国科学院沈阳应用生态研究所完成。树轮δ13C测定结果如图1。

气象资料来自于费县气象站（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2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。从图2中可以看出7、8月份的水热都比较充足，而3—6月份和9、10月份的温度下降平缓，而降水量则明显减少。

图2 费县气象站月平均气温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 树轮δ13C高频序列的提取

由于影响树轮δ13C序列变化的因素主要有气候因素，大气CO2因素。因此在分析树轮δ13C序列对气候要素的响应之前，首先需要对树轮δ13C序列进行校正，剔除大气CO2对树轮δ13C值的影响，连续的校正参数可参照文献刘禹等（1996）和Feng and Epstein（1995）。

本文利用下列公式（刘禹等，1996）计算树轮δ13C的残差值来消除大气δ13Cair的影响，得到树轮的高频变化序列：

式中δ13Cair、δ13Cplant分别代表大气和树轮中稳定碳同位素比。为了计算δ的变化，需要知道大气中的δ13Cair。本文用Feng and Epstein（1995）建立的方程：

（式中t是公元年份）计算δ13Catm。为了用（3）式计算树轮δ13C序列的残差δ，我们假定大气δ13Cair与δ13Catm相等，消除大气CO2低频变化影响后的树轮δ序列，如图3。

图3 去除大气CO2影响的树轮δ高频残差序列Fig.3 Tree-ring δ high frequency residual series that has removed the inf uence of CO2

图4 树轮δ与气象站各月不同气候要素的相关系数图Fig.4 Correlation coeff cients between tree ring δ and monthly different climate factors

3 与气候要素的相关分析

通过气候与生长响应关系分析，来确定重建的气候要素，为寻找最佳重建因子，对逐月气候要素以及不同季节组合的气候要素与树轮δ序列分别做相关分析。塔山黑松树轮δ与气象站各月及月份组合不同气候要素的相关系数见图4。

从图4响应分析结果可知，塔山树轮δ与气温基本呈正相关、与降水量呈负相关并且与气温的相关性要明显好于与降水量的相关性。从与单个月份月平均气温的响应来看，前4个月和9月份的平均气温对树轮δ的影响最为显著，均通过了0.01的信度检验。从季节分析，冬春季节的气温对树轮δ的影响极为显著。这与研究区所处地理气候环境密切相关，在暖温带地区，一些树种的生长活动超出了生长季之外，尤其是针叶树种，即使在冬季，只要有生长，有树液的流动，就会有树轮δ13C的分馏（钱君龙等，2001）。因此冬春季节树轮δ13C对气温的响应较为敏感，而夏秋季节的月平均温度普遍较高，且水分充足，并不是树木生长期间的限制性因子，因而相关程度并不如冬春季节温度显著。这也进一步印证了很多学者研究表明的暖湿地区的树轮δ13C能记录冬季气温的变化（钱君龙等，2001；赵兴云等，2005）。树轮δ无论与单个月份或是季节降水量的相关系数均未通过信度检验，但依旧可以看出树轮δ对降水量比较充足的月份响应效果较好。

为了选出最佳重建因子，考虑到滞后效应，将不同连续月份（包括上一年9月以后的月份）组合的月平均气温和降水量与树轮δ做相关分析，选取相关系数较高和通过信度检验的代表性气候因子，见表1。发现与连续月份的气温和降水量的相关明显好于与单个月份的相关，这说明，无论是气温还是降水量，对树轮δ13C的影响均是一个长期累积的过程。最后选择重建冬春季节（即上年12月—当年5月）的平均气温（相关系数r=0.757），通过0.01的信度检验。

表1 树轮δ与不同月份组合的气温和降水量相关系数Table 1 Correlation coeff cients between tree ring δ and temperature and precipitation of different months combination

4 气候重建

根据以上的响应分析，对上年12月—当年5月的平均气温，重建过程采用一元线性回归方法，建立的回归方程如下：

式中，T–12–5代表上年12月—当年5月的平均气温重建值，X代表树轮δ序列值，R2代表方程拟合优度，F为信度检验水平。重建方程稳定性较好，表明塔山地区冬春季节平均温度的变化确实是引起树轮综纤维素δ13C组成变化的一个重要因素，也说明了黑松树轮综纤维素δ13C组成可以作为冬春季节月平均温度的一个替代性指标。平均气温重建值与实测值序列对比如图5。经检验，重建值序列在0.001的显著水平上无突变。

图5 上年12月—当年5月平均气温重建值与实测值对比图Fig.5 Reconstruction values compared with observed values of –12 — 5 monthly average temperature

根据图5分析，气温的重建序列与实测序列均有缓慢波动上升趋势，除个别月份峰值和谷值的小波动略有1～2年的漂移外，实测值序列里波动较大的年份的峰值和谷值对应的年份都与重建值序列的相同。且在相同时段，冬春季节平均气温的重建序列与实测序列的相关系数为0.998，达到了0.001的信度水平。这进一步说明本文的重建结果是可信的，但不理想的地方是，重建值序列的波动幅度太小，与实际气温观测值有一定差距，这可能是冬春季节，除了气温，降水量对树轮δ的影响也不可小觑，上年冬天的积雪融化给树木生长提供了必要水分，从而在一定程度上影响着树轮δ13C的分馏效应。

从重建序列曲线总的变化趋势来看，该地区的气温在1975年之前没有发生明显的增减变化，但是从1975年以后波动幅度减小、上升趋势明显。虽然上升幅度仅有1～2℃，仍经历了冷暖交替上升变化的过程，说明塔山地区冬春季节的平均气温在缓慢逐年升高。赵传集和林保暖（1990）提出十九世纪以来鲁南地区逐渐出现旱灾逐年增多的现象，有从偏涝型、旱涝交错型向偏旱型转变的趋势。气温升高必然导致蒸发量增大，如若降水量多少与常年无异，则必然气候趋于干旱，然而这一结论是否属实还有待于对降水量的进一步研究。

5 结论

本文通过分析山东塔山地区黑松树轮δ13C的高频序列与气候要素做相关分析，发现树轮δ13C与平均气温呈显著正相关，与降水量呈负相关且对气温的响应好于对降水量的响应。连续月份的气温和降水量与树轮δ13C的相关明显好于与单个月份的相关，说明气温和降水量对树轮δ13C的影响是一个长期累积的过程。上年冬季的气温和降水量对树轮δ13C影响有滞后效应，即树轮δ13C能记录研究区冬季气候变化。冬春季节的月平均气温对树轮δ13C的影响极其显著，可以考虑作为塔山地区的气候替代性指标。重建结果表明，塔山地区的气温在1975年之前没有发生明显的增减变化，但是从1975年以后有气温波动升高的特征。但由于上述结果的获得仅来自于一个序列，它的广泛应用还有待于进一步的研究。

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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

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

赵兴云，E-mail: synzxy@sina.com