劉小英，段愛(ài)國(guó),2*，張建國(guó),2，張雄清，朱安明

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100091；2.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210000 )

樹(shù)輪中的穩(wěn)定碳同位素具有較好的記錄、指示相應(yīng)氣候變化的能力，該技術(shù)被生態(tài)學(xué)家和氣象學(xué)家在研究中多次使用[1-2]。樹(shù)木的化學(xué)組成成分較多，主要包括纖維素(約占45%)、半纖維素(約占25%)、木質(zhì)素(約占25%)以及含量較少的樹(shù)脂、揮發(fā)性油類、單寧和色素(約占5%)。全木、棕纖維素、木質(zhì)素以及α-纖維素中均攜帶有氣候信息[3-6]，不同組分穩(wěn)定碳同位素對(duì)氣候的響應(yīng)存在差異性[7-8]。在研究中究竟選擇哪種組分進(jìn)行研究，可以獲得更好的氣候變化信息，目前還存在一定爭(zhēng)議。

研究表明，在進(jìn)行短期氣候研究時(shí)，選擇全木還是纖維素進(jìn)行研究，結(jié)果是一樣的，且兩者之間也存在較強(qiáng)的相關(guān)性[9-15]，如利用穩(wěn)定碳同位素對(duì)長(zhǎng)期氣候進(jìn)行重建，使用木質(zhì)素進(jìn)行研究效果較好[16]。相比綜纖維，α-纖維素是木材化學(xué)組成中結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的，所含的氣候變化信息是最強(qiáng)的，因此，α-纖維素可以作為研究過(guò)去環(huán)境變化較好的載體[17]。但是通過(guò)對(duì)馬尾松樹(shù)輪的全木、綜纖維以及α-纖維素中穩(wěn)定碳同位素對(duì)氣候的響應(yīng)卻沒(méi)有太大的差異[18]。樹(shù)輪同組分對(duì)碳穩(wěn)定同位素的記錄研究結(jié)果出現(xiàn)差異，可能是因?yàn)檫^(guò)去研究選擇樹(shù)種及研究的區(qū)域存在差異導(dǎo)致的。

樹(shù)輪穩(wěn)定碳同位素研究在國(guó)外已經(jīng)有較多的報(bào)道，但我國(guó)樹(shù)輪穩(wěn)定碳同位素研究起步比較晚。以往在研究碳穩(wěn)定同位素氣候變化的響應(yīng)時(shí)，往往考慮的是樹(shù)木在不同海拔、不同區(qū)域環(huán)境條件下不同樹(shù)輪指示對(duì)氣候變化的現(xiàn)時(shí)響應(yīng)的差異[19]。有研究[20-24]表明樹(shù)輪δ13C值與平均溫度、最高氣溫、最低氣溫、降水、平均相對(duì)濕度及日照時(shí)數(shù)有一定的相關(guān)關(guān)系。亦有研究表明樹(shù)輪穩(wěn)定碳同位素對(duì)復(fù)合溫濕度指標(biāo)(TH)的響應(yīng)更加靈敏[25]。與樹(shù)輪穩(wěn)定碳同位素有關(guān)的氣候因子中，溫度和濕度為許多研究者所關(guān)注[15,26-27]。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國(guó)重要鄉(xiāng)土速生針葉用材樹(shù)種，廣泛分布于我國(guó)亞熱帶山地、熱帶北緣、暖溫帶南緣等氣候區(qū)的18個(gè)省區(qū)，是一個(gè)具有明顯地理緯度變異的樹(shù)種[28-29]。以往采用樹(shù)輪寬度或密度指標(biāo)研究樹(shù)木對(duì)氣候變化響應(yīng)，而未見(jiàn)普遍應(yīng)用于樹(shù)木氣候變化響應(yīng)研究中的穩(wěn)定碳同位素指標(biāo)在樹(shù)木氣候變化響應(yīng)關(guān)系的研究。鑒于此，本研究選擇設(shè)置于廣西柳州的34年生杉木種源試驗(yàn)林中3個(gè)代表性地理種源，探討其樹(shù)輪穩(wěn)定碳同位素與氣候變量間的關(guān)系，比較全木與α-纖維素的指示性，篩選出不同組分對(duì)氣候響應(yīng)的主導(dǎo)氣候因子，以期為未來(lái)氣候變化條件下杉木資源的培育起到重要指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)自然概況

杉木種源試驗(yàn)林位于廣西柳州六峰山林場(chǎng)，是由中國(guó)林科院林業(yè)研究所主持，全國(guó)杉木地理種源試驗(yàn)協(xié)作組于20世紀(jì)70年代末開(kāi)展的第2次杉木全分布區(qū)種源試驗(yàn)時(shí)期布設(shè)。于1981年春季，采用1年生實(shí)生苗造林。種源試驗(yàn)林涵蓋207個(gè)杉木地理種源，其中162個(gè)種源的保存量基本在10～15株。試驗(yàn)地地處桂中丘陵地區(qū)，北緯23°42′，東經(jīng)109°50′，年平均氣溫21.1 ℃，年降雨量1 418.5 mm，年蒸發(fā)量1 969.1 mm，相對(duì)濕度76%，全年日照時(shí)數(shù)1 823.7 h。

2 材料與方法

2.1 樹(shù)輪資料

采用伐倒取圓盤(pán)的取樣方法，以經(jīng)緯度分布均勻，生長(zhǎng)量具有代表性，圓盤(pán)數(shù)大于10個(gè)為依據(jù)，選取貴州六枝(GZL)、湖南雙牌(HNS)以及福建永安(FJY)等3個(gè)地理種源各12個(gè)單株，合計(jì)36個(gè)單株，分別取0號(hào)圓盤(pán)，刨光，編號(hào)，登記。應(yīng)用 LignoStation年輪分析儀對(duì)不同種源各單株圓盤(pán)進(jìn)行掃描，每個(gè)圓盤(pán)2個(gè)測(cè)量路徑，應(yīng)用年輪分析儀自帶軟件進(jìn)行年輪界線的劃分，并測(cè)量樹(shù)輪自髓心往外各年輪寬度，后借助交叉定年軟件COFECHA程序?qū)λ卸ê媚甑男蛄凶鳈z驗(yàn)，保證用于年表建立的樹(shù)輪序列與試驗(yàn)林實(shí)際樹(shù)齡對(duì)應(yīng)無(wú)誤。

2.2 α-纖維素提取

將樹(shù)輪圓盤(pán)放在干凈的玻璃板上，依據(jù)樹(shù)輪寬度的標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行交叉定年，定年的過(guò)程中用大頭針進(jìn)行標(biāo)注，選擇向陽(yáng)的方位[30]，然后利用干凈的刻刀進(jìn)行樹(shù)輪的逐年剝離，將杉木12個(gè)圓盤(pán)同一年的年輪樣品剝?nèi)『蠡旌显谝黄?，并用干凈的自封袋封裝，并做好對(duì)應(yīng)的編號(hào)?？紤]到δ13C值會(huì)受到幼齡效應(yīng)的影響[31]，因此在取樣的時(shí)候去除前6年的樹(shù)輪。所有樣品采集完好，放入高速離心球磨儀中將樣品粉碎至過(guò)60目(300 μm)，留出一部分樣品進(jìn)行全木的δ13C值的測(cè)定。剩余的樣品進(jìn)行α-纖維素的提取。按照有機(jī)溶劑[(V(苯) ∶V(無(wú)水乙醇)=2 ∶ 1，丙酮180 mL]萃取、漂白[V(次氯酸鈉) ∶V(乙酸)=3 ∶ 2]及堿化(10%與17%的氫氧化鈉依次處理)等步驟進(jìn)一步提取α-纖維素[32]。用真空冷凍干燥機(jī)(-45 ℃)進(jìn)行凍干處理，采用快速核酸提取儀進(jìn)行α-纖維素的粉碎。

2.3 碳穩(wěn)定同位素(δ13C值)的測(cè)量

本研究采用氣象同位素質(zhì)譜儀Thermo Finnigan DELTA plus XP測(cè)量杉木全木以及α-纖維素的δ13C的值，該過(guò)程在植被與變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。用百萬(wàn)分天平(Starorius)稱量粉末α-纖維素(0.20±0.05)mg，然后用錫囊將樣品包裹，卷好密封，上機(jī)測(cè)試，得到13C/12C值(相對(duì)VPDB標(biāo)準(zhǔn))。隨機(jī)抽取24個(gè)平行樣本對(duì)δ13C測(cè)量精度進(jìn)行校驗(yàn)，

13C/12C的同位素比值δ13C=(Rsample/Rstandard-1)×1 000,整個(gè)碳同位素(δ13C)測(cè)量精度≤0.15‰,Rsample表示樣品中的重輕同位素峰度之比，Rstandard是國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)的重輕同位素峰度之比[33]。

2.4 氣候數(shù)據(jù)來(lái)源

圖1 廣西來(lái)賓氣象站月平均溫度與總降水量變化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)

本實(shí)驗(yàn)采用廣西來(lái)賓氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)(圖1)，該站點(diǎn)距離種源試驗(yàn)林場(chǎng)100 km，中間無(wú)高山阻隔；所用氣象資料包括1985—2013年月平均氣溫、月降水量，月平均相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)。本實(shí)驗(yàn)研究的氣候因子還有春(3—5月)夏(6—8月)秋(9—11月)冬(12—2月)4個(gè)季度以及氣候年(上年6月至當(dāng)年11月)。(氣候資料來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心)經(jīng)檢驗(yàn)，來(lái)賓站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)可靠，無(wú)明顯突變，代表了當(dāng)?shù)貧夂蜃兓厔?shì)(圖1)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

利用函數(shù)計(jì)算表示杉木不同組分δ13C的統(tǒng)計(jì)特征；利用Pearson相關(guān)性檢測(cè)α-纖維素中δ13C值與氣候因子的相關(guān)關(guān)系(P=0.05)。采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，Excel 2013 作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 杉木不同組分δ13C的統(tǒng)計(jì)特征

通過(guò)比較全木和α-纖維素中穩(wěn)定碳同位素序列的基本統(tǒng)計(jì)特征(表1)，杉木樹(shù)輪全木和α-纖維素中穩(wěn)定碳同位素的序列(1987—2013)變化范圍分別是-24.577‰～-26.336‰和-23.311‰～-25.597‰，平均值分別是-25.589‰和-24.063‰，變異系數(shù)均為負(fù)數(shù)，表明杉木樹(shù)輪的穩(wěn)定碳同位素的序列在年際變化中相對(duì)穩(wěn)定；從表1中還可以看出，不同地理種源杉木樹(shù)輪全木和α-纖維素中δ13C含量都存在一定的差異。而3個(gè)不同地理種源α-纖維素δ13C值的標(biāo)準(zhǔn)差、方差以及變異系數(shù)的絕對(duì)值均大于全木δ13C序列值，因此杉木α-纖維素中δ13C值相比全木中的更加離散。

表1 不同種源杉木不同組分穩(wěn)定碳同位素序列的基本統(tǒng)計(jì)特征

3.2 杉木樹(shù)輪各組分δ13C值的一元線性回歸

杉木樹(shù)輪全木和α-纖維素中δ13C值存在一定的差異性。但是兩者是否可以相互代替進(jìn)行研究是所有學(xué)者關(guān)注的問(wèn)題。因而使用一元線性回歸分析各組分δ13C值的變化趨勢(shì)，擬合結(jié)果如表2。

同一杉木個(gè)體的全木和α-纖維素中δ13C的線性回歸校正R2的平均值為0.823，概率P<0.001；斜率值K為0.957、1.140和1.192，均接近K=1，說(shuō)明全木和α-纖維素中δ13C年際變化趨勢(shì)一致。

表2 杉木樹(shù)輪不同組分間δ13C值的一元線性回歸分析結(jié)果

3.3 不同組分δ13C序列與氣候指標(biāo)的相關(guān)分析

3個(gè)種源杉木樹(shù)輪不同組分δ13C值與氣候因子的相關(guān)性分析比較，發(fā)現(xiàn)不同組分中δ13C值對(duì)氣候因子的響應(yīng)基本一致，與平均溫度及日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與降水及相對(duì)濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。α-纖維素中δ13C值與3月、9月的平均溫度及最低氣溫，5月、10月的日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與3月降水，10月相對(duì)濕度及3月最小相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，但是與9月降水卻呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。除此之外，還與冬季的最低氣溫、春季的相對(duì)濕度及日照時(shí)數(shù)、秋季的最高氣溫及夏季的最小相對(duì)濕度呈顯著的相關(guān)性。但是不同組分對(duì)不同的氣候因子的敏感程度存在強(qiáng)弱的差異。

(1)與氣候年值的相關(guān)性分析可以看出(表3)，3個(gè)種源杉木的不同組分對(duì)溫度的響應(yīng)沒(méi)有太大差異，其不同組分的極差值均小于0.08。但是對(duì)于降水、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性比較中，發(fā)現(xiàn)種源FJY與HNS的全木較α-纖維素中δ13C序列值與年值氣候因子的相關(guān)系數(shù)大，而種源GZL的全木較α-纖維素中δ13C序列值與年值氣候因子的相關(guān)系數(shù)小，但其相關(guān)系數(shù)極差接近0.1。

(2)與氣候因子的季度值的相關(guān)性分析可以看出(表4)，除了夏季最小相對(duì)濕度，全木中的δ13C值與氣候的相關(guān)系數(shù)高于α-纖維素，而種源FJY樹(shù)輪α-纖維素中的δ13C值與夏季最小相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.535。與氣候因子的月值相關(guān)性分析可以看出(表4)，3個(gè)種源杉木樹(shù)輪α-纖維素中的δ13C對(duì)氣候更加敏感，如種源FJY與HNS相關(guān)性對(duì)比分析。

表3 杉木不同組分中δ13C序列值與年度氣候因子的關(guān)系

*代表P<0.05,* *代表P<0.01

*representsP<0.05,* *representsP<0.01

表4 杉木不同組分δ13C序列值與月值氣候因子關(guān)系

續(xù)表4 杉木不同組分δ13C序列值與月值氣候因子關(guān)系

*代表P<0.05,* *代表P<0.01

*representsP<0.05,* *representsP<0.01

4 結(jié)論與討論

4.1 杉木不同組分δ13C之間的關(guān)系

全木和α-纖維素中的δ13C值存在明顯差異的主要原因是植物葉片光合產(chǎn)物在進(jìn)入木質(zhì)部的不同組分時(shí)穩(wěn)定碳同位素存在不同的分餾[9]，因此杉木全木和α-纖維素中的δ13C值存在一定的差異。本研究發(fā)現(xiàn)杉木樹(shù)輪全木較α-纖維素δ13C值偏負(fù)1.5‰左右，與其他植物的研究結(jié)果相比偏大，如油松中兩者偏差范圍1.2‰～1.4‰[4]，馬尾松(PinusmassonianaLamb.)中兩者偏差范圍為1.03‰～1.2‰[18]，這可能是因?yàn)椴煌瑯?shù)種中穩(wěn)定碳同位素的分餾存在差異而造成的。

通過(guò)比較杉木樹(shù)輪不同組分中δ13C統(tǒng)計(jì)特征值，除了HNS以外的GZL和FJY兩個(gè)地理種源的杉木的一階自相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.4，說(shuō)明杉木生長(zhǎng)不僅受到當(dāng)年氣象因子(降水、溫度等)的影響，還受到上年氣候因子(降水、溫度、濕度和日照時(shí)數(shù))的影響。其中FJY的樹(shù)輪中的穩(wěn)定碳同位素記錄的氣候信息差不多有40%滯后[34]。

在不同組分的δ13C統(tǒng)計(jì)特征值中，發(fā)現(xiàn)杉木α-纖維素中δ13C值相比全木中的更加離散。能更好地滿足研究需求，這與王建等[18]對(duì)馬尾松研究的結(jié)果一致，因此選擇α-纖維素進(jìn)行對(duì)氣候響應(yīng)的研究更加可靠。

4.2 杉木樹(shù)輪不同組分與氣候因子的敏感性分析

纖維素是細(xì)胞壁的主要組成成分，而α-纖維素是纖維素最穩(wěn)定的物質(zhì)，由于其通過(guò)木質(zhì)素與細(xì)胞壁粘著，且不含可皂化類脂，是不可以移動(dòng)的，但是全木中卻含有可皂化類脂，因此全木不適合用來(lái)研究碳穩(wěn)定同位素對(duì)氣候的響應(yīng)情況[35]。δ13C比率反應(yīng)的是氣孔導(dǎo)度和光合速率之間的關(guān)系，因此，碳同位素的分餾主要受到氣孔導(dǎo)度的影響[9]。樹(shù)輪不同組分對(duì)杉木樹(shù)輪不同組分中δ13C通過(guò)比較不同樹(shù)輪組分中δ13C與氣候因子之間的Pearson相關(guān)系數(shù)的大小可以判斷出其對(duì)不同氣候因子的響應(yīng)存在的差異性[8,36-37]。

王建等[18]研究了馬尾松不同組分穩(wěn)定碳同位素的差異，發(fā)現(xiàn)不同組分對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性沒(méi)有顯著的差異。而本文通過(guò)對(duì)比分析杉木樹(shù)輪不同組分δ13C值與氣候因子年值的相關(guān)系數(shù)，可以看出全木和α-纖維素這兩種組分對(duì)氣候因子年值的響應(yīng)也沒(méi)有顯著的差異。主要是因?yàn)槿竞挺?纖維素對(duì)較長(zhǎng)尺度氣候因子的響應(yīng)的靈敏度是一致的。

在對(duì)氣候因子的月值及季度值的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，杉木的這兩種組分對(duì)應(yīng)的氣候相關(guān)系數(shù)沒(méi)有很強(qiáng)的規(guī)律性。不同組分對(duì)春季氣候因子響應(yīng)的相關(guān)系數(shù)的極差較小，極差值未達(dá)到0.1，而與氣候因子夏、秋、冬及單月值的極差值大于0.1，最高值可以達(dá)到0.554。這與商志遠(yuǎn)等[5]對(duì)樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)的研究結(jié)果一致。在溫暖亞熱帶地區(qū)，樹(shù)木的生長(zhǎng)超過(guò)了生長(zhǎng)季，一年四季的生長(zhǎng)只是速率的差異，而只要有生長(zhǎng)，樹(shù)液就會(huì)流動(dòng)，δ13C就會(huì)發(fā)生分餾，尤其是針葉樹(shù)種，對(duì)于我國(guó)的南方的鄉(xiāng)土樹(shù)種杉木而言，此種種源FJY的樹(shù)輪α-纖維素中的穩(wěn)定碳同位素對(duì)生長(zhǎng)季的溫度較敏感，與秋季的平均溫度呈顯著正相關(guān)，這與已有的研究結(jié)果是相符的[13,27,38]，且與冬季的相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，因此相對(duì)濕度也是比較敏感的氣候因子[39-41]。春季日照時(shí)長(zhǎng)對(duì)杉木樹(shù)輪δ13C有正向的影響。特別是對(duì)FJY的影響，春季光照時(shí)間增長(zhǎng)，使得植物光合作用加強(qiáng)，積累有機(jī)物增加，但是已有研究表明光照對(duì)穩(wěn)定碳同位素的合成是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，而且是出現(xiàn)反向的影響[42]，出現(xiàn)這種差異的最可能是由選擇原產(chǎn)地栽培的植物與引種的植物對(duì)氣候的響應(yīng)情況的差異引起的。

杉木樹(shù)輪的α-纖維素中的δ13C值與10、11月相對(duì)濕度相關(guān)性較強(qiáng)，特別是種源GZL與其的相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.549(P<0.01)。而種源FJY與6、7、8月最小相對(duì)濕度也呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，這個(gè)結(jié)果在西伯利亞落葉松(LarixsibiricaLedeb.)樹(shù)輪δ13C值與氣候因子的研究中發(fā)現(xiàn)，δ13C值與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[26]，本文研究結(jié)果與其一致。

樹(shù)輪α-纖維素δ13C可以很好地記錄生長(zhǎng)地降水的情況[4,27]。但是杉木樹(shù)輪α-纖維素中的δ13C值僅與3月的降水相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.469，其他月份的降水基本無(wú)顯著相關(guān)性。由此可見(jiàn)，不同樹(shù)種對(duì)降水的響應(yīng)情況存在差異性。

(1)杉木樹(shù)輪的全木和α-纖維素對(duì)氣候的響應(yīng)方向基本一致。(2)在進(jìn)行杉木樹(shù)輪中δ13C值對(duì)氣候因子的響應(yīng)研究時(shí)，α-纖維素相對(duì)于全木而言能更好地滿足實(shí)驗(yàn)要求。(3)杉木樹(shù)輪穩(wěn)定碳同位素可以很好的記錄生長(zhǎng)過(guò)程中氣候變化，而不同季節(jié)的主導(dǎo)氣候因子存在很大的差異。同一個(gè)氣候因子在不同的時(shí)間段內(nèi)的影響也是不一樣的。春季和夏季的最小相對(duì)濕度、日照，秋季的溫度、冬季的相對(duì)濕度以及3月的降水均是影響α-纖維素中δ13C值的氣候因子。

致謝:中國(guó)科學(xué)院植物研究所李燕老師對(duì)研究給予了幫助，謹(jǐn)致謝意!