1、第五章：过去全球变化信息提取第五章：过去全球变化信息提取 本章主要内容：本章主要内容：第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化一、树木年轮稳定同位素研究一、树木年轮稳定同位素研究1.概况概况树木中保存着自然环境变化的大量信息，随着近年来开展的全球变化研究的兴起，开始了对树木年轮同位素丰度的研究，它必将成为全球变化研究中的一个重要内容。开展树轮稳定同位素季节性变化的研究，不仅可以获取树轮稳定同位素年际变化的信息和树木生长季内的气候状况，而且，还可以获取大气二氧化碳浓度及环境变化的极有价值的信息资料。它们对于未来的气候变化、生态变化、水圈变化及某些灾害性变化研究都具有重要的理论和实用价值
2、。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化2实验技术实验技术树木年轮同位素分析的关键是如何可靠地从树木中分离出适合质谱分析的样品，同时又不破坏其原始同位素成分。v碳同位素分析碳同位素分析使用全纤维素或纤维素通过充分燃烧提取C02供质谱分析。v氧同位素分析氧同位素分析常用的方法是高温真空热解，或在加热条件下与HgCl2反应，生成CO2和CO及其它成分。然后，将CO在真空放电器中转化为C02。v氢同位素分析氢同位素分析 首先对进行提取好的纤维素硝化，然后将硝化纤维（硝酸纤维素）与氧化铜混合，在真空条件下800燃烧，产生的C02收集后送质谱分析13C；H20用铀法处理提取H2，供质谱分析D
3、。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化3树木年轮同位素理论研究树木年轮同位素理论研究式中，DCN为植物硝化纤维中的D；Dsw是植物在合成纤维素时所摄取的水的D值。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化海藻的EB+50-70；水囊EB0-100；管状植物EB0-20。根据植物生理学研究，管状植物与树木十分相似，所以这一结果也适用于树轮中。CJYapp和SEpstein报道了水生植物EB值在-12-39，White报道美国东部白杉的EB值在-75-53之间，计算出相应的温度系数为+1.6-1。VMCStratten报道的小麦和玉米的温度系数分别为-1.390.35-1和-
4、1.450.72-1。上述研究成果表明：EB值随植物种类的不同而有很大的差别。因此在采集样本时，除了对采样点进行选择外，对树种也要做相当严格的选择。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化n 植物内部氢同位素成分与周围环境水中的氢同位素植物内部氢同位素成分与周围环境水中的氢同位素之间的关系之间的关系第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化nD和环境温度的关系和环境温度的关系从树轮中提取的硝化纤维的DCN可计算出大气降水中的D，进而还可以算出决定降水中D的变化因素大气温度。但必须指出的是，并没有一个统一的温度系数可供所有的地区及所有的树种使用。第一节第一节:树轮研究与气候变化
5、树轮研究与气候变化(2)氧同位素研究氧同位素研究180主要是受树木生长环境中湿度的影响。氧同位素研究中，首先需要解决的问题是生物化学分馏问题。定义生物化学分馏系数B为：B(1十10-318OCN)(1十10-318Ow)其中，18OCN代表植物硝化纤维中的18O值，18Ow值是指植物所吸取的水源中的18O值。水源，对陆生生物而言是指叶片水，水生植物则是指其生长周围的环境水。SEpstein报道的二个不同水生植物的B值分别是1.027和1.028。MJDeNiro和SEpstein在控制生长源的条件下，测出小麦的B值为1.028。他俩后来又报道了海生植物的B为1.0270.003，淡水植物的B为
6、1.0270.002。RL.Burk和MStuiver报道的B值为1.0261.027。上述结果说明各种植物的B值是相当恒定的。植物纤维系中的18O值与植物生长过程中所摄取的水中的18O之间有一适用于各种植物的关系式。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化植物中的氧有两个可能的来源。一是摄取水中的氧，另一个途径是植物呼吸大气C02中的氧。MJDeNiro和SEpstein 与AFerhi 得出了似乎相矛盾的结果。MJDeNiro et al.,用控制生长环境的实验来检查到底是哪种氧进入了纤维素。结果表明，植物在生长时吸取的氧来自水中，而不是来自大气C02中，因为在纤维素合成之前，C
7、02已与叶片水取得了平衡，这个过程的化学反应式为：6C02十6H2O*C6H1206*十602式中，O*表示区别于大气C02中的氧。AFerhi也用控制生长条件的方法对豆类进行了研究，得到了纤维素中18Oc分别与水中18Ow及湿度(h)之间的两个关系式：18Oc0.1518Ow十26.68 18Oc10.92h十32.12 他得到的结论指出C02并未完全与叶片水取得平衡。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化植物纤维素的18O与植物生长水源之间存在某种函数关系。RRamesh认为18O与湿度之间的关系极为密切。对印度银杉研究后，得到了如下关系式：18O-(1.30.4)h 他认为空
8、气中CO2中的氧同位素与叶片水达到平衡的状态早于纤维素细胞的合成。JGray和PThompson推导出了18O与年平均温度t之间的关系式：18O(1.30.1)t十(24.52)在分析了更多的树轮后，他们发现这个关系式在每年89月符合得最好，与其他月份的温度关系却很小。对此，只能说明温度对分馏系数有明显的影响，树木用以合成纤维素的水的同位素成分也是随着气温的变化而变化的。在上述树轮的采集地区，89月的气温最适合纤维素的合成。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化(3)碳同位素研究碳同位素研究目前的研究表明：树轮中13C值的变化主要受温度、湿度及云量多少的影响。对于解释长期的大气13
9、C值记录问题时，应基于全球大气状况，在分馏机制中找答案。为此，必须考虑以下两个问题：植物生长时，开放的大气环境中局部CO2压力对植物本身的影响。大气中的13C值变化。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化RJ.Francey和和GDFarquhar考虑了前述两个问考虑了前述两个问题，提出植物中碳同位素的分馏模式为：题，提出植物中碳同位素的分馏模式为：13Cp13Caa(ba)pipa式中，式中，13Cp、13Ca分别指植物纤维素和大气分别指植物纤维素和大气C02中的中的13C值，值，pi、pa分别指植物在生长时纤维素细胞内外所受的分别指植物在生长时纤维素细胞内外所受的CO2局部压力
10、；局部压力；a指指13CO2和和12CO2不同的扩散系数不同的扩散系数(其值约为其值约为4.4)；b指碳的生物化学分馏系数指碳的生物化学分馏系数(约为约为27)。所以上式可改写为：所以上式可改写为：13Cp 13Ca 4.422.6(pipa)植物对植物对C02的吸收速率的吸收速率A则由下列关系式与则由下列关系式与C02的局部压力的局部压力联系起来了：联系起来了：Ag(papi)其中其中g为植物叶片的微孔导通系数。为植物叶片的微孔导通系数。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化ALong研究了过去研究了过去600年以来年以来13C与气候及大气与气候及大气C02之间之间的关系，他用上
11、述两个公式作了详细的计算。其中的关系，他用上述两个公式作了详细的计算。其中13Cp用纤维用纤维素中的素中的13C值；值；13Ca用用CDKeeling所测的大气中所测的大气中CO2的的13C值；值；pa是从冰心中测出的。据此计算出是从冰心中测出的。据此计算出pi再由再由Ag(pa一一pi)式算出式算出Ag值。值。假如在整个工业革命以后假如在整个工业革命以后g值为常数，则值为常数，则Ag比值就是树木比值就是树木对对C02的吸收速率，也就是树轮宽度指示器。的吸收速率，也就是树轮宽度指示器。这些计算表明，在工业革命期间增加的这些计算表明，在工业革命期间增加的C02浓度必然导致浓度必然导致C02吸收的
12、增加，其结果表现在海拔较高的树木上就是轮宽加大。吸收的增加，其结果表现在海拔较高的树木上就是轮宽加大。ALong研究了研究了1570一一1850年间生长在欧洲某海拔较高年间生长在欧洲某海拔较高的位置上的树，发现其生长量：很少的位置上的树，发现其生长量：很少(即年轮很窄即年轮很窄)。恰恰在这段。恰恰在这段时间，全球处于时间，全球处于“小冰期小冰期”时期。这也支持了大气时期。这也支持了大气C02浓度与地浓度与地表温度之间存在着关系这一观点。表温度之间存在着关系这一观点。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化随着对树轮中随着对树轮中13C12C比值的深入研究和了解，发现问题比值的深入研究
13、和了解，发现问题并非简单。因此，人们已不能简单地按温度或大气中并非简单。因此，人们已不能简单地按温度或大气中13C来解来解释树轮中释树轮中13C的变化。问题如下：的变化。问题如下：vTMazany、PPTans和和WGMook发现树轮内部发现树轮内部的的13C值沿周围和直径方向均有不同的变化。直径方向上，每值沿周围和直径方向均有不同的变化。直径方向上，每轮早材、晚材直径的轮早材、晚材直径的13C值可相差值可相差2；vHDFreyer和和NBelacy观察到树木前几轮的观察到树木前几轮的13C值同值同后面后面13C值比较，明显要小。因为在幼树时，其根部也呼吸值比较，明显要小。因为在幼树时，其根部
14、也呼吸C02，而使得其树叶吸收的，而使得其树叶吸收的C02中的中的13C值减少；值减少；vH.DFreyer发现树木在污染区发现树木在污染区13C值要升高。值要升高。v大量化石燃料的使用致使大量大量化石燃料的使用致使大量CO2进入大气，从而使进入大气，从而使13C值值减少；减少；v树木受自身生理因素影响，而使树木受自身生理因素影响，而使CO2浓度增高。浓度增高。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化4.树轮树轮H、O同位素研究在气候变化中的应用同位素研究在气候变化中的应用研究表明，树轮同位素组成与降水同位素组成、降水量、温度和湿度直接相关。因此，树轮同位素序列可用来恢复气候记录、评
15、价最近发生的气候事件和探讨引起气候长期波动的原因。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化(1)源水同位素组成源水同位素组成不同来源的水具有不同的同位素比值，通过对植物同位素的研究有助于了解植物利用的环境水是雪融水、河水，还是浅层地表水或深层土壤水。对于干旱半干旱地区，植物的源水一般是当年的降水。这样该地区树轮同位素组成可反映降水同位素组成。因而有助于了解大气环流的特征或降水模式的时空变化。越来越多的证据揭示植物纤维素同位素组成的差异反映了植物源水同位素组成的变化，无论在年际尺度上还是在单个生长季内。研究表明，在干旱半干旱地区，树轮同位素比值与环境水(降水)的同位素比值线性相关。树轮
16、同位素提供了降水同位素组成的可靠信息。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化(2)温度温度源水(降水)同位素的变化是温度的函数，所以树轮同位素的变化可以反映温度变化。CJYapp等得出的树轮同位素与年平均温度的变化率(5.8)跟降水同位素与年平均温度的变化率(5.6)极为相近。最近的研究结果表明，对于气候条件简单或地势平坦的地区，树轮同位素序列是湿度变化历史的良好载体。温度的变化是树轮同位素组成长期波动的主要原因。利用树轮同位素序列研究气温的变化难点就是温度信号相对微弱。RAHoughton等指出，中纬度大多数地区近130年来平均温度变化幅度不到1。这样微弱的信号在其从降水到树木的
17、源水、最后到树轮纤维素的传输过程中可能被丢失。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化(3)降水量降水量树木生长季期内，如果树木吸收的水分受到限制，那么树木吸收水分的多少对叶片蒸发率有明显的影响，因而可能影响纤维素的同位素组成。树轮同位素组成与降水量之间的关系已被许多试验结果证明，一般是水分条件受到限制的地区，树轮同位素的组成与降水量反相相关。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化(4)(4)湿度湿度相对湿度与叶子蒸发速率有关，因而也与光合作用速率存在相关关系。很多研究结果表明树轮同位素与相对湿度之间存在线性相关。然而，在一些研究中树轮同位素与湿度之间的相关关系没有被发现
18、。JW.C.White等认为如果短期水汽与树木的源水未达到完全的同位素平衡，那么短期水同位素的变化将有效地掩盖掉树轮同位素的湿度信号。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化5 5碳同位素研究在气候变化中的应用碳同位素研究在气候变化中的应用研究表明，许多环境因素(如C02、压力、02分压、温度、光照、湿度、盐度等)都可以影响植物的碳同位素分馏(值)和组成(p)，按照Farquhar的模式公式13Cp13Caa(ba)pipa，植物的碳同位素组成与源C02的a及叶子细胞内外C02分压之比(pipa)有关，而又pipa直接受各种环境因素的控制，因此，利用植物的13Cp就有可能反映大气C0
19、2的13Ca及环境因素的变化。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化(1)(1)大气大气C0C02 2的的aa变化在植物变化在植物pp值变化中的记录值变化中的记录大气C02的碳同位素组成(a)不是一个常数，其随时间和空间而变化。时间上，大气C02的碳同位素组成不但随季节而变化，而且还随地质年代而变化。空间上，大气C02的a值随着高度、纬度及海拔而变化。植物的碳同位素组成(p)在很大程度上依赖于其生长时期的大气C02的碳同位素组成(a)，森林冠层中大气C02同位素组成变轻在植物同位素组成中的反应是p值降低，这一点已被许多科学家证实。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化(
20、2)(2)温度温度温度与植物p之间的关系是比较复杂的。到目前为止，尽管温度与植物碳同位素分馏之间存在关系，但是在温度系数的大小方面还没有取得一致的意见，有入认为两者之间存在高度的负相关关系，但是在大多数研究中，人们发现的却都是正的相关关系。因此，温度与植物p之间的关系还是一个需要不断探索和深入研究的问题。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化(3)(3)湿度湿度湿度状况也被认为是影响植物p变化的最重要因素之一。植物的p值也能反映湿度状况的变化，如土壤含水量、空气湿度及降雨量的变化都可以记录在植物的p值中，低的土壤含水量、低的空气湿度以及降雨量的不足都会引起p值的增大。第一节第一节:
21、树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化(4)(4)光照条件光照条件光照条件的变化可影响植物叶子的气孔导通系数(g)、光合速率(A)及叶内C02分压pi。研究证明；不论是阴地植物还是阳地植物，随光照的增强，g和A几乎是平行变化的，两者随光照的增强而增大，在一定范围内与光照强度呈正相关的，当光照达到一定强度(光饱和点)时，两者都不再增加。pi在弱光条件下总是比较高的，随着光照强度的增大会逐渐降低，达到光饱和点时降到最低值，之后随光照强度的增大，p值会逐步增大。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化(5)(5)大气压力大气压力大气压力与叶子内外C02分压之比(pipa)之间存在着密切的关系
22、，当大气压力下降时pipa降低。大气压力对pipa的这种影响作用可分解为C02分压(pCO2)及02分压(po2)两种影响。然而，Korner的压力效应模拟研究结果表明：大气总压变化时对pipa的影响主要是由O2分压产生的。当02分压降低时，pipa降低，按照Farquhar的分馏模式公式 13Cp13Caa(ba)pipa，pipa降低，植物的p值增大。因此，植物的p值变化是能够记录大气压力(尤其是O2分压)的变化。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化(6)(6)盐分及营养元素盐分及营养元素植物p与盐分及营养元素状况之间也存在密切关系。对于非盐土植物，盐分对其新陈代谢具有明显的
23、影响作用。对盐土植物，盐分的影响与非盐土植物相似。营养元素直接或间接地影响光合作用。氮、镁、锰等元素是叶绿素生物合成所必需的矿质元素；钾、磷等参与碳水化合物的代谢，间接地影响光合作用。一般情况是：在定范围内，营养元素越多，光合速率(A)越快，叶子中pipa降低，p增大；反之，营养元素越贫，p越低。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化二、树轮生长波动与环境变化耦合的研究二、树轮生长波动与环境变化耦合的研究树木生长既是自然生理作用的结果，又是环境影响的产物。不同年份生长的生理宽度应该是生理作用和环境影响的综合反映。为了更好地提取树轮环境信息，必须重点揭示环境影响的树轮效应，即分辨出树
24、轮变化中受环境条件变化而产生的生长波动。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化1 1树木生长波动率的定义树木生长波动率的定义木材的生长波动率定义为：(SS)S100 S（木材增长量）：以生长断面面积表示；S：模拟曲线上的木材增长量。由上式可知：当为正值时，表示环境因素对木材生长起了促进作用；而为负值时，表示环境因素对木材生长起了抑制作用。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化2 2生长波动率与环境因子的耦合生长波动率与环境因子的耦合(1)生长波动与太阳黑子的耦合关系新疆托木尔峰地区松木生长波动率与太阳黑子活动周表现出较好耦合关系。该松木生长波动率变化与太阳黑子活动周之间
25、的耦合关系说明了太阳黑子活动变化可能影响着树木生长的变化。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化(2)(2)生长波动受年均降水量的影响，但具有生长波动受年均降水量的影响，但具有2 2年的滞后期年的滞后期19591960、1964、1968、1973、1977等年份较高的生长波动率分别与19571958、1962、1966、197l、1975等年份较高的降水量对应；而1961、1969一197l、1975等年份较低的生长波动率分别与1959、19671969、1973等年份较低的降水量相对应，但是，这种对应缺乏准确的函数关系。年均降水量对该松木生长波动的影响明显地存在着2年的滞后期。
26、第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化(3)(3)碳同位素分馏指示的气温变化制约着该松木的生长波动碳同位素分馏指示的气温变化制约着该松木的生长波动1940一1964年间逐年的生长波动率与13C的线性关系为；13CPDB()-22.840.027(r-O.86)虽然这种线性负相关关系显著，但仅局限于该松木生长的旺盛期。在此讨论的线性相关仅是一种统计关系，而非因果关系。然而，不管对13C的年际变化机理作何解释，大气C02经光合作用转化为木材碳时的碳同位素分馏效应确应肯定。目前看来，木材中较低的13C值指示环境较高的温度的可能性是存在的。当气温较高，水分充足时，树木生长较快，呈现出较大的
27、生长波动率。反之，当水分不够充沛，即使较高的气温也未必出现较高的生长波动率；同样，当水分充足，而气温偏低也不可能出现较高的生长波动率。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化松木年际生长波动率与松木年际生长波动率与环境因素变化对比图环境因素变化对比图a.新疆阿克苏地区年水量变化；b.太阳黑子相对降数变化，图中数码为太阳黑子活动周序号；c.逐年生长波动率变化；d.13C 变化。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化三、古冷杉树轮宽度与稳定碳同位素三、古冷杉树轮宽度与稳定碳同位素植物纤维素中的13C12C可以反映其生长期间的气候因素及大气CO2浓度变化的信息。年轮宽度与同位素
28、比例之间无相关关系（anticorrelation)。渭河古河道发现的木桩全木分析获得的13CH与纤维素分析结果13Cc之间有明显的相关性，它们之间的相关系数r0.61。13Cc与年轮宽度指标的相关系数r-0.37，表示相关性很小。这表明，树轮中纤维素及全木的13C值的变化均能反映古气候的变化。同时证实纤维素中13C值与树轮宽度指标之间无相关关系。第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化渭河古河道渭河古河道151年冷杉年冷杉全木及纤维全木及纤维素素13C值及值及树轮宽度指树轮宽度指示曲线示曲线 第一节第一节:树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化树轮宽度的变化对同位素的变化是否有影响的
29、问题一直是争论的焦点。对此，Francey和Farquhar提出如下分馏模式：13Cp13Ca一4.422.6(pipa)式中，13Cp为植物纤维素中的13C值；13Ca为植物生长期间大气C02中的13C值；pi和pa分别为纤维细胞内部和外部的C02浓度。在这一模式中，植物的13C不仅是大气CO2中13C的函数，而且也是细胞膜内部及外部C02浓度的函数。内部与外部C02浓度之间的关系为：pipaAg 式中，A为植物对C02吸收速率；g为叶片外部小孔的导通系数。各种各样外部条件的变化都会引起A值的变化。如光线增强或g值变小，都会增加13Cp，反之减小。Ag就是树木吸收CO2速率，也是年轮宽度指标的指示。
