研究论文 正式出版 版本 2 Vol 11 (6) : 595-605 2020
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西双版纳思茅松(Pinus kesiya)年轮宽度和早晚材稳定氧同位素对气候因子的响应
Climate responses of tree-ring widths and stable oxygen isotopes of Pinus kesiya in Xishuangbanna, southwestern China
: 2020 - 02 - 20
: 2020 - 05 - 13
: 2020 - 05 - 21
141 1 0
摘要&关键词
摘要:由于热带地区大部分树木缺乏清晰的年轮,因此树木年轮的研究相对较为薄弱。树轮稳定同位素较树轮宽度能更好地记录环境变化的信息,特别是研究年内稳定同位素可以提供气候变化的季节动态信息。本研究以西双版纳地区的思茅松(Pinus kesiya Royle ex Gordon)为研究材料,建立了1985—2018年的思茅松年轮宽度、早材和晚材稳定氧同位素(δ18OEW和δ18OLW)年表,分析了树轮宽度、δ18OEW和δ18OLW年表与温度、降水和标准化降水蒸散指数(SPEI)等气候要素的相关关系,并研究了思茅松δ18OEW和δ18OLW记录的降水、SPEI变化以及与大尺度季风环流的关系。结果表明:西双版纳地区思茅松树轮δ18OEW和δ18OLW的均值接近,并且均呈下降趋势,这种下降趋势可能与西双版纳地区的雾日减少有关。树轮宽度对气候因子响应不敏感,仅与上一年7月的温度呈显著负相关关系,与上一年7月降水呈显著正相关关系。δ18OEW主要记录了生长季早期(4月和5月)的降水和SPEI信号,而δ18OLW主要记录了生长季末期(8月)的降水和SPEI信号。δ18OEW和δ18OLW分别能很好地代表区域5月和8月的干湿变化。树轮δ18O也受到了ENSO的影响,其中树轮δ18OEW与3—12月厄尔尼诺呈显著正相关关系,树轮δ18OLW与9—12月厄尔尼诺呈显著正相关关系(p<0.05)。该研究表明西双版纳地区的思茅松树轮早晚材δ18O具有重建区域干湿变化的潜力。
关键词:亚洲热带;稳定氧同位素;早;和晚材;气;响应;空;相关
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope Due to the lack of clear ring boundaries in most tropical tree species, tree ring studies in tropical region are still rare. Tree ring stable isotopes variations generally record stronger climatic signals compared with ring width, thus have great potential in dendroclimatical study in tropical region. Moreover, intra-annual variations of tree ring stable isotopes could provide seasonal climatic information. The present study aims to investigate the potential of tree ring width and stable oxygen isotope variations of a tropical pine species in Xishuangbanna, southwestern China. Materials and MethodsThe present study developed tree ring-width and stable oxygen isotope chronologies in earlywood (δ18OEW) and latewood (δ18OLW) of Pinus kesiya Royle ex Gordon (Simao pine) in Xishuangbanna. We performed correlation analyses between tree ring width, δ18OEW and δ18OLW and climatic factors such as monthly mean temperature, monthly precipitation and Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI) during the period 1985—2018. Spatial representatives were investigated by correlating δ18OEW and δ18OLW with regional precipitation. The relationships between tree ring oxygen isotope and El Niño-Southern Oscillation (ENSO) were also investigated. Results The mean values of δ18OEW and δ18OLW were 23.08‰ and 23.83‰, respectively, and both δ18OEW and δ18OLW showed decreasing trends. Tree ring-width chronology of P. kesiya in Xishuangbanna correlated negatively with the temperature and positively with precipitation in July of the previous year. δ18OEW chronology were negatively correlated with precipitation in the early growing season (May), whereas δ18OLW mainly recorded precipitation signal at the end of the growing season (August). δ18OEW was positively correlated with SPEI in April, and negatively correlated with SPEI in May, whereas δ18OLW was negatively correlated with SPEI in August. Both δ18OEW and δ18OLW were positively correlated with El Niño and negatively correlated with Southern Oscillation Index. Discussion Our study showed that tree growth of P. kesiya in Xishuangbanna is not sensitive to climate variables. The mean value of δ18OEW (23.08‰) and δ18OLW (23.83‰) is similar, which may due to the low variability of rainfall δ18O during the growing season. The decreasing trends of both δ18OEW and δ18OLW could be related to the decreasing of the contribution of fog water to the tree water use in Xishuangbanna. δ18OEW and δ18OLW were negatively correlated with regional precipitation in May and August, respectively. Strong correlation between tree-ring δ18O and regional precipitation confirmed that tree ring δ18O has the potential to reconstruct regional precipitation variability in the tropical regions. Moreover, tree ring δ18O showed high correlation with ENSO index, which implies that ENSO has an important influence on the hydro-climate in the study region. Conclusions Tree ring δ18OEW mainly records precipitation signal in May of the early growing season, while δ18OLW mainly records precipitation signal in August at the end of the growing season (latewood formation period). The δ18OEW and δ18OLW can represent the regional precipitation patterns in May and August, respectively. Tree-ring was δ18O mainly positively correlated with El Niño and negative correlation with the Southern Oscillation Index. Recommendations and Perspectives This study indicates that earlywood and latewood δ18O of P. kesiya in this region have high potential to reconstruct hydro-climate history in different seasons.
Keywords: Asian tropics; stable oxygen isotope; earlywood and latewood; climate response; spatial correlation
树木年轮具有定年准确、分辨率高、连续性好等特点,能够长期、定量、准确地记录树木生长时期的气候信息(Fritts1976吴祥定1990)。然而在热带地区由于树木生长限制因子不明显、年轮界限不清晰、交叉定年难度大等问题,树木年轮气候学的研究较为薄弱(方克艳等2013Pumijumnong2013Xu et al2016)
与树木年轮宽度指标相比,树轮稳定同位素具有对气象因子的响应更敏感、精确度高以及受年龄效应影响小等特点。树轮稳定氧同位素(δ18O)对气候变化的敏感性高于树木年轮宽度,尤其在湿润的热带和亚热带地区,树轮δ18O较好地记录了区域气候的水分信号。影响树轮的主要包括叶片的蒸发富集和木质部水的交换(McCarroll and 2004)。树轮的早材和晚材形成于不同的时期,受控于生长季不同阶段的环境条件,因而可能记录相应季节的气候信息(陈瑶等2017)。树轮年内的研究能够较好地反演降水氧同位素的季节变化(Zeng et al2016Xu et al2016)。在中国西南地区,树轮早材主要反映了生长季早期(春夏季)的降水和相对湿度信号,而晚材主要反映生长季晚期(秋季)的降水和相对湿度信号(An et al2012Fu et al2017)。
思茅松在东南亚地区又被称为卡西亚松,属于暖热型松类(李淡清1990)。思茅松是云南重要的造林树种之一,自然分布于相对湿润的云南中南部和西南部(吴兆录和党承林1992孙雪莲等2015龙廷位2019)。思茅松的年轮早材和晚材界限清晰,适合用于树木年轮年内稳定氧同位素变化的研究(Fu et al2017)。西双版纳地区位于亚洲热带北缘,属于热带季风气候,分为干湿两季,具有雨热同期的气候特点(黄玮和刘瑜2012朱华等2015)。本文拟通过研究西双版纳地区思茅松的年轮宽度早材和晚材氧同位素的年际变化,探究西双版纳地区思茅松树轮宽度指数、早、晚材稳定氧同位素与气候因子关系;树轮早、晚材氧同位素与区域降水的空间相关关系树轮早材和晚材氧同位素与。
1材料与方法
1.1研究区域概况
采样点位于西双版纳傣族自治州勐腊县易武保护区内(22.07°N,101.53°N,海拔1357 m)(图1)。采样点的森林类型为次生林,南向坡向,坡度为50。研究所用的气象数据来自于勐腊气象站()。根据19852018年的数据资料,该区域的年总降雨量为1520 mm,降水主要集中在59月,占全年降水量的77%。年平均气温21.9℃,月均温最低的月份为1月(16.6℃),月均温最高的月份为6月(25.5℃)。


图1   易武思茅松树轮采样点以及气象站分布图
Fig.1 Location of sampling site of Pinus kesiya and meteorological station in Mengla County


图2   勐腊气象站19852018年多年平均温度和降水量分布图
Fig.2 Monthly mean temperature (blue triangle line) and precipitation (grey bar) over the period 1985—2018 in the Mengla meteorological station
1.2   样品采集和α-纤维素提取
思茅松树轮样品采集于2019年3月。在采样点中选择胸径较大、未采割过松脂的植株,用直径为5.5 mm的生长锥在胸高处取样,共采集26棵树(52根样芯)。将采集好的样品带回实验室,样芯风干后使用颗粒度从低到高的砂纸将年轮界限打磨清晰光滑,用树木年轮分析仪测定年轮宽度,利用TSAP-Win软件进行交叉定年,利用ARSTAN软件的负指数去趋势方法建立思茅松年轮宽度标准年表(Cook and Holmes1986。
从样品中选择与主年表匹配度高、定年准确的4根样芯(来自于4棵树)进行年轮氧同位素的分析。年轮同位素样品分析的时间跨度为19852018年。为研究氧同位素的季节变化,对4根样芯的早材和晚材进行剥离,其中早材只选取前半部分,这是由于前半部分的早材较好地记录了生长季早期的气候信号(Szejner et al2016)。为降低氧同位素的测定成本,将4根样芯相应年份的早材和晚材样品进行了混合。根据前人研究,混合样芯的方法在降低成本的同时也较好地保留了不同样芯所携带的气候信号(Foroozan et al2019。用刀片将样品切碎,包裹在滤袋(ANKOM TechnologyMacedon美国)中用次氯酸钠-氢氧化钠法提取α-纤维素(Wieloch et al2011),然后用超声波细胞破碎仪(Bioruptor-UCD-200Diagenode比利时)将样品均质化。最后用真空冷冻干燥机(上海比朗仪器制造有限公司,中国)干燥后,利用中国科学院西双版纳热带植物园中心实验室的稳定同位素质谱仪(Delt V advantageThermoScientific德国)测定树轮δ18O值,样品包裹在银杯中,在测定过程中,选用的标准样品为云杉木粉18Ov-smow =23.87‰σ= 0.2‰。质谱仪的测量精度为0.3‰。
1.3气象数据
气象数据选择离采样点最近的勐腊县气象站,从中国气象科学数据共享数据网(http://data.cma.cn/site/index.html/)上获得。气象资料的时间跨度为1985—2018年,气象要素包括月平均降水量(PRE)、月平均气温(MT)。研究区域的厄尔尼诺指数(NINO3.4)和南方涛动指数(SOI),从荷兰皇家气象研究所的数据共享网(https://climexp.knmi.nl/data/ihadisst1_nino3.4a.dat/和https://climexp.knmi.nl/data/isoi.dat/)上获取。
1.4   数据分析
采用Pearson相关方法来分析树木年轮宽度指数和树轮早、晚材δ18O序列对不同气象因子以及大尺度环流指数(NINO3.4和SOI)的响应。由于上一年的气候条件可能会对当年的树木年轮宽度指数和树轮δ18O序列的值产生影响,所以选取前一年7月到当年12月(共18个月)的气象因子进行分析。。采用CRU格点数据网对树轮δ18O序列进行与降雨量的空间分析,空间分析是通过KNMI Climate Explorer网站完成(http://climexp.knmi.nl/start.cgi)。
2结果
2.1   标准年轮宽度年表和树轮氧同位素序列的特征分析
采样点思茅松的年代跨度为19552018,平均生长速率为4.07 mm/,样本总体代表性(EPS)为0.96说明采样点的树轮样品能够代表该地区的样本。
本研究思茅松树轮δ18O序列的时间范围为19852018年(表2)。树轮晚材氧同位素序列(δ18OLW)的标准差(1.47‰)比树轮早材氧同位素序列(δ18OEW)1.76‰的小,说明δ18OLW的离散程度更小。δ18OEW和δ18OLW序列平均值接近,其中δ18OEW变化范围为20.83‰28.45‰δ18OLW变化范围为20.71‰26.88‰。δ18OEW和δ18OLW呈显著正相关关系(r = 0.36,p < 0.05),δ18OEW和上一年δ18OLW相关不显著(r = 0.26, p 0.05)。δ18OEW与δ18OLW在19852018年均呈下降趋势。
表1   思茅松树轮宽度标准年表统计参数
样本量
(树/芯)
Sample size (tree/core)
时间范围
Chronology span
平均生长
速率
Average growth rate (mm/)
序列间
平均相关系数
Mean inter-series correlation
一介线性自
相关
1st
correlation
样本总体代表性
Expressed
population signal
平均
敏感度
Mean sensitivity
标准差
Standard deviation
PKYW26/47195520184.070.520.260.960.330.38
表2   思茅松树轮早材δ18OEW和晚材δ18OLW序列统计特征值
均值/‰
Mean value/‰
最大值/‰
Maximum value/‰
最小值/‰
Minimum value/‰
标准差
Standard deviation
r EW to LWr EWy to LWy-1
δ18OEW23.0828.4520.831.760.360.26
δ18OLW23.8326.8820.711.47
r (EW to LW)代表早材氧同位素序列与晚材氧同位素序列的相关系数,r(EWy to LWy-1)代表当年早材的氧同位素序列与上一年晚材氧同位素序列的相关系数。
r (EW to LW): correlation coefficient between δ18OEW and δ18OLW; r(EWy to LWy-1): correlation coefficient between current year’ δ18OEW and previous year’s δ18OLW.


图3   思茅松树轮宽度年表和树轮早晚材δ18O同位素年表
Fig.3 Tree ring-width standard chronology (a) and tree-ring earlywood and latewood δ18O chronologies (b) of Pinus kesiya
2.2年轮宽度标准年表和同位素序列与气象因子的关系
对比年轮宽度标准年表和树轮δ18O序列对气象因子的响应关系可以看出,树轮δ18O序列对气象因子的响应更敏感。年轮宽度标准年表仅与上一年7月的温度呈显著负相关,与上一年7月的降水量呈显著正相关(图4a)。δ18OEW与上一年7月、9月、10月和当年4月的温度均呈显著负相关关系,δ18OLW与上一年7月、9月和当年4月、10月的温度均呈显著负相关关系。δ18OEW与5月降水量呈显著负相关,δ18OLW与8月降水量呈显著负相关关系。


图4   思茅松树木年轮宽度标准年表(a、b、c)和树轮δ18O序列(d、e、f)与温度、降水量、标准化降水蒸散指数(SPEI)的相关系数
Fig.4 Correlation coefficients between tree ring-width standard chronology(a, b, c) and tree-ring δ18O chronologies(d, e, f)of Pinus kesiya and monthly mean air temperature, monthly mean precipitation and Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI)
2.3同位素序列与区域降雨的空间相关
由于δ18OEW和δ18OLW分别与当年5月和8月的降水量呈显著负相关关系,进而分析了δ18OEW和δ18OLW与当年5月和8月区域降水的空间相关格局,发现δ18OEW与青藏高原南部、云南西南部、缅甸东部大部分地区、泰国北部、老挝北部、越南西北部等区域5月降水量呈显著负相关关系,δ18OLW与云南西南部部分地区、海南南部、缅甸北部、泰国北部、老挝北部、越南北部的8月区域降水都呈负相关关系;与越南和老挝南部的8月区域降水呈显著正相关关系。其中δ18OEW与区域降水的空间相关性高于δ18OLW


图5   树轮早材δ18OEW与5月降水空间相关关系,树轮晚材δ18OLW 与8月降水空间相关关系
Fig.5 Spatial correlation coefficients between tree ring earlywood δ18OEW and May precipitation (a), and between tree ring latewood δ18OLW and August precipitation (b)
2.4   同位素序列与ENSO的关系
δ18OEW与312月份的厄尔尼诺指数均呈显著正相关关系,而与311月的南方涛动指数均呈显著负相关关系(图6a)。δ18OLW与912月份的厄尔尼诺指数均呈显著正相关关系;与3、9、11月的南方涛动指数均呈显著负相关关系(图6b)。其中δ18OEW序列与厄尔尼诺和南方涛动指数的相关系数总体上高于δ18OLW,但δ18OLW与12月厄尔尼诺指数以及11月厄尔尼诺指数的相关系数高于δ18OEW


图6   树轮早材δ18OEW(a)和晚材δ18OLW(b)与厄尔尼诺和南方涛动指数的相关关系
Fig.6 Correlation coefficients between stable oxygen isotope variations in earlywood (δ18OEW, a), latewood (δ18OLW, b) and the average sea surface temperature anomaly in the Niño 3.4 region (5°N—5°S, 120°W—170°W) (NINO 3.4) and Southern Oscillation Index (SOI)
3讨论
3.1早材和晚材氧同位素特征及变化趋势
易武地区思茅松的树轮早材稳定氧同位素(δ18OEW)均值为23.08‰,晚材稳定氧同位素(δ18OLW)均值为23.83‰,两者的差值小于云南哀牢山地区的华山松(3.68‰)(Fu et al2017)和滇西北地区的丽江云杉(8.76‰)(An et al2012),而与哀牢山地区的思茅松早、晚材氧同位素的差值接近(Fu et al2017)。树轮中δ18O的年内波动受降水δ18O季节波动的影响(Yu et al2016),同时还与植物根系深度和生长季的长短,因此可能在不同样点和不同树种间存在差异(Xu et al2014)。
易武地区思茅松树轮δ18OEWr = 0.37 < 0.05)和δ18OLWr = 0.49< 0.01)序列均呈下降趋势,其中δ18OEW下降速率为0.66‰,δ18OLW下降速率为0.74。Zhu et al发现泰国北部地区卡西亚松(Pinus kesiya)δ18O的年内最大值(类似于本研究中的早材)在20世纪下降了3.5‰(下降速率为0.35),这种下降趋势主要与研究区域的雾水(氧同位素)随气温升高和森林覆盖率降低而不断减少有关,雾水对树木水分利用贡献减少造成了年轮氧同位素的降低。西双版纳地区每年11月到次年3月存在着较浓的辐射雾,雾水对该区域的树木起到了的。由于植被减少和城市热岛效应,干季的雾日、雾时和雾露降水总量也呈逐年减少趋势(宫世贤和凌升海1996)。因此,干季雾水的减少可能是西双版纳地区思茅松树轮δ18O逐年的原因,但雾水减少对树轮氧同位素影响的生理生态过程还需要进一步研究。
3.2   年轮宽度和树轮氧同位素特征及其与气象因子的关系
从年轮宽度指数与气象因子的关系来看,思茅松的径向生长仅与上一年7月的温度和降雨呈显著相关关系(图4a)。可能由于采样点位于热带湿润地区,树木生长的环境条件适宜,温度、降水和SPEI的变化没有对该地区思茅的生长起到限制作用。这与Xu et al在老挝的研究结果相同,树轮宽度指数在热带地区对气候响应的敏感程度较小,并不能达到显著响应关系。思茅松径向生长仅受上一年7月的温度和降雨影响,可能由于生长“滞后效应”,7月是思茅松生长较为旺盛的时期,7月份的高温可能限制树木生长,而7月份的降水量增加将促进思茅松的生长。
通过树轮氧同位素序列与温度的相关分析发现,树轮早材δ18OEW和树轮晚材δ18OLW均与温度呈显著负相关关系,与Xu et al和An et al的研究结果相反。树轮早材δ18OEW与当年5月降水树轮晚材δ18OLW与8月均呈显著负相关关系,可能是由于“降雨量效应”引起的(陈拓等1998)δ18OEW和δ18OLW与降雨量的相关关系与前人的结果一致(安文玲等2009An et al2012Fu et al2017张芳芳等2018),早材氧同位素主要代表了季风早期的降水和空气相对湿度信号,而晚材氧同位素则代表季风后期的降水信号。
3.3   树轮氧同位素与区域气候的关系
易武地区位于东亚季风和南亚季风的叠加影响区域,水汽主要来源于太平洋和印度洋(黄玮和刘瑜2012)。由图5可以看出树轮早材δ18OEW和树轮晚材δ18OLW分别与区域5月和区域8月的降水呈显著负相关关系,可能是研究样点与附近相关区域的水汽来源相同,说明树轮δ18O具有代表区域降水的潜力。
厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是热带海洋和大气相互作用的结果(许武成等2005)。ENSO主要通过影响温度和降水来影响树木的生长和代谢活动,进而影响了树轮中的δ18O(陈宝君等2002)。易武地区树轮δ18O与EINO3.4呈正相关关系(图6),这与前人的研究结果一致(马利民等2011Zhao et al2019),说明易武树轮δ18O可以反映区域ENSO的变化趋势。其中,树轮δ18OEW对ENSO的响应比树轮δ18OLW要更敏感,可能由于ENSO通常形成于春季(刘永强1995),与树轮早材形成时期相同,因此ENSO变化就更好记录在了树轮早材δ18OEW中。树轮δ18O变化与大规模的夏季大气环流有关(Nagavciuc et al2019),本研究结果说明树轮δ18O具有重建ENSO等大气环流的潜力。
4结论
本文研究了西双版纳地区思茅松的径向生长和年轮早材(δ18OEW)晚材(δ18OLW)稳定氧同位素及其与气象因子的关系,结果表明思茅松δ18OEW与δ18OLW的年平均值接近,并呈显著下降趋势,这种下降趋势可能与西双版纳地区雾的减少有关。年轮宽度与气象因子的相关关系不显著,而δ18OEW较好地记录了生长季早期(5月)的降水信号,δ18OLW主要记录了生长季晚期(8月)的降水信号δ18OEW和δ18OLW分别能很好代表区域5月和8月的降水变化,说明树轮δ18O具有重建区域降水变化的潜力。西双版纳地区的树轮δ18O序列还能在一定程度上记录下大尺度环流ENSO的信号,树轮δ18O主要与厄尔尼诺指数呈正相关关系,因此树轮δ18O还具有重建ENSO变化的潜力。本文为热带地区利用树轮氧同位素重建气候变化的研究提供了参考依据。
本研究受到国家自然科学基金(31870591,31770533),中国科学院东南亚中心项目(Y4ZK111B01)以及中国科学院版纳植物园“135项目”突破一(2017XTBG-T01)项目的资助。感谢谭美毅和马宏协助野外采样。感谢西双版纳易武州级自然保护区管护所何在新和邓建林对本研究的支持。
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稿件与作者信息
牛颖
NIU Ying
杨绕琼
YANG Raoqiong
付培立
FU Peili
付培立,E-mail: fpl@xtbg.org.cn
赵凡
ZHAO Fan
范泽鑫
FAN Zexin
国家自然科学基金项目(31870591,31770533);中国科学院东南亚中心项目(Y4ZK111B01);中国科学院版纳植物园“135项目”突破一项目(2017XTBG-T01)
National Natural Science Foundation of China (31870591, 31770533); Southeast Asia Center Program of Chinese Academy of Sciences (Y4ZK111B01); “Program 135” breakthrough Ⅰ (2017XTBG-T01) of Xishuangbanna Tropical Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences
出版历史
出版时间: 2020年5月21日 (版本2
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地球环境学报
Journal of Earth Environment