杉木树轮不同组分δ13C对气候因子响应的初步探究

刘小英，段爱国,2*，张建国,2，张雄清，朱安明

(1.中国林业科学研究院林业研究所/国家林业局林木培育重点实验室，北京100091；2.南京林业大学南方现代林业协同创新中心，江苏南京210000 )

树轮中的稳定碳同位素具有较好的记录、指示相应气候变化的能力，该技术被生态学家和气象学家在研究中多次使用[1-2]。树木的化学组成成分较多，主要包括纤维素(约占45%)、半纤维素(约占25%)、木质素(约占25%)以及含量较少的树脂、挥发性油类、单宁和色素(约占5%)。全木、棕纤维素、木质素以及α-纤维素中均携带有气候信息[3-6]，不同组分稳定碳同位素对气候的响应存在差异性[7-8]。在研究中究竟选择哪种组分进行研究，可以获得更好的气候变化信息，目前还存在一定争议。

研究表明，在进行短期气候研究时，选择全木还是纤维素进行研究，结果是一样的，且两者之间也存在较强的相关性[9-15]，如利用稳定碳同位素对长期气候进行重建，使用木质素进行研究效果较好[16]。相比综纤维，α-纤维素是木材化学组成中结构比较稳定的，所含的气候变化信息是最强的，因此，α-纤维素可以作为研究过去环境变化较好的载体[17]。但是通过对马尾松树轮的全木、综纤维以及α-纤维素中稳定碳同位素对气候的响应却没有太大的差异[18]。树轮同组分对碳稳定同位素的记录研究结果出现差异，可能是因为过去研究选择树种及研究的区域存在差异导致的。

树轮稳定碳同位素研究在国外已经有较多的报道，但我国树轮稳定碳同位素研究起步比较晚。以往在研究碳稳定同位素气候变化的响应时，往往考虑的是树木在不同海拔、不同区域环境条件下不同树轮指示对气候变化的现时响应的差异[19]。有研究[20-24]表明树轮δ13C值与平均温度、最高气温、最低气温、降水、平均相对湿度及日照时数有一定的相关关系。亦有研究表明树轮稳定碳同位素对复合温湿度指标(TH)的响应更加灵敏[25]。与树轮稳定碳同位素有关的气候因子中，温度和湿度为许多研究者所关注[15,26-27]。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国重要乡土速生针叶用材树种，广泛分布于我国亚热带山地、热带北缘、暖温带南缘等气候区的18个省区，是一个具有明显地理纬度变异的树种[28-29]。以往采用树轮宽度或密度指标研究树木对气候变化响应，而未见普遍应用于树木气候变化响应研究中的稳定碳同位素指标在树木气候变化响应关系的研究。鉴于此，本研究选择设置于广西柳州的34年生杉木种源试验林中3个代表性地理种源，探讨其树轮稳定碳同位素与气候变量间的关系，比较全木与α-纤维素的指示性，筛选出不同组分对气候响应的主导气候因子，以期为未来气候变化条件下杉木资源的培育起到重要指导作用。

1 研究区自然概况

杉木种源试验林位于广西柳州六峰山林场，是由中国林科院林业研究所主持，全国杉木地理种源试验协作组于20世纪70年代末开展的第2次杉木全分布区种源试验时期布设。于1981年春季，采用1年生实生苗造林。种源试验林涵盖207个杉木地理种源，其中162个种源的保存量基本在10～15株。试验地地处桂中丘陵地区，北纬23°42′，东经109°50′，年平均气温21.1 ℃，年降雨量1 418.5 mm，年蒸发量1 969.1 mm，相对湿度76%，全年日照时数1 823.7 h。

2 材料与方法

2.1 树轮资料

采用伐倒取圆盘的取样方法，以经纬度分布均匀，生长量具有代表性，圆盘数大于10个为依据，选取贵州六枝(GZL)、湖南双牌(HNS)以及福建永安(FJY)等3个地理种源各12个单株，合计36个单株，分别取0号圆盘，刨光，编号，登记。应用 LignoStation年轮分析仪对不同种源各单株圆盘进行扫描，每个圆盘2个测量路径，应用年轮分析仪自带软件进行年轮界线的划分，并测量树轮自髓心往外各年轮宽度，后借助交叉定年软件COFECHA程序对所有定好年的序列作检验，保证用于年表建立的树轮序列与试验林实际树龄对应无误。

2.2 α-纤维素提取

将树轮圆盘放在干净的玻璃板上，依据树轮宽度的标准程序进行交叉定年，定年的过程中用大头针进行标注，选择向阳的方位[30]，然后利用干净的刻刀进行树轮的逐年剥离，将杉木12个圆盘同一年的年轮样品剥取后混合在一起，并用干净的自封袋封装，并做好对应的编号。考虑到δ13C值会受到幼龄效应的影响[31]，因此在取样的时候去除前6年的树轮。所有样品采集完好，放入高速离心球磨仪中将样品粉碎至过60目(300 μm)，留出一部分样品进行全木的δ13C值的测定。剩余的样品进行α-纤维素的提取。按照有机溶剂[(V(苯) ∶V(无水乙醇)=2 ∶ 1，丙酮180 mL]萃取、漂白[V(次氯酸钠) ∶V(乙酸)=3 ∶ 2]及碱化(10%与17%的氢氧化钠依次处理)等步骤进一步提取α-纤维素[32]。用真空冷冻干燥机(-45 ℃)进行冻干处理，采用快速核酸提取仪进行α-纤维素的粉碎。

2.3 碳稳定同位素(δ13C值)的测量

本研究采用气象同位素质谱仪Thermo Finnigan DELTA plus XP测量杉木全木以及α-纤维素的δ13C的值，该过程在植被与变化国家重点实验室完成。用百万分天平(Starorius)称量粉末α-纤维素(0.20±0.05)mg，然后用锡囊将样品包裹，卷好密封，上机测试，得到13C/12C值(相对VPDB标准)。随机抽取24个平行样本对δ13C测量精度进行校验，

13C/12C的同位素比值δ13C=(Rsample/Rstandard-1)×1 000,整个碳同位素(δ13C)测量精度≤0.15‰,Rsample表示样品中的重轻同位素峰度之比，Rstandard是国际通用标准的重轻同位素峰度之比[33]。

2.4 气候数据来源

图1 广西来宾气象站月平均温度与总降水量变化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)

本实验采用广西来宾气象站点的数据(图1)，该站点距离种源试验林场100 km，中间无高山阻隔；所用气象资料包括1985—2013年月平均气温、月降水量，月平均相对湿度和日照时数。本实验研究的气候因子还有春(3—5月)夏(6—8月)秋(9—11月)冬(12—2月)4个季度以及气候年(上年6月至当年11月)。(气候资料来源于国家气象信息中心)经检验，来宾站点气象数据可靠，无明显突变，代表了当地气候变化趋势(图1)。

2.5 数据处理

利用函数计算表示杉木不同组分δ13C的统计特征；利用Pearson相关性检测α-纤维素中δ13C值与气候因子的相关关系(P=0.05)。采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析，Excel 2013 作图。

3 结果与分析

3.1 杉木不同组分δ13C的统计特征

通过比较全木和α-纤维素中稳定碳同位素序列的基本统计特征(表1)，杉木树轮全木和α-纤维素中稳定碳同位素的序列(1987—2013)变化范围分别是-24.577‰～-26.336‰和-23.311‰～-25.597‰，平均值分别是-25.589‰和-24.063‰，变异系数均为负数，表明杉木树轮的稳定碳同位素的序列在年际变化中相对稳定；从表1中还可以看出，不同地理种源杉木树轮全木和α-纤维素中δ13C含量都存在一定的差异。而3个不同地理种源α-纤维素δ13C值的标准差、方差以及变异系数的绝对值均大于全木δ13C序列值，因此杉木α-纤维素中δ13C值相比全木中的更加离散。

表1 不同种源杉木不同组分稳定碳同位素序列的基本统计特征

3.2 杉木树轮各组分δ13C值的一元线性回归

杉木树轮全木和α-纤维素中δ13C值存在一定的差异性。但是两者是否可以相互代替进行研究是所有学者关注的问题。因而使用一元线性回归分析各组分δ13C值的变化趋势，拟合结果如表2。

同一杉木个体的全木和α-纤维素中δ13C的线性回归校正R2的平均值为0.823，概率P<0.001；斜率值K为0.957、1.140和1.192，均接近K=1，说明全木和α-纤维素中δ13C年际变化趋势一致。

表2 杉木树轮不同组分间δ13C值的一元线性回归分析结果

3.3 不同组分δ13C序列与气候指标的相关分析

3个种源杉木树轮不同组分δ13C值与气候因子的相关性分析比较，发现不同组分中δ13C值对气候因子的响应基本一致，与平均温度及日照时数呈现正相关关系，与降水及相对湿度呈现负相关关系。α-纤维素中δ13C值与3月、9月的平均温度及最低气温，5月、10月的日照时数呈显著正相关关系(P<0.05)，与3月降水，10月相对湿度及3月最小相对湿度呈显著负相关关系(P<0.05)，但是与9月降水却呈现出显著正相关关系(P<0.05)。除此之外，还与冬季的最低气温、春季的相对湿度及日照时数、秋季的最高气温及夏季的最小相对湿度呈显著的相关性。但是不同组分对不同的气候因子的敏感程度存在强弱的差异。

(1)与气候年值的相关性分析可以看出(表3)，3个种源杉木的不同组分对温度的响应没有太大差异，其不同组分的极差值均小于0.08。但是对于降水、相对湿度和日照时数的相关性比较中，发现种源FJY与HNS的全木较α-纤维素中δ13C序列值与年值气候因子的相关系数大，而种源GZL的全木较α-纤维素中δ13C序列值与年值气候因子的相关系数小，但其相关系数极差接近0.1。

(2)与气候因子的季度值的相关性分析可以看出(表4)，除了夏季最小相对湿度，全木中的δ13C值与气候的相关系数高于α-纤维素，而种源FJY树轮α-纤维素中的δ13C值与夏季最小相对湿度的相关系数达到-0.535。与气候因子的月值相关性分析可以看出(表4)，3个种源杉木树轮α-纤维素中的δ13C对气候更加敏感，如种源FJY与HNS相关性对比分析。

表3 杉木不同组分中δ13C序列值与年度气候因子的关系

*代表P<0.05,* *代表P<0.01

*representsP<0.05,* *representsP<0.01

表4 杉木不同组分δ13C序列值与月值气候因子关系

续表4 杉木不同组分δ13C序列值与月值气候因子关系

*代表P<0.05,* *代表P<0.01

*representsP<0.05,* *representsP<0.01

4 结论与讨论

4.1 杉木不同组分δ13C之间的关系

全木和α-纤维素中的δ13C值存在明显差异的主要原因是植物叶片光合产物在进入木质部的不同组分时稳定碳同位素存在不同的分馏[9]，因此杉木全木和α-纤维素中的δ13C值存在一定的差异。本研究发现杉木树轮全木较α-纤维素δ13C值偏负1.5‰左右，与其他植物的研究结果相比偏大，如油松中两者偏差范围1.2‰～1.4‰[4]，马尾松(PinusmassonianaLamb.)中两者偏差范围为1.03‰～1.2‰[18]，这可能是因为不同树种中稳定碳同位素的分馏存在差异而造成的。

通过比较杉木树轮不同组分中δ13C统计特征值，除了HNS以外的GZL和FJY两个地理种源的杉木的一阶自相关系数均超过0.4，说明杉木生长不仅受到当年气象因子(降水、温度等)的影响，还受到上年气候因子(降水、温度、湿度和日照时数)的影响。其中FJY的树轮中的稳定碳同位素记录的气候信息差不多有40%滞后[34]。

在不同组分的δ13C统计特征值中，发现杉木α-纤维素中δ13C值相比全木中的更加离散。能更好地满足研究需求，这与王建等[18]对马尾松研究的结果一致，因此选择α-纤维素进行对气候响应的研究更加可靠。

4.2 杉木树轮不同组分与气候因子的敏感性分析

纤维素是细胞壁的主要组成成分，而α-纤维素是纤维素最稳定的物质，由于其通过木质素与细胞壁粘着，且不含可皂化类脂，是不可以移动的，但是全木中却含有可皂化类脂，因此全木不适合用来研究碳稳定同位素对气候的响应情况[35]。δ13C比率反应的是气孔导度和光合速率之间的关系，因此，碳同位素的分馏主要受到气孔导度的影响[9]。树轮不同组分对杉木树轮不同组分中δ13C通过比较不同树轮组分中δ13C与气候因子之间的Pearson相关系数的大小可以判断出其对不同气候因子的响应存在的差异性[8,36-37]。

王建等[18]研究了马尾松不同组分稳定碳同位素的差异，发现不同组分对气候响应的敏感性没有显著的差异。而本文通过对比分析杉木树轮不同组分δ13C值与气候因子年值的相关系数，可以看出全木和α-纤维素这两种组分对气候因子年值的响应也没有显著的差异。主要是因为全木和α-纤维素对较长尺度气候因子的响应的灵敏度是一致的。

在对气候因子的月值及季度值的相关性分析中发现，杉木的这两种组分对应的气候相关系数没有很强的规律性。不同组分对春季气候因子响应的相关系数的极差较小，极差值未达到0.1，而与气候因子夏、秋、冬及单月值的极差值大于0.1，最高值可以达到0.554。这与商志远等[5]对樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)的研究结果一致。在温暖亚热带地区，树木的生长超过了生长季，一年四季的生长只是速率的差异，而只要有生长，树液就会流动，δ13C就会发生分馏，尤其是针叶树种，对于我国的南方的乡土树种杉木而言，此种种源FJY的树轮α-纤维素中的稳定碳同位素对生长季的温度较敏感，与秋季的平均温度呈显著正相关，这与已有的研究结果是相符的[13,27,38]，且与冬季的相对湿度呈显著负相关(P<0.05)，因此相对湿度也是比较敏感的气候因子[39-41]。春季日照时长对杉木树轮δ13C有正向的影响。特别是对FJY的影响，春季光照时间增长，使得植物光合作用加强，积累有机物增加，但是已有研究表明光照对稳定碳同位素的合成是一个长期积累的过程，而且是出现反向的影响[42]，出现这种差异的最可能是由选择原产地栽培的植物与引种的植物对气候的响应情况的差异引起的。

杉木树轮的α-纤维素中的δ13C值与10、11月相对湿度相关性较强，特别是种源GZL与其的相关系数达到-0.549(P<0.01)。而种源FJY与6、7、8月最小相对湿度也呈现显著负相关(P<0.05)，这个结果在西伯利亚落叶松(LarixsibiricaLedeb.)树轮δ13C值与气候因子的研究中发现，δ13C值与相对湿度呈显著负相关关系[26]，本文研究结果与其一致。

树轮α-纤维素δ13C可以很好地记录生长地降水的情况[4,27]。但是杉木树轮α-纤维素中的δ13C值仅与3月的降水相关系数达-0.469，其他月份的降水基本无显著相关性。由此可见，不同树种对降水的响应情况存在差异性。

(1)杉木树轮的全木和α-纤维素对气候的响应方向基本一致。(2)在进行杉木树轮中δ13C值对气候因子的响应研究时，α-纤维素相对于全木而言能更好地满足实验要求。(3)杉木树轮稳定碳同位素可以很好的记录生长过程中气候变化，而不同季节的主导气候因子存在很大的差异。同一个气候因子在不同的时间段内的影响也是不一样的。春季和夏季的最小相对湿度、日照，秋季的温度、冬季的相对湿度以及3月的降水均是影响α-纤维素中δ13C值的气候因子。

致谢:中国科学院植物研究所李燕老师对研究给予了帮助，谨致谢意!