全 文 ：喜马拉雅冷杉和林芝云杉年轮稳定碳
同位素气候意义比较
陈克龙1 ,刘晓宏2
(1.青海师范大学地理与资源环境系 ,青海 西宁 810008;
2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 ,甘肃 兰州 730000)
摘要:对采自西藏东南部的喜马拉雅冷杉和林芝云杉交叉定年后 ,进行了过去 100 年的年轮δ13C 分析。结
果表明:冷杉和云杉年轮δ13C 序列记录了大气 CO2 浓度升高引起大气 CO2 的δ13C 下降的全球性趋势 , 但两
者的响应程度不同。冷杉和云杉年轮δ13C 高频变化包含共同的气候环境变化信息 , 但在细节变化上存在差
异。在对气候变化的响应上 , 两者记录的信息可以进行相互比较 , 以便利用不同地区不同树种的δ13C 进行
大区域气候重建。
关键词:喜马拉雅冷杉;林芝云杉;年轮δ13C
中图分类号:X173　　文献标识码:A　　文章编号:1008-858X(2002)02-0029-06
　　树木年轮稳定同位素作为古气候恢复的替
代性指标研究取得了重大的成果[ 1-6] 。年轮同
位素气候学的重要目标是重建特定区域的气候
信息 。前人研究主要利用年轮稳定碳同位素进
行不同区域气候重建 。年轮稳定同位素研究遇
到如何从不同树木(树种)的年轮中同位素序列
提取所包含的共同信息 ,如单棵树不同方位的
同位素比率的变化[ 7] 和同一小气候区域不同树
种间的同位素比率变化[ 8 , 9] 。我们在具有独特
气候条件的青藏高原东南部研究了喜马拉雅冷
杉和林芝云杉稳定碳同位素比率的变化 ,揭示
不同树种稳定碳同位素对气候响应的共性和差
异。
1　材料和方法
1.1　样品采集
样品由中国科学院寒区旱区环境与工程研
究所和中国科学院地理科学与资源研究所于
2000年9 月联合采自西藏东南部林芝地区的
南伊林场(29°8.8′N , 94°11.2′E ,海拔 3450米),
树种为喜马拉雅冷杉(Abies spectabibis)。另一
样品采自该地区岗嘎林场(29°21.8′N , 94°18.6′
E ,海拔 3550米),树种为林芝云杉(Picea likian-
gensis var.linzhiensis)。样品采集严格按国际树
木年轮数据库的标准进行 ,同时采集树芯样本
和树盘样本 。所有样本在中国科学院地理科学
与资源研究所用标准方法定年[ 10] ,并用 Cofecha
计算程序进行质量控制 ,杜绝因定年而引起的
错误和失误 。
1.2　样品剥离和α-纤维素的提取
选择经标准定年的喜马拉雅冷杉和林芝云
杉圆盘样品 ,打磨后从相同方向用手术刀进行
逐年年轮样品剥离(1990-1999年)。样品粉碎
过 60目筛。年轮样品纤维素提取和稳定碳同
位素分析过程依文献[ 1 , 2 ,4] 进行。整个流程误差
收稿日期:2003-02-27
基金项目:国家自然科学基金资助项目(3020227)
作者简介:陈克龙(1965-),硕士研究生 ,主要从事生物地理及荒漠化研究。
第11卷　第2期
2 0 0 3 年 6 月　　　　　　　
盐湖研究
JOURNAL OF SALT LAKE RESEARCH
　　　　　　　Vol.11　No.2
Jun.　 2003
小于 0.05‰。
2　结果分析与讨论
2.1　年轮稳定碳同位素序列分析
图1为过去 100年冷杉和云杉树轮α-纤
维素δ13C序列。序列统计特征见表 1。表 1中
一阶自相关十分显著 ,分别为 0.389和 0.361 ,
表明δ13C序列中存在较强的同位素滞后效应 ,
但是当年的气候环境对δ13 C 的影响仍占主导
地位 。
从图 1中可以看出 ,云杉年轮δ13C 比冷杉
年轮δ13C 高约 0.74‰,自 1950年以后 ,冷杉和
云杉年轮δ13C均表现下降趋势 ,但这一下降趋
势在云杉(-0.007‰ a)中明显小于冷杉
(-0.025‰ a)(图 2)。导致这种差异出现的原
因可能是控制同位素生化分馏的气候和环境因
子对同位素分馏因树种不同而有所差异[ 11] 。
与全球其它地区树轮 δ13 C 下降趋势相比
较[ 2 , 12-14] ,可以认为西藏东南部云杉和冷杉δ13C
序列对局地气候因素和全球大气 CO2 浓度升
高均作出了显著相应。
将冷杉和云杉δ13C序列进行标准化处理 ,
见图 1(b)。与图 1(a)相比 ,序列间的差异明显
减小 ,5年滑动曲线基本上重合 ,说明两序列对
气候要素的响应上存在共性。从冷杉和云杉
δ13C序列的相关分析(表 2)也可以反应出它们
对气候变化响应的一致 。
冷杉和云杉 δ13 C 序列功率谱分析均检测
到 11.0 ～ 13.2a的显著周期(P <0.01)(图 3),
与太阳黑子 11年的活动周期十分接近 ,反映了
在青藏高原上太阳活动是气候变化重要的驱动
因子之一[ 15] 。
图 1　喜马拉雅冷杉和林芝云杉稳定碳同位素序列
Fig.1　Stable carbon isotope series of Abies sqectabibis and Likiangensis var.Linzhiensis
(a　原始序列 , b　标准化序列。粗线为 5年滑动平均)
2.2　年轮δ13C序列与气候要素相关分析比较
我们选择了距离样点最近的林芝气象站
(29°41′N ,94°35′E ,海拔 3000米)的气象数据与
δ13C序列进行分析(见表 3)。
分析结果表明 ,降水量和相对湿度对年轮
δ13C影响明显大于温度对δ13C的影响 。降水量
和相对湿度的影响主要集中在生长初期的 4-
30　　　　　　　　　　　　　 　　　　盐湖研究　　　　　　　　　　　　 　第 11卷
5月和夏末及秋季。对于比较喜欢温凉和湿润
气候的云杉和冷杉类树木[ 16] 来说 ,4-5月生长
初期需要大量的水分供应 ,但这时的降水量并
不十分充裕 ,使得降水和湿度对年轮生长造成
影响;而在秋季 ,主要的降水季节已经过去 ,但
是温度并未明显降低 ,树木仍在生长[ 17] ,需要
大量水分供应和较高的空气湿度 ,所以秋季的
降水和湿度成为树木继续生长的限制因子。大
量研究结果也表明 ,植物生长限制因子与植物
有机物中的同位素分馏有关[ 18, 19] 。当气候因子
对树木生长起限制作用时 ,气候信号将通过生
理生化反应转移到δ13C 序列中[ 20] ,而且年轮晚
材δ13C与当年气候要素的相关密切 ,早材δ13 C
与上一年的气候要素关系密切[ 21] 。所以冷杉
和云杉δ13C 序列中包含有秋季的降水和相对
湿度变化信息 。温度对年轮δ13C 影响体现在
开始生长时(2-3月)和 10-11月 ,且主要体现
为滞后效应。西藏东南部的林芝地区属于亚热
带温暖高寒湿润气候[ 16] ,随海拔的升高温度逐
渐降低 ,在适于植物生长的峡谷地带 ,温度较
高。因此西藏东南部年均温度较高 ,在树木生
长季温度是非生长限制因子 ,所以δ13C序列中
包含的温度变化信息较少 。
表 1　过去100年树轮稳定碳同位素序列统计特征
Table 1　Statistics of stable carbon isotope
series in tree-rings of the past 100 years
云杉 冷杉
自回归系数 r1=0.389 rl=0.361
r2=0.333 r2=0.303
r3=0.218 r3=0.181
均值 -22.23 -22.97
中值 -22.20 -22.99
方差 0.18 0.19
标准差 0.42 0.44
最小值 -23.15 -23.87
最大值 -21.24 -22.14
范围 1.91 1.73
偏度 0.00 0.02
峰度 -0.60 -1.00
表 2　冷杉和云杉δ13C序列相关分析
(通过0.01信度检验)
Table 2　Correlation analysis ofδ13C series
of Abies sqectabibis and Likiangensis var.
Linzhiensis(passed 0.01 confidence test)
raw data standard
每　　年 0.3697(100) 0.4188(100)
3年滑动平均 0.4257(98) 0.5405(98)
5年滑动平均 0.4677(96) 0.6217(96)
　　冷杉和云杉类树木的生长习性基本上相
似 ,所以两者在气候信息的响应上除在细节上
有差异外 ,大致相同。由于树种的不同 ,与同位
素分馏有关的生理生化反应也存在差异 ,但这
种差异引起的年轮δ13C 变化可以通过适当方
法进行消除 ,然后进行比较 。
2.3　结论与讨论
从发现年轮δ13C受气温影响[ 22] 后 ,利用树
木年轮 δ13 C 进行气候变化的研究取得了重大
发展 。年轮δ13C 序列反映的气候变化既包括
长期趋势 ,也包括高频变化[ 23] 。由于降水受地
形的影响较大 ,降水在不同地区的变化方向可
能完全相反;即使方向相同 ,变化的幅度可能存
在很大不同[ 24] 。对于反映降水变化的δ13C 序
列 ,局部小地形的影响不容忽视 。本研究分析
结果表明冷杉和云杉δ13C 序列与降水量和相
对湿度的关系密切 ,即δ13C序列主要反映区域
的水分状况变化 。由于云杉和冷杉样点存在一
定距离(气象站距云杉样点为 44.2km;气象站
距冷杉样点为70.8km;云杉和冷杉样点间距为
26.8km),两δ13C 序列间的高频细节差异与样
点间的地形 、坡向等因素有关。
在高海拔地区 ,大气压力相对较低。CO2
相对较难被植物利用。较低的大气压力可导致
叶片内外 CO2 分压比(P i Pa)降低[ 25] ,使得叶
片气孔导度增大 ,造成光合产物的碳同位素偏
重 。因此植物 δ13 C 变化与海拔有一定关系 。
冷杉和云杉样本海拔相差 100米 ,所以海拔高
度差异对两 δ13 C序列的变化差异也有一定贡
献 。
31第 2期　　　　陈克龙 ,等:喜马拉雅冷杉和林芝云杉年轮稳定碳同位素气候意义比较　　　　
许多研究表明年轮δ13 C 序列趋势差异与
“林冠效应”[ 26 , 27] 有关 。林冠效应既可以引起树
木稳定碳同位素的短期变化 ,也可以影响同位
素组成的长期变化 。树径和树高的不同 ,使得
叶片气体交换(Ci Ca)速率的变化在气候发生
变化时响应不同 ,树木年轮δ13C比率也有所不
同[ 28] 。本研究样本冷杉年龄为 350年 ,云杉为
205年 ,冷杉树木的胸径和高度远大于云杉 。
因此 ,林冠效应对冷杉和云杉δ13C 序列的趋势
变化差异的贡献不容忽视 。
通过对采自西藏东南部林芝地区的喜马拉
雅冷杉和林芝云杉稳定碳同位素进行分析 ,将
两个δ13C 序列进行比较 ,并与附近的气象观测
值进行相关分析 。结果表明:
(1)喜马拉雅冷杉和云杉均记录了大气
CO2 浓度升高引起的大气 CO2 的 δ13 C 下降趋
势 ,但两树种的响应程度有所不同。
(2)功率谱分析检测到年轮δ13C 序列存在
11.0～ 13.2a的显著周期 ,反应了青藏高原上 ,太阳
活动是气候变化的重要的驱动因子之一。
(3)年轮δ13C序列的趋势间的差异与不同
树种与同位素分馏有关的生理生化过程有关 ,
林冠效应对δ13C序列趋势间差异有一定贡献;
δ13C序列间的高频细节变化差异与小地形的不
同有关 。
(4)年轮 δ13 C 序列与气象数据的分析表
明 ,冷杉和云杉稳定碳同位素对不同气候因子
的响应存在共性和差异 。降水量和相对湿度变
化与年轮δ13 C 序列密切相关 ,但温度变化与
δ13C序列相关性较差 。
表 3　云杉和冷杉δ13C 标准化序列与逐月气候要素相关分析
Table 3　Correlation analy sis ofδ13C standardization series of Abies spe ctabibis
and Likiangensis var.Linzhiensis with monthly climate factors
林　　芝　　云　　杉
月份 降水量 相对湿度 平均温度 平均最低温度 平均最高温度当年 滞后 当年 滞后 当年 滞后 当年 滞后 当年 滞后
1 0.089 -0.104 0.098 -0.178 0.183 0.103 0.187 0.125 -0.019 0.052
2 -0.326 -0.137 -0.138 0.100 0.247 -0.152 0.349 -0.067 -0.082 -0.124
3 -0.037 -0.023 -0.124 0.145 -0.020 0.029 0.152 -0.118 -0.167 0.175
4 -0.059 0.079 0.064 0.053 -0.243 -0.043 0.111 -0.014 -0.147 -0.011
5 0.415 0.008 0.249 -0.151 -0.062 0.099 -0.007 -0.082 -0.199 -0.051
6 -0.091 -0.174 0.021 -0.203 0.193 0.288 0.234 0.125 -0.129 0.083
7 -0.015 0.004 0.078 0.166 0.098 -0.002 0.215 -0.123 0.166 -0.174
8 0.317 0.216 0.389 0.419 -0.296 -0.109 -0.280 0.010 0.044 0.245
9 0.237 0.208 0.313 0.302 0.021 -0.042 0.091 -0.235 0.037 0.113
10 0.234 0.349 0.167 0.407 0.074 -0.053 0.119 -0.068 -0.129 0.066
11 0.189 0.086 0.143 0.314 0.102 0.277 0.140 0.172 -0.122 0.208
12 -0.016 -0.068 -0.087 0.102 0.068 -0.044 0.310 0.007 -0.241 -0.098
喜　马　拉　雅　冷　杉
月份 降水量 相对湿度 平均温度 平均最低温度 平均最高温度当年 滞后 当年 滞后 当年 滞后 当年 滞后 当年 滞后
1 0.062 -0.445 0.115 0.045 0.070 0.129 0.199 0.095 0.145 0.056
2 -0.052 -0.038 0.222 0.082 0.003 0.078 0.181 0.173 0.063 0.032
3 0.016 0.070 0.269 0.099 -0.032 0.049 0.370 0.162 0.178 0.122
4 0.292 0.210 0.264 0.260 -0.078 0.031 0.226 0.220 -0.228 -0.190
5 0.112 -0.111 0.218 -0.009 -0.060 0.088 0.044 -0.004 -0.005 0.139
6 -0.260 -0.039 -0.095 0.133 0.152 0.127 0.160 0.159 0.295 0.164
7 -0.013 0.225 0.066 0.138 -0.042 -0.157 -0.029 -0.209 0.175 0.117
8 0.220 0.040 0.272 0.093 0.171 0.133 -0.070 -0.209 0.027 -0.089
9 0.215 0.374 0.295 0.614 -0.106 0.164 0.030 0.134 -0.147 -0.191
10 0.265 -0.039 0.501 0.414 -0.077 0.159 0.189 0.304 0.054 0.340
11 0.313 0.095 0.212 0.377 0.038 0.246 0.225 0.285 0.170 0.360
12 -0.030 -0.163 0.111 0.241 -0.008 0.143 -0.130 -0.040 -0.116 0.187
　　注:当年为当年气候要素与δ13C 分析;滞后为气候要素与下一年δ13C 分析。 r>0.311 , 通过 0.05 检验;r>
0.264 ,通过 0.1检验。
32　　　　　　　　　　　　　 　　　　盐湖研究　　　　　　　　　　　　 　第 11卷
图 2　过去50年冷杉和云杉年轮δ13C的下降趋势比较
Fig.2　Comparison of the deseending trends ofδ13C
in tree-rings of Abies sqectabibis and Likiangensis var.
Linzhiensis during the past 50 years
图 3　云杉和冷杉年轮δ13C 功率谱分析
Fig.3　Power spectrum analysis ofδ13C in
tree-rings of Abies spectabibis and Likiangensis
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Climatic Significance Comparison of δ13C Series in Tree-rings
between Abies Spectabibis and Likiangensis Var.Linzhiensis
CHEN Ke-long1 ,LIU Xiao-hong2
(1.GeographicDepartment of Qinghai Normal University ,Xining 810008 , China;
2.Key Laboratory of Ice Core and Cold Regions Environment , Cold and Arid Regions
Environment and Engineering Research Institute , CAS ,Lanzhou Gansu 730000 ,China)
Abstract:Stable carbon isotope ratios were measured on the α-cellulose of Abies spectabibis and Likiangensisvar.
linzhiensis in Nyingchi region after cross-dating.The twoδ13C series recorded the declining trend ofδ13C due to the
increasing concentration of CO2 in the atmosphere , but with different response.With the detail differences , there
are common climatic information in high frequencies ofδ13C series.As to the response to climate change , the cli-
matic information recorded inδ13C series can be compared with each other.
Key words:Abies spectabibis;Likiangensi var.linzhiensis;δ13C in tree-rings
34　　　　　　　　　　　　　 　　　　盐湖研究　　　　　　　　　　　　 　第 11卷