環(huán)境地化第4講課件

第五章：過去全球變化信息提取本章主要內(nèi)容：植物穩(wěn)定同位素與氣候變化研究；

動物體內(nèi)穩(wěn)定同位素與全球變化研究；

黃土、冰巖芯、碳酸鹽研究與全球變化；湖泊沉積研究與氣候、環(huán)境演化。柱坑旱芳縣霉是孽躬慧朱鈞閉眩庶研脊侵呀喜否勇便女罩眾堆動粕免景阮環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第1頁第五章：過去全球變化信息提取本章主要內(nèi)容：柱坑旱芳縣霉是孽第一節(jié):樹輪研究與氣候變化一、樹木年輪穩(wěn)定同位素研究 1.概況

樹木中保存著自然環(huán)境變化的大量信息，隨著近年來開展的全球變化研究的興起，開始了對樹木年輪同位素豐度的研究，它必將成為全球變化研究中的一個重要內(nèi)容。 開展樹輪穩(wěn)定同位素季節(jié)性變化的研究，不僅可以獲取樹輪穩(wěn)定同位素年際變化的信息和樹木生長季內(nèi)的氣候狀況，而且，還可以獲取大氣二氧化碳濃度及環(huán)境變化的極有價值的信息資料。它們對于未來的氣候變化、生態(tài)變化、水圈變化及某些災(zāi)害性變化研究都具有重要的理論和實用價值。妄制漾纏極聯(lián)鍘岳般倡椎誡慈扒些孝功圈彤箭磨譏播拐寞蔬承行砂磺蟄吹環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第2頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化一、樹木年輪穩(wěn)定同位素研究妄制漾纏第一節(jié):樹輪研究與氣候變化2．實驗技術(shù)

樹木年輪同位素分析的關(guān)鍵是如何可靠地從樹木中分離出適合質(zhì)譜分析的樣品，同時又不破壞其原始同位素成分。碳同位素分析

使用全纖維素或α纖維素通過充分燃燒提取C02供質(zhì)譜分析。

氧同位素分析

常用的方法是高溫真空熱解，或在加熱條件下與HgCl2反應(yīng)，生成CO2和CO及其它成分。然后，將CO在真空放電器中轉(zhuǎn)化為C02。

氫同位素分析

首先對進行提取好的纖維素硝化，然后將硝化纖維（硝酸纖維素）與氧化銅混合，在真空條件下800℃燃燒，產(chǎn)生的C02收集后送質(zhì)譜分析δ13C；H20用鈾法處理提取H2，供質(zhì)譜分析δD。簧因狂求開鰓戰(zhàn)挺肥輿喇斟公雷姻彬炸哇仿哆齊糊則評煉感嗡攜鉚苫痢拔環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第3頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化2．實驗技術(shù)簧因狂求開鰓戰(zhàn)挺肥輿喇第一節(jié):樹輪研究與氣候變化3．樹木年輪同位素理論研究

目前樹木穩(wěn)定同位素的研究主要集中于同位素基礎(chǔ)理論，如同位素生物分餾機理、分餾系數(shù)、分餾模式的研究上。

(1)樹木年輪氫同位素研究

影響樹木中氫同位素豐度的氣侯要素主要為降雨量、濕度及樹木生長季節(jié)的平均溫度。植物生物化學(xué)作用對氫同位素的影響目前人們試圖找出準(zhǔn)確的各種植物的生物化學(xué)分餾系數(shù)。M．J．DeNiro定義的生物化學(xué)分餾系數(shù)EB為： EB＝δDCN—δDSW

式中，DCN為植物硝化纖維中的D；Dsw是植物在合成纖維素時所攝取的水的δD值。叉榜篇繹旱篡寅衙濃帝擻賜嘿單挑乖詳園唁俠灸褂講揮己吐遺涎稍軀諸茨環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第4頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化3．樹木年輪同位素理論研究叉榜篇繹第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 海藻的EB＝+50‰－-70‰； 水囊EB＝0－-100‰； 管狀植物EB＝0－-20‰。 根據(jù)植物生理學(xué)研究，管狀植物與樹木十分相似，所以這一結(jié)果也適用于樹輪中。C．J．Yapp和S．Epstein報道了水生植物EB值在-12‰－-39‰，White報道美國東部白杉的EB值在-75‰－-53‰之間，計算出相應(yīng)的溫度系數(shù)為+1.6‰℃-1。V．M．C．Stratten報道的小麥和玉米的溫度系數(shù)分別為-1.39‰±0.35‰℃-1和-1.45‰±0.72‰℃-1。

上述研究成果表明：EB值隨植物種類的不同而有很大的差別。因此在采集樣本時，除了對采樣點進行選擇外，對樹種也要做相當(dāng)嚴(yán)格的選擇。籽雪邊念豁壕賈旦鉀退扼伺啄漚殿疽吼澎講妮西播賜撫老膳尺公姨恥檔送環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第5頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 海藻的EB＝+50‰－-70‰；第一節(jié):樹輪研究與氣候變化植物內(nèi)部氫同位素成分與周圍環(huán)境水中的氫同位素之間的關(guān)系

C．J．Yapp和S．Epstein測定了不同地區(qū)不同植物種類的硝化纖維的δDCN值和它們生長周圍環(huán)境水，得到一個統(tǒng)計關(guān)系式： ΔDCN=0.87δDW－11

濕度對該關(guān)系式也有很大影響。不同的植物種類以及在不同濕度條件下生長的植物，其葉片水中的D值都有很大的變化。同樣，在某些情況下，用于分析的水并不能真正代表樹木在生長時它從周圍環(huán)境所吸收的水分。為此他們定義分餾系數(shù)α為： α=(1十10-3δDCN)／(1十10-3δDW)

由此，得到一個植物與周圍環(huán)境濕度(h)之間的線性關(guān)系式； α＝-O.124h十1.089

進而他們指出：植物生長過程中所吸收的環(huán)境水的δDw值對纖維素中δDCN值的變化起決定性的作用。駱菜翱銅暢朔休貉誹虞伏霖壬蒸丑腦關(guān)橋黎博托件座級墳吝餞晃惶炎框貝環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第6頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化植物內(nèi)部氫同位素成分與周圍環(huán)境水中第一節(jié):樹輪研究與氣候變化δD和環(huán)境溫度的關(guān)系

δD與年平均溫度有關(guān)，兩者之間存在線性關(guān)系。

Gray和Song對三棵來自加拿大樹齡為70一80年的樹所作δD分析后得到δDCN與年平均溫度T之間的關(guān)系： δDCN＝(7.3±2)T－(155‰±5‰) δDCN＝(13±1)T－(156‰±4‰) δDCN＝(15±2)T－(165‰±8‰) Ramesh研究了印度某地的銀杉后，得到關(guān)系式：δD＝-(153±11)－(O.06±0.02)r十(6.6±2.3)Tmax r為生長季節(jié)總降雨量。消去常數(shù)項后得： δD＝-(4.3±1.2)r十(0.02±0.01)Tmax 式中，Tmax的溫度系數(shù)為6.6‰℃±2.3‰℃-1，這與前面的結(jié)果十分吻合，他認(rèn)為Tmax比T更能說明δD的變化。

從樹輪中提取的硝化纖維的δDCN可計算出大氣降水中的δD，進而還可以算出決定降水中δD的變化因素——大氣溫度。但必須指出的是，并沒有一個統(tǒng)一的溫度系數(shù)可供所有的地區(qū)及所有的樹種使用。飄岸斌橙離余仕溶典誦榴覆華鋤脹梭蘆里拽房茫褂第揚掖拎吩毋枕爭襲鳴環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第7頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化δD和環(huán)境溫度的關(guān)系飄岸斌橙離余仕第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)氧同位素研究δ180主要是受樹木生長環(huán)境中濕度的影響。 氧同位素研究中，首先需要解決的問題是生物化學(xué)分餾問題。定義生物化學(xué)分餾系數(shù)αB為： αB＝(1十10-3δ18OCN)／(1十10-3δ18Ow) 其中，δ18OCN代表植物硝化纖維中的δ18O值，δ18Ow值是指植物所吸取的水源中的δ18O值。 水源，對陸生生物而言是指葉片水，水生植物則是指其生長周圍的環(huán)境水。 S．Epstein報道的二個不同水生植物的αB值分別是1.027和1.028。M．J．DeNiro和S．Epstein在控制生長源的條件下，測出小麥的αB值為1.028。他倆后來又報道了海生植物的αB為1.027±0.003，淡水植物的αB為1.027±0.002。R．L.Burk和M．Stuiver報道的αB值為1.026—1.027。

上述結(jié)果說明各種植物的αB值是相當(dāng)恒定的。植物纖維系中的δ18O值與植物生長過程中所攝取的水中的δ18O之間有一適用于各種植物的關(guān)系式。嘗岡標(biāo)搔琶捌揉貶焊沖阿眺姐穎搗怕漚鐮炕楔婆奠琶徹畏視辯鴛冀縛猶約環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第8頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)氧同位素研究嘗岡標(biāo)搔琶捌揉貶第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 植物中的氧有兩個可能的來源。一是攝取水中的氧，另一個途徑是植物呼吸大氣C02中的氧。 M．J．DeNiro和S．Epstein與A．Ferhi得出了似乎相矛盾的結(jié)果。M．J．DeNiroetal.,用控制生長環(huán)境的實驗來檢查到底是哪種氧進入了纖維素。結(jié)果表明，植物在生長時吸取的氧來自水中，而不是來自大氣C02中，因為在纖維素合成之前，C02已與葉片水取得了平衡，這個過程的化學(xué)反應(yīng)式為： 6C02十6H2O*＝C6H1206*十602 式中，O*表示區(qū)別于大氣C02中的氧。 A．Ferhi也用控制生長條件的方法對豆類進行了研究，得到了纖維素中δ18Oc分別與水中δ18Ow及濕度(h)之間的兩個關(guān)系式： δ18Oc＝0.15δ18Ow十26.68 δ18Oc＝10.92h十32.12 他得到的結(jié)論指出C02并未完全與葉片水取得平衡。演醫(yī)棍箕立盾吁葵溶栗掐緘棵歇參藩滅拄碾別者常羌非愿談雹惋建擇闖整環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第9頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 植物中的氧有兩個可能的來源。一第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 植物纖維素的δ18O與植物生長水源之間存在某種函數(shù)關(guān)系。R．Ramesh認(rèn)為δ18O與濕度之間的關(guān)系極為密切。對印度銀杉研究后，得到了如下關(guān)系式： δ18O＝-(1.3±0.4)h 他認(rèn)為空氣中CO2中的氧同位素與葉片水達到平衡的狀態(tài)早于纖維素細(xì)胞的合成。 J．Gray和P．Thompson推導(dǎo)出了δ18O與年平均溫度t之間的關(guān)系式： δ18O＝(1.3±0.1)t十(24.5±2) 在分析了更多的樹輪后，他們發(fā)現(xiàn)這個關(guān)系式在每年8—9月符合得最好，與其他月份的溫度關(guān)系卻很小。對此，只能說明溫度對分餾系數(shù)有明顯的影響，樹木用以合成纖維素的水的同位素成分也是隨著氣溫的變化而變化的。在上述樹輪的采集地區(qū)，8—9月的氣溫最適合纖維素的合成。笑叮暈罵侵矚曰藩鍍縫晰蔡串粕也頑銅敢當(dāng)蒙蕭飾差榨宇蒜礙夫搬躁眨漲環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第10頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 植物纖維素的δ18O與植物生長第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)碳同位素研究

目前的研究表明：樹輪中δ13C值的變化主要受溫度、濕度及云量多少的影響。

對于解釋長期的大氣δ13C值記錄問題時，應(yīng)基于全球大氣狀況，在分餾機制中找答案。為此，必須考慮以下兩個問題：植物生長時，開放的大氣環(huán)境中局部CO2壓力對植物本身的影響。大氣中的δ13C值變化。寫蛾側(cè)幀早綁蛔蘭感匹磨唾綻氖恒瞄嶄蜀十撞亦蝦唇巧悔粕邁躁掄焰堆痛環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第11頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)碳同位素研究寫蛾側(cè)幀早綁蛔蘭第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 R．J.Francey和G．D．Farquhar考慮了前述兩個問題，提出植物中碳同位素的分餾模式為： δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa 式中，δ13Cp、δ13Ca分別指植物纖維素和大氣C02中的δ13C值，pi、pa分別指植物在生長時纖維素細(xì)胞內(nèi)外所受的CO2局部壓力；a指13CO2和12CO2不同的擴散系數(shù)(其值約為4.4‰)；b指碳的生物化學(xué)分餾系數(shù)(約為27‰)。 所以上式可改寫為： δ13Cp＝δ13Ca－4.4－22.6(pi／pa) 植物對C02的吸收速率A則由下列關(guān)系式與C02的局部壓力聯(lián)系起來了： A＝g(pa－pi) 其中g(shù)為植物葉片的微孔導(dǎo)通系數(shù)。憾柵哉騷穆奉禾冪惟掇鄲譏襟開擠繃兆棒居膩淄垣泰摹渤拽京膊蒸衰隊位環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第12頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 R．J.Francey和G．第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 A．Long研究了過去600年以來δ13C與氣候及大氣C02之間的關(guān)系，他用上述兩個公式作了詳細(xì)的計算。其中δ13Cp用纖維素中的δ13C值；δ13Ca用C．D．Keeling所測的大氣中CO2的δ13C值；pa是從冰心中測出的。據(jù)此計算出pi再由A＝g(pa一pi)式算出A／g值。 假如在整個工業(yè)革命以后g值為常數(shù)，則A／g比值就是樹木對C02的吸收速率，也就是樹輪寬度指示器。 這些計算表明，在工業(yè)革命期間增加的C02濃度必然導(dǎo)致C02吸收的增加，其結(jié)果表現(xiàn)在海拔較高的樹木上就是輪寬加大。 A．Long研究了1570一1850年間生長在歐洲某海拔較高的位置上的樹，發(fā)現(xiàn)其生長量：很少(即年輪很窄)。恰恰在這段時間，全球處于“小冰期”時期。這也支持了大氣C02濃度與地表溫度之間存在著關(guān)系這一觀點。揀俞臨旱巧塑黨礁灸鮑狐嘴娘滯煙剖蛙向革仆澡螟朗卞剖穗妮傲遙焚伸粳環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第13頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 A．Long研究了過去600年第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 隨著對樹輪中13C／12C比值的深入研究和了解，發(fā)現(xiàn)問題并非簡單。因此，人們已不能簡單地按溫度或大氣中δ13C來解釋樹輪中δ13C的變化。問題如下：T．Mazany、P．P．Tans和W．G．Mook發(fā)現(xiàn)樹輪內(nèi)部的δ13C值沿周圍和直徑方向均有不同的變化。直徑方向上，每輪早材、晚材直徑的δ13C值可相差2‰；H．D．Freyer和N．Belacy觀察到樹木前幾輪的δ13C值同后面δ13C值比較，明顯要小。因為在幼樹時，其根部也呼吸C02，而使得其樹葉吸收的C02中的δ13C值減少；H.D．Freyer發(fā)現(xiàn)樹木在污染區(qū)δ13C值要升高。大量化石燃料的使用致使大量CO2進入大氣，從而使δ13C值減少；樹木受自身生理因素影響，而使CO2濃度增高。曳友客毖姓沸氓力隙云伍摘人裝庶熏棵脖埔僵堪做灤翌乾星獄京繭愈抿繹環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第14頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 隨著對樹輪中13C／12C比值第一節(jié):樹輪研究與氣候變化4.樹輪H、O同位素研究在氣候變化中的應(yīng)用 研究表明，樹輪同位素組成與降水同位素組成、降水量、溫度和濕度直接相關(guān)。因此，樹輪同位素序列可用來恢復(fù)氣候記錄、評價最近發(fā)生的氣候事件和探討引起氣候長期波動的原因。苔傳贅霉灶字宵澀潛且度骨包議贍紉集蠱胯丫仍摩足劑甸窘豪私秀嘗厘妊環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第15頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化4.樹輪H、O同位素研究在氣候變化第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(1)源水同位素組成

不同來源的水具有不同的同位素比值，通過對植物同位素的研究有助于了解植物利用的環(huán)境水是雪融水、河水，還是淺層地表水或深層土壤水。 對于干旱半干旱地區(qū)，植物的源水一般是當(dāng)年的降水。這樣該地區(qū)樹輪同位素組成可反映降水同位素組成。因而有助于了解大氣環(huán)流的特征或降水模式的時空變化。越來越多的證據(jù)揭示植物纖維素同位素組成的差異反映了植物源水同位素組成的變化，無論在年際尺度上還是在單個生長季內(nèi)。 研究表明，在干旱半干旱地區(qū)，樹輪同位素比值與環(huán)境水(降水)的同位素比值線性相關(guān)。樹輪同位素提供了降水同位素組成的可靠信息。竿卉頭晚交在圓涼恃閏熬蝴饅輕暑怎政研鑼撒閉筑璃寇侯爵磋孽咐俄勝敵環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第16頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(1)源水同位素組成竿卉頭晚交在圓第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)溫度

源水(降水)同位素的變化是溫度的函數(shù)，所以樹輪同位素的變化可以反映溫度變化。 C．J．Yapp等得出的樹輪同位素與年平均溫度的變化率(5.8‰／℃)跟降水同位素與年平均溫度的變化率(5.6‰／℃)極為相近。 最近的研究結(jié)果表明，對于氣候條件簡單或地勢平坦的地區(qū)，樹輪同位素序列是濕度變化歷史的良好載體。溫度的變化是樹輪同位素組成長期波動的主要原因。 利用樹輪同位素序列研究氣溫的變化難點就是溫度信號相對微弱。R．A．Houghton等指出，中緯度大多數(shù)地區(qū)近130年來平均溫度變化幅度不到1℃。這樣微弱的信號在其從降水到樹木的源水、最后到樹輪纖維素的傳輸過程中可能被丟失。盡索進旋鑿興焦牌霹鯉茫習(xí)鳴滑碾埂浪扇客煥澳制咋棄翔誨冉繃寡燎舍盧環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第17頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)溫度盡索進旋鑿興焦牌霹鯉茫習(xí)第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)降水量 樹木生長季期內(nèi)，如果樹木吸收的水分受到限制，那么樹木吸收水分的多少對葉片蒸發(fā)率有明顯的影響，因而可能影響纖維素的同位素組成。 樹輪同位素組成與降水量之間的關(guān)系已被許多試驗結(jié)果證明，一般是水分條件受到限制的地區(qū)，樹輪同位素的組成與降水量反相相關(guān)。罵瀕色唉施歇才谷坷借難開粱敷斌死責(zé)垣斑監(jiān)蔚慘螟伙海敖俱鰓龍侶袁伴環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第18頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)降水量罵瀕色唉施歇才谷坷借難第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(4)濕度 相對濕度與葉子蒸發(fā)速率有關(guān)，因而也與光合作用速率存在相關(guān)關(guān)系。 很多研究結(jié)果表明樹輪同位素與相對濕度之間存在線性相關(guān)。 然而，在一些研究中樹輪同位素與濕度之間的相關(guān)關(guān)系沒有被發(fā)現(xiàn)。J．W.C.White等認(rèn)為如果短期水汽與樹木的源水未達到完全的同位素平衡，那么短期水同位素的變化將有效地掩蓋掉樹輪同位素的濕度信號。課反顱冷稗敖琉認(rèn)桌取遺壯裹師耕誣芳怠通井冉燴探餒禁局蘑浴凝窒鋁摩環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第19頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(4)濕度課反顱冷稗敖琉認(rèn)桌取遺壯第一節(jié):樹輪研究與氣候變化5．碳同位素研究在氣候變化中的應(yīng)用 研究表明，許多環(huán)境因素(如C02、壓力、02分壓、溫度、光照、濕度、鹽度等)都可以影響植物的碳同位素分餾(Δ值)和組成(δp)，按照Farquhar的模式公式[δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa]，植物的碳同位素組成與源C02的δa及葉子細(xì)胞內(nèi)外C02分壓之比(pi／pa)有關(guān)，而又pi／pa直接受各種環(huán)境因素的控制，因此，利用植物的δ13Cp就有可能反映大氣C02的δ13Ca及環(huán)境因素的變化。幽瘡騰析資吭椿涅摟投炔幢粳溺大嘶系鋅妨渝桿鉛擅擁茫逼然裸壺縣礎(chǔ)汐環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第20頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化5．碳同位素研究在氣候變化中的應(yīng)用第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(1)大氣C02的δa變化在植物δp值變化中的記錄 大氣C02的碳同位素組成(δa)不是一個常數(shù)，其隨時間和空間而變化。時間上，大氣C02的碳同位素組成不但隨季節(jié)而變化，而且還隨地質(zhì)年代而變化。空間上，大氣C02的δa值隨著高度、緯度及海拔而變化。 植物的碳同位素組成(δp)在很大程度上依賴于其生長時期的大氣C02的碳同位素組成(δa)，森林冠層中大氣C02同位素組成變輕在植物同位素組成中的反應(yīng)是δp值降低，這一點已被許多科學(xué)家證實。溪昔帽瞳服愛去擰夠憨押氏惟補萍瘸釋河洽徒擊港壕吹塊絹豌貉梁雌次鵬環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第21頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(1)大氣C02的δa變化在植物δ第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)溫度 溫度與植物δp之間的關(guān)系是比較復(fù)雜的。到目前為止，盡管溫度與植物碳同位素分餾之間存在關(guān)系，但是在溫度系數(shù)的大小方面還沒有取得一致的意見，有入認(rèn)為兩者之間存在高度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是在大多數(shù)研究中，人們發(fā)現(xiàn)的卻都是正的相關(guān)關(guān)系。因此，溫度與植物δp之間的關(guān)系還是一個需要不斷探索和深入研究的問題?？钽T稀賴泣緒播顧嘴譯針蔓哥晨永馮靠故邀療井洪恿縷邊籃辱重疽眨淵降環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第22頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)溫度款鉚稀賴泣緒播顧嘴譯針蔓第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)濕度 濕度狀況也被認(rèn)為是影響植物δp變化的最重要因素之一。植物的δp值也能反映濕度狀況的變化，如土壤含水量、空氣濕度及降雨量的變化都可以記錄在植物的δp值中，低的土壤含水量、低的空氣濕度以及降雨量的不足都會引起δp值的增大。息佩徐桑勞貍尼豺燴壞睜粉據(jù)步逼沒笑罪襄欠蹦爺獎側(cè)摟痛汐惑養(yǎng)景涂注環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第23頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)濕度息佩徐桑勞貍尼豺燴壞睜粉第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(4)光照條件 光照條件的變化可影響植物葉子的氣孔導(dǎo)通系數(shù)(g)、光合速率(A)及葉內(nèi)C02分壓pi。 研究證明；不論是陰地植物還是陽地植物，隨光照的增強，g和A幾乎是平行變化的，兩者隨光照的增強而增大，在一定范圍內(nèi)與光照強度呈正相關(guān)的，當(dāng)光照達到一定強度(光飽和點)時，兩者都不再增加。pi在弱光條件下總是比較高的，隨著光照強度的增大會逐漸降低，達到光飽和點時降到最低值，之后隨光照強度的增大，δp值會逐步增大。篆痔灘倉處氛玻懷破邀屎勉為斌廄匿筐恫綱趾鞍蟲斟徐殺壤茫姐使速擋糕環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第24頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(4)光照條件篆痔灘倉處氛玻懷破邀第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(5)大氣壓力 大氣壓力與葉子內(nèi)外C02分壓之比(pi／pa)之間存在著密切的關(guān)系，當(dāng)大氣壓力下降時pi／pa降低。大氣壓力對pi／pa的這種影響作用可分解為C02分壓(pCO2)及02分壓(po2)兩種影響。 然而，Korner的壓力效應(yīng)模擬研究結(jié)果表明：大氣總壓變化時對pi／pa的影響主要是由O2分壓產(chǎn)生的。 當(dāng)02分壓降低時，pi／pa降低，按照Farquhar的分餾模式公式[δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa]，pi／pa降低，植物的δp值增大。因此，植物的δp值變化是能夠記錄大氣壓力(尤其是O2分壓)的變化。盤洞藥做林中風(fēng)悉環(huán)共斜姑乃霹月淀制誹欺趙奮增詫捧棉緊癥用胳糖匹缽環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第25頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(5)大氣壓力盤洞藥做林中風(fēng)悉環(huán)共第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(6)鹽分及營養(yǎng)元素 植物δp與鹽分及營養(yǎng)元素狀況之間也存在密切關(guān)系。對于非鹽土植物，鹽分對其新陳代謝具有明顯的影響作用。對鹽土植物，鹽分的影響與非鹽土植物相似。 營養(yǎng)元素直接或間接地影響光合作用。氮、鎂、錳等元素是葉綠素生物合成所必需的礦質(zhì)元素；鉀、磷等參與碳水化合物的代謝，間接地影響光合作用。一般情況是：在—定范圍內(nèi)，營養(yǎng)元素越多，光合速率(A)越快，葉子中pi／pa降低，δp增大；反之，營養(yǎng)元素越貧，δp越低。憐砰憑眠尖氨豢監(jiān)暫鹿備淫娘硅砸篆秋閩昏槳哆槍般初模閩慶北毀哄蹭烷環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第26頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(6)鹽分及營養(yǎng)元素憐砰憑眠尖氨豢第一節(jié):樹輪研究與氣候變化二、樹輪生長波動與環(huán)境變化耦合的研究 樹木生長既是自然生理作用的結(jié)果，又是環(huán)境影響的產(chǎn)物。不同年份生長的生理寬度應(yīng)該是生理作用和環(huán)境影響的綜合反映。為了更好地提取樹輪環(huán)境信息，必須重點揭示環(huán)境影響的樹輪效應(yīng)，即分辨出樹輪變化中受環(huán)境條件變化而產(chǎn)生的生長波動。舔鞘雅刊喚趁壽偵土呼抱臍薪揉蜜乘皂飄摧搏衫群踢擬仕揍埋蛙豁稍毋樞環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第27頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化二、樹輪生長波動與環(huán)境變化耦合的研第一節(jié):樹輪研究與氣候變化1．樹木生長波動率的定義 木材的生長波動率ρ定義為： ρ＝[(S—S’)／S’]×100％ S（木材增長量）：以生長斷面面積表示；S’：模擬曲線上的木材增長量。 由上式可知：當(dāng)ρ為正值時，表示環(huán)境因素對木材生長起了促進作用；而ρ為負(fù)值時，表示環(huán)境因素對木材生長起了抑制作用。杠埋彪霜劃光錄伯哮哎贍爪纏鴨靶進所波高黍昔讕去貳托勿騰憋膳汐智疇環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第28頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化1．樹木生長波動率的定義杠埋彪霜劃第一節(jié):樹輪研究與氣候變化2．生長波動率與環(huán)境因子的耦合 (1)生長波動與太陽黑子的耦合關(guān)系 新疆托木爾峰地區(qū)松木生長波動率與太陽黑子活動周表現(xiàn)出較好耦合關(guān)系。該松木生長波動率變化與太陽黑子活動周之間的耦合關(guān)系說明了太陽黑子活動變化可能影響著樹木生長的變化。鋅把過宅寒葷謅立勿判拖功傭另釉粵憲募鞭舞戚普郊育臻精邑本鋤傘偏瑰環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第29頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化2．生長波動率與環(huán)境因子的耦合鋅把第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)生長波動受年均降水量的影響，但具有2年的滯后期 1959—1960、1964、1968、1973、1977等年份較高的生長波動率分別與1957—1958、1962、1966、197l、1975等年份較高的降水量對應(yīng)；而1961、1969一197l、1975等年份較低的生長波動率分別與1959、1967—1969、1973等年份較低的降水量相對應(yīng)，但是，這種對應(yīng)缺乏準(zhǔn)確的函數(shù)關(guān)系。年均降水量對該松木生長波動的影響明顯地存在著2年的滯后期。根摯動磚碴摘贓拓剿耀諷貿(mào)淺法遍柑鯉腳街須瞎抱戍可袱濕弓徘媽忘主布環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第30頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)生長波動受年均降水量的影響，第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)碳同位素分餾指示的氣溫變化制約著該松木的生長波動 1940一1964年間逐年的生長波動率與δ13C的線性關(guān)系為；

δ13CPDB(‰)＝-22.84—0.027ρ(r＝-O.86) 雖然這種線性負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著，但僅局限于該松木生長的旺盛期。 在此討論的線性相關(guān)僅是一種統(tǒng)計關(guān)系，而非因果關(guān)系。然而，不管對δ13C的年際變化機理作何解釋，大氣C02經(jīng)光合作用轉(zhuǎn)化為木材碳時的碳同位素分餾效應(yīng)確應(yīng)肯定。 目前看來，木材中較低的δ13C值指示環(huán)境較高的溫度的可能性是存在的。當(dāng)氣溫較高，水分充足時，樹木生長較快，呈現(xiàn)出較大的生長波動率。反之，當(dāng)水分不夠充沛，即使較高的氣溫也未必出現(xiàn)較高的生長波動率；同樣，當(dāng)水分充足，而氣溫偏低也不可能出現(xiàn)較高的生長波動率。峭臺悸宏掃進穩(wěn)泡虛隱椽負(fù)踐兆佯瘍風(fēng)貿(mào)咕瘩象擄腺嗓俯恫波吠荷文肋針環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第31頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)碳同位素分餾指示的氣溫變化制第一節(jié):樹輪研究與氣候變化松木年際生長波動率與環(huán)境因素變化對比圖

a.新疆阿克蘇地區(qū)年水量變化；b.太陽黑子相對降數(shù)變化，圖中數(shù)碼為太陽黑子活動周序號；

c.逐年生長波動率變化；

d.δ13C變化。雇廷粵老繩阜嗓勉貨劇宿蝎脾偵沛蓮鍺站役大肅紐淫訓(xùn)枝騁即簇受瘤蕾睜環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第32頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化松木年際生長波動率與環(huán)境因素變化對第一節(jié):樹輪研究與氣候變化三、古冷杉樹輪寬度與穩(wěn)定碳同位素 植物纖維素中的13C／12C可以反映其生長期間的氣候因素及大氣CO2濃度變化的信息。年輪寬度與同位素比例之間無相關(guān)關(guān)系（anticorrelation)。 渭河古河道發(fā)現(xiàn)的木樁全木分析獲得的δ13CH與纖維素分析結(jié)果δ13Cc之間有明顯的相關(guān)性，它們之間的相關(guān)系數(shù)r＝0.61。δ13Cc與年輪寬度指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)r＝-0.37，表示相關(guān)性很小。 這表明，樹輪中纖維素及全木的δ13C值的變化均能反映古氣候的變化。同時證實纖維素中δ13C值與樹輪寬度指標(biāo)之間無相關(guān)關(guān)系。篇見窗亦銜猖存管朵鹽述繡屏傻洞摟蛙瞄審措鈣皖但螟理歪翁罐回胯能淖環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第33頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化三、古冷杉樹輪寬度與穩(wěn)定碳同位素篇第一節(jié):樹輪研究與氣候變化渭河古河道151年冷杉全木及纖維素δ13C值及樹輪寬度指示曲線剝和固凹圈漢洱撬毅新瑪脊筐盲昧蛔影挾瑤鎖惺斥伏媒苞嶼挾炊恕撐作泄環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第34頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化渭河古河道151年冷杉全木及纖維素第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 樹輪寬度的變化對同位素的變化是否有影響的問題一直是爭論的焦點。 對此，F(xiàn)rancey和Farquhar提出如下分餾模式： δ13Cp＝δ13Ca一4.4—22.6(pi／pa) 式中，δ13Cp為植物纖維素中的δ13C值；δ13Ca為植物生長期間大氣C02中的δ13C值；pi和pa分別為纖維細(xì)胞內(nèi)部和外部的C02濃度。 在這一模式中，植物的δ13C不僅是大氣CO2中δ13C的函數(shù)，而且也是細(xì)胞膜內(nèi)部及外部C02濃度的函數(shù)。內(nèi)部與外部C02濃度之間的關(guān)系為： pi＝pa—A／g 式中，A為植物對C02吸收速率；g為葉片外部小孔的導(dǎo)通系數(shù)。 各種各樣外部條件的變化都會引起A值的變化。如光線增強或g值變小，都會增加δ13Cp，反之減小。A／g就是樹木吸收CO2速率，也是年輪寬度指標(biāo)的指示。鑲峻匪閏棒脾疼踩景幣鐐午滄嘛約診身孕任翟劍削簽?zāi)φ喵M棧芯咱召卒皺環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第35頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 樹輪寬度的變化對同位素的變化是第五章：過去全球變化信息提取本章主要內(nèi)容：植物穩(wěn)定同位素與氣候變化研究；

動物體內(nèi)穩(wěn)定同位素與全球變化研究；

黃土、冰巖芯、碳酸鹽研究與全球變化；湖泊沉積研究與氣候、環(huán)境演化。柱坑旱芳縣霉是孽躬慧朱鈞閉眩庶研脊侵呀喜否勇便女罩眾堆動粕免景阮環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第36頁第五章：過去全球變化信息提取本章主要內(nèi)容：柱坑旱芳縣霉是孽第一節(jié):樹輪研究與氣候變化一、樹木年輪穩(wěn)定同位素研究 1.概況

樹木中保存著自然環(huán)境變化的大量信息，隨著近年來開展的全球變化研究的興起，開始了對樹木年輪同位素豐度的研究，它必將成為全球變化研究中的一個重要內(nèi)容。 開展樹輪穩(wěn)定同位素季節(jié)性變化的研究，不僅可以獲取樹輪穩(wěn)定同位素年際變化的信息和樹木生長季內(nèi)的氣候狀況，而且，還可以獲取大氣二氧化碳濃度及環(huán)境變化的極有價值的信息資料。它們對于未來的氣候變化、生態(tài)變化、水圈變化及某些災(zāi)害性變化研究都具有重要的理論和實用價值。妄制漾纏極聯(lián)鍘岳般倡椎誡慈扒些孝功圈彤箭磨譏播拐寞蔬承行砂磺蟄吹環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第37頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化一、樹木年輪穩(wěn)定同位素研究妄制漾纏第一節(jié):樹輪研究與氣候變化2．實驗技術(shù)

樹木年輪同位素分析的關(guān)鍵是如何可靠地從樹木中分離出適合質(zhì)譜分析的樣品，同時又不破壞其原始同位素成分。碳同位素分析

使用全纖維素或α纖維素通過充分燃燒提取C02供質(zhì)譜分析。

氧同位素分析

常用的方法是高溫真空熱解，或在加熱條件下與HgCl2反應(yīng)，生成CO2和CO及其它成分。然后，將CO在真空放電器中轉(zhuǎn)化為C02。

氫同位素分析

首先對進行提取好的纖維素硝化，然后將硝化纖維（硝酸纖維素）與氧化銅混合，在真空條件下800℃燃燒，產(chǎn)生的C02收集后送質(zhì)譜分析δ13C；H20用鈾法處理提取H2，供質(zhì)譜分析δD?；梢蚩袂箝_鰓戰(zhàn)挺肥輿喇斟公雷姻彬炸哇仿哆齊糊則評煉感嗡攜鉚苫痢拔環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第38頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化2．實驗技術(shù)簧因狂求開鰓戰(zhàn)挺肥輿喇第一節(jié):樹輪研究與氣候變化3．樹木年輪同位素理論研究

目前樹木穩(wěn)定同位素的研究主要集中于同位素基礎(chǔ)理論，如同位素生物分餾機理、分餾系數(shù)、分餾模式的研究上。

(1)樹木年輪氫同位素研究

影響樹木中氫同位素豐度的氣侯要素主要為降雨量、濕度及樹木生長季節(jié)的平均溫度。植物生物化學(xué)作用對氫同位素的影響目前人們試圖找出準(zhǔn)確的各種植物的生物化學(xué)分餾系數(shù)。M．J．DeNiro定義的生物化學(xué)分餾系數(shù)EB為： EB＝δDCN—δDSW

式中，DCN為植物硝化纖維中的D；Dsw是植物在合成纖維素時所攝取的水的δD值。叉榜篇繹旱篡寅衙濃帝擻賜嘿單挑乖詳園唁俠灸褂講揮己吐遺涎稍軀諸茨環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第39頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化3．樹木年輪同位素理論研究叉榜篇繹第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 海藻的EB＝+50‰－-70‰； 水囊EB＝0－-100‰； 管狀植物EB＝0－-20‰。 根據(jù)植物生理學(xué)研究，管狀植物與樹木十分相似，所以這一結(jié)果也適用于樹輪中。C．J．Yapp和S．Epstein報道了水生植物EB值在-12‰－-39‰，White報道美國東部白杉的EB值在-75‰－-53‰之間，計算出相應(yīng)的溫度系數(shù)為+1.6‰℃-1。V．M．C．Stratten報道的小麥和玉米的溫度系數(shù)分別為-1.39‰±0.35‰℃-1和-1.45‰±0.72‰℃-1。

上述研究成果表明：EB值隨植物種類的不同而有很大的差別。因此在采集樣本時，除了對采樣點進行選擇外，對樹種也要做相當(dāng)嚴(yán)格的選擇。籽雪邊念豁壕賈旦鉀退扼伺啄漚殿疽吼澎講妮西播賜撫老膳尺公姨恥檔送環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第40頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 海藻的EB＝+50‰－-70‰；第一節(jié):樹輪研究與氣候變化植物內(nèi)部氫同位素成分與周圍環(huán)境水中的氫同位素之間的關(guān)系

C．J．Yapp和S．Epstein測定了不同地區(qū)不同植物種類的硝化纖維的δDCN值和它們生長周圍環(huán)境水，得到一個統(tǒng)計關(guān)系式： ΔDCN=0.87δDW－11

濕度對該關(guān)系式也有很大影響。不同的植物種類以及在不同濕度條件下生長的植物，其葉片水中的D值都有很大的變化。同樣，在某些情況下，用于分析的水并不能真正代表樹木在生長時它從周圍環(huán)境所吸收的水分。為此他們定義分餾系數(shù)α為： α=(1十10-3δDCN)／(1十10-3δDW)

由此，得到一個植物與周圍環(huán)境濕度(h)之間的線性關(guān)系式； α＝-O.124h十1.089

進而他們指出：植物生長過程中所吸收的環(huán)境水的δDw值對纖維素中δDCN值的變化起決定性的作用。駱菜翱銅暢朔休貉誹虞伏霖壬蒸丑腦關(guān)橋黎博托件座級墳吝餞晃惶炎框貝環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第41頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化植物內(nèi)部氫同位素成分與周圍環(huán)境水中第一節(jié):樹輪研究與氣候變化δD和環(huán)境溫度的關(guān)系

δD與年平均溫度有關(guān)，兩者之間存在線性關(guān)系。

Gray和Song對三棵來自加拿大樹齡為70一80年的樹所作δD分析后得到δDCN與年平均溫度T之間的關(guān)系： δDCN＝(7.3±2)T－(155‰±5‰) δDCN＝(13±1)T－(156‰±4‰) δDCN＝(15±2)T－(165‰±8‰) Ramesh研究了印度某地的銀杉后，得到關(guān)系式：δD＝-(153±11)－(O.06±0.02)r十(6.6±2.3)Tmax r為生長季節(jié)總降雨量。消去常數(shù)項后得： δD＝-(4.3±1.2)r十(0.02±0.01)Tmax 式中，Tmax的溫度系數(shù)為6.6‰℃±2.3‰℃-1，這與前面的結(jié)果十分吻合，他認(rèn)為Tmax比T更能說明δD的變化。

從樹輪中提取的硝化纖維的δDCN可計算出大氣降水中的δD，進而還可以算出決定降水中δD的變化因素——大氣溫度。但必須指出的是，并沒有一個統(tǒng)一的溫度系數(shù)可供所有的地區(qū)及所有的樹種使用。飄岸斌橙離余仕溶典誦榴覆華鋤脹梭蘆里拽房茫褂第揚掖拎吩毋枕爭襲鳴環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第42頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化δD和環(huán)境溫度的關(guān)系飄岸斌橙離余仕第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)氧同位素研究δ180主要是受樹木生長環(huán)境中濕度的影響。 氧同位素研究中，首先需要解決的問題是生物化學(xué)分餾問題。定義生物化學(xué)分餾系數(shù)αB為： αB＝(1十10-3δ18OCN)／(1十10-3δ18Ow) 其中，δ18OCN代表植物硝化纖維中的δ18O值，δ18Ow值是指植物所吸取的水源中的δ18O值。 水源，對陸生生物而言是指葉片水，水生植物則是指其生長周圍的環(huán)境水。 S．Epstein報道的二個不同水生植物的αB值分別是1.027和1.028。M．J．DeNiro和S．Epstein在控制生長源的條件下，測出小麥的αB值為1.028。他倆后來又報道了海生植物的αB為1.027±0.003，淡水植物的αB為1.027±0.002。R．L.Burk和M．Stuiver報道的αB值為1.026—1.027。

上述結(jié)果說明各種植物的αB值是相當(dāng)恒定的。植物纖維系中的δ18O值與植物生長過程中所攝取的水中的δ18O之間有一適用于各種植物的關(guān)系式。嘗岡標(biāo)搔琶捌揉貶焊沖阿眺姐穎搗怕漚鐮炕楔婆奠琶徹畏視辯鴛冀縛猶約環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第43頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)氧同位素研究嘗岡標(biāo)搔琶捌揉貶第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 植物中的氧有兩個可能的來源。一是攝取水中的氧，另一個途徑是植物呼吸大氣C02中的氧。 M．J．DeNiro和S．Epstein與A．Ferhi得出了似乎相矛盾的結(jié)果。M．J．DeNiroetal.,用控制生長環(huán)境的實驗來檢查到底是哪種氧進入了纖維素。結(jié)果表明，植物在生長時吸取的氧來自水中，而不是來自大氣C02中，因為在纖維素合成之前，C02已與葉片水取得了平衡，這個過程的化學(xué)反應(yīng)式為： 6C02十6H2O*＝C6H1206*十602 式中，O*表示區(qū)別于大氣C02中的氧。 A．Ferhi也用控制生長條件的方法對豆類進行了研究，得到了纖維素中δ18Oc分別與水中δ18Ow及濕度(h)之間的兩個關(guān)系式： δ18Oc＝0.15δ18Ow十26.68 δ18Oc＝10.92h十32.12 他得到的結(jié)論指出C02并未完全與葉片水取得平衡。演醫(yī)棍箕立盾吁葵溶栗掐緘棵歇參藩滅拄碾別者常羌非愿談雹惋建擇闖整環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第44頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 植物中的氧有兩個可能的來源。一第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 植物纖維素的δ18O與植物生長水源之間存在某種函數(shù)關(guān)系。R．Ramesh認(rèn)為δ18O與濕度之間的關(guān)系極為密切。對印度銀杉研究后，得到了如下關(guān)系式： δ18O＝-(1.3±0.4)h 他認(rèn)為空氣中CO2中的氧同位素與葉片水達到平衡的狀態(tài)早于纖維素細(xì)胞的合成。 J．Gray和P．Thompson推導(dǎo)出了δ18O與年平均溫度t之間的關(guān)系式： δ18O＝(1.3±0.1)t十(24.5±2) 在分析了更多的樹輪后，他們發(fā)現(xiàn)這個關(guān)系式在每年8—9月符合得最好，與其他月份的溫度關(guān)系卻很小。對此，只能說明溫度對分餾系數(shù)有明顯的影響，樹木用以合成纖維素的水的同位素成分也是隨著氣溫的變化而變化的。在上述樹輪的采集地區(qū)，8—9月的氣溫最適合纖維素的合成。笑叮暈罵侵矚曰藩鍍縫晰蔡串粕也頑銅敢當(dāng)蒙蕭飾差榨宇蒜礙夫搬躁眨漲環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第45頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 植物纖維素的δ18O與植物生長第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)碳同位素研究

目前的研究表明：樹輪中δ13C值的變化主要受溫度、濕度及云量多少的影響。

對于解釋長期的大氣δ13C值記錄問題時，應(yīng)基于全球大氣狀況，在分餾機制中找答案。為此，必須考慮以下兩個問題：植物生長時，開放的大氣環(huán)境中局部CO2壓力對植物本身的影響。大氣中的δ13C值變化。寫蛾側(cè)幀早綁蛔蘭感匹磨唾綻氖恒瞄嶄蜀十撞亦蝦唇巧悔粕邁躁掄焰堆痛環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第46頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)碳同位素研究寫蛾側(cè)幀早綁蛔蘭第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 R．J.Francey和G．D．Farquhar考慮了前述兩個問題，提出植物中碳同位素的分餾模式為： δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa 式中，δ13Cp、δ13Ca分別指植物纖維素和大氣C02中的δ13C值，pi、pa分別指植物在生長時纖維素細(xì)胞內(nèi)外所受的CO2局部壓力；a指13CO2和12CO2不同的擴散系數(shù)(其值約為4.4‰)；b指碳的生物化學(xué)分餾系數(shù)(約為27‰)。 所以上式可改寫為： δ13Cp＝δ13Ca－4.4－22.6(pi／pa) 植物對C02的吸收速率A則由下列關(guān)系式與C02的局部壓力聯(lián)系起來了： A＝g(pa－pi) 其中g(shù)為植物葉片的微孔導(dǎo)通系數(shù)。憾柵哉騷穆奉禾冪惟掇鄲譏襟開擠繃兆棒居膩淄垣泰摹渤拽京膊蒸衰隊位環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第47頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 R．J.Francey和G．第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 A．Long研究了過去600年以來δ13C與氣候及大氣C02之間的關(guān)系，他用上述兩個公式作了詳細(xì)的計算。其中δ13Cp用纖維素中的δ13C值；δ13Ca用C．D．Keeling所測的大氣中CO2的δ13C值；pa是從冰心中測出的。據(jù)此計算出pi再由A＝g(pa一pi)式算出A／g值。 假如在整個工業(yè)革命以后g值為常數(shù)，則A／g比值就是樹木對C02的吸收速率，也就是樹輪寬度指示器。 這些計算表明，在工業(yè)革命期間增加的C02濃度必然導(dǎo)致C02吸收的增加，其結(jié)果表現(xiàn)在海拔較高的樹木上就是輪寬加大。 A．Long研究了1570一1850年間生長在歐洲某海拔較高的位置上的樹，發(fā)現(xiàn)其生長量：很少(即年輪很窄)。恰恰在這段時間，全球處于“小冰期”時期。這也支持了大氣C02濃度與地表溫度之間存在著關(guān)系這一觀點。揀俞臨旱巧塑黨礁灸鮑狐嘴娘滯煙剖蛙向革仆澡螟朗卞剖穗妮傲遙焚伸粳環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第48頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 A．Long研究了過去600年第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 隨著對樹輪中13C／12C比值的深入研究和了解，發(fā)現(xiàn)問題并非簡單。因此，人們已不能簡單地按溫度或大氣中δ13C來解釋樹輪中δ13C的變化。問題如下：T．Mazany、P．P．Tans和W．G．Mook發(fā)現(xiàn)樹輪內(nèi)部的δ13C值沿周圍和直徑方向均有不同的變化。直徑方向上，每輪早材、晚材直徑的δ13C值可相差2‰；H．D．Freyer和N．Belacy觀察到樹木前幾輪的δ13C值同后面δ13C值比較，明顯要小。因為在幼樹時，其根部也呼吸C02，而使得其樹葉吸收的C02中的δ13C值減少；H.D．Freyer發(fā)現(xiàn)樹木在污染區(qū)δ13C值要升高。大量化石燃料的使用致使大量CO2進入大氣，從而使δ13C值減少；樹木受自身生理因素影響，而使CO2濃度增高。曳友客毖姓沸氓力隙云伍摘人裝庶熏棵脖埔僵堪做灤翌乾星獄京繭愈抿繹環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第49頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化 隨著對樹輪中13C／12C比值第一節(jié):樹輪研究與氣候變化4.樹輪H、O同位素研究在氣候變化中的應(yīng)用 研究表明，樹輪同位素組成與降水同位素組成、降水量、溫度和濕度直接相關(guān)。因此，樹輪同位素序列可用來恢復(fù)氣候記錄、評價最近發(fā)生的氣候事件和探討引起氣候長期波動的原因。苔傳贅霉灶字宵澀潛且度骨包議贍紉集蠱胯丫仍摩足劑甸窘豪私秀嘗厘妊環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第50頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化4.樹輪H、O同位素研究在氣候變化第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(1)源水同位素組成

不同來源的水具有不同的同位素比值，通過對植物同位素的研究有助于了解植物利用的環(huán)境水是雪融水、河水，還是淺層地表水或深層土壤水。 對于干旱半干旱地區(qū)，植物的源水一般是當(dāng)年的降水。這樣該地區(qū)樹輪同位素組成可反映降水同位素組成。因而有助于了解大氣環(huán)流的特征或降水模式的時空變化。越來越多的證據(jù)揭示植物纖維素同位素組成的差異反映了植物源水同位素組成的變化，無論在年際尺度上還是在單個生長季內(nèi)。 研究表明，在干旱半干旱地區(qū)，樹輪同位素比值與環(huán)境水(降水)的同位素比值線性相關(guān)。樹輪同位素提供了降水同位素組成的可靠信息。竿卉頭晚交在圓涼恃閏熬蝴饅輕暑怎政研鑼撒閉筑璃寇侯爵磋孽咐俄勝敵環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第51頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(1)源水同位素組成竿卉頭晚交在圓第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)溫度

源水(降水)同位素的變化是溫度的函數(shù)，所以樹輪同位素的變化可以反映溫度變化。 C．J．Yapp等得出的樹輪同位素與年平均溫度的變化率(5.8‰／℃)跟降水同位素與年平均溫度的變化率(5.6‰／℃)極為相近。 最近的研究結(jié)果表明，對于氣候條件簡單或地勢平坦的地區(qū)，樹輪同位素序列是濕度變化歷史的良好載體。溫度的變化是樹輪同位素組成長期波動的主要原因。 利用樹輪同位素序列研究氣溫的變化難點就是溫度信號相對微弱。R．A．Houghton等指出，中緯度大多數(shù)地區(qū)近130年來平均溫度變化幅度不到1℃。這樣微弱的信號在其從降水到樹木的源水、最后到樹輪纖維素的傳輸過程中可能被丟失。盡索進旋鑿興焦牌霹鯉茫習(xí)鳴滑碾埂浪扇客煥澳制咋棄翔誨冉繃寡燎舍盧環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第52頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)溫度盡索進旋鑿興焦牌霹鯉茫習(xí)第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)降水量 樹木生長季期內(nèi)，如果樹木吸收的水分受到限制，那么樹木吸收水分的多少對葉片蒸發(fā)率有明顯的影響，因而可能影響纖維素的同位素組成。 樹輪同位素組成與降水量之間的關(guān)系已被許多試驗結(jié)果證明，一般是水分條件受到限制的地區(qū)，樹輪同位素的組成與降水量反相相關(guān)。罵瀕色唉施歇才谷坷借難開粱敷斌死責(zé)垣斑監(jiān)蔚慘螟伙海敖俱鰓龍侶袁伴環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第53頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)降水量罵瀕色唉施歇才谷坷借難第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(4)濕度 相對濕度與葉子蒸發(fā)速率有關(guān)，因而也與光合作用速率存在相關(guān)關(guān)系。 很多研究結(jié)果表明樹輪同位素與相對濕度之間存在線性相關(guān)。 然而，在一些研究中樹輪同位素與濕度之間的相關(guān)關(guān)系沒有被發(fā)現(xiàn)。J．W.C.White等認(rèn)為如果短期水汽與樹木的源水未達到完全的同位素平衡，那么短期水同位素的變化將有效地掩蓋掉樹輪同位素的濕度信號。課反顱冷稗敖琉認(rèn)桌取遺壯裹師耕誣芳怠通井冉燴探餒禁局蘑浴凝窒鋁摩環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第54頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(4)濕度課反顱冷稗敖琉認(rèn)桌取遺壯第一節(jié):樹輪研究與氣候變化5．碳同位素研究在氣候變化中的應(yīng)用 研究表明，許多環(huán)境因素(如C02、壓力、02分壓、溫度、光照、濕度、鹽度等)都可以影響植物的碳同位素分餾(Δ值)和組成(δp)，按照Farquhar的模式公式[δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa]，植物的碳同位素組成與源C02的δa及葉子細(xì)胞內(nèi)外C02分壓之比(pi／pa)有關(guān)，而又pi／pa直接受各種環(huán)境因素的控制，因此，利用植物的δ13Cp就有可能反映大氣C02的δ13Ca及環(huán)境因素的變化。幽瘡騰析資吭椿涅摟投炔幢粳溺大嘶系鋅妨渝桿鉛擅擁茫逼然裸壺縣礎(chǔ)汐環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第55頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化5．碳同位素研究在氣候變化中的應(yīng)用第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(1)大氣C02的δa變化在植物δp值變化中的記錄 大氣C02的碳同位素組成(δa)不是一個常數(shù)，其隨時間和空間而變化。時間上，大氣C02的碳同位素組成不但隨季節(jié)而變化，而且還隨地質(zhì)年代而變化。空間上，大氣C02的δa值隨著高度、緯度及海拔而變化。 植物的碳同位素組成(δp)在很大程度上依賴于其生長時期的大氣C02的碳同位素組成(δa)，森林冠層中大氣C02同位素組成變輕在植物同位素組成中的反應(yīng)是δp值降低，這一點已被許多科學(xué)家證實。溪昔帽瞳服愛去擰夠憨押氏惟補萍瘸釋河洽徒擊港壕吹塊絹豌貉梁雌次鵬環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第56頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(1)大氣C02的δa變化在植物δ第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)溫度 溫度與植物δp之間的關(guān)系是比較復(fù)雜的。到目前為止，盡管溫度與植物碳同位素分餾之間存在關(guān)系，但是在溫度系數(shù)的大小方面還沒有取得一致的意見，有入認(rèn)為兩者之間存在高度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是在大多數(shù)研究中，人們發(fā)現(xiàn)的卻都是正的相關(guān)關(guān)系。因此，溫度與植物δp之間的關(guān)系還是一個需要不斷探索和深入研究的問題?？钽T稀賴泣緒播顧嘴譯針蔓哥晨永馮靠故邀療井洪恿縷邊籃辱重疽眨淵降環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第57頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(2)溫度款鉚稀賴泣緒播顧嘴譯針蔓第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)濕度 濕度狀況也被認(rèn)為是影響植物δp變化的最重要因素之一。植物的δp值也能反映濕度狀況的變化，如土壤含水量、空氣濕度及降雨量的變化都可以記錄在植物的δp值中，低的土壤含水量、低的空氣濕度以及降雨量的不足都會引起δp值的增大。息佩徐桑勞貍尼豺燴壞睜粉據(jù)步逼沒笑罪襄欠蹦爺獎側(cè)摟痛汐惑養(yǎng)景涂注環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第58頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(3)濕度息佩徐桑勞貍尼豺燴壞睜粉第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(4)光照條件 光照條件的變化可影響植物葉子的氣孔導(dǎo)通系數(shù)(g)、光合速率(A)及葉內(nèi)C02分壓pi。 研究證明；不論是陰地植物還是陽地植物，隨光照的增強，g和A幾乎是平行變化的，兩者隨光照的增強而增大，在一定范圍內(nèi)與光照強度呈正相關(guān)的，當(dāng)光照達到一定強度(光飽和點)時，兩者都不再增加。pi在弱光條件下總是比較高的，隨著光照強度的增大會逐漸降低，達到光飽和點時降到最低值，之后隨光照強度的增大，δp值會逐步增大。篆痔灘倉處氛玻懷破邀屎勉為斌廄匿筐恫綱趾鞍蟲斟徐殺壤茫姐使速擋糕環(huán)境地化第4講環(huán)境地化第4講環(huán)境地球化學(xué)第59頁第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(4)光照條件篆痔灘倉處氛玻懷破邀第一節(jié):樹輪研究與氣候變化(5)大氣壓力 大氣壓力與葉子內(nèi)外C02分壓之比(pi／pa)之間存在著密切的關(guān)系，當(dāng)大氣壓力下降時pi／pa降低。大氣壓力對pi／pa的這種影響作用可分解為C02分壓(pCO2)及02分壓(po2)兩種影響。 然而，Korner的壓力效應(yīng)模擬研究結(jié)果表明：大氣總壓變化時對pi／pa的影響主要是由O2分壓產(chǎn)生的。 當(dāng)02分壓降低時，pi／pa降低，按照Farquhar的分餾模式公式[δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa]，pi／pa降低，植物的δp值增大。因此，植物的δp值變化是能夠記錄大氣壓力(尤其是O2分壓)的變化。盤