树轮δ¹³C随方位的变化国外已有部分研究^[1,2]。这些研究发现树轮δ¹³C随方位变化的差值较明显,最大差值可达1‰~4‰。国内有关树轮δ¹³C方位变化的研究很少^[3,4],但也发现树轮δ¹³C存在方位差异。王建等^[5]对取自天目山地区柳杉（Cryptomeria fortunei）树轮δ¹³C的方位差异及成因作过研究,发现该区不同坡向柳杉树轮δ¹³C既存在明显的方位差异,又存在明显的年际变化。东坡与南坡柳杉树轮δ¹³C各方位间的最大差异分别为2.02‰和1.43‰,各方位内的年际最大差异分别为1.63‰和1.1‰。研究还发现,该区树轮除个别方位间差异小于分析误差0.1‰外,其余各方位间的差异均超出了分析误差,说明这种差异不是实验所致,而是各方位间实际存在的差异。陈拓等^[6]研究发现祁连圆柏树轮δ¹³C值存在方位变化,方位间最大差异为0.8‰,且不同方位上树叶及树皮的δ¹³C值也存在方位差异,最大差异分别为0.81‰ 和0.90‰。何春霞等^[7]研究北京及广州5种阔叶树种树冠4方位叶片δ¹³C值,发现国槐（Sophora japonica）等阔叶树树冠不同方位叶片δ¹³C值也存在方位差异。另外,王建等^[8]对合理的采样方位数进行了研究;有学者^[9~12]对不同方位树轮样品的混合与前处理方法进行了研究。这些研究表明,在树轮稳定碳同位素方位变化研究中,同一树木个体,其树轮δ¹³C存在方位变化及年际变化,不同树木个体之间及其对应方位上,树轮δ¹³C值也存在明显变化。那么,这种变化是否具有普遍性?本文拟以中国东部亚热带地区为例,对采自不同地区不同树种的树轮δ¹³C方位变化及年际变化作进一步分析和检验,探讨这些变化是否存在普遍性以及变化的量级是否稳定一致,这对利用树轮δ¹³C序列进行气候要素重建时确定合理的采样方位数有重要指导作用和参考价值。

1 材料与方法

本研究所用材料为取自天目山地区的金钱松（Pseudolarix kaempferi,简称PK）园盘样1株（龙卷风吹倒）,编号为PK-01;庐山冷杉（Abiesfab ricraib,简称AF）园盘样1株,编号为AF-01;南京紫金山马尾松（Pinus massoniana,简称PM）树盘样8株（均为染松线虫病后被伐木）,编号分别为PM-01~PM-04,PM-07~PM-10。采样区均为亚热带温湿型季风气候区,区域生态环境优越,植被生长好,土壤以黄壤、棕黄壤为主。采样区内人类活动较少,树木生长受人为因素干扰小,树木生长所记录的环境信息能反映生长区内的自然环境条件的变化^[13~15]。

样品的采集过程与定年均按国际树轮数据库标准完成。其中,金钱松未经过完全定年,仅以分析的年轮数来表示（只有10 a数据,因为不用于年序列分析,不影响树轮δ¹³C的方位对比）。几种树轮样品基本信息如表1。树轮样品的雕刻方法与δ¹³C的分析实验流程见文献[5, 16]。

2 结果分析

2.1 树轮δ¹³C值方位变化及年际变化

1） 金钱松树轮δ¹³C值方位变化及年际变化。由图1可知,每一年各方位的δ¹³C值存在较明显的变化。年内各方位间的最大差异变化于0.78‰~1.59‰,10 a中有4 a极值差大于1‰,有5 a极值差在0.8‰~1‰间;极大值出现的方位较分散,除EN与W方位外,每个方位都有极大值出现,而极小全部出在W方位上（图2、图3）。

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图1   天目山金钱松树轮δ¹³C年序列变化

Fig. 1   The δ¹³C annual series in tree ring of Pseudolarix kaempferi at Tianmu Mountain

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图2   天目山金钱松树轮各方位δ¹³C值极差年变化

Fig. 2   The extreme difference annual change of the δ¹³C in different azimuths tree ring of Pseudolarix kaempferi at Tianmu Mountain

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图3   天目山金钱松树轮δ¹³C极值出现的方位分布

Fig. 3   The azimuth distribution of the tree ring δ¹³C extreme value of Pseudolarix kaempferi at Tianmu Mountain

由统计知,金钱松树轮δ¹³C值每两个方位间的差异≤0.1‰分析误差的占17.1％,在0.1‰~0.5‰之间的占46.7％,在0.5‰~1‰之间的占32.4％,≥1‰的占3.8 ％。其年际变化的最大差值为1.15‰,年际变化≥1‰的比例占1.3％;差值变化于0.5‰~1‰之间的占22.2%。可见,金钱松树轮δ¹³C值在方位内的年际最大差异与方位间的最大差异处于同一量级。

2） 庐山冷杉树轮δ¹³C值方位变化与年际变化。图4可知,除WN方位在1987~1992年δ¹³C值出现明显下降外,各方位δ¹³C值的变化均表现出基本一致的上升趋势。就年变化而言,E方位的年际变化差异最小,为1.69‰,WN方位的年际变化为1.77‰,其它方位的年际变化均较大,都超过2‰,其中W方位最大为2.84‰。各方位δ¹³C值年际间的最大差异如图5。

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图4   庐山冷杉8方位δ¹³C年序列

Fig. 4   The δ¹³C annual series at eight azimuths of Abiesfab ricraib at Lushan Mountain

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图5   庐山冷杉8方位δ¹³C值年际间的最大差异

Fig. 5   The inter-annual maximum difference of the tree ring δ¹³C at eight azimuths of Abiesfab ricraib at Lushan Mountain

不同年份各方位间δ¹³C值的极值差也较大,变化于0.67‰~1.97‰之间（图6）。极值出现的方位较为分散,除EN方位没出现极小值外,其余方位均有极大值与极小值出现。各方位出现极值的频率不同（图7）。各方位δ¹³C的多年平均值,其最大值出现在W方位,其次为E方位和N方位,最小平均值出现在WN方位,其次为WS（图8）。

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图6   庐山冷杉8方位间δ¹³C值极差年变化

Fig. 6   The extreme difference annual change of the tree ring δ¹³C at eight azimuths of Abiesfab ricraib at Lushan Mountain

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图7   庐山冷杉δ¹³C极值方位分布频率统计

Fig. 7   The frequencies of the δ¹³C extremum values appearing at azimuths of Abiesfab ricraib at Lushan Mountain

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图8   庐山冷杉δ¹³C值的方位平均值

Fig. 8   The average values of δ¹³C annual series among azimuths of Abiesfab ricraib at Lushan Mountain

由统计知,庐山冷杉树轮δ¹³C值每两个方位间的差异≤0.1‰分析误差的占16.6％,两方位间的差值<0.5‰的占65.2％,而差值≥0.5‰的占34.8％。由此看来,每两个方位间的差异是存在的,但多数方位间的差异未超过1‰,方位间的差异表现不明显。

3） 方差检验。为检验金钱松及冷杉树轮δ¹³C值方位变化及各方位上的年际变化是否显著,对各方位的δ¹³C进行方差分析。

设y_ij为各方位历年的δ¹³C值, y̅i为各方位的历年平均值, y̅为δ¹³C总体平均值,i代表方位序号,对金钱松,i=1,2,…,7（缺WN方位）;对冷杉,i=1,2,…,8。j代表年序号,对金钱松,j=1,2,…,10;对冷杉,j=1,2,…,20。SS_e代表δ¹³C各方位内部离差平方和（即方位内部的变异）,SS_t代表δ¹³C各方位的平均值对总体平均值的离差平方和（即各方位间的变异）,SS_T代表δ¹³C各年内部离差平方和（即总变异）^[5]。金钱松计算公式为：

SSe=∑i=17∑j=110(yij-y̅i)2;SSt=10∑i=17(y̅i-y̅)2;

SST=∑ij=170(yij-y̅)2;F₁=(SS_t/6)/(SS_e/63),

F₂=(SS_T/9)/(SS_e/60) （1）

冷杉：

SSe=∑i=18∑j=120(yij-y̅i)2;SSt=20∑i=18(y̅i-y̅)2;

SST=∑ij=1160(yij-y̅)2; F₁=(SS_t/7)/(SS_e/152) ,

F₂=(SS_T/19)/(SS_e/140) （2）

方差分析结果见表2。

通过方差分析：对金钱松,F₁=10.66>F_0.01=3.12,F₂ =13.43>F_0.01=2.72,都超过了信度为0.01的显著水平,表明金钱松树轮δ¹³C值方位变化及年际变化的差异均是显著的;对冷杉,F₁=0.94<F_0.01=2.76,方位间的差异没有通过0.01的显著性水平检验,说明冷杉树轮δ¹³C方位间的变化不显著,而F₂ =7.69>F_0.01=2.0,冷杉树轮δ¹³C值在方位内的年际变化差异是显著的。

2.2 树轮δ¹³C值方位变化的普遍性

由方差分析知,冷杉树轮δ¹³C随方位变化不显著,但其方位内的年际变化是显著的,金钱松树轮δ¹³C的方位变化及方位内的年际变化均很显著,那么,树轮δ¹³C值的方位变化及年变化是否存在普遍性,以南京紫金山马尾松树轮δ¹³C的方位变化来进一步验证。

南京紫金山8棵马尾松树轮3 a各8个方位的δ¹³C值（图9 ）。由图知,8棵马尾松树轮δ¹³C值的变化是存在的。表现在以下几个方面：

1） 8棵马尾松树轮δ¹³C总体平均值各不相同。其中,1~7号马尾松树轮δ¹³C值总体平均值较高,分别为-22.77‰,-21.97‰,-22.10‰,-22.22‰和-21.46‰,8~9号的总体平均值较低,分别为-24.42‰,-24.01‰和-25.73‰。

2） 8棵树轮各方位间的δ¹³C值存在差异。8棵树轮δ¹³C各方位间的最大差异分别为1.68‰,1.35‰,1.39‰,1.07‰,1.81‰,1.45‰,2.05‰和0.91‰。

3） 8棵树轮各方位内的年际变化差异明显。各方位内年际变化的最大差异分别为1.98‰,1.60‰,1.58‰,1.76‰,2.09‰,1.53‰,1.99‰和0.69‰。

4） 8棵马尾松树相同年份相同方位的δ¹³C值差异明显且变化幅度各不相同。这8棵马尾松树,相同方位的δ¹³C值,2000年变化于2.87 ‰~3.74 ‰之间,2001年变化于3.62‰~4.98‰之间,2002年变化于4.07‰~5.07‰之间。

5） 同一株树不同年份δ¹³C值差异明显。如1~7号马尾松2000年各方位的值多数低于2001和2002年,8和9号马尾松2000~2001年δ¹³C值较低,2002年δ¹³C值有所增高。

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图9   南京紫金山8棵马尾松树轮2000~2002年δ¹³C值方位变化

Fig. 9   The azimuth changes of the tree ring δ¹³C from 2000 to 2002 of eight Pinus massoniana at Nanjing Purple Mountain

通过8棵马尾松树轮δ¹³C的分析知,树轮不同方位上δ¹³C值的差异是存在的,方位变化存在普遍性与稳定性,且方位变化的极值与年际变化的极值相当。因仅有3 a样品序列,故无法对马尾松树轮δ¹³C的方位变化与年际变化的显著性进行方差检验,这有待于今后继续研究。

3 结论与讨论

分析表明,树轮δ¹³C在不同地区、不同树种之间存在方位差异与年际变化;同一地区不同树种及相同树种的不同个体之间也存在差异;同一个体在相同年份存在方位变化及相同方位存在年际变化等。金钱松树轮各方位间的极值之差变化于0.78‰~1.59‰之间,冷杉树轮各方位δ¹³C极值之差变化于0.67‰~1.97‰之间。金钱松及冷杉树轮δ¹³C值各方位间最大差异与已有的国内外研究结果相吻合^[1~7]。这些研究表明,树轮δ¹³C值方位变化的普遍性是存在的。南京紫金山马尾松树轮δ¹³C值也存在方位变化及年际变化,但差异因个体而各异,特别是相邻两方位间的差异较小。

冷杉树轮δ¹³C值存在方位差异,但方位变化未通过0.01的显著性检验,这可能与冷杉样本采样地点及其生长环境有关。因这一冷杉树盘采自庐山植物研究所前,其立地处地势平坦,树木生长的周围环境差别较小,各方位碳同位素分馏差异较小,因而,导致树轮各方位δ¹³C的差异较小。当然,这种差异,是否与冷杉树种有关,还有待于进一步研究。

金钱松树轮δ¹³C值在W方位上的变化趋势与其它方位上的变化趋势是一致的,但每年的δ¹³C值均低于其它方位的δ¹³C值。树轮δ¹³C值的方位差异主要是树木立地条件及树冠周围光、热条件的不同影响所致^[5]。对一株树而言,树冠周围大气CO₂浓度变化很小,对树轮δ¹³C值方位变化的影响不大。树冠不同方位受光强度的差异影响树叶δ¹³C值方位变化,进而导致树轮δ¹³C值出现方位差异。在适宜的光照条件下,光照强度弱的方位,光合作用低,树轮δ¹³C偏高,光照强的方位,光合作用强,δ¹³C偏低^[5,17,18]。树冠周围的温度变化与太阳辐射及光强变化有一致性。天目山地区地处亚热带,每年7~8月为副高控制,温度高,光照强。正午前后太阳辐射最强,温度高,且气温的升高有滞后性,正午前后,向光的叶片在强光照与高温下,光合速率会下降,导致叶片内CO₂浓度相对升高,叶片的δ¹³C值下降^[5]。天目山金钱松W方位树轮δ¹³C值偏低可能与此有关,天目山的柳杉树轮δ¹³C值在南、西南等方位也偏低,可能也与这些方位叶片光合作用受抑制所致^[5]。

本研究所用样品仅限于中国东部亚热带地区的3个采样区（点）的3种树种,研究结果显示,不同地区不同树种的树轮δ¹³C值存在较明显的方位差异,对于干旱半干旱区及高纬高寒区等气候限制因子地区,不同树种的树轮δ¹³C值是否存在方位变化及其差异还有待于更进一步的研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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