全球变暖和大气CO₂浓度升高对植物生理生态过程产生了深刻影响(Leitonen et al., 1997; Thornley et al., 1997; Wayne et al., 1998; Shaw et al., 2000; Peuelas et al., 2001)，植物与环境因子间这种复杂的关系可以通过树木年轮的物理指标或稳定同位素组成反映出来，因为树木年轮中含有大量反映过去气候变化的信息(邵雪梅, 1997; 桑卫国等, 2007)。树轮宽度、密度指数和反射系数等物理特征记录了过去的环境变化，如果表达强烈，有些可用于提取古气候信息(Loader et al., 2007)，这种方法目前已成功建立并在全球范围使用(Briffa, 2000; Watson et al., 2004; Camill, 2005; Salzer et al., 2005; 刘禹等, 2006; 魏本勇等, 2008; Wang et al., 2009)。在一些年轮宽度与气象要素关系不明显的地区，树木年轮碳、氢、氧稳定同位素比率的差异可用于更精确地提取该区域的气候变化信息(Robertson et al., 1997; Dodd et al., 2008)。

近几十年来，稳定同位素技术在生态学领域受到重视并取得了一些可喜的成果，并与遥感技术、数学模型一起被认为是三大现代技术(Wright, 1980; Ehleringer et al., 1989; 林光辉等, 1995; 徐庆等, 2008)。在国外，稳定同位素气候学研究已有较多的报道(McCarroll et al., 2004; Dodd et al., 2008), 包括:同位素树木年轮气候学的基础理论、同位素年表建立、同位素测定、取样策略和数据处理等。在我国，树轮碳稳定同位素的研究和分析较早(李正华等, 1995; 陈拓等, 1999)，但发展较慢，尤其是树轮碳、氢、氧稳定同位素的综合分析研究很少。本文评述了国内外树轮稳定同位素基础理论和应用研究成果，为利用树木年轮稳定同位素技术研究全球气候变化提供参考。

1 树轮稳定同位素的基本原理

稳定同位素是指目前尚未发现存在放射性衰变的同位素。如氢的同位素¹H和²H(D)；氧的同位素¹⁶O, ¹⁷O和¹⁸O；碳的同位素¹²C和¹³C等均称为该元素的稳定同位素。由于稳定同位素在自然界中含量极低，用绝对量表示同位素的差异比较困难，因此，为了便于比较，国际上规定统一采用待测样品中某元素的重轻同位素丰度比值(R_sample)与标准样品的同种元素的相应重轻同位素丰度比值(R_standard)的相对千分差作为量度，记作为δ值:δ=(R_sample /R_standard-1)×1000‰(尹观，1988)。与分析树木年轮宽度等物理代用指标相比，对年轮稳定同位素的分析可清楚地了解木材形成过程中气候因子对碳氢氧传递过程和途径的影响(Vogel, 1980; Farquhar et al., 1982; Edwards et al., 1986; Roden et al., 2000)，并已得到结果模型。现将碳氢氧稳定同位素分馏原理分别阐述如下。

1.1 碳同位素分馏原理

外部因素(气候压力)能对气孔导度或同化率产生直接影响，并通过植物内在的水分利用效率(WUE_i)和产生的碳同位素比例值(δ¹³C)表达。空气中的CO₂通过气孔进入叶内部细胞间隙时，动力分馏作用使得轻同位素¹²C更易被吸收，这与轻重同位素迁移率有关，基本不依赖温度、气压等因素；当气孔孔径≤0.1 μm时，气体分子之间的交换量增大，¹²CO₂和¹³CO₂的吸收速率差别不大(Farquhar et al., 1993)。如果光合作用消耗的CO₂量远远超过了所能补充的CO₂量，¹²CO₂的相对量减少，分馏作用对¹³C的阻碍将显著降低。叶内部同化率的改变会影响叶内CO₂浓度(C_i)，进而影响用于合成糖的CO₂比率。光合作用产生的糖转化分配到树木不同的组成部分时，同位素还会发生进一步分馏，以致纤维素和木质素中的δ¹³C比叶中的值低(Barbour et al., 2001; Loader et al., 2007)。因此，可根据树木年轮碳稳定同位素与气候之间的关系来重建古气候信息。

树木年轮中δ¹³C反映了光合作用点CO₂供需的平衡关系。这直接影响了叶片气孔导度和光合速率之间的平衡。Farquhar等(1982)描述了这种相关关系，并提出了描述碳固定过程中同位素分馏模式的Farquhar公式: Δ=a+(b-a)(c_i/c_a)。式中: a为CO₂扩散过程中产生的碳同位素动力学分馏系数(扩散分馏系数); b为叶片细胞间隙CO₂分子在羧化作用中产生的生物学分馏系数(羧化生化分馏系数); C_i 和C_a分别为植物叶片细胞间隙和大气CO₂浓度。

1.2 氢和氧同位素分馏原理

植物光合作用所利用的水是通过根系吸收获得的。根系主要吸收土壤水，它的同位素特征与当地的气候参数相关(Darling, 2004; Kortelainen, 2008)。根部吸收的水通过木质部运输时不发生同位素分馏，但在叶部蒸发富集。光合作用结合叶部富集的水，并进一步发生分馏，氧同位素比值可达27‰(Sternberg et al., 1986; Barbour et al., 2001)，氢同位素比值为-100‰~-171‰(Yakir, 1992; Roden et al., 2000)，以致所产生的糖富¹⁸O而贫²H(D)。在纤维素合成过程中又发生了生物化学分馏，氢同位素比值为144‰~166‰，使纤维素中的同位素值与水源同位素值接近。

Barbour等(2002; 2004)和Farquhar等(2007)为叶内部的Peclet效应(扩散过程中富集水与未富集水发生了混合)提供了证据，这种效应潜在地减轻了纤维素形成前糖固定的富集效应。在光合作用后期，合成纤维素的原料中有部分氢、氧与木质部中的水发生交换的现象也得到了证明(Sternberg et al., 1986; Hill et al., 1995; Roden et al., 2000)。排除这些复杂不确定的过程，叶蒸发水¹⁸O的富集度(Δ¹⁸O_e)可由下式获得: Δ¹⁸O_e =ε^*+ε_k+(Δ¹⁸O_v-ε_k)e_a/e_i, 式中ε^*为重水分子水汽压的低压比例，ε_k为水分在气孔和叶边界层扩散过程中的分馏系数，Δ¹⁸O_v为大气中水汽(相对于水源)的氧同位素值，e_a和e_i分别为周围环境和细胞间隙的水汽压值(Craig et al., 1965; Barbour et al., 2001; 2002)。该模型可以解释木材形成过程中的分馏原理，并且是提取气候信息的重要起点。

2 树轮碳氢氧稳定同位素研究进展

树轮稳定性同位素分析作为一种新颖的高分辨率分析方法，已在重建历史时期大气CO₂浓度(C_a)、温度、降水变化、灾害以及环境污染等过程中发挥了重要作用，是获取古气候变化信息的重要途径(蒋高明等, 1997; 钱君龙等, 2001; Raffalli-Delerce et al., 2004)。

最早的树轮同位素研究采用全树轮作为分析对象，对树木的破坏性较大。Epstein等(1976)通过对比研究认为，在树轮的各种有机组分中纤维素具有优良的信息记录能力，并建立了纤维素的化学提取方法；他们还发现纤维素中羟基上的氢原子易被交换而不具备信息记录能力必须清除，并建立了相应的技术方法。Epstein等(1976)的工作最先为树轮稳定同位素工作消除了一个障碍。在前人的工作基础上，近20年树木年轮稳定同位素研究取得了很大进展，尤其是在碳氢氧与全球气候变化方面。

2.1 碳稳定同位素

植物中稳定碳同位素组成不但与植物的水分利用效率密切相关，而且还反映环境因子对植物的影响(Farquhar et al., 1989)。O’Leary(1988)和Bert等(1997)认为利用树轮碳同位素比率的变化除可用来恢复过去气候环境变迁外，还可以用来研究树木对过去环境改变的生理生态响应。王建等(2008)研究了树轮碳稳定同位素分析的采样策略，认为并不是采样的方位数越多越好，选择2~4个方位采样合并分析树轮稳定碳同位素既经济方便又能比较好地反映一棵树的δ¹³C变化过程与趋势。在2个或3个方位采样时，方位之间呈钝角关系代表性最好。4个方位采样时，一般使用的“十字交叉法”并不是最好的选择，建议采样的方位之间尽可能成钝角关系。如果条件限制只能采集一个方位的样品时，向阳一侧树芯的代表性最好。现对树木年轮碳同位素分析方法及其在大气CO₂浓度、温度、湿度和降雨量等气候因子重建上的应用评述如下。

2.1.1 树轮¹³C与大气CO₂的关系

陈拓等(2001)在新疆昭苏树轮碳同位素组成研究的基础上，初步分析了近280年以来云杉(Picea obovata)内外CO₂浓度比(C_i/C_a)、云杉内部CO₂浓度和水分利用效率的变化。结果表明，在整个分析时段内云杉内部CO₂浓度和水分利用效率都有较明显的升高趋势，C_i/C_a相对恒定在0.52左右；侯爱敏等(2001)研究证明，南亚热带几种主要树种C_i/C_a值在环境变化较大的情况下不能保持稳定，对比分析发现，C_i/C_a的变化与环境和物种特性都有一定的关系。Seibt等(2008)从不同的时空尺度重新探讨了δ¹³C与水分利用的关系，阐述了δ¹³C值和¹³C光合判别值与水分利用效率的响应关系，并通过连结模型检验了树轮δ¹³C信号所反映的树木水分利用效率对大气CO₂浓度增加的响应。

2.1.2 树轮¹³C与大气温度的关系

韩兴国等(2000)通过对山杏(Prunus armniaca)树干木质部δ¹³C值与环境因子的分析发现，年均气温和山杏木质部δ¹³C值的关系最为密切，其次分别是年降水量、生长季平均温度和生长季降水量。Liu等(2002)通过分析贺兰山区油松(Pinus tabulaeformis)树轮碳稳定同位素，发现δ¹³C值的高低与夏季6—8月的平均气温有关。并据此重建了贺兰山区夏季气温，指出贺兰山区的夏季气温与热带太平洋海面水温相关联。尹璐等(2005)分别逐轮测定了2棵红松(Pinus koraiensis)年轮的纤维素碳同位素组成，获得了2个长达109年(1880—1988年)的时间序列，合成一个新序列并去趋势化后，与同样长度的中国东部年气温变化序列进行交叉相关分析，结果表明:树轮碳同位素组成对温度有灵敏响应且具滞后性(r=0.373，n=109，P＜0.001)；同时，碳同位素组成也与其中1棵树的年轮宽度呈高度负相关(r=-0.390, n=109, P＜0.001)。

2.1.3 树轮¹³C与大气降水的关系

刘广深(1996)通过对1789—1988年的200个长白山红松年轮进行逐轮稳定碳同位素组成(δ¹³C)分析，建立了δ¹³C序列，并以此提取了近200年来长白山(乃至东北地区)降水量变化、季风强弱变迁及松花江径流变化等方面的信息。刘晓宏等(2002b)对采自西藏林芝的喜马拉雅冷杉(Abies spectabilis)建立了树轮δ¹³C序列，去除生长趋势和大气CO₂浓度升高导致的大气δ¹³C下降得到△¹³C，利用附近气象资料，分析了△¹³C对气候要素的响应, 结果表明:冷杉△¹³C的高频振荡与季节的气温、降水、空气相对湿度显著相关，并存在强的滞后效应；在树木生长初期4月和9—11月，降水和空气湿度对年轮生长影响较大；除3月平均最低气温和11，12月平均气温对年轮△¹³C有一定影响外，温度对年轮生长的影响小于降水和相对湿度。Ward等(2002)调查了河岸常见树种复叶槭(Acer negundo)的雌、雄株树轮α-纤维素碳稳定同位素和植株基因型等指标，研究其对不同水分梯度的生理反应，发现在干旱年雌雄株有相似的生长状况和生理反应，在湿润年雌株表现出高的生长率和低的碳同位素比率，而复叶槭雄株气孔活动对干、湿年反应基本一致。

2.1.4 树轮¹³C与复合环境因子的关系

沈吉等(2000)分析了采自南京的雪松(Cedrus deodara)树轮α-纤维素的稳定碳同位素，结合气象记录，对气候因子进行了重建，结果表明重建值与观测值吻合较好，南京地区树轮α-纤维素稳定碳同位素与5—7月平均降雨量及5—9月平均气温显著相关，分别对应于干热和湿冷环境；赵兴云等(2005)在天目山依据柳杉(Cryptomeria fortunei)树轮碳同位素年序列重建了9月降水量与9月最高气温2个气候要素，也得到了上述结果；这在一定程度上反映了东亚季风盛行区树木生长与水热组合的关系。Robertson等(2004)通过分析树轮不同组分的δ¹³C值发现，晚材中木质素和α-纤维素的δ¹³C值的高频变化都与7，8月份的降雨、温度及湿度等综合因子的高频变化有关。所以晚材中纤维素或木质素的δ¹³C值可以作为过去气候的非直接测定指标，且木质素的优势是无论在有氧条件还是无氧条件下更不易腐烂。

2.1.5 树轮不同组分¹³C同位素分析

树木是由多种化学成分组成的复合体，包括纤维素、木质素、半纤维素、树脂、丹宁酸等。由于光合作用过程中各种组分形成的生物化学过程不同，各组分的同位素组成也存在差异(Barbour et al., 2002)。然而，一些学者通过对比研究认为，全木和纤维素记录同样的气候信息，仅分析全木也不会丢失气候信息(Loader et al., 2003; Borella et al., 1998; Barbour et al., 2001)；但Warren等(2001)研究发现，针叶树的全木δ¹³C值总比纤维素小0.87‰。Helle等(2004)调查了4种阔叶树的年轮早材和晚材的碳稳定同位素比率，结合叶生长的不同时期分析得出，所研究树种的年轮碳同位素变化格局具有季节性:生长季初期δ¹³C值上升，最大值出现在刚发芽不久的非自养阶段，在每一年轮的早材中δ¹³C值稳定，此后δ¹³C值开始下降，最小值出现在每一年轮的晚材中。δ¹³C值季节变幅高达4 ‰以上，而相邻年轮δ¹³C值相差不到0.3‰。这种格局不能被光合作用过程中一般的碳分馏模型解释，主要表现为纤维素合成过程中糖代谢随季节的变化。Porte等(2001)提取了沙地海岸松(Pinus pinaster)早材和晚材的纤维素并对其碳稳定同位素进行了测定，认为树木的年龄并不能解释树木早材晚材间及年际间同位素值的差异，年内判别值与气候因子(如年降雨量、夏温和蒸汽压亏缺等)变化有关，早材与前一年晚材有关。Jäggi等(2002)研究了欧洲云杉(Picea abies)树轮早材和晚材的碳稳定同位素组成，发现早材δ¹³C值与冬季降雨呈弱相关，晚材δ¹³C值与总辐射、相对湿度和温度有关，越是干热气候，同位素越富集, 因此认为早材同位素信号由生化分馏(如淀粉形成)决定，晚材同位素信号主要受气候条件影响。

2.2 氢氧稳定同位素分析

树木年轮氢氧同位素方法是研究过去环境气候变化的主要技术手段之一，因其时间分辨率高，反映环境参数多，准确定量的优点，近年来日益受到重视。与碳同位素相比，基于复制良好的氢、氧同位素数据上的灵敏度研究和气候重建还较少，可见根据树轮氢氧稳定同位素获得气候信息存在困难(Saurer et al., 1997; Feng et al., 1999; Augusti et al., 2008)。

Schiegl(1974)最先探讨了δD(氘)与温度的关系。他采用全轮样品分析，使结果受到干扰，但还是找出了2者之间的相关性。Epstein等(1976)统计了北美、欧洲广大地理区域内众多现代树木纤维素δD与环境要素的关系，认为在干旱半干旱地区，植物稳定同位素的短期波动是由降水量变化引起的，植物纤维素δD与环境水δD呈线性相关，并且提供了降水同位素组成的可靠信息。Gray等(1976)分析了北美不同纬度树木的δ¹⁸O与平均气温之间的相关性，结果比较明显(P＜0.05)。刘广深等(1997)在分析树轮氢氧同位素分馏机制的基础上，报道了树轮氢氧同位素方法在环境气候变化研究中的应用情况。刘晓宏等(2002a)对树木年轮氢同位素反映的气候信息及其在全球气候变化研究中的应用和成果作了综合评述，认为树轮硝化纤维中δD同位素可以用来重建地区水汽来源、温度、降水量和相对湿度等气候环境因子。龙良平等(2006)介绍了树轮氢同位素理论以及应用其重建气候变化等方面的进展和存在的问题, 着重阐述了利用树木年轮硝化纤维素氢同位素组成来研究东亚季风的进展和今后需要解决的问题。廖淦标等(2008)论述了全球变暖与台风增强的关系，认为树轮氧同位素可作为研究古台风活动的重要代用指标，并可以此重建过去几百年乃至上千年的古台风活动历史，但是存在分辨率较低的缺点。

2.3 碳与其他稳定同位素联合示踪

孙艳荣等(2002)对埋藏古木树轮碳、氢、氧同位素和古气候重建的关系进行了评述，提出埋藏古木纤维素中的碳、氢、氧同位素分析已成为环境演化研究的主要量化手段，尤其对于中国这样典型的季风气候国家，开展树轮稳定同位素随气候变化的研究具有重要的意义。

2.3.1 树轮¹³C和¹⁸O

徐海等(2002)测定了安图红松(Pinus koraiensis)树轮稳定碳、氧同位素组成，分析了其与气象因子的相关关系，发现:红松树轮稳定碳、氧同位素均对气候变化反应灵敏；对复合温湿指标响应更加灵敏，且均与5—8月的复合温湿指标平均值显著相关；通过建立碳、氧同位素对气候因子的响应函数，重建了安图地区近200年来的气候变化历史；功率谱分析发现碳、氧同位素组成具有明显的准200年、准l1年、准4年和准2年的变化周期(P＜0.05)，前2个周期变化基本上与太阳活动周期变化一致，后2个周期分别对应于厄尔尼诺现象和东亚夏季风的准2年振荡。Verheyden等(2004)调查了红茄苳(茄藤)(Rhizophora mucronata)的木质部碳、氧稳定同位素比率，发现2种同位素比率的变化都具有明显的年周期性，最低值出现在晚材与早材的边界(对应4，5月份)，最大值出现在早材向晚材过渡时期(对应10，11月份)；并发现1997年是个厄尔尼诺年。Klaassen等(2005)研究了荷兰东部公元前200年和公元150年亚化石态3株沼泽地橡树(Quercus palustris)年轮碳、氧稳定同位素在被抑制和正常生长条件下的变化，发现有1株碳、氧同位素值在被抑制条件下相对偏小，其他2株树轮宽度与同位素组成没有清晰的关系。被抑制生长的年轮特征是只形成了早材，可能是由于过干或过湿抑制了晚材的形成，从而造成同位素变化信号的缺失。Roden等(2007)测定了美国西部北美黄松(Pinus ponderosa)树木年轮纤维素的碳氧稳定同位素组成来研究降水输入的季节格局, 发现:加利福尼亚州和俄勒冈州夏季降雨较少，而亚利桑那州的夏季降雨量为年降雨量的70%；在亚利桑那州，树木年轮晚材纤维素中的δ¹³C和δ¹⁸O值随夏季雨量占年降雨量比重的增加而增加; 在3个试验地中，都没有发现夏季降雨绝对量与树木年轮晚材纤维素δ¹⁸O值间的相关关系，而δ¹³C值随年总降雨量的增加而降低。John等(2009)测定了10年生海岸红杉(Seqyiua senoervurebs)树轮的δ¹⁸O和δ¹³C值，发现细胞的¹⁸O值年内变幅高达3‰，且都表现出边材富集¹⁸O，心材贫¹⁸O的格局，这种格局在同一地点不同红杉植株间具有一致性，而δ¹³C值则有相反的富集表现。

2.3.2 树轮¹³C和²H

吕军等(2002)对采自天目山的柳杉(Cryptomeria fortunei)树轮进行交叉定年后，得到树轮的δ¹³C和δD年序列，利用杭州气象站的相对湿度资料，分析其对树轮δ¹³C和δD的影响。结果表明:树轮稳定同位素值与空气相对湿度之同有着显著的负相关关系(P＜0.05)，其中δD与空气相对湿度的相关性更好。利用其较好的相关性，通过建立回归方程重建了当地100多年来的相对湿度序列。

2.3.3 树轮¹³C和¹⁵N

Choi等(2005)通过研究朝鲜东部红松树轮的碳、氮稳定同位素比率和环境条件的关系，发现树轮物理指标(宽度、密度等)随时间的变化很小，说明其没有受到环境改变的压力。而树轮物理指标与δ¹³C值正相关，说明树木的光合作用受到了使羧化率降低的某种环境因子的限制而非气孔限制。20世纪70年代东亚工业化时期，树轮总氮量增加，δ¹⁵N值降低，这可能主要是由¹⁵N含量低的大气氮沉降造成的。尽管还没有确凿的证据证明氮同位素分馏伴随氮迁移，但是一些研究发现树轮这种总氮量和δ¹⁵N值的变化可能受到树轮内部氮迁移的影响。Elhani等(2005)在法国西部研究了2种施肥方式对欧洲山毛榉(Fagus sylvatica)树轮δ¹⁵N和δ¹³C的影响，发现不施肥对照组树轮的δ¹⁵N值随时间延长出现减小趋势，2种处理组较对照组δ¹⁵N值升高。同时，由δ¹³C反映的水分利用效率在仅施氮肥处理6年后有所降低，施氮、磷、钾、钙肥处理与对照组相近。

3 问题与展望

近几十年来，树木年轮稳定同位素在全球气候变化研究中的应用有了较大进展，受到世界各国研究者的关注(徐庆等, 2009; Loader et al., 2007; Roden et al., 2007)，也取得了一些成果, 但对同位素信号的非气候因子的干扰、不同树种间同位素差异及极端胁迫和休眠等条件下光合产物的储存和重新利用对树木年轮稳定同位素的影响等方面的研究还不够。

基于生态系统和树木年轮自身的复杂性和多样性以及孤立学科方法分析研究的不确定性，将稳定同位素生态学与植物学、植物生理学、气象学相结合，运用碳氢氧稳定同位素联合示踪技术，能更精确地阐明树轮对气候变化的响应方式以及树种在全球气候变化条件下的适应机制。