庫(kù)姆塔格檉柳沙包年層穩(wěn)定碳同位素與氣候環(huán)境變化

張錦春，姚 拓，劉長(zhǎng)仲，劉世增，孫 濤，袁宏波，唐進(jìn)年，丁 峰，李學(xué)敏，劉 瑞，宋德偉

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，蘭州 730070； 2. 甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，民勤 733300；3. 甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，武威 733000； 4. 甘肅省治沙研究所，蘭州 730070；5. 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

庫(kù)姆塔格檉柳沙包年層穩(wěn)定碳同位素與氣候環(huán)境變化

張錦春1,2,3,4，姚 拓1,5,*，劉長(zhǎng)仲1, 5，劉世增2,3,4，孫 濤3,4，袁宏波2,3,4，唐進(jìn)年3,4，丁 峰2,3,4，李學(xué)敏3,4，劉 瑞4，宋德偉4

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，蘭州 730070； 2. 甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，民勤 733300；3. 甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，武威 733000； 4. 甘肅省治沙研究所，蘭州 730070；5. 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

采用年層環(huán)境分析法，建立庫(kù)姆塔格沙漠檉柳沙包年層穩(wěn)定碳同位素序列，并利用記錄的環(huán)境信息和附近氣象資料，分析檉柳沙包穩(wěn)定碳同位素與氣候環(huán)境變化。結(jié)果表明：(1)檉柳沙包年層穩(wěn)定碳同位素比率(δ13C)在20世紀(jì)40—60年代出現(xiàn)波動(dòng)，80年代后趨于下降，δ13C序列變化符合全球樹輪δ13C下降趨勢(shì)，表明大氣CO2濃度增加會(huì)對(duì)檉柳沙包年層δ13C造成影響。(2)檉柳沙包年層穩(wěn)定碳同位素分辨率(Δ)與全球氣候變化趨勢(shì)相一致，120a以來，全球氣候變暖，檉柳沙包Δ偏重，為干熱的氣候環(huán)境，19世紀(jì)80年代以前，氣溫偏低，檉柳沙包Δ值偏輕，代表冷濕的氣候環(huán)境。(3)不同生境環(huán)境下檉柳沙包年層Δ值對(duì)氣候環(huán)境要素產(chǎn)生不同的響應(yīng)，高海拔的山前檉柳沙包Δ值與年降水、濕度及季節(jié)性氣壓、光照相關(guān)性顯著，Δ值受多個(gè)氣候要素的影響，其滯后作用不明顯；低海拔的干旱沙漠區(qū)檉柳沙包Δ值對(duì)年氣溫及季節(jié)性降水、濕度特別敏感，Δ值存在明顯的滯后效應(yīng)。

庫(kù)姆塔格；檉柳沙包；穩(wěn)定碳同位素序列；年層；氣候環(huán)境

檉柳沙包是干旱區(qū)發(fā)育的一種特殊生物地貌類型，它的形成和發(fā)育是檉柳和風(fēng)沙長(zhǎng)期作用的結(jié)果。每年春、夏季為風(fēng)沙活動(dòng)較為強(qiáng)烈的季節(jié)，風(fēng)沙流攜帶沙粒遇到檉柳灌叢阻擋產(chǎn)生沉降和堆積，形成不同厚度的沙層；秋末冬初風(fēng)速較低，空氣相對(duì)濕度較大，檉柳落葉沉積于沙層上，再經(jīng)霜雪的壓實(shí)和保護(hù)形成一個(gè)連續(xù)的枯枝落葉層。檉柳沙包這種特有的沙層和枯枝落葉層交替沉積而成的層理結(jié)構(gòu)，稱為“檉柳沙包年層”。由于沙包形成的氣候條件十分干燥，從而使其這種“年層”結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期保存。檉柳沙包年層不僅與樹木年輪等一樣，可以用來計(jì)數(shù)年代，其組成物質(zhì)還蘊(yùn)含豐富的環(huán)境信息，可用于研究氣候環(huán)境的變化。這對(duì)干旱荒漠區(qū)生態(tài)環(huán)境研究具有十分重要的意義[1- 2]。

檉柳沙包年層結(jié)構(gòu)及其形成已經(jīng)引起有關(guān)學(xué)者的關(guān)注，并對(duì)其形成作過較為詳細(xì)的描述和研究[2- 4]，年層中的組成物質(zhì)有豐富的環(huán)境信息。如通過對(duì)沙層厚度、粒度和礦物組成等分析，可了解沙源、風(fēng)強(qiáng)和干旱程度等的變化[3]；通過檉柳枯枝落葉層δ13C值、有機(jī)質(zhì)C、N和C/N值及陽離子Ca2+、K+、Mg2+、Na+含量等測(cè)定和分析，可了解過去氣候環(huán)境的變化狀況[4]。因此，對(duì)檉柳沙包組成物質(zhì)的分析，可作為研究干旱區(qū)環(huán)境變化的有效工具之一。

庫(kù)姆塔格沙漠位于羅布泊洼地東南，是我國(guó)八大沙漠中唯一分布有羽毛狀沙丘的沙漠。其沙漠環(huán)境成因問題引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注，并從地理學(xué)角度進(jìn)行了初步的研究和分析，尚缺乏荒漠植被所反映的環(huán)境變化過程分析[5- 8]。庫(kù)姆塔格沙漠屬我國(guó)溫帶干旱區(qū)，沙漠中普遍分布有高達(dá)10 m以上的檉柳沙包，并且這里的環(huán)境長(zhǎng)期無人為干擾，是反映荒漠環(huán)境變化較為理想的天然實(shí)驗(yàn)室[9]。本文在提取沙漠中典型檉柳沙包中富含的環(huán)境信息基礎(chǔ)上，采用年層分析法建立檉柳沙包δ13C序列，分析年層結(jié)構(gòu)中枯枝落葉層δ13C組成，揭示荒漠環(huán)境的變化過程，為區(qū)域環(huán)境演化提供證據(jù)。

1 材料與方法

1.1 自然概況

野外調(diào)查取樣在庫(kù)姆塔格沙漠進(jìn)行，地理位置39°07′50′′—41°00′03′′ N，89°57′49′′—94°54′08′′ E，總面積約2.29萬km2，是我國(guó)的第六大沙漠。區(qū)域氣候?qū)贅O端干旱大陸性氣候，年均氣溫11.3—11.9℃，年均降水量25.2—74.6 mm，年蒸發(fā)量2800—3000 mm，干燥度指數(shù)高達(dá)92，主風(fēng)向?yàn)閺?qiáng)勁的東北風(fēng)，多沙塵和浮塵天氣，8 級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)在100 d以上。土壤以灰棕漠土和風(fēng)沙土為主，局部水位較高的河床低地常出現(xiàn)不同程度的鹽化現(xiàn)象[10]。植被類型為典型荒漠，植被稀疏，物種貧乏，以旱生、超旱生和鹽生的灌木、半灌木和小灌木為主要建群植物，檉柳屬植物是調(diào)查區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢(shì)植物。

1.2 研究材料

檉柳屬(Tamarix)植物是多年生灌木，具有耐旱、耐鹽、耐高低溫、耐風(fēng)蝕等特點(diǎn)而能適應(yīng)嚴(yán)酷的生態(tài)環(huán)境。檉柳沙包具有清晰的沙物質(zhì)和枯枝落葉互層組成的層理，構(gòu)成了檉柳沙包年層，它不僅是較理想的測(cè)年材料，同時(shí)記錄了沙漠環(huán)境變化信息[4]。在對(duì)庫(kù)姆塔格沙漠多年考察的基礎(chǔ)上，選取沙漠南部洪積地貌、東部濕地、東北部雅丹和西北部谷地4種地貌類型的檉柳沙包作為研究對(duì)象，通過對(duì)沙包年層樣品提取與分析，探討檉柳沙包沉積過程及其所反映的氣候環(huán)境變化。

1.3 研究方法

2010年9月深入庫(kù)姆塔格沙漠，分別沿沙漠北緣、東緣、南緣3 條路線對(duì)不同生境條件下檉柳沙包形態(tài)特征、地理分布進(jìn)行調(diào)查，并結(jié)合前期沙漠考察工作積累，最終確定4 個(gè)檉柳沙包采樣點(diǎn)，分別代表沙漠南部洪積區(qū)(HJ)、東部濕地區(qū)(SD)、西北部谷地區(qū)(GD)、東北部雅丹區(qū)(YD)的典型生境區(qū)域。選取不同生境條件的高分辨率的理想檉柳沙包剖面，進(jìn)行沙包年層結(jié)構(gòu)的觀察描述，高密度分層采集檉柳沙包中植物枯枝落葉和沙物質(zhì)，獲得測(cè)試樣品。4 個(gè)檉柳沙包采樣信息如表1。

表1 檉柳沙包采樣點(diǎn)基本信息

HJ：南部洪積地貌 The proluvial landforms of southern desert； SD：東部濕地The wedland landforms of eastern desert；GD：西北部谷地The valley landforms of northwestern desert；YD：東北部雅丹The Ya Dan landforms of northeastern desert

從沉積層的整合形態(tài)可以直觀判斷每個(gè)沙包上部年層連續(xù)，按每一個(gè)年層為單位由上至下連續(xù)取樣，并測(cè)量每層厚度。對(duì)于沙包下部剖面，紋層結(jié)構(gòu)不清晰，很難準(zhǔn)確辨認(rèn)年層結(jié)構(gòu)，可采取實(shí)際年層均值替代法進(jìn)行剖面分層取樣。具體取樣步驟包括：先用GPS精確對(duì)采樣沙包定位并對(duì)周圍生境條件進(jìn)行描述記錄，用工具鏟除去沙包表面浮土后，從沙包頂層向下依次挖去土壤剖面，用噴壺噴濕剖面縱截面，使沙包紋層更加清晰，仔細(xì)分辨沙包的連續(xù)年層，并用牙簽定位，用游標(biāo)卡尺測(cè)量并記錄牙簽所定紋層的厚度，從上至下依次取樣，并裝入密封袋進(jìn)行編號(hào)。采樣完成后，對(duì)整個(gè)剖面的高度進(jìn)行測(cè)量，并采集沙包剖面基底AMS測(cè)年樣品和沙包地上不同方位和層次的檉柳枝葉混合樣[2,4]。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別將樣品中的枯枝落葉與沙物質(zhì)用相應(yīng)的篩子分離，重新標(biāo)記備用。分離后的枯枝落葉樣品用清水洗凈、晾干，置于烘箱(80 ℃)中烘干，再進(jìn)行樣品磨碎，研磨后樣品用燃燒法收集完全燃燒后產(chǎn)生的CO2，用MAT- 253質(zhì)譜計(jì)分析樣品13C/12C同位素比值。并通過換算以δ13C表示的表達(dá)式為：

δ13C(‰)=[(R樣品-R標(biāo)準(zhǔn))/R標(biāo)準(zhǔn)]×1000‰

式中,R樣品和R標(biāo)準(zhǔn)分別表示樣品和標(biāo)準(zhǔn)的碳同位素豐度比(13C/12C)。同位素結(jié)果采用的是PDB標(biāo)準(zhǔn)[11]。樣品處理和分析均在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，分析誤差< 0.1‰。

為了真實(shí)反映檉柳沙包年層δ13C所記錄的氣候要素變化，使用冰芯氣泡中CO2測(cè)量值和大氣中CO2直接測(cè)量值[12- 14]，擬合大氣δ13C變化曲線，并依據(jù)公式計(jì)算穩(wěn)定碳同位素分辨率[15- 16]，去除大氣CO2濃度的影響[17]。穩(wěn)定碳同位素分辨率(Δ)表達(dá)式為：

Δ=(δ13Cp-δ13Ca)/(1+δ13Ca/1000)

式中,δ13Cp為大氣CO2碳同位素比率，δ13Ca為植物組織碳同位素比率。

氣象數(shù)據(jù)分析中，使用采樣點(diǎn)附近的敦煌、若羌、哈密、紅柳河4 個(gè)氣象站作為參考站點(diǎn)。其中哈密、紅柳河氣象站距采樣點(diǎn)較遠(yuǎn)，且高山阻擋效應(yīng)明顯，與研究區(qū)氣象條件存在較大差異。敦煌、若羌?xì)庀笳疚挥诓蓸狱c(diǎn)東西兩緣，并同屬塔里木盆地區(qū)，氣候條件一致。因此選取敦煌、若羌站氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

收集整理敦煌、若羌?xì)庀笳?951—2006年觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，個(gè)別缺失數(shù)據(jù)采用多年平均值進(jìn)行插補(bǔ)，并經(jīng)均一性和突變性檢驗(yàn)。為消除單站數(shù)據(jù)分析帶來不同采樣點(diǎn)氣象要素值的偏移，統(tǒng)計(jì)整理2 個(gè)氣象站氣溫、降水、濕度、氣壓、光照的年度平均和春、夏、秋、冬4 個(gè)季節(jié)的平均值，并與檉柳沙包年層Δ值進(jìn)行對(duì)應(yīng)，分析各氣象要素與檉柳沙包當(dāng)年Δ值與滯后一年Δ值的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 檉柳枝葉與其沙包枯枝δ13C對(duì)比分析

圖1 不同檉柳沙包年層δ13C值比較Fig.1 Comparison of the δ13C in age layers in different Tamarix sand-hillocks HJ：南部洪積地貌 The proluvial landforms of southern desert； SD：東部濕地The wedland landforms of eastern desert；GD：西北部谷地The valley landforms of northwestern desert；YD：東北部雅丹The Ya Dan landforms of northeastern desert

通過對(duì)4 個(gè)采樣點(diǎn)的檉柳枝葉及其沙包近30 個(gè)年層的枯枝δ13C平均值進(jìn)行比較分析(圖1)，結(jié)果表明，檉柳枝葉δ13C偏輕，介于-25.61‰—-22.89‰之間，平均為-24.33‰；沙包枯枝δ13C相對(duì)偏重，介于-25.34‰—-22.63‰之間，平均為-23.90‰。由于沙包年層中枯枝落葉的分解導(dǎo)致殘余的有機(jī)質(zhì)同位素偏重，檉柳枝葉δ13C較沙包年層枯枝δ13C低1.16‰，說明植物光合產(chǎn)物在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在穩(wěn)定碳同位素分餾過程[18- 19]。不同分布海拔區(qū)檉柳枝葉及沙包枯枝δ13C差異顯著，表現(xiàn)為沙漠東緣、南緣高海拔區(qū)的HJ檉柳沙包和SD檉柳沙包偏重，北部低海拔區(qū)的GD檉柳沙包和YD檉柳沙包偏輕，南北檉柳枝葉δ13C差值為2.54‰，沙包枯枝δ13C差值為2.17‰。分析認(rèn)為檉柳沙包δ13C的海拔變化主要與其相聯(lián)系的環(huán)境因素，如氣壓、氣溫、水分等差異造成的。如高海拔區(qū)溫度和CO2分壓低，植物為增加光合效率，降低了葉肉組織對(duì)CO2吸收的限制，造成植物內(nèi)部CO2分壓降低，導(dǎo)致植物葉片δ13C變重。

2.2 檉柳沙包年層δ13C序列特征分析

植物的生長(zhǎng)是通過光合作用固定大氣中的CO2以合成自身的組成物質(zhì)，因此植物在同化大氣中的CO2的過程中會(huì)引起碳同位素的分餾。通過對(duì)4 個(gè)典型檉柳沙包年層δ13C序列測(cè)定分析(圖2)認(rèn)為：沙漠南部HJ和東部SD檉柳沙包年層測(cè)定為120a左右，δ13C值在-20.99‰—-24.50‰之間，這與新疆羅布泊檉柳沙包δ13C變化基本吻合[4]，百年尺度上的2 個(gè)檉柳沙包年層δ13C序列變化基本一致， 20世紀(jì)40年代前平穩(wěn)變化，40—60年代出現(xiàn)波動(dòng)變化，80年代后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，由于受生境條件的限制，沙漠東部SD沙包地處黨河流域，人為灌溉影響是不可避免的，其檉柳沙包年層δ13C變化不是完全由氣候變化所致；沙漠北部GD、YD沙包年層測(cè)定為38—72a之間，δ13C值在-23.02‰—-26.59‰之間，年層δ13C與南部和東部沙包具有較好的對(duì)應(yīng)趨勢(shì)，并在20世紀(jì)80年代以后呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，但由于測(cè)定沙包的沉積年層數(shù)量少，很難反映百年尺度上的環(huán)境信息。

自工業(yè)化革命以來，化石燃料CO2排放的增加使得大氣CO2濃度明顯增大[20- 21]，改變?cè)写髿釩O2的碳同位素組成，導(dǎo)致檉柳枝葉δ13C值的下降，這一變化趨勢(shì)在調(diào)查的4 個(gè)檉柳沙包年層δ13C序列變化中，僅在20世紀(jì)80年代以后比較明顯，可見大氣CO2濃度增加會(huì)對(duì)檉柳沙包年層δ13C造成影響。為了能夠真實(shí)反映檉柳沙包年層δ13C所記錄的氣候要素變化，需計(jì)算碳同位素分辨率，以去除大氣CO2濃度增加對(duì)檉柳沙包年層δ13C的影響。

2.3 檉柳沙包年層Δ序列及氣候環(huán)境分析

沙漠北部的GD沙包和YD沙包采集到的沉積年層數(shù)量少，反映的環(huán)境信息量相對(duì)較少，同時(shí)沙漠東緣SD沙包又受人為灌溉的影響較大，很難真實(shí)反映出自然環(huán)境的變化信息。為全面反映檉柳沙包所

圖2 檉柳沙包120年以來δ13C序列Fig.2 The series of the δ13C in age layers of Tamarix sand-hillocks since 120 years

記錄的全部環(huán)境信息變化過程，本文主要分析沙漠南部HJ檉柳沙包年層序列，建立該檉柳沙包年層穩(wěn)定碳同位素分辨率(Δ)序列(圖3)，包括沙包下部年層均值替代法取樣的層次序列和沙包上部計(jì)年法取樣的年代序列。從圖3可以看出，120a以來的檉柳沙包年層Δ序列呈現(xiàn)階段性變化，Δ值在20世紀(jì)40—60年代有較大的波動(dòng)，90年代后呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，并與沙包年層δ13C序列呈互反變化過程；而120a以前檉柳沙包Δ值相對(duì)較高且變化平穩(wěn)，并在后期呈現(xiàn)明顯的低值過渡。從全球氣候變化趨勢(shì)分析，16世紀(jì)進(jìn)入1000年來最長(zhǎng)冷季(1590—1850)，1660年之后溫度回升，但到1700年呈現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)，1835年后溫度持續(xù)上升到現(xiàn)在，尤其20世紀(jì)80年代之后，升溫明顯加快[9]。本研究檉柳沙包在120a來反映的Δ值較小，δ13C組成偏重，主要是由于大氣CO2濃度增高形成溫室效應(yīng)，導(dǎo)致了全球氣候變暖，同時(shí)，由于西北內(nèi)陸區(qū)遠(yuǎn)離海洋，高山環(huán)繞，區(qū)域降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，形成以干熱為主的氣候環(huán)境；檉柳沙包下部層次Δ序列主要指示了19世紀(jì)80年代以前的氣候變化，Δ序列變化平穩(wěn)，Δ值較大而δ13C組成偏輕，由于受大氣CO2濃度影響較小，氣溫相對(duì)較低，代表冷濕的氣候環(huán)境。Δ序列在20世紀(jì)40—60年代出現(xiàn)較大的波動(dòng)變化可能與小范圍的年季降水、溫度的變化有關(guān)，這在近代其他氣象資料分析中有所反映[22- 24]?？梢姡コ髿釩O2濃度后檉柳沙包Δ序列變化與氣候環(huán)境具有顯著的響應(yīng)關(guān)系。

圖3 去除CO2濃度影響后的Δ序列Fig.3 The series of Δ after detrend the effects of atmosphere CO2 concentration

2.4 檉柳沙包年層Δ值與氣候要素相關(guān)性分析

考慮到檉柳沙包年層Δ值滯后性，對(duì)檉柳沙包當(dāng)年Δ值及前一年Δ值與各氣候要素相關(guān)系數(shù)分別進(jìn)行分析比較。在取樣的4 個(gè)檉柳沙包中，東北部YD沙包取樣年層不到50a，數(shù)據(jù)較少，未進(jìn)行相關(guān)性分析，其它3個(gè)檉柳沙包年層Δ序列與各氣候要素相關(guān)系數(shù)如表2。由表2顯示：檉柳沙包因分布的生存環(huán)境不同，對(duì)各氣候要素的響應(yīng)也有所不同。沙漠南部HJ沙包年層Δ值與水分要素最為密切，大氣相對(duì)濕度和降水與檉柳生長(zhǎng)年層Δ值均呈負(fù)相關(guān)性，年均降水、夏季降水與年層Δ值相關(guān)性均達(dá)到顯著水平，而年均相對(duì)濕度及春季、夏季和秋季平均相對(duì)濕度則達(dá)極顯著水平；季節(jié)性氣壓與光照對(duì)HJ檉柳沙包年層Δ值影響也較為明顯，春季氣壓、光照及夏季光照與檉柳當(dāng)年Δ值相關(guān)性達(dá)極顯著水平，與滯后年Δ值達(dá)顯著相關(guān)性，季節(jié)性滯后效應(yīng)不明顯；沙漠北部GD沙包年層Δ值與氣溫的相關(guān)性最為顯著，年均氣溫、春季氣溫與檉柳沙包Δ值相關(guān)系數(shù)高，相關(guān)性均達(dá)極顯著水平，夏季、秋季氣溫與Δ值相關(guān)系數(shù)較高，與當(dāng)年Δ值呈顯著相關(guān)性，與滯后年Δ值呈極顯著相關(guān)性，即氣溫的滯后性明顯，而春季降水、濕度對(duì)GD沙包年層Δ值也達(dá)到顯著水平；沙漠東部SD沙包年層Δ值受氣溫、光照的影響較大，年均氣溫與當(dāng)年Δ值呈顯著性相關(guān)，與滯后年Δ值呈極顯著相關(guān)，具有明顯的年度氣溫和生長(zhǎng)季氣溫滯后作用，年均光與年層Δ值達(dá)到顯著相關(guān)性，光照的滯后性較弱。

表2 檉柳沙包年層Δ序列與氣候要素的相關(guān)系數(shù)

黑體加下劃線數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)置信度超過99%;黑體數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)置信度超過95%;D為當(dāng)年氣候要素與Δ值關(guān)系;Z為滯后一年氣候要素與Δ值關(guān)系;HJ：南部洪積地貌;SD：東部濕地;GD：西北部谷地;YD：東北部雅丹

綜上分析認(rèn)為，不同生境檉柳沙包形成了不同的微氣候環(huán)境，進(jìn)而導(dǎo)致了檉柳沙包年層Δ值對(duì)各氣候要素的敏感程度不同。HJ檉柳沙包分布在海拔較高的山前洪積區(qū)，氣溫、濕度及降水變化受山體的阻擋效應(yīng)較為明顯，形成了相對(duì)冷濕的微氣候環(huán)境，低溫雖影響植物生長(zhǎng)，但大氣濕度、降水有利于植物保持水分，并使植物生長(zhǎng)周期相對(duì)延長(zhǎng)，光照時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，從而使檉柳沙包年層Δ值對(duì)濕度、降水及光照氣候因子相關(guān)性增強(qiáng)；GD檉柳沙包分布與高緯度、低海拔的干旱沙漠區(qū)，長(zhǎng)期處于高溫、缺水狀態(tài)的植物能最大限度的通過關(guān)閉氣孔、降低氣孔導(dǎo)度使蒸騰水分散失減至最少，以維持正常代謝活動(dòng)，植物為適應(yīng)干旱氣候環(huán)境，在適宜的溫度和降水條件下能快速完成季節(jié)性生長(zhǎng)代謝，因此氣溫對(duì)檉柳沙包年層Δ值的響應(yīng)最為敏感，氣溫的季節(jié)性滯后作用較明顯；SD檉柳沙包分布于東部沙漠與濕地的過渡帶，對(duì)水分的效應(yīng)不明顯，檉柳沙包年層Δ值受氣溫、光照的影響較大，存在氣溫的滯后效應(yīng)。

3 結(jié)論與討論

檉柳沙包計(jì)年法作為一種簡(jiǎn)捷的測(cè)年手段，在干旱荒漠區(qū)生態(tài)環(huán)境演變研究中具有十分重要的意義。1985年夏訓(xùn)誠(chéng)根據(jù)檉柳沙包發(fā)育特征確定了年層結(jié)構(gòu)，并將檉柳沙包年層與AMS測(cè)年和考古資料進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了檉柳沙包年層計(jì)年的準(zhǔn)確性[2]；南京大學(xué)曹瓊英教授多年來通過對(duì)檉柳枝葉層穩(wěn)定同位素δ13C、有機(jī)碳、氮元素分析和沙層厚度分析，以解釋“紅柳沙包年層的環(huán)境記錄”[1]。本文依據(jù)檉柳沙包取樣時(shí)間及取樣層理進(jìn)行沙包沉積紋層定年，檉柳沙包取樣當(dāng)年的紋層結(jié)構(gòu)尚未形成，因此以沙包取樣年份上年度作為沙包沉積的最后年代，并以連續(xù)取樣的沉積紋層數(shù)依次類推確定檉柳沙包年代序列。為驗(yàn)證檉柳沙包沉積紋層定年結(jié)果準(zhǔn)確性，通過對(duì)沙漠東緣SD沙包和東北部YD沙包剖面基底樣品進(jìn)行AMS測(cè)年，結(jié)合檉柳沙包沉積層平均厚度及沙包基底層取樣深度推算沙包沉積年代，并與實(shí)際測(cè)年結(jié)果進(jìn)行比較(表3)，結(jié)果表明測(cè)試的檉柳沙包沉積紋層計(jì)年與AMS年齡推斷存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，誤差值均<5%。同時(shí)，通過收集采樣點(diǎn)東部敦煌市氣象站年度風(fēng)速數(shù)據(jù)，與沙漠南緣HJ沙包和西北緣GD沙包近40a的年層厚度序列變化進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析(圖4)，結(jié)果顯示：檉柳沙包沉積層厚度隨年平均風(fēng)速變化基本趨于一致， 20世紀(jì)50年代以來隨著風(fēng)速值的波動(dòng)變化，年層沉積層厚度呈現(xiàn)增減變化，20世紀(jì)80年代和90年代風(fēng)速出現(xiàn)2次明顯的下降趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的檉柳沙包年層沉積隨著風(fēng)速逐年遞減，沉積層厚度變薄?？梢?，2個(gè)檉柳沙包沉積層厚度基本反映了區(qū)域風(fēng)沙過程及其沉積環(huán)境變化，利用檉柳沙包沉積紋層定年可作為理想可靠的計(jì)年手段而應(yīng)用。

表3 檉柳沙包年層誤差分析

圖4 檉柳沙包年層厚度與風(fēng)速變化Fig.4 The chang with wind speed and thickness in annual stratum for Tamarix sand-hillocks

自工業(yè)革命革命以來，大氣CO2濃度持續(xù)升高，造成全球植物δ13C下降，本研究的4個(gè)檉柳沙包年層δ13C有著與全球樹輪δ13C變化一致的下降趨勢(shì)[25- 29]，尤其在19世紀(jì)50年代后的下降更為明顯，表明大氣CO2濃度增加會(huì)對(duì)檉柳沙包年層δ13C造成影響。為了去除大氣CO2濃度增加對(duì)檉柳沙包年層的影響，對(duì)檉柳沙包層次Δ序列的氣候響應(yīng)進(jìn)行分析認(rèn)為：檉柳沙包年層Δ序列的總體變化過程與全球氣候變化趨勢(shì)相一致[9]。檉柳沙包在120a來反映的Δ值較小，δ13C組成偏重，主要是由于大氣CO2濃度增高形成溫室效應(yīng)，導(dǎo)致了全球氣候變暖[30- 31]，結(jié)合干旱內(nèi)陸區(qū)降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈等特點(diǎn)[32]，可推斷120a以來的氣候環(huán)境以暖干為主，而檉柳沙包指示19世紀(jì)80年代以前Δ序列變化平穩(wěn)，Δ值較大而δ13C組成偏輕，由于受大氣CO2濃度影響較小，氣溫相對(duì)較低，代表冷濕的氣候環(huán)境。另外，通過前人對(duì)樹木年輪分析所指示的氣候變化及其他氣象資料分析中，20世紀(jì)以來以來氣候環(huán)境曾經(jīng)歷過干濕交替變化，可與本研究Δ值在20世紀(jì)40—60年代呈現(xiàn)的波動(dòng)變化相對(duì)應(yīng)[33- 34]。同時(shí)據(jù)庫(kù)姆塔格沙漠周邊5個(gè)氣象站點(diǎn)50a以來年平均氣溫變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明[35- 36]，1985年以前區(qū)域年平均氣溫相對(duì)穩(wěn)定，90年代后區(qū)域年平均氣溫呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，這也與檉柳沙包Δ值反映的全球氣候明顯變暖的環(huán)境特點(diǎn)相一致。因此，通過年層計(jì)年法對(duì)檉柳沙包穩(wěn)定碳同位素組成的分析，可作為研究干旱區(qū)環(huán)境變化的有效手段，在重建百年尺度上的溫度、降水時(shí)空變化過程，獲得更為客觀、可信的氣候環(huán)境變化信息。本研究利用采集到120a來的檉柳沙包年層δ13C序列進(jìn)行近世紀(jì)以來的環(huán)境分析，采集到的沙包年層短暫，所反映的氣候環(huán)境變化序列也較為短暫，今后需要結(jié)合地質(zhì)學(xué)測(cè)年方法建立更大尺度內(nèi)的年代序列，分析檉柳沙包在形成過程中所反映的氣候環(huán)境變化過程。

植物對(duì)氣候要素的響應(yīng)因植物種類、生長(zhǎng)季節(jié)及其生境而異，對(duì)荒漠植物而言, 環(huán)境溫度、水分等均對(duì)其穩(wěn)定碳同位素組成產(chǎn)生影響。首先溫度是影響植物碳同位素分餾的重要?dú)夂蛞蜃?，直接影響參與光合作用的酶的活性，又影響葉片的氣孔導(dǎo)通系數(shù)(g)、CO2的吸收率及Ci/Ca值，從而影響植物的碳同位素分餾[37]。水分作為干旱區(qū)植物生長(zhǎng)的最主要的限制因子，干旱區(qū)降水減小，水分脅迫加重，空氣濕度、土壤含水量必然降低，水分虧缺能促使植物關(guān)閉氣孔、降低氣孔導(dǎo)度以減少水分散失，同時(shí)進(jìn)入植物葉片內(nèi)部的CO2減少，從而達(dá)到植物對(duì)δ13C的分餾能力減弱[16,38]。另外，光照可影響植物光合羧化酶的活性等與光合相關(guān)的過程，因而影響植物碳同位素分餾[39- 40]。但光照過強(qiáng)會(huì)抑制葉片光合作用、加速蒸騰，當(dāng)水分供應(yīng)不上時(shí)，氣孔會(huì)關(guān)閉以減少水分散失，因此造成對(duì)13C的分餾減弱[16,41]。目前，不同植物δ13C與溫度、降水關(guān)系研究尚存在較大爭(zhēng)議，如Pearman、Tans等人研究認(rèn)為植物δ13C與溫度呈正相關(guān)關(guān)系[34- 35]，而Farmer、Leavitt等人結(jié)果則為負(fù)相關(guān)性[42- 43]，Ehleringer和Peuelas等研究發(fā)現(xiàn)δ13C與降水量之間存在顯著負(fù)相關(guān)[44- 45]，這些研究的差異性主要是因植物種類、生長(zhǎng)特點(diǎn)及其生境差異造成的，同時(shí)大氣CO2濃度也對(duì)植物碳同位素產(chǎn)生分餾。本研究利用檉柳沙包年層Δ序列的推算消除了大氣CO2濃度對(duì)檉柳沙包年層δ13C的影響，進(jìn)而分析Δ值對(duì)其它氣候要素的響應(yīng)。不同生境環(huán)境檉柳沙包年層Δ值在對(duì)各氣候要素的響應(yīng)程度不同。高海拔的山前洪積區(qū)氣候要素受山體的阻擋，微氣候環(huán)境相對(duì)冷濕，大氣濕度、降水、氣壓、光照因子對(duì)檉柳沙包年層Δ值均產(chǎn)生顯著相關(guān)性，表明Δ值受多個(gè)氣候要素的影響；低海拔的干旱沙漠地帶氣候條件相對(duì)嚴(yán)酷，荒漠植物為適應(yīng)干旱的氣候環(huán)境，能快速完成季節(jié)性生長(zhǎng)代謝活動(dòng)，因而氣溫及季節(jié)性降水對(duì)檉柳沙包年層Δ值的響應(yīng)較為敏感；沙漠濕地過渡帶檉柳沙包年層Δ值受氣溫、光照的影響較大。可見，隨著生境條件的改變，氣候環(huán)境因子將發(fā)生相應(yīng)的變化，植物為了適應(yīng)不同的微氣候環(huán)境，通過葉片氣孔開閉、氣孔導(dǎo)度的升降改變細(xì)胞內(nèi)外CO2比率，進(jìn)而調(diào)節(jié)植物對(duì)13C的識(shí)別能力，對(duì)氣候環(huán)境因子做出不同的響應(yīng)。

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Climate environmental change and stable carbon isotopes in age layers ofTamarixsand-hillocks in Kumtag desert

ZHANG Jinchun1,2,3,4，YAO TUO1,5,*, LIU Changzhong1, 5, LIU Shizeng2,3,4，SUN Tao3,4，YUAN Hongbo2,3,4，TANG Jinnian3,4，DING Feng2,3,4，LI Xuemin3,4，LIU Rui4，SONG Dewei4

1PrataculturalCollegeofGansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070，China2MinqinNationalResearchStationforDesertSteppeEcosystem，Minqin733300，China3StateKeyLaboratoryBreedingBaseofDesertificationandAeolianSandDisasterCombating，Wuwei733000，China4GansuDesertControlResearchInstitute，Lanzhou730070，China5KeyLaboratoryofGrasslandEcosystemMinistryofEducation，Lanzhou730070，China

Kumtag desert, China′s sixth largest desert, lies in the south-east of the Lop Nur region，and is famous with the unique dune type of Pseudo-feathery dunes in the whole world. Kumtag desert is expanding and threatening to engulf previously productive lands with its arid wasteland character with the speed of 1—4 m eastward annually.Tamarixsand-hillocks is a frequent special biological landform types, with legible age layers structure composited by sand and plant litters, in Kumtag desert. And it is very important for regional environmental evolution research because of noting the desert environmental information diversification. In the present paper, we try to explore desert environmental change process of Kumtag desert based on stable isotope techniques collecting stable carbon isotope sample ofTamarixsand-hillocks from the different habitats and set up the stable carbon isotope series in age layers of four typicalTamarixsand-hillocks, proluvial landforms, wedland landforms,YaDan landforms and valley landforms, meanwhile environmental information and local meteorological data were collected as well. The results showed that the ratio of stable carbon isotope (δ13C), in age layers ofTamarixsand-hillocks, was fluctuated during 40—60 s of twenty century, and had declined since 1980s. The change tendency of stable carbon isotope series was accord with the stable carbon isotope downtrend of tree-ring all over the world. It was indicated that atmospheric CO2concentration increasing affected the carbon isotope of stable carbon isotope (δ13C) in age layers ofTamarixsand-hillock. The resolution ratio(Δ)of stable carbon isotope in age layers ofTamarixsand-hillocks had a similar change trendency to the global climate changes. It was dry and warm climate environment in the recent 120 years, which the resolution ratio(Δ)was reduced with the global climate warming. However, the climate environment was colder and moister before the industrial revolution in the nineteenth century, and the resolution ratio(Δ)was rosen. There was different response of the solution ratioΔof stable carbon isotope in age layers ofTamarixsand-hillocks under different habitats to climatic elements changes. In the high altitude area, the resolution ratio(Δ)in age layers was restricted by several climatic factors. e.g. air temperature, humidity, atmospheric pressure, etc. the resolution ratio(Δ) composition had significantly relationship with annual air relative humidity, annual precipitation, seasonal atmospheric pressure and seasonal illumination intensity. The resolution ratio(Δ)composition was affected by several climatic factors, but the hysteresis effect was not obvious. On the contrary, in the arid desert area in low elevation, the resolution ratio(Δ) composition had had greatly sensitivities to annual temperature, seasonal precipitation and seasonal air relative humidity, and the hysteresis effect was obvious.

Kumtag；Tamarixsand-hillocks；stable carbon isotope series；age layers；climate environment

國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目(40961013)；甘肅省自然基金資助項(xiàng)目(1208RJZA262)

2012- 10- 08;

2013- 10- 11

10.5846/stxb201210081381

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yaotuo@gsau.edu.cn

張錦春，姚拓，劉長(zhǎng)仲，劉世增，孫濤，袁宏波，唐進(jìn)年，丁峰，李學(xué)敏，劉瑞，宋德偉.庫(kù)姆塔格檉柳沙包年層穩(wěn)定碳同位素與氣候環(huán)境變化.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(4):943- 952.

Zhang J C，Yao T, Liu C Z, Liu S Z，Sun T，Yuan H B，Tang J N，Ding F，Li X M，Liu R，Song D W.Climate environmental change and stable carbon isotopes in age layers ofTamarixsand-hillocks in Kumtag desert.Acta Ecologica Sinica,2014,34(4):943- 952.