大家野蛮变化对丛林生态系统有着深刻的影响[1], 不同区域不同野蛮配景下野蛮变化对丛林生态系统影响有所不同。树轮牢固同位素分析行为一种高分辨率纪律, 以其精准度高, 贯串性强及年轮对环境波动的敏锐性强等上风, 在研究当年环境变化及大家碳轮回方面具有病笃真理[2-4]。树轮牢固碳同位素对野蛮要素的响应是一个复杂的经由, 而且不同地区, 不同树种的树轮δ13C对野蛮要素的响应也不同[5]。在大家限制内, 已行使许多针叶树和阔叶树的树轮δ13C对野蛮进行了响应分析, 并对古野蛮进行了可靠的重建[6-15]。我国牢固碳同位素研究主要鸠集在西北干旱半干旱和青藏高原周围地区淫人阁, 但树轮对野蛮的响应区域互异较大[16-22]。新疆也有一些对于树轮δ13C对野蛮响应分析和野蛮重建的研究恶果[23-27]。天山行为亚洲内陆干旱区最大的山系南北坡野蛮环境迥异, 天山南坡属于暖温带大陆性野蛮, 由于身居内陆, 并位于印度洋水汽和大欧好意思水汽运输的背风坡, 而太平洋水汽无法深入, 导致该地区以大陆性顶点干旱野蛮为主, 大部分区域年降水量不及100 mm。而天山西部北坡的伊犁河流域由于大欧好意思水汽通过西风环流运输至天山北坡借助地形抬升作用形成地形降水, 使天然相通身居内陆干旱区的伊犁河流域成为干旱区的“湿岛”, 大部分区域年降水量大于400 mm[28]。温度方面, 由于纬度原因, 属于暖温带大陆性野蛮的天山南坡平均气温高于属于中温带大陆性野蛮的天山北坡。而暖干的天山南坡和冷湿的天山北坡同期滋长着天山山区独到的建群树种—雪岭云杉(Picea schrenkiana Fisch. et Mey)。在不同野蛮配景下, 温度和降水如何影响雪岭云杉树轮牢固碳同位素分馏？这一问题前东说念主研究很少波及。本研究分离在天山南坡的阿克苏河流域和天山北坡的伊犁河流域以及伊塞克湖流域收罗树轮样本, 分离征战了2条天山南坡树轮牢固碳同位素序列和天山北坡2条树轮牢固碳同位素序列, 勾通景色数据, 试图探讨野蛮变化配景下, 天山南北坡雪岭云杉树轮牢固碳同位素对野蛮的响应互异。
1 贵寓和纪律 1.1 研究区粗略及样本收罗天山位于亚洲大陆中部, 从西向东横跨乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦、哈萨克斯坦以及中国新疆中部, 全长约2400多km[28], 研究区位于通盘这个词天山中西部, 研究团队考取天山南坡阿克苏河流域和天山北坡的伊犁河流域和伊塞克湖流域进行树轮采样, 采样树种均为雪岭云杉, 雪岭云杉是天山山区中海拔主要的时尚树种。该区域的降水主要起原于大欧好意思的西民俗流, 由于平地的抬升作用, 天山北坡山区降水较为丰富, 而天山南坡雨影区降水较少。2015年6—9月, 研究团队分离在阿克苏河流域的平台子(PTZ)、伊犁河流域那拉提(NLT)和伊塞克湖流域的Kok-Jayyk(KJK)收罗了3个采样点的树轮样本, 2018年在天山南坡阿克苏河流域的博孜墩(BZD)进行了补充采样。通盘4个采样点的均用10 mm滋长锥在胸高处收罗20—25棵树的不同方针40根以上的样芯, 采样点详备信息见表 1。
1.2 树轮牢固碳同位素序列的征战按照树木年代学基愉快趣和纪律, 对通盘样芯进行干燥、固定、打磨、交叉定年, 用精度为0.001 mm的轮宽测量仪和MeasureJ2X纪律进行轮宽测量；用国外年轮库的COFECHA定年质地抑制纪律进行交叉定年的捕快[29], 确保每一滋终年轮具有准确的日积年岁；临了, 采用ARSTAN年表研制纪律完成树轮宽度年表的征战[30]。在交叉定年的基础上, 礼聘莫得缺轮、且莫得较着挫伤或非常、与主序列相干较高, 年轮规模光显的树芯行为树轮牢固同位素研究对象。依据以上模范, 每个样点最终挑选了4—10棵树的样芯经过双面打磨和目测定年。为了幸免幼龄效应[31-32], 去除髓心至少30年, 其余用手术刀在显微镜下面进行样本逐年剥离, 剥离时严格对照交叉定年的宽度数据, 将归拢日积年的样芯混杂。行使混杂球磨仪(MM400, Retsch GnbH, Germany)对每一年的样本研磨翻脸并充分混杂, 该纪律已应用于天山树轮牢固同位素研究[33-34]。采用Brendel等[35]的醋酸硝酸混杂纪律对通盘样本进行逐年α-纤维素的索要, 同期加多17%的NaOH处分以去除木质素及非纤维素多糖[36], 该研究纪律泛泛应用于树轮牢固同位素研究中[33-34, 37]。将逐年的纤维素样本取70—100 μg用锡杯包裹为立方体或球形, 在兰州大学西部环境教练部要点本质室的元素分析仪(Flash EA 1112; Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)和牢固同位造就谱仪(MAT253, Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH, Germany)在线进行牢固碳同位素的测定。每测定7个样本同期测定一个本质室已知的石墨模范(-16.0‰)。同位素测量的分析缺点(模范差)小于0.05‰。牢固碳同位素抒发采用相对品貌南卡罗莱纳白垩系皮狄组地层好意思洲箭石化石(Vienna Pee Dee Belemnite VPDB)模范[38], 其贪图公式为：
(1)
由此, 获取了4条树轮牢固碳同位素序列。
研究标明, 工业改进以来由于化石燃料的大齐使用, 使大气中CO2浓度握续升高[39]。树木在滋长经由中通过光息争用不休招揽大气中的CO2, 外界大气中CO2含量的变化势必会影响树木年轮中δ13C值。而这种变化与野蛮无关, 因此行使树木δ13C研究当年野蛮变化时, 必须剔除大气CO2浓度升高的影响。由于分馏的组合效应, 同期光息争用居品的δ13C值与源水径直衔接洽, 因此只需要粗浅在每轮的δ13C值上加上每年大气δ13C相对于模范值的差值, 就不错订耿直气δ13C值的变化。平淡咱们把工业改进前大气δ13C值行为模范值, 其值约为-6.4‰, 与小冰期前1850年的值较接近, 本研究将树轮牢固碳同位素的实测值加上大气δ13C相对于模范值的差值行为雠校后的牢固碳同位素值, 将其界说为树轮牢固同位素的去趋势序列(δ13Ccorr)[39-40](图 1), 基于此序列分析雪岭云杉牢固碳同位素对区域野蛮的响应。
翁雨澄 肛交 1.3 景色贵寓本研究所选景色贵寓源自中国景色数据网()和新疆维吾尔自治区景色信息中心, 质地严格把控, 数据真实可靠。考取天山南坡与采样点和海拔最接近的拜城景色站(经纬度：41°47′N, 81°54′E, 海拔：1230 m)1959—2016年月景色数据和天山北坡的昭苏景色站(经纬度：43°09′N, 81°08′E, 海拔：1855 m)1956—2016年月景色数据, 考取平均气温、平均最高气温、平均最低气温、降水量、相对湿度、日照时数共7种野蛮要素。另外, 采用以下公式贪图了逐月的宽裕水汽压亏缺(VPD)[41]：
(2)
式中, VPD为逐月的宽裕水汽压亏缺, RH为月平均相对湿度, T为月平均气温。
分析标明, 天山南坡拜城景色站年平均气温7.95℃, 年降水量118.9 mm, 雨热同期, 夏日高温多雨。当年60年, 天山南坡拜城平均气温以0.28℃/10a的速度飞速高潮, 而降水量也呈显耀加多趋势。位于天山北坡的昭苏景色站年平均气温3.42℃, 年降水量510.3 mm, 降水主要鸠集在4—9月。当年60a, 天山北坡昭苏以0.32℃/10a的速度显耀升温, 降水量加多不较着(图 2)。
1.4 研究纪律使用传统的树轮野蛮研究中的数理统计纪律来分析数据[42]。树轮参数和野蛮之间的相干性分析采用Pearson相干。接洽到树木滋长可能受滋长季之前和滋长季的野蛮条目的影响, 勾通雪岭云杉的滋长季(5—9月), 分析了上年10月到当年9月的逐月野蛮因子与树轮参数之间的相干性以期索要季节圭臬的野蛮信号。另外, 采用共线性分析纪律探讨了各野蛮要素对树轮牢固碳同位素分馏的孝敬。
2 结果 2.1 树轮牢固碳同位素序列统计分析天山南坡2个样点树轮牢固碳同位素值分离变化于-18.320‰—-22.400‰(PTZ)和-19.794‰—-22.489‰(BZD), 平均值分离为-20.419‰(PTZ)和-21.245‰(BZD), 变异统统为-0.042(PTZ)和-0.031(BZD)。比拟较而言, 天山北坡雪岭云杉树轮牢固碳同位素值相对较低, 分离变化于-20.770‰—-23.070‰(KJK)和-20.720‰—-22.430‰(NLT), 平均值分离为-22.050‰(KJK)和-21.525‰(NLT), 变异统统也相对较小, 分离为-0.020(KJK)和-0.014(NLT)(表 2)。同期, 从方差和模范差来看, 天山南坡也大于天山北坡。讲明相对而言, 天山北坡的雪岭云杉树轮牢固碳同位素在年际变化较天山南坡的牢固。另外, 从恒久变化来看, 天山南坡树轮牢固碳同位素呈较着的偏负趋势, 尤其是1970年代以后, 而天山北坡相对较为牢固(图 1)。从四条序列之间的相干性来看, PTZ与BZD、NLT与KJK均通过了99%的显耀性捕快, 相干统统分离为0.761(n=115, P < 0.001)和0.390(n=111, P < 0.001), 这讲明归拢流域间树轮牢固碳同位素的一致性更高。
2.2 树轮牢固碳同位素对野蛮的响应将天山南坡两个采样点的树轮δ13Ccorr序列与近邻的拜城景色站上年10月到当年9月的逐月平均气温、平均最高气温、降水量、相对湿度和宽裕水汽压亏缺等景色参数进行相干分析。结果标明, 两个采点的树轮牢固碳同位素与滋长季平均气仁爱平均最高气温莫得显耀的相干, 而与前一年10月、11月和当年2—4月均显耀负相干, 进一步进行一阶差相干分析暴露, 天山南坡两个采样点的树轮δ13Ccorr序列与拜城景色站上年10到当年9月的逐月平均气温的一阶差均未通过95%的显耀性捕快, 因此, 两条δ13Ccorr序列与平均气温的相干性也只是发达为趋势相干；而两条树轮δ13Ccorr序列均与滋长季降水呈显耀的负相干关系, BZD和PTZ序列与6月降水量相干统统分离高达-0.418(n=56, P < 0.01)和-0.403(n=55, P < 0.01)；同期, 两条树轮δ13Ccorr序列与滋长季相对湿度呈现显耀的负相干关系, 与滋长季宽裕水汽压亏缺(VPD)呈显耀的正相干关系(图 3)。
将天山北坡两个采样点的树轮δ13Ccorr列与近邻的昭苏景色站上年10到当年9月的逐月平均气温、平均最高气温、降水量、相对湿度和宽裕水汽压亏缺(VPD)等景色参数进行相干分析, 结果标明, 两个采点的树轮δ13Ccorr与滋长季平均最高气温均呈显耀的正相干关系, 同期与滋长季的降水和相对湿度呈显耀的负相干关系, 另外, 还与滋长季的VPD呈显耀的正相干关系(图 4)。
进一步分析标明(表 3), 天山南坡树轮δ13Ccorr序列BZD和PTZ分离与滋长季内(5—9月)的降水量以及相对湿度显耀负相干, 其中, BZD和PTZ与滋长季降水量的相干统统分离达到-0.618(n=58, P < 0.01)和-0.591(n=56, P < 0.01)；另外, 天山南坡的两条树轮δ13Ccorr序列与宽裕水汽压亏缺(VPD)的相干统统也特别了95%的显耀性捕快。以上不管是树轮δ13Ccorr与降水和相对湿度的负相干, 也曾与VPD的正相干均标明了影响天山南坡树轮牢固碳同位素分馏的主控野蛮因子为滋长季的水分, 尤其是降水。
而天山北坡雪岭云杉树轮δ13Ccorr与滋长季和夏日平均气温、平均最高气仁爱宽裕水汽压亏缺(VPD)显耀正相干, 而与降水量和相对湿度显耀负相干。其中KJK采点树轮δ13Ccorr与夏日平均最高气仁爱VPD相干统统分离高达0.586(n=60, P < 0.01)和0.560(n=60, P < 0.01), 而与夏日降水量和相对湿度的相干统统分离相干高达-0.536(n=60, P < 0.01)和-0.534(n=60, P < 0.01)。即天山北坡树轮牢固碳同位素分馏可能受到水热条目的共同抑制。
从只身分相干分析结果来看, 滋长季降水和相对湿度与天山南坡树轮δ13Ccorr序列显耀负相干, 而滋长季温度、降水和相对湿度等野蛮因子对天山北坡树轮δ13Ccorr序列齐有一定影响。但这些野蛮因子在影响树轮牢固碳同位素分馏时可能存在协同效应。因此进一步对主要野蛮因子与树轮δ13Ccorr序列进行共线性分析。从共线性分析不错看出, 滋长季平均气温、降水量和相对湿度分离解说天山南坡BZD和PTZ树轮牢固碳同位素序列的43.6%和36.1%的方差；而夏日平均最高气温、降水量和相对湿度解说天山北坡KJK序列38.2%的方差, 只是解说NLT19.5%的方差。这标明, 总体而言, 野蛮因子对天山南坡树轮牢固碳同位素分馏的影响要大于天山北坡。影响天山南坡树轮牢固碳同位素分馏的主要适度性因子为滋长季的降水量以及降水和相对湿度的协同效应, 他们不错解说树轮牢固碳同位素分馏30%以上的方差, 而平均气温的孝敬不大；天山北坡树轮牢固同位素分馏经由由夏日平均最高气温、降水量和相对湿度协同影响, 任何一个单独野蛮因子对天山北坡树轮牢固碳同位素分馏齐孝敬不大(图 5, 图 6)。
3 酌量野蛮因子通过影响光息争用而影响到δ13C, 光息争用中CO2的同化经由是一系列的酶促反应, 对有机物合成影响较大的野蛮因子不错分为两类, 空气相对湿度和降水为一类；温度和光强度为另一类[43]。相对湿度和降水的变化形成湿度梯度和压力的改革, 进而影响到气孔开度大小, 插足细胞内的CO2浓度发生改革, 导致合成有机物中同位素构成发生改革；温度和光强主要影响光息争用酶的产量和活性, 对光息争用的速度和效用产生影响, 进一步影响合成有机物中同位素构成。另外, 还和会过影响宽裕水汽压而影响气孔导度(g)[44]。植物对CO2的招揽速度与叶片气孔导度通数的变化齐会影响叶内胞间CO2浓度(Ci)或叶内胞间CO2浓度与大气CO2浓度(Ci/Ca)之比, 从而导致植物δ13C值变化。温度、湿度、光照等野蛮因子齐是通过影响气孔和光合羧化酶对碳同位素的散播效应a(CO2扩散分馏统统)和b(羧化生化分馏统统)、细胞间CO2浓度影响δ13C[17]。
天山南坡雪岭云杉树轮牢固碳同位素值、方差和模范差均大于天山北坡可能与天山南北野蛮互异关系, 位于天山南坡的阿克苏河流域相对天山北坡的伊犁河流域和伊塞克湖流域而言, 气温相对较高, 降水相对较少, 导致野蛮更为干旱, 何况顶点野蛮事件较为时时, 导致了天南南坡牢固同位素值相对较高, 同位素分馏相对不牢固。然则, 总体而言, 是允洽C3植物碳同位素的表面值[43]。当今, 大气中的δ13C约为-8.2‰。跟着大齐使用化石燃料(δ13C格外低), δ13C飞速下落。植物组织的δ13C值较着低于大气。C3植物的δ13C平淡在-20‰至-35‰之间, 在干旱地区相对较高[43]。
牢固碳同位素纪录了光合速度关怀孔导度之间的均衡, 在干旱地区, 降水、相对湿度和泥土水分情状占主导地位, 在湿润地区, 夏日放射度和温度占主导地位[43]。大齐研究标明, 干旱区树轮δ13C主要受叶片气孔导度(g)抑制, 与降水、泥土湿度和空气相对湿度等因子负相干[8, 11, 44-46]。天山南坡拜城景色站滋长季平均气温为19.4℃, 夏日为21.1℃, 而夏日平均最高气温为30.4℃, 按照干绝热直减率贪图, 采样点位置的滋长季平均气温为11.5℃(PTZ)和10.8℃(BZD), 夏日平均气温为13.2℃(PTZ)和12.5℃(BZD), 平均最高气温为22.5℃(PTZ)和21.8℃(BZD)。一般而言, 常绿针叶树净光息争用最适温度为10-25℃[47], 雪岭云杉滋长最快的本事为夏日[48], 不管是雪岭云杉滋长季也曾滋长最快本事的温度齐允洽树木滋长和光息争用, 因此天山南坡滋长季温度不是树木滋长和牢固碳同位素分馏的适度因子。相对而言, 拜城景色站的通盘这个词滋长季降水量仅有56.5 mm, 属于典型的干旱区, 采样点天然海拔相对较高, 然则高海拔降水也远远不可知足树木径向滋长和牢固碳同位素分馏。因此, 这一本事的水分情状可能是适度树轮牢固同位素分馏的野蛮因子。Saurer等[12]对最近50年不同水分条目下的法国山毛榉树轮的δ13C与野蛮要素的关系研究发现5—7月的降水量是其主要抑制因子, 且干燥地区比湿润地区更较着。Hemming等[7]发现, 山毛榉树、橡树及松树的树轮δ13C值的高频变化与6—9月的平均湿度呈显耀负相干, 这些研究结果与本文滋长季降水和相对湿度与树轮δ13C显耀负相干的结果一致。由于空气相对湿度对气孔灵通的径直影响, 在滋长季相对湿度和树轮δ13C存在显耀的负相干关系[49]。天山南坡由于野蛮干旱少雨, 相对湿度较低, 树轮δ13C序列与滋长季降水和相对湿度显耀负相干不错解说为植物在受到水分挟制(降水偏少或相对湿度较低)的影响时, 为了减少植物蒸腾作用导致的水分失掉, 气孔开孔较小, 导致叶片里面和环境的CO2浓度梯度增大, 因而裁减了植物里面CO2浓度, 导致植物对CO2的识别裁减[5], δ13C偏正。
McCarroll & Loader[43]漠视, 在水分挟制较少的区域, 抑制树轮牢固碳同位素分馏的主要身分可能是光合速度。在阴寒、湿气和高海拔山区, 树轮δ13C主要与光息争用速度(A)关系, 并与夏日温度和光照等身分呈正相干关系[44-46]。天山北坡昭苏景色站滋长季平均气温为13.0℃, 夏日为14.5℃, 滋长季降水为382mm。按照干绝热直减率贪图, 采样点KJK的滋长季平均气温仅9.8℃, 低于光息争用最适温度, 因此, KJK的δ13Ccorr与温度之间的呈显耀的正相干关系。其生理真理可解说为：比拟于天山南坡和天山北坡NLT采样点, KJK采样点的降水多, 水分不可成为树轮牢固碳同位素的主要适度性因子, 而该区域海拔更高, 滋长季和夏日气温很低, 以致低于有用光息争用最适温度。尤其是雪岭云杉快速滋长的夏日温度的加多增强了光息争用酶的产量和活性, 擢升光息争用速度, 导致叶片里面CO2浓度裁减。高温还伴跟着挥发加重, 为了减少水分失掉, 叶片气孔启齿减小, 齐会形成树轮δ13C偏正。
然则, 天山北坡树轮牢固同位素不仅与夏日平均最高气温显耀正相干, 而且与降水和相对湿度也显耀负相干, 这暗意气孔导度也对天山北坡树轮牢固同位素分馏有病笃影响[50]。天山北坡树轮δ13C可能响应了气孔导度和光合速度之间的均衡, 这一区域树轮牢固同位素分馏的激上路分可能更为复杂。与夏日平均最高气温显耀正相干是由于温度偏高导致较低的气孔导度或较高的光合速度, 或两个要素共同作用导致, 插足叶片细胞内的CO2浓度的裁减, 响应在δ13C值为偏大。从共线性分析结果不错看出, 天山北坡树轮牢固同位素受夏日平均最高气温、降水和相对湿度的协同影响。在滋恒久(尤其是夏日), 天山北坡雪岭云杉树木碳同位素分馏受光合速度(温度)关怀孔导度(降水和相对湿度)共同调控。Alexander等[11]发现位于西伯利亚东部的落叶松树轮牢固碳同位素与该地区6—7月的平均最高气温显耀正相干, 与7月降水量显耀负相干, 该研究结果和本文的研究结果竣工一致。Konter et al[51]也指出, 西班牙比利牛斯山脉松林树年轮数据中的δ13C纪录与夏日降水呈负相干, 与夏日温度呈正相干。前期对于新疆树轮牢固碳同位素对野蛮的响应研究以为, 阿尔泰山树轮牢固碳同位素分馏可能受到温度和水分的共同抑制[26], 而中天山可能主要为水分[27], 这些研究结果与本研究一致。树轮δ13C序列与速生期温度(尤其是平均最高气温)和相对湿度相干显耀不错解说为植物在受到水分挟制(相对湿度较低或降水偏少)或高温的影响时, 植物部分气孔关闭以幸免过多水分消散, 因而裁减了植物里面CO2浓度, 导致植物对CO2的识别裁减[5]。
4 论断天山北坡雪岭云杉树轮牢固碳同位素值、变异统统、方差和模范差均低于天山南坡。天山北坡的雪岭云杉树轮牢固碳同位素在年际变化较天山南坡的牢固。从恒久变化来看, 天山南坡树轮牢固碳同位素呈较着的偏负趋势, 尤其是1970年代以后, 而天山北坡相对较为牢固。
天山南坡两条树轮δ13Ccorr序列均与滋长季降水、相对湿度呈显耀的负相干关系, 与滋长季宽裕水汽压亏缺(VPD)呈显耀的正相干关系。而天山北坡两个采点的树轮δ13Ccorr与滋长季平均气温、平均最高气温以及宽裕水汽压亏缺(VPD)呈显耀的正相干关系, 同期与滋长季的降水和相对湿度呈显耀的负相干关系。天山南坡树轮牢固碳同位素分馏的主控野蛮因子为滋长季的水分, 尤其是降水, 而天山北坡树轮牢固碳同位素分馏可能受到水热条目的共同抑制。
总体而言, 野蛮因子对天山南坡树轮牢固碳同位素分馏的影响要大于天山北坡。影响天山南坡树轮牢固碳同位素分馏的主要适度性因子为滋长季的降水以及降水和相对湿度的协同效应淫人阁, 平均气温的孝敬不大；而天山北坡树轮牢固同位素分馏经由由夏日平均最高气温、降水量和相对湿度协同影响。