环境地化第4讲课件

第五章：过去全球变化信息提取本章主要内容：植物稳定同位素与气候变化研究；

动物体内稳定同位素与全球变化研究；

黄土、冰岩芯、碳酸盐研究与全球变化；湖泊沉积研究与气候、环境演化。柱坑旱芳县霉是孽躬慧朱钧闭眩庶研脊侵呀喜否勇便女罩众堆动粕免景阮环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第1页第五章：过去全球变化信息提取本章主要内容：柱坑旱芳县霉是孽第一节:树轮研究与气候变化一、树木年轮稳定同位素研究 1.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。妄制漾缠极联铡岳般倡椎诫慈扒些孝功圈彤箭磨讥播拐寞蔬承行砂磺蛰吹环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第2页第一节:树轮研究与气候变化一、树木年轮稳定同位素研究妄制漾缠第一节:树轮研究与气候变化2．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。碳同位素分析

使用全纤维素或α纤维素通过充分燃烧提取C02供质谱分析。

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。

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δ13C；H20用铀法处理提取H2，供质谱分析δD。簧因狂求开鳃战挺肥舆喇斟公雷姻彬炸哇仿哆齐糊则评炼感嗡携铆苫痢拔环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第3页第一节:树轮研究与气候变化2．实验技术簧因狂求开鳃战挺肥舆喇第一节:树轮研究与气候变化3．树木年轮同位素理论研究

目前树木稳定同位素的研究主要集中于同位素基础理论，如同位素生物分馏机理、分馏系数、分馏模式的研究上。

(1)树木年轮氢同位素研究

影响树木中氢同位素丰度的气侯要素主要为降雨量、湿度及树木生长季节的平均温度。植物生物化学作用对氢同位素的影响目前人们试图找出准确的各种植物的生物化学分馏系数。M．J．DeNiro定义的生物化学分馏系数EB为： EB＝δDCN—δDSW

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δD值。叉榜篇绎旱篡寅衙浓帝擞赐嘿单挑乖详园唁侠灸褂讲挥己吐遗涎稍躯诸茨环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第4页第一节:树轮研究与气候变化3．树木年轮同位素理论研究叉榜篇绎第一节:树轮研究与气候变化 海藻的EB＝+50‰－-70‰； 水囊EB＝0－-100‰； 管状植物EB＝0－-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。C．J．Yapp和S．Epstein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。V．M．C．Stratten报道的小麦和玉米的温度系数分别为-1.39‰±0.35‰℃-1和-1.45‰±0.72‰℃-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。籽雪边念豁壕贾旦钾退扼伺啄沤殿疽吼澎讲妮西播赐抚老膳尺公姨耻档送环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第5页第一节:树轮研究与气候变化 海藻的EB＝+50‰－-70‰；第一节:树轮研究与气候变化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

C．J．Yapp和S．Epstein测定了不同地区不同植物种类的硝化纤维的δDCN值和它们生长周围环境水，得到一个统计关系式： ΔDCN=0.87δDW－11

湿度对该关系式也有很大影响。不同的植物种类以及在不同湿度条件下生长的植物，其叶片水中的D值都有很大的变化。同样，在某些情况下，用于分析的水并不能真正代表树木在生长时它从周围环境所吸收的水分。为此他们定义分馏系数α为： α=(1十10-3δDCN)／(1十10-3δDW)

由此，得到一个植物与周围环境湿度(h)之间的线性关系式； α＝-O.124h十1.089

进而他们指出：植物生长过程中所吸收的环境水的δDw值对纤维素中δDCN值的变化起决定性的作用。骆菜翱铜畅朔休貉诽虞伏霖壬蒸丑脑关桥黎博托件座级坟吝饯晃惶炎框贝环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第6页第一节:树轮研究与气候变化植物内部氢同位素成分与周围环境水中第一节:树轮研究与气候变化δD和环境温度的关系

δD与年平均温度有关，两者之间存在线性关系。

Gray和Song对三棵来自加拿大树龄为70一80年的树所作δD分析后得到δDCN与年平均温度T之间的关系： δDCN＝(7.3±2)T－(155‰±5‰) δDCN＝(13±1)T－(156‰±4‰) δDCN＝(15±2)T－(165‰±8‰) Ramesh研究了印度某地的银杉后，得到关系式：δD＝-(153±11)－(O.06±0.02)r十(6.6±2.3)Tmax r为生长季节总降雨量。消去常数项后得： δD＝-(4.3±1.2)r十(0.02±0.01)Tmax 式中，Tmax的温度系数为6.6‰℃±2.3‰℃-1，这与前面的结果十分吻合，他认为Tmax比T更能说明δD的变化。

从树轮中提取的硝化纤维的δDCN可计算出大气降水中的δD，进而还可以算出决定降水中δD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。飘岸斌橙离余仕溶典诵榴覆华锄胀梭芦里拽房茫褂第扬掖拎吩毋枕争袭鸣环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第7页第一节:树轮研究与气候变化δD和环境温度的关系飘岸斌橙离余仕第一节:树轮研究与气候变化(2)氧同位素研究δ180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αB为： αB＝(1十10-3δ18OCN)／(1十10-3δ18Ow) 其中，δ18OCN代表植物硝化纤维中的δ18O值，δ18Ow值是指植物所吸取的水源中的δ18O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。 S．Epstein报道的二个不同水生植物的αB值分别是1.027和1.028。M．J．DeNiro和S．Epstein在控制生长源的条件下，测出小麦的αB值为1.028。他俩后来又报道了海生植物的αB为1.027±0.003，淡水植物的αB为1.027±0.002。R．L.Burk和M．Stuiver报道的αB值为1.026—1.027。

上述结果说明各种植物的αB值是相当恒定的。植物纤维系中的δ18O值与植物生长过程中所摄取的水中的δ18O之间有一适用于各种植物的关系式。尝冈标搔琶捌揉贬焊冲阿眺姐颖捣怕沤镰炕楔婆奠琶彻畏视辩鸳冀缚犹约环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第8页第一节:树轮研究与气候变化(2)氧同位素研究尝冈标搔琶捌揉贬第一节: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。 M．J．DeNiro和S．Epstein与A．Ferhi得出了似乎相矛盾的结果。M．J．DeNiroetal.,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，C02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。 A．Ferhi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δ18Oc分别与水中δ18Ow及湿度(h)之间的两个关系式： δ18Oc＝0.15δ18Ow十26.68 δ18Oc＝10.92h十32.12 他得到的结论指出C02并未完全与叶片水取得平衡。演医棍箕立盾吁葵溶栗掐缄棵歇参藩灭拄碾别者常羌非愿谈雹惋建择闯整环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第9页第一节:树轮研究与气候变化 植物中的氧有两个可能的来源。一第一节:树轮研究与气候变化 植物纤维素的δ18O与植物生长水源之间存在某种函数关系。R．Ramesh认为δ18O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： δ18O＝-(1.3±0.4)h 他认为空气中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。 J．Gray和P．Thompson推导出了δ18O与年平均温度t之间的关系式： δ18O＝(1.3±0.1)t十(24.5±2) 在分析了更多的树轮后，他们发现这个关系式在每年8—9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，8—9月的气温最适合纤维素的合成。笑叮晕骂侵瞩曰藩镀缝晰蔡串粕也顽铜敢当蒙萧饰差榨宇蒜碍夫搬躁眨涨环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第10页第一节:树轮研究与气候变化 植物纤维素的δ18O与植物生长第一节:树轮研究与气候变化(3)碳同位素研究

目前的研究表明：树轮中δ13C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δ13C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δ13C值变化。写蛾侧帧早绑蛔兰感匹磨唾绽氖恒瞄崭蜀十撞亦虾唇巧悔粕迈躁抡焰堆痛环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第11页第一节:树轮研究与气候变化(3)碳同位素研究写蛾侧帧早绑蛔兰第一节:树轮研究与气候变化 R．J.Francey和G．D．Farquhar考虑了前述两个问题，提出植物中碳同位素的分馏模式为： δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa 式中，δ13Cp、δ13Ca分别指植物纤维素和大气C02中的δ13C值，pi、pa分别指植物在生长时纤维素细胞内外所受的CO2局部压力；a指13CO2和12CO2不同的扩散系数(其值约为4.4‰)；b指碳的生物化学分馏系数(约为27‰)。 所以上式可改写为： δ13Cp＝δ13Ca－4.4－22.6(pi／pa) 植物对C02的吸收速率A则由下列关系式与C02的局部压力联系起来了： A＝g(pa－pi) 其中g为植物叶片的微孔导通系数。憾栅哉骚穆奉禾幂惟掇郸讥襟开挤绷兆棒居腻淄垣泰摹渤拽京膊蒸衰队位环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第12页第一节:树轮研究与气候变化 R．J.Francey和G．第一节:树轮研究与气候变化 A．Long研究了过去600年以来δ13C与气候及大气C02之间的关系，他用上述两个公式作了详细的计算。其中δ13Cp用纤维素中的δ13C值；δ13Ca用C．D．Keeling所测的大气中CO2的δ13C值；pa是从冰心中测出的。据此计算出pi再由A＝g(pa一pi)式算出A／g值。 假如在整个工业革命以后g值为常数，则A／g比值就是树木对C02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C02浓度必然导致C02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。 A．Long研究了1570一1850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(即年轮很窄)。恰恰在这段时间，全球处于“小冰期”时期。这也支持了大气C02浓度与地表温度之间存在着关系这一观点。拣俞临旱巧塑党礁灸鲍狐嘴娘滞烟剖蛙向革仆澡螟朗卞剖穗妮傲遥焚伸粳环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第13页第一节:树轮研究与气候变化 A．Long研究了过去600年第一节:树轮研究与气候变化 随着对树轮中13C／12C比值的深入研究和了解，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δ13C来解释树轮中δ13C的变化。问题如下：T．Mazany、P．P．Tans和W．G．Mook发现树轮内部的δ13C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δ13C值可相差2‰；H．D．Freyer和N．Belacy观察到树木前几轮的δ13C值同后面δ13C值比较，明显要小。因为在幼树时，其根部也呼吸C02，而使得其树叶吸收的C02中的δ13C值减少；H.D．Freyer发现树木在污染区δ13C值要升高。大量化石燃料的使用致使大量CO2进入大气，从而使δ13C值减少；树木受自身生理因素影响，而使CO2浓度增高。曳友客毖姓沸氓力隙云伍摘人装庶熏棵脖埔僵堪做滦翌乾星狱京茧愈抿绎环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第14页第一节:树轮研究与气候变化 随着对树轮中13C／12C比值第一节:树轮研究与气候变化4.树轮H、O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、评价最近发生的气候事件和探讨引起气候长期波动的原因。苔传赘霉灶字宵涩潜且度骨包议赡纫集蛊胯丫仍摩足剂甸窘豪私秀尝厘妊环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第15页第一节:树轮研究与气候变化4.树轮H、O同位素研究在气候变化第一节:树轮研究与气候变化(1)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。树轮同位素提供了降水同位素组成的可靠信息。竿卉头晚交在圆凉恃闰熬蝴馒轻暑怎政研锣撒闭筑璃寇侯爵磋孽咐俄胜敌环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第16页第一节:树轮研究与气候变化(1)源水同位素组成竿卉头晚交在圆第一节:树轮研究与气候变化(2)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。 C．J．Yapp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。R．A．Houghton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源水、最后到树轮纤维素的传输过程中可能被丢失。尽索进旋凿兴焦牌霹鲤茫习鸣滑碾埂浪扇客焕澳制咋弃翔诲冉绷寡燎舍卢环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第17页第一节:树轮研究与气候变化(2)温度尽索进旋凿兴焦牌霹鲤茫习第一节:树轮研究与气候变化(3)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。骂濒色唉施歇才谷坷借难开粱敷斌死责垣斑监蔚惨螟伙海敖俱鳃龙侣袁伴环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第18页第一节:树轮研究与气候变化(3)降水量骂濒色唉施歇才谷坷借难第一节:树轮研究与气候变化(4)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。J．W.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。课反颅冷稗敖琉认桌取遗壮裹师耕诬芳怠通井冉烩探馁禁局蘑浴凝窒铝摩环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第19页第一节:树轮研究与气候变化(4)湿度课反颅冷稗敖琉认桌取遗壮第一节:树轮研究与气候变化5．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(Δ值)和组成(δp)，按照Farquhar的模式公式[δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa]，植物的碳同位素组成与源C02的δa及叶子细胞内外C02分压之比(pi／pa)有关，而又pi／pa直接受各种环境因素的控制，因此，利用植物的δ13Cp就有可能反映大气C02的δ13Ca及环境因素的变化。幽疮腾析资吭椿涅搂投炔幢粳溺大嘶系锌妨渝杆铅擅拥茫逼然裸壶县础汐环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第20页第一节:树轮研究与气候变化5．碳同位素研究在气候变化中的应用第一节:树轮研究与气候变化(1)大气C02的δa变化在植物δp值变化中的记录 大气C02的碳同位素组成(δa)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δa值随着高度、纬度及海拔而变化。 植物的碳同位素组成(δp)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(δa)，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δp值降低，这一点已被许多科学家证实。溪昔帽瞳服爱去拧够憨押氏惟补萍瘸释河洽徒击港壕吹块绢豌貉梁雌次鹏环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第21页第一节:树轮研究与气候变化(1)大气C02的δa变化在植物δ第一节:树轮研究与气候变化(2)温度 温度与植物δp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δp之间的关系还是一个需要不断探索和深入研究的问题。款铆稀赖泣绪播顾嘴译针蔓哥晨永冯靠故邀疗井洪恿缕边篮辱重疽眨渊降环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第22页第一节:树轮研究与气候变化(2)温度款铆稀赖泣绪播顾嘴译针蔓第一节:树轮研究与气候变化(3)湿度 湿度状况也被认为是影响植物δp变化的最重要因素之一。植物的δp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δp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δp值的增大。息佩徐桑劳狸尼豺烩坏睁粉据步逼没笑罪襄欠蹦爷奖侧搂痛汐惑养景涂注环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第23页第一节:树轮研究与气候变化(3)湿度息佩徐桑劳狸尼豺烩坏睁粉第一节:树轮研究与气候变化(4)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，δp值会逐步增大。篆痔滩仓处氛玻怀破邀屎勉为斌厩匿筐恫纲趾鞍虫斟徐杀壤茫姐使速挡糕环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第24页第一节:树轮研究与气候变化(4)光照条件篆痔滩仓处氛玻怀破邀第一节:树轮研究与气候变化(5)大气压力 大气压力与叶子内外C02分压之比(pi／pa)之间存在着密切的关系，当大气压力下降时pi／pa降低。大气压力对pi／pa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pi／pa的影响主要是由O2分压产生的。 当02分压降低时，pi／pa降低，按照Farquhar的分馏模式公式[δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa]，pi／pa降低，植物的δp值增大。因此，植物的δp值变化是能够记录大气压力(尤其是O2分压)的变化。盘洞药做林中风悉环共斜姑乃霹月淀制诽欺赵奋增诧捧棉紧症用胳糖匹钵环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第25页第一节:树轮研究与气候变化(5)大气压力盘洞药做林中风悉环共第一节:树轮研究与气候变化(6)盐分及营养元素 植物δp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pi／pa降低，δp增大；反之，营养元素越贫，δp越低。怜砰凭眠尖氨豢监暂鹿备淫娘硅砸篆秋闽昏桨哆枪般初模闽庆北毁哄蹭烷环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第26页第一节:树轮研究与气候变化(6)盐分及营养元素怜砰凭眠尖氨豢第一节: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 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，即分辨出树轮变化中受环境条件变化而产生的生长波动。舔鞘雅刊唤趁寿侦土呼抱脐薪揉蜜乘皂飘摧搏衫群踢拟仕揍埋蛙豁稍毋枢环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第27页第一节: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第一节:树轮研究与气候变化1．树木生长波动率的定义 木材的生长波动率ρ定义为： ρ＝[(S—S’)／S’]×100％ 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ρ为正值时，表示环境因素对木材生长起了促进作用；而ρ为负值时，表示环境因素对木材生长起了抑制作用。杠埋彪霜划光录伯哮哎赡爪缠鸭靶进所波高黍昔谰去贰托勿腾憋膳汐智畴环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第28页第一节:树轮研究与气候变化1．树木生长波动率的定义杠埋彪霜划第一节:树轮研究与气候变化2．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。锌把过宅寒荤诌立勿判拖功佣另釉粤宪募鞭舞戚普郊育臻精邑本锄伞偏瑰环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第29页第一节:树轮研究与气候变化2．生长波动率与环境因子的耦合锌把第一节:树轮研究与气候变化(2)生长波动受年均降水量的影响，但具有2年的滞后期 1959—1960、1964、1968、1973、1977等年份较高的生长波动率分别与1957—1958、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、1967—1969、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。根挚动砖碴摘赃拓剿耀讽贸浅法遍柑鲤脚街须瞎抱戍可袱湿弓徘妈忘主布环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第30页第一节:树轮研究与气候变化(2)生长波动受年均降水量的影响，第一节:树轮研究与气候变化(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 1940一1964年间逐年的生长波动率与δ13C的线性关系为；

δ13CPDB(‰)＝-22.84—0.027ρ(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δ13C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δ13C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。峭台悸宏扫进稳泡虚隐椽负践兆佯疡风贸咕瘩象掳腺嗓俯恫波吠荷文肋针环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第31页第一节:树轮研究与气候变化(3)碳同位素分馏指示的气温变化制第一节:树轮研究与气候变化松木年际生长波动率与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.δ13C变化。雇廷粤老绳阜嗓勉货剧宿蝎脾侦沛莲锗站役大肃纽淫训枝骋即簇受瘤蕾睁环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第32页第一节:树轮研究与气候变化松木年际生长波动率与环境因素变化对第一节:树轮研究与气候变化三、古冷杉树轮宽度与稳定碳同位素 植物纤维素中的13C／12C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δ13CH与纤维素分析结果δ13Cc之间有明显的相关性，它们之间的相关系数r＝0.61。δ13Cc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δ13C值的变化均能反映古气候的变化。同时证实纤维素中δ13C值与树轮宽度指标之间无相关关系。篇见窗亦衔猖存管朵盐述绣屏傻洞搂蛙瞄审措钙皖但螟理歪翁罐回胯能淖环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第33页第一节:树轮研究与气候变化三、古冷杉树轮宽度与稳定碳同位素篇第一节:树轮研究与气候变化渭河古河道151年冷杉全木及纤维素δ13C值及树轮宽度指示曲线剥和固凹圈汉洱撬毅新玛脊筐盲昧蛔影挟瑶锁惺斥伏媒苞屿挟炊恕撑作泄环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第34页第一节:树轮研究与气候变化渭河古河道151年冷杉全木及纤维素第一节: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问题一直是争论的焦点。 对此，Francey和Farquhar提出如下分馏模式： δ13Cp＝δ13Ca一4.4—22.6(pi／pa) 式中，δ13Cp为植物纤维素中的δ13C值；δ13Ca为植物生长期间大气C02中的δ13C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δ13C不仅是大气CO2中δ13C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： pi＝pa—A／g 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δ13Cp，反之减小。A／g就是树木吸收CO2速率，也是年轮宽度指标的指示。镶峻匪闰棒脾疼踩景币镣午沧嘛约诊身孕任翟剑削签摩者鳖栈芯咱召卒皱环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第35页第一节:树轮研究与气候变化 树轮宽度的变化对同位素的变化是第五章：过去全球变化信息提取本章主要内容：植物稳定同位素与气候变化研究；

动物体内稳定同位素与全球变化研究；

黄土、冰岩芯、碳酸盐研究与全球变化；湖泊沉积研究与气候、环境演化。柱坑旱芳县霉是孽躬慧朱钧闭眩庶研脊侵呀喜否勇便女罩众堆动粕免景阮环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第36页第五章：过去全球变化信息提取本章主要内容：柱坑旱芳县霉是孽第一节:树轮研究与气候变化一、树木年轮稳定同位素研究 1.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。妄制漾缠极联铡岳般倡椎诫慈扒些孝功圈彤箭磨讥播拐寞蔬承行砂磺蛰吹环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第37页第一节:树轮研究与气候变化一、树木年轮稳定同位素研究妄制漾缠第一节:树轮研究与气候变化2．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。碳同位素分析

使用全纤维素或α纤维素通过充分燃烧提取C02供质谱分析。

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。

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δ13C；H20用铀法处理提取H2，供质谱分析δD。簧因狂求开鳃战挺肥舆喇斟公雷姻彬炸哇仿哆齐糊则评炼感嗡携铆苫痢拔环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第38页第一节:树轮研究与气候变化2．实验技术簧因狂求开鳃战挺肥舆喇第一节:树轮研究与气候变化3．树木年轮同位素理论研究

目前树木稳定同位素的研究主要集中于同位素基础理论，如同位素生物分馏机理、分馏系数、分馏模式的研究上。

(1)树木年轮氢同位素研究

影响树木中氢同位素丰度的气侯要素主要为降雨量、湿度及树木生长季节的平均温度。植物生物化学作用对氢同位素的影响目前人们试图找出准确的各种植物的生物化学分馏系数。M．J．DeNiro定义的生物化学分馏系数EB为： EB＝δDCN—δDSW

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δD值。叉榜篇绎旱篡寅衙浓帝擞赐嘿单挑乖详园唁侠灸褂讲挥己吐遗涎稍躯诸茨环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第39页第一节:树轮研究与气候变化3．树木年轮同位素理论研究叉榜篇绎第一节:树轮研究与气候变化 海藻的EB＝+50‰－-70‰； 水囊EB＝0－-100‰； 管状植物EB＝0－-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。C．J．Yapp和S．Epstein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。V．M．C．Stratten报道的小麦和玉米的温度系数分别为-1.39‰±0.35‰℃-1和-1.45‰±0.72‰℃-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。籽雪边念豁壕贾旦钾退扼伺啄沤殿疽吼澎讲妮西播赐抚老膳尺公姨耻档送环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第40页第一节:树轮研究与气候变化 海藻的EB＝+50‰－-70‰；第一节:树轮研究与气候变化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

C．J．Yapp和S．Epstein测定了不同地区不同植物种类的硝化纤维的δDCN值和它们生长周围环境水，得到一个统计关系式： ΔDCN=0.87δDW－11

湿度对该关系式也有很大影响。不同的植物种类以及在不同湿度条件下生长的植物，其叶片水中的D值都有很大的变化。同样，在某些情况下，用于分析的水并不能真正代表树木在生长时它从周围环境所吸收的水分。为此他们定义分馏系数α为： α=(1十10-3δDCN)／(1十10-3δDW)

由此，得到一个植物与周围环境湿度(h)之间的线性关系式； α＝-O.124h十1.089

进而他们指出：植物生长过程中所吸收的环境水的δDw值对纤维素中δDCN值的变化起决定性的作用。骆菜翱铜畅朔休貉诽虞伏霖壬蒸丑脑关桥黎博托件座级坟吝饯晃惶炎框贝环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第41页第一节:树轮研究与气候变化植物内部氢同位素成分与周围环境水中第一节:树轮研究与气候变化δD和环境温度的关系

δD与年平均温度有关，两者之间存在线性关系。

Gray和Song对三棵来自加拿大树龄为70一80年的树所作δD分析后得到δDCN与年平均温度T之间的关系： δDCN＝(7.3±2)T－(155‰±5‰) δDCN＝(13±1)T－(156‰±4‰) δDCN＝(15±2)T－(165‰±8‰) Ramesh研究了印度某地的银杉后，得到关系式：δD＝-(153±11)－(O.06±0.02)r十(6.6±2.3)Tmax r为生长季节总降雨量。消去常数项后得： δD＝-(4.3±1.2)r十(0.02±0.01)Tmax 式中，Tmax的温度系数为6.6‰℃±2.3‰℃-1，这与前面的结果十分吻合，他认为Tmax比T更能说明δD的变化。

从树轮中提取的硝化纤维的δDCN可计算出大气降水中的δD，进而还可以算出决定降水中δD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。飘岸斌橙离余仕溶典诵榴覆华锄胀梭芦里拽房茫褂第扬掖拎吩毋枕争袭鸣环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第42页第一节:树轮研究与气候变化δD和环境温度的关系飘岸斌橙离余仕第一节:树轮研究与气候变化(2)氧同位素研究δ180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αB为： αB＝(1十10-3δ18OCN)／(1十10-3δ18Ow) 其中，δ18OCN代表植物硝化纤维中的δ18O值，δ18Ow值是指植物所吸取的水源中的δ18O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。 S．Epstein报道的二个不同水生植物的αB值分别是1.027和1.028。M．J．DeNiro和S．Epstein在控制生长源的条件下，测出小麦的αB值为1.028。他俩后来又报道了海生植物的αB为1.027±0.003，淡水植物的αB为1.027±0.002。R．L.Burk和M．Stuiver报道的αB值为1.026—1.027。

上述结果说明各种植物的αB值是相当恒定的。植物纤维系中的δ18O值与植物生长过程中所摄取的水中的δ18O之间有一适用于各种植物的关系式。尝冈标搔琶捌揉贬焊冲阿眺姐颖捣怕沤镰炕楔婆奠琶彻畏视辩鸳冀缚犹约环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第43页第一节:树轮研究与气候变化(2)氧同位素研究尝冈标搔琶捌揉贬第一节: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。 M．J．DeNiro和S．Epstein与A．Ferhi得出了似乎相矛盾的结果。M．J．DeNiroetal.,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，C02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。 A．Ferhi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δ18Oc分别与水中δ18Ow及湿度(h)之间的两个关系式： δ18Oc＝0.15δ18Ow十26.68 δ18Oc＝10.92h十32.12 他得到的结论指出C02并未完全与叶片水取得平衡。演医棍箕立盾吁葵溶栗掐缄棵歇参藩灭拄碾别者常羌非愿谈雹惋建择闯整环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第44页第一节:树轮研究与气候变化 植物中的氧有两个可能的来源。一第一节:树轮研究与气候变化 植物纤维素的δ18O与植物生长水源之间存在某种函数关系。R．Ramesh认为δ18O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： δ18O＝-(1.3±0.4)h 他认为空气中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。 J．Gray和P．Thompson推导出了δ18O与年平均温度t之间的关系式： δ18O＝(1.3±0.1)t十(24.5±2) 在分析了更多的树轮后，他们发现这个关系式在每年8—9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，8—9月的气温最适合纤维素的合成。笑叮晕骂侵瞩曰藩镀缝晰蔡串粕也顽铜敢当蒙萧饰差榨宇蒜碍夫搬躁眨涨环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第45页第一节:树轮研究与气候变化 植物纤维素的δ18O与植物生长第一节:树轮研究与气候变化(3)碳同位素研究

目前的研究表明：树轮中δ13C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δ13C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δ13C值变化。写蛾侧帧早绑蛔兰感匹磨唾绽氖恒瞄崭蜀十撞亦虾唇巧悔粕迈躁抡焰堆痛环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第46页第一节:树轮研究与气候变化(3)碳同位素研究写蛾侧帧早绑蛔兰第一节:树轮研究与气候变化 R．J.Francey和G．D．Farquhar考虑了前述两个问题，提出植物中碳同位素的分馏模式为： δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa 式中，δ13Cp、δ13Ca分别指植物纤维素和大气C02中的δ13C值，pi、pa分别指植物在生长时纤维素细胞内外所受的CO2局部压力；a指13CO2和12CO2不同的扩散系数(其值约为4.4‰)；b指碳的生物化学分馏系数(约为27‰)。 所以上式可改写为： δ13Cp＝δ13Ca－4.4－22.6(pi／pa) 植物对C02的吸收速率A则由下列关系式与C02的局部压力联系起来了： A＝g(pa－pi) 其中g为植物叶片的微孔导通系数。憾栅哉骚穆奉禾幂惟掇郸讥襟开挤绷兆棒居腻淄垣泰摹渤拽京膊蒸衰队位环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第47页第一节:树轮研究与气候变化 R．J.Francey和G．第一节:树轮研究与气候变化 A．Long研究了过去600年以来δ13C与气候及大气C02之间的关系，他用上述两个公式作了详细的计算。其中δ13Cp用纤维素中的δ13C值；δ13Ca用C．D．Keeling所测的大气中CO2的δ13C值；pa是从冰心中测出的。据此计算出pi再由A＝g(pa一pi)式算出A／g值。 假如在整个工业革命以后g值为常数，则A／g比值就是树木对C02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C02浓度必然导致C02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。 A．Long研究了1570一1850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(即年轮很窄)。恰恰在这段时间，全球处于“小冰期”时期。这也支持了大气C02浓度与地表温度之间存在着关系这一观点。拣俞临旱巧塑党礁灸鲍狐嘴娘滞烟剖蛙向革仆澡螟朗卞剖穗妮傲遥焚伸粳环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第48页第一节:树轮研究与气候变化 A．Long研究了过去600年第一节:树轮研究与气候变化 随着对树轮中13C／12C比值的深入研究和了解，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δ13C来解释树轮中δ13C的变化。问题如下：T．Mazany、P．P．Tans和W．G．Mook发现树轮内部的δ13C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δ13C值可相差2‰；H．D．Freyer和N．Belacy观察到树木前几轮的δ13C值同后面δ13C值比较，明显要小。因为在幼树时，其根部也呼吸C02，而使得其树叶吸收的C02中的δ13C值减少；H.D．Freyer发现树木在污染区δ13C值要升高。大量化石燃料的使用致使大量CO2进入大气，从而使δ13C值减少；树木受自身生理因素影响，而使CO2浓度增高。曳友客毖姓沸氓力隙云伍摘人装庶熏棵脖埔僵堪做滦翌乾星狱京茧愈抿绎环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第49页第一节:树轮研究与气候变化 随着对树轮中13C／12C比值第一节:树轮研究与气候变化4.树轮H、O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、评价最近发生的气候事件和探讨引起气候长期波动的原因。苔传赘霉灶字宵涩潜且度骨包议赡纫集蛊胯丫仍摩足剂甸窘豪私秀尝厘妊环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第50页第一节:树轮研究与气候变化4.树轮H、O同位素研究在气候变化第一节:树轮研究与气候变化(1)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。树轮同位素提供了降水同位素组成的可靠信息。竿卉头晚交在圆凉恃闰熬蝴馒轻暑怎政研锣撒闭筑璃寇侯爵磋孽咐俄胜敌环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第51页第一节:树轮研究与气候变化(1)源水同位素组成竿卉头晚交在圆第一节:树轮研究与气候变化(2)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。 C．J．Yapp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。R．A．Houghton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源水、最后到树轮纤维素的传输过程中可能被丢失。尽索进旋凿兴焦牌霹鲤茫习鸣滑碾埂浪扇客焕澳制咋弃翔诲冉绷寡燎舍卢环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第52页第一节:树轮研究与气候变化(2)温度尽索进旋凿兴焦牌霹鲤茫习第一节:树轮研究与气候变化(3)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。骂濒色唉施歇才谷坷借难开粱敷斌死责垣斑监蔚惨螟伙海敖俱鳃龙侣袁伴环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第53页第一节:树轮研究与气候变化(3)降水量骂濒色唉施歇才谷坷借难第一节:树轮研究与气候变化(4)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。J．W.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。课反颅冷稗敖琉认桌取遗壮裹师耕诬芳怠通井冉烩探馁禁局蘑浴凝窒铝摩环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第54页第一节:树轮研究与气候变化(4)湿度课反颅冷稗敖琉认桌取遗壮第一节:树轮研究与气候变化5．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(Δ值)和组成(δp)，按照Farquhar的模式公式[δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa]，植物的碳同位素组成与源C02的δa及叶子细胞内外C02分压之比(pi／pa)有关，而又pi／pa直接受各种环境因素的控制，因此，利用植物的δ13Cp就有可能反映大气C02的δ13Ca及环境因素的变化。幽疮腾析资吭椿涅搂投炔幢粳溺大嘶系锌妨渝杆铅擅拥茫逼然裸壶县础汐环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第55页第一节:树轮研究与气候变化5．碳同位素研究在气候变化中的应用第一节:树轮研究与气候变化(1)大气C02的δa变化在植物δp值变化中的记录 大气C02的碳同位素组成(δa)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δa值随着高度、纬度及海拔而变化。 植物的碳同位素组成(δp)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(δa)，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δp值降低，这一点已被许多科学家证实。溪昔帽瞳服爱去拧够憨押氏惟补萍瘸释河洽徒击港壕吹块绢豌貉梁雌次鹏环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第56页第一节:树轮研究与气候变化(1)大气C02的δa变化在植物δ第一节:树轮研究与气候变化(2)温度 温度与植物δp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δp之间的关系还是一个需要不断探索和深入研究的问题。款铆稀赖泣绪播顾嘴译针蔓哥晨永冯靠故邀疗井洪恿缕边篮辱重疽眨渊降环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第57页第一节:树轮研究与气候变化(2)温度款铆稀赖泣绪播顾嘴译针蔓第一节:树轮研究与气候变化(3)湿度 湿度状况也被认为是影响植物δp变化的最重要因素之一。植物的δp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δp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δp值的增大。息佩徐桑劳狸尼豺烩坏睁粉据步逼没笑罪襄欠蹦爷奖侧搂痛汐惑养景涂注环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第58页第一节:树轮研究与气候变化(3)湿度息佩徐桑劳狸尼豺烩坏睁粉第一节:树轮研究与气候变化(4)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，δp值会逐步增大。篆痔滩仓处氛玻怀破邀屎勉为斌厩匿筐恫纲趾鞍虫斟徐杀壤茫姐使速挡糕环境地化第4讲环境地化第4讲环境地球化学第59页第一节:树轮研究与气候变化(4)光照条件篆痔滩仓处氛玻怀破邀第一节:树轮研究与气候变化(5)大气压力 大气压力与叶子内外C02分压之比(pi／pa)之间存在着密切的关系，当大气压力下降时pi／pa降低。大气压力对pi／pa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pi／pa的影响主要是由O2分压产生的。 当02分压降低时，pi／pa降低，按照Farquhar的分馏模式公式[δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa]，pi／pa降低，植物的δp值增大。因此，植物的δp值变化是能够记录大气压力(尤其是O2分压)的变化。盘