树轮稳定同位素技术因其信息分辨率高、生理解释性强、反映环境参数多和精确度高等优点日益受到生态学家和气象学家的重视，已应用到古气候、古环境及大气CO₂变化等研究中(Loader et al.，2003;刘禹等，1996;尚华明等，2010;冀春雷等，2010;刘晓宏等，2010;赵兴云等，2012)。通过树轮碳稳定同位素组成的分析可更清楚地了解气候因子对其同化作用及木材形成过程中C传递过程和途径的影响(Roden et al.，2000;Barbour et al.，2002)。树轮碳稳定同位素研究在国外已有较多报道(McCarroll et al.，2004;Loader et al.，2003;Lucas et al.，2011)，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。树轮碳稳定同位素对气候的响应是一个复杂的过程，而且不同地区不同树种年轮δ¹³C对气候的响应也不同(Farquhar et al.，1982)。在我国，树轮稳定同位素研究起步较晚(李正华等，1995;赵兴云等，2005;张瑞波等，2012;商志远等，2013;尚华明等，2012)，发展较快，但运用碳稳定同位素技术全面和精确地阐明树轮对气候响应的研究较少，特别是对于中国这样典型的季风气候国家。

众多学者对川西亚高山森林植物对气候的变化响应进行过研究，主要侧重采用传统的研究方法(如树轮宽度)分析重建过去气候条件(邵雪梅等，1999;秦宁生等，2008;李宗善等，2010;喻树龙等，2012;靳翔等，2013)，而运用碳稳定同位素技术研究川西卧龙亚高山暗针叶林主要代表树种对气候响应的文章却未见报道。本研究探讨四川卧龙地区亚高山森林岷江冷杉(Abies faxoniana)碳稳定同位素序列与气候因子之间的关系，以加强川西地区树轮气候学的研究工作，为该地区的古气候信息提取工作奠定理论基础。

卧龙自然保护区系成都平原向青藏高原过渡的高山深谷地带(102°52'—103°25'E，30°45'—31°25'N)，为四川第三大国家级保护区、中国第一个自然保护资源特别行政区。卧龙自然保护区属青藏高原气候区的东缘，冬半年(11月至翌年4月)在干冷的西风急流南支影响下，天气晴朗干燥，在冷气流的进退过程中，也常形成降雪或雨;夏半年(5—10月)湿润的东南季风顺河而上，遇到高山冷气流而形成丰富的迎坡降水，因而温暖湿润。该地区年均相对湿度80.3%，冬半年为75.5%，夏半年为84.8%，全年无霜期180～200天，年均气温8.5±0.5 ℃，7月平均气温17.1±0.8 ℃，1月平均气温-0.9 ℃，年均日照950 h，年降水量890±100 mm(郑绍伟等，2006;Xu et al.，2011)。

岷江冷杉是四川卧龙巴郎山亚高山暗针叶林的优势树种，也是川西亚高山暗针叶林的典型代表植物，耐荫性强，喜冷湿气候，在排水良好的酸性棕色灰化土及山地草甸森林土上组成大面积纯林，形成高山独特的森林景观。其所处林地阴冷、潮湿，枯枝落叶层处于未分解或半分解状态，厚度不一，盖度30%～90%，因其林龄和生境不同而有所变化，是山地寒温带气候条件下发育的显域植被，且是稳定的森林植物群落。

1955—2009年气象数据源自离采样点较近的都江堰和小金气象站(国家标准气象台站，经纬度分别为103°34'E，30°59'N和102°21'E，31°N)，由国家气象局(http://cdc.cma.gov.cn/)提供，经检验，2站点的气象数据可靠，无明显突变，可被认为代表了当地自然界的气候变化趋势(图 1)。气候因子包括月平均温度、月降水量和月平均相对湿度。

	图 1 川西地区都江堰和小金气象站月平均温度和月降雨量(1955—2009年) Fig. 1 Mean monthly air temperature and monthly precipitation of Dujiangyan and Xiaojin meteorological station in western Sichuan from 1955 to 2009

2010年7月在卧龙巴郎山(邛崃山)阴坡亚高山暗针叶林中采集岷江冷杉树木年轮样本。采样点海拔2 750～3 150 m，是岷江冷杉集中分布区域，树木受到人类干扰较少。采集树轮时尽量选取径级较大且龄级较老(大于50年以上)的优势树木个体(20棵树)，用生长锥在每棵树的胸径位置(距地面1.3 m处)取1～2芯作为样本。采集到的样芯装入内径(5.5 mm)稍大于样芯直径的采样管并编号密封保存，共采到30根样芯。

年轮宽度样品预处理按照Stokes等(1968)的方法进行。将样品放置于通风平坦处晾干，然后将样芯粘在特制的木槽中，用细线将其捆好晾;将粘牢的样芯依次用由粗到细(一般280～600目)不同颗粒的砂纸进行打磨直至样芯在肉眼下能够观察到相对比较清晰的年轮，使样本达到光、滑、亮，轮界清晰分明。

样品预处理后，用骨架示意图对其进行交叉定年(Fritts，1976)，使用德国Frank Rinn公司研制的Lintab^TM -6年轮分析仪对树木年轮宽度进行逐年测量(测量精度0.001 mm)。结合TSAP-Win软件进行目视定年，利用COFECHA(Holmes，1983)程序交叉定年并将测量结果进行质量检验，除去个别与主序列相关不好且年龄较短的序列，得到岷江冷杉宽度年表。交叉定年结果显示该树相关系数是0.656，说明样点树木对环境的响应较为敏感，适合建立树轮宽度年表(靳翔等，2013)。

本研究选取15根年轮较宽、缺轮较少、敏感度较高、没有异常且未经宽度预处理的树轮样芯，利用木板夹对样芯进行固定、打磨，然后对比宽度年表交叉定年，确定每根样芯准确日历年并做标记。自外向内依次在显微镜下用手术刀对树轮样芯逐轮剥离，为防止碳源污染，样品在玻璃垫板上切割，将相同年份的样品混合为一个样品，为避免树轮中其他有机碳同位素的影响(Loader et al.，2003)，对样品进行研磨和提取综纤维素。在Flash EA1112 HT经过高温燃烧后生成CO₂，经纯化后进入DELTA V Advantage同位素质谱仪分析稳定碳同位素组成。所有样品分析在中国林业科学研究院国家重点开放实验室完成，碳同位素(δ¹³C)测量精度为0.1‰。

¹³C/¹²C的同位素比值δ¹³C=(R_sample/R_standard-1)×1 000‰。式中:R_sample为样品中元素的重轻同位素丰度之比;R_standard为国际通用标准物的重轻同位素丰度之比。

自然条件下生长的陆地C3植物碳稳定同位素变化范围为-22‰～-34‰(O’Leary，1988)。川西亚高山岷江冷杉(1904—2009)树轮碳稳定同位素变化范围为-23.33‰ ～-26.31‰，平均值为-24.91‰，方差为0.383，变异系数为-0.025，并表现出较强的一阶自相关，相关系数达到0.882。

从岷江冷杉树轮δ¹³C的时间序列谱(图 2)可以看出，工业革命(1840年)后，岷江冷杉树轮δ¹³C下降趋势比较明显。这种下降趋势正是全球大气CO₂浓度及其δ¹³C_a变化在川西亚高山地区树木生长中的反映。树木生长过程中通过光合作用不断吸收大气中的二氧化碳，外界大气中的二氧化碳含量的变化必然会影响到树轮中碳稳定同位素值的变化。因此利用树木碳稳定同位素的研究方法需要剔除大气二氧化碳的影响(刘禹等，2002;范玮熠等，2004;尚华明等，2010;Lucas et al.，2011;张瑞波等，2012)。

	图 2 岷江冷杉树轮δ13C序列 Fig. 2 Tree-ring δ13C of Abies faxoniana chronology

经统计分析检验，该岷江冷杉树轮δ¹³C序列与时间呈非线性关系，二次多项式关系优于其他曲线关系，所以，本研究采用二次多项式拟合与趋势比率法(刁明霞等，1998)消除大气δ¹³C_a对树轮δ¹³C测定结果的影响。拟合方程为δ¹³C=-9.779-3.952×10-6 Y²(r²=0.591，P＜0.001)，式中:δ¹³C代表岷江冷杉树轮δ¹³C的拟合序列值;Y代表年份(a)。

再利用比值序列DS(δ¹³C实测值与δ¹³C拟合值的比值)消除大气δ¹³C_a对岷江冷杉树轮δ¹³C的影响，得到岷江冷杉树轮δ¹³C记录的高频变化部分(图 3)。从图 3可以看出，消除大气δ¹³C_a影响后的岷江冷杉树轮δ¹³C序列变化平稳，无明显变化趋势，说明用多项式拟合与趋势比率法去除的低频变化基本上包含了大气CO₂的δ¹³C_a对树轮δ¹³C年序列的影响。可见，比值序列(DS)所保留的是由气候因素变化引起的高频变化的信息。

	图 3 用多项式与趋势比率法消除大气CO2影响后的岷江冷杉树轮δ13C序列 Fig. 3 The tree-ring δ13C of Abies faxoniana chronology after obviating the influence of atmospheric CO2 by using polynomial and the Faller’s method

由岷江冷杉树轮δ¹³C序列的自相关系数0.882可知，树轮生长存在较明显的滞后效应，树木生长不仅与当年的气候因子(温度等)有关，也可能受上年气象因子的影响，气候因子通过光合作用效率而影响δ¹³C，δ¹³C可以反映温度、湿度、降水等的变化。因此选取上年1—12月及当年1—12月的气候因子与年表进行相关分析。气候因子包括温度、降水量及反映温度和降水量对树木生长综合影响的相对湿度，研究时段为有器测资料以来的时段(1955—2009年)。岷江冷杉树轮δ¹³C比值序列(DS)与当年及前一年的各月的平均气温、月降水量及月平均相对湿度分别求相关，结果见表 2，其中，r_-1和r₀分别表示树轮δ¹³C比值序列(DS)与前一年及当年各气象要素的相关系数。

表 2 岷江冷杉树轮δ¹³C比值序列(DS)与季节气候因子的关系 Tab.2 Correlation function analysis between season-climate factors and tree-ring δ¹³C(DS) chronology of Abies faxoniana

表 2 岷江冷杉树轮δ13C比值序列(DS)与季节气候因子的关系 Tab.2 Correlation function analysis between season-climate factors and tree-ring δ13C(DS) chronology of Abies faxoniana 季节Season 平均气温Mean air temperature 降雨量Mean precipitation 平均相对湿度Mean relative humidity 秋Autumm 0.204 -0.142 -0.032 冬Winter 0.390** 0.057 -0.030 春Spring 0.099 -0.007 -0.111 夏Summer 0.135 -0.119 0.012

从表 1可以看出，岷江冷杉树轮δ¹³C比值序列(DS)与当年1月月降水量呈显著正相关(P≤0.05);岷江冷杉树轮δ¹³C比值序列(DS)与温度的相关性比降水量更为显著，与前一年11月和当年1月的月平均气温显著正相关(P≤0.05)，与前一年1和当年2，11月的平均气温极显著正相关(P≤0.01)，且有明显滞后效应;而与全年的月平均相对湿度相关不显著(P≥0.05)。这是因为前一年的1，11月和当年1，2和11月温度有助于岷江冷杉的径向生长，此时温度逐渐升高，达到了岷江冷杉最适温度，能更有效地吸收大气中的二氧化碳，有效促进光合作用，从而加快岷江冷杉的生长。

表 1 岷江冷杉树轮δ¹³C 比值序列(DS)与气候因子的关系^① Tab.1 Correlation function analysis between climate factors and tree-ring δ¹³C(DS) chronology of Abies faxoniana

表 1 岷江冷杉树轮δ13C 比值序列(DS)与气候因子的关系① Tab.1 Correlation function analysis between climate factors and tree-ring δ13C(DS) chronology of Abies faxoniana 月份Month 月平均气温Mean monthly air temperature 月降雨量Monthly precipitation 月平均相对湿度Mean monthly relative humidity r-1 r0 r-1 r0 r-1 r0 ①*:P≤0.05;**:P≤0.01，下同。Same as below 1 0.425** 0.289* 0.261 0.295* 0.179 0.203 2 0.031 0.352** 0.039 -0.079 0.031 -0.162 3 0.091 0.007 -0.064 -0.033 -0.006 0.002 4 0.081 0.076 0.191 0.044 0.047 -0.115 5 0.151 0.131 -0.042 -0.025 -0.105 -0.126 6 0.168 0.214 0.154 0.056 0.032 0.054 7 0.044 0.010 -0.231 -0.073 -0.205 -0.033 8 0.118 0.071 -0.171 -0.150 -0.174 0.014 9 0.094 0.198 -0.111 -0.109 0.037 -0.101 10 0.190 0.234 -0.133 -0.068 -0.186 -0.032 11 0.324* 0.427** -0.022 0.027 0.031 -0.015 12 0.131 0.152 -0.083 -0.066 -0.103 -0.090

为进一步分析岷江冷杉树轮与气候因子的关系，将岷江冷杉树轮δ¹³C比值序列(DS)与季节气候因子进行相关分析(表 2):岷江冷杉树轮δ¹³C比值序列(DS)与冬季平均气温极显著正相关(P≤0.01)，表明冬季温度变化对树木早、晚材的生长影响显著;岷江冷杉树轮δ¹³C比值序列(DS)与四季的降水量和平均相对湿度均呈不显著相关(P≥0.05)。

为了更深入地了解各气候因子对树轮碳稳定同位素的影响程度，提取主要的控制因子，有必要通过多元回归的方法(Nuerlan，2001)来分析温度、降水和相对湿度对树轮碳稳定同位素的交互作用，得到多元回归方程如下: Y=0.927+0.005T₁₁+0.004T_h1+0.002T₂(R=0.611，F=9.910，P＜0.001)，Y为岷江冷杉树轮δ¹³C，T_h1为前一年1月的平均气温T₂和T₁₁分别为当年2和11月的月平均气温;Y=0.973+0.006T_w(R=0.390，F=9.355，P＜0.001)，Y为树轮δ¹³C，T_w为冬季平均气温。

研究结果表明，前一年1月和当年2，11月月平均气温是川西亚高山岷江冷杉树轮碳稳定同位素分馏的主要控制因子，冬季温度是四川卧龙地区岷江冷杉树木生长的限制因子。

四川卧龙亚高山暗针叶林岷江冷杉(1904—2009)树轮碳稳定同位素序列变化范围为-23.33‰～-26.31‰，平均值为-24.91‰，变异系数为-0.025，并表现出较强的一阶自相关，相关系数达到0.882，表明卧龙亚高山岷江冷杉树轮碳稳定同位素在年际变化中较为稳定，对环境变化有较好的指示作用。

研究结果显示，岷江冷杉δ¹³C比值序列(DS)与冬季平均气温极显著正相关(P≤0.01)，说明冬季气温是岷江冷杉树木生长的限制因子，是研究过去环境变化的良好载体。这与钱君龙等(2001)的结果一致，且国外也有类似的报道(Libby et al.，1974;Leavitt et al.，1983)。可见，川西亚高山岷江冷杉树轮δ¹³C能较好地记录该地区冬季温度变化。冬季气候寒冷，树木冬眠后，年轮宽度不再增加，就无法记录冬季气温，树轮δ¹³C更够比树轮宽度更好地揭示树木生长与气候变化的关系。

卧龙亚高山暗针叶林岷江冷杉δ¹³C序列有着与全球其他地区相一致的下降趋势，去除主要受大气二氧化碳影响的δ¹³C比值序列(DS)与前一年11月和当年1月的月平均气温呈显著正相关(P≤0.05)，与前一年1和当年2，11月的月平均气温呈极显著正相关(P≤0.01)，且有明显滞后效应，这与欧洲研究得出树轮碳稳定同位素与月平均气温正相关(McCarroll et al.，2004)的结果基本一致;与当年1月平均降水量呈显著正相关(P≤0.05)，此研究结果与吕军等(2001)对天目山柳杉(Cryptomeria fortunei)树轮δ¹³C与当年1月降水量显著正相关(P≤0.05)的研究结果相似;而与全年的月平均相对湿度无显著相关。由于川西卧龙地区全年降水量丰富，能满足该地区岷江冷杉树木生长的需要，且岷江冷杉主要吸收利用浅层地下水，对雨水依赖性较小(Xu et al.，2011)，因此降水不是该树木生长的主要限制因子(靳翔等，2013)。大多月份阴雨天频繁，有效光照时间减少，植物接受的太阳辐射减少，光合速率较低，导致树轮δ¹³C较低。所以，温度成为该地区岷江冷杉δ¹³C的限制因子。

研究表明川西亚高山暗针叶林树木径向生长主要受到气温的制约，从生物学基础上阐明了树木生长与环境的关系，也证明了建群种岷江冷杉对雨水的依赖很小，这有利于植物生存，且维持了川西亚高山暗针叶林群落的稳定性。本研究为重建树木生长的历史环境单因子变化趋势提供了可靠的理论依据，也为树轮碳稳定同位素序列变化趋势与环境关系分析提供了科学依据。研究结果有效弥补了中国暖湿地区树轮δ¹³C稳定同位素研究的不足，为该地区古气候信息提取奠定了基础。该项研究也为正确评价气候变化对川西亚高山森林林分生产力、碳储量和蓄积生长量的影响，及其天然林、次生林植被的恢复和森林经营管理提供了依据。