以往对长期气候变化研究主要通过冰芯、黄土、湖芯、珊瑚、石笋和树木年轮等地质记录资料获取(赵兴云等，2009)。树木的年轮变化是树种本身的遗传特性和包括立地条件、气候条件及病虫害的发生等在内的外部环境条件综合作用的结果。树木年轮中年与年之间的纤维素不发生转移，因此年内及年际间的变化信息都被长久地保存在了树轮稳定碳同位素(δ¹³C)信息中(赵兴云等，2009; Fritts, 1976; 吴祥定，1990)，且树木年轮定年准确，对环境变化的敏感性高，在研究气候变化中发挥着重要作用(Fritts, 1976; Robertson, 2004)。随着近年来稳定同位素技术在我国生态学研究中的应用，现已成为生态和环境科学研究中最有效的方法之一(刘贤赵等，2014)。

我国对树轮稳定同位素研究起步较晚，如陈拓等(2002)探讨了西北地区部分针叶树种树轮δ¹³C序列的变化趋势，及其与温度、降水及大气CO₂浓度变化的关系；刘禹等(2004)发现树轮δ¹³C与6—8月平均气温显著正相关(P＜0.05)，利用树轮δ¹³C序列对19世纪贺兰山的气候资料进行了补充及重建；张瑞波等(2015)通过分析阿尔泰山南部树轮δ¹³C值及其与夏季降水的关系，对当地夏季降水资料进行了重建，认为夏季降水存在准周期变化。目前，国内关于树轮稳定碳同位素研究多集中于西北地区，对东部地区的研究报道较少。北京市密云山区是华北平原典型山区，且位于中国东部城市化较发达的区域，所处环境具有代表性。另外，密云气象站因建站时间较短，气象资料记录仅始于1989年。本研究通过提取密云山区红门川流域的油松树轮δ¹³C信息，分析其对气温和降水的响应，并利用树轮δ¹³C去趋势序列重建密云山区1947—2014年的气候资料，以期为揭示该地区的气候变化规律提供依据。

1 研究区概况

北京市密云区的红门川流域(117°03′—117°12′E, 40°22′—40°25′N)全长20.5 km，流域面积128 km²，均为山地，是典型的北方土石山区(刘旭辉等，2013)。红门川流域地貌类型复杂，处在华北平原与蒙古高原的过渡地带，属暖温带半湿润季风型大陆性气候，年均气温9 ℃，全年无霜期175天，年日照总时数2 801.8 h，年均降水量650~700 mm，集中在6—8月，占全年降水量的75%。该区域土层较薄，一般厚10~40 cm，土壤多属褐土和棕色森林土类，粗骨性比较突出(朱丽等，2010)。主要乔木树种有油松(Pinus tabulaeformis)、侧柏(Platycladus orientalis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)和栓皮栎(Quercus variabilis)等，其中油松树轮年轮最为清晰，且树龄较长，故选取油松为研究树种。

2 研究方法 2.1 试验材料及处理

树轮δ¹³C相关研究表明，1个采样点选取4棵树，每棵树采集1根样芯，这4根样芯基本可以代表 1个取样点的δ¹³C的绝对含量和变化趋势(刘禹等，2004)。本研究在流域内均匀选取10块样地(20 m×20 m)，共选取胸径＞25 cm、树龄较大、生长状况良好的标准木40株，于2015年10月进行采样。按树轮气候学研究采样规范(陈向军等，2008)，在树木约高1.3 m处，将组装好的生长锥(Haglofs，瑞典)朝树干中心水平旋入，到达中心后反向旋转一圈，再用抽芯器插入锥体内孔将木芯取出。每株于胸径处沿等高线方向使用生长锥钻取直径5.15 mm树芯2根，为防止碳源污染，放置于玻璃试管中保存，共采集树芯80根。由于采集过程操作不当或树木自身原因导致部分树芯质量不佳，年轮难以辨认，最终选取了38根年轮清晰、缺轮较少的样品进行δ¹³C分析。

树芯样本带回实验室后经过自然晾干、固定、打磨等标准处理程序后，使用骨架图对树芯样品进行交叉定年(刘晓宏等，2004)，再进行年轮δ¹³C分析测定，具体操作步骤：1)将定年后的树芯样品置于体视显微镜下，用手术刀在玻璃板上沿年轮线进行切割分离，然后将所有同一年的树芯样品放在1个玻璃瓶内，按年编号；2)用去离子水冲洗样品两次以去除表面沾染的其他碳源；3)将清洗好的样品于80 ℃条件下连续烘干48 h；4)用粉碎机将烘干后的样品粉碎过80目筛制成供试样品；5)α-纤维素采用Stuiver等(1984)的方法来提取，分别取每年的α-纤维素样品2 mg于总有机碳元素分析仪中，设置温度为950 ℃，在不含CO₂的空气中煅烧，使样品中所有碳都转化为气态CO₂，用气袋收集燃烧后的气体；6)利用同位素质谱仪对收集的气体进行测定，得到样品δ¹³C值，试验系统误差小于0.2‰。

¹³C/¹²C的同位素比值以相对于维也纳Pee Dee箭石标准的千分率给出(靳翔等，2014)：

$ {\delta ^{13}}{\rm{C}} = \left[ {{\mathit{R}_{{\rm{sa}}}}/{\mathit{R}_{{\rm{st}}}} - 1} \right] \times 1\;000 ‰。$

式中：R_sa为样品中的重同位素与轻同位素的丰度比值；R_st为国际通用标准物中的重同位素与轻同位素的丰度比值。

2.2 气象资料获取

气象数据源自离采样点7.2 km的密云气象站(国家标准气象台站，116.52°E，40.23°N，)，海拔73 m，选取该站1989—2014年的月均气温、月降水量和月均空气相对湿度数据，采用Kendall方法及Double-mass方法对气象资料数据进行均一性检验(Mann, 1945)，该站点的气象数据可靠，无随机突变，可以代表当地自然界的气候变化趋势。

2.3 大气CO₂浓度校正

树轮稳定碳同位素值的影响因素主要分为气候因素和大气CO₂本底δ¹³C值2个方面。自工业革命以来，化石燃料的大量使用使得大气CO₂浓度不断升高。由于化石燃料中的¹³C丰度较高，其燃烧生成的CO₂的稳定碳同位素值(δ¹³C_f，-25‰)显著低于大气本底稳定碳同位素值(δ¹³C_a，-7‰)(尚华明等，2010)，大气CO₂的δ¹³C_a值也随之降低，同时导致植物组织中的δ¹³C值降低。然而这种变化与气候无关，因此在利用植物组织δ¹³C值研究气候变化时，需要剔除大气δ¹³C值变化带来的影响(张瑞波等，2012)。本研究按照张瑞波等(2014)的方法进行校正，校正过程中的大气背景δ¹³C值来源于McCarroll等(2004)的研究数据。

在本研究中，未矫正的油松树轮稳定碳同位素序列称为原始序列(OS)，矫正后的称为去趋势序列(DS)

2.4 数据处理

利用SPSS19.0和Excel2016软件进行数据分析和绘图。采用Pearson相关系数分析油松树轮δ¹³C与气温和降水之间的相关性，进一步得到拟合方程，并用t检验对所构建的拟合方程与实测数据的差异进行显著性检验(显著性水平为0.05)。

3 结果与分析 3.1 树轮稳定碳同位素序列统计特征

1947—2014年，密云山区油松树轮δ¹³C为-26.45‰~-22.86‰，平均值为-25.03‰，变异系数为-0.026，说明该地区油松树轮δ ¹³C值的年际变化较为稳定。油松树轮OS序列呈现逐渐降低趋势，自1995年之后波动变大；剔除大气CO₂本底值影响之后的DS序列比OS序列值略微增大，说明由于化石燃料大量燃烧引起的大气CO₂浓度升高导致植物体内δ¹³C值降低。密云山区油松树轮δ¹³C自1947年以来总体呈下降趋势，以80年代为分界，之前较平稳，呈下降趋势；之后波动较大，呈上升趋势。剔除大气CO₂背景值干扰后的DS序列呈现二次曲线的走势，拐点出现在80年代附近，之后上升趋势显著。在1980年之前，DS序列稳中有降，由-24‰降低到-26‰，平均值为-25.513‰；1980年之后波动较大，且上升趋势明显，平均值为-24.706‰。

3.2 树轮δ¹³C值DS序列对气温的响应

由图 2可知，树轮δ¹³C值DS序列与5、6、7月份平均气温相关性较高，与7月份相关性最高(r=0.719 7，P＜0.01^**)。密云气象站的气温资料记载始于1989年，将1989—2014年的每年7月平均气温与对应年份的去趋势树轮δ¹³C值进行回归分析，结果如图 3显示。油松树轮δ¹³C值DS序列与7月平均气温呈极显著正相关关系。

3.3 7月平均气温的重建

利用油松树轮δ¹³C值DS序列，对当地夏季7月平均气温资料进行补充和重建，根据拟合方程可以得到转换函数：

$ {T_7} = 49.59 + 0.955\;7{\rm{DS}}。$

式中：T₇为重建的密云山区夏季7月平均气温；DS为油松树轮δ¹³C去趋势序列。利用现有气象资料(1989—2014)对重建方程进行统计检验(表 1)，P＞0.05，重建方程与实测数据差异不显著，表明重建方程是稳定可靠的。

根据转换函数对密云山区1947—2014年的7月平均气温进行重建(图 4)，可以看出，密云山区7月平均气温存在多次明显的年际和年代间波动，呈现二次函数走向，平均值为25.67 ℃，20世纪80年代下降到最低点。大致可划分为2个时期：1947—1980年较为平稳，略有下降，斜率为-0.021 2，线性拟合r²=0.397 6，变幅为24.3~26.8 ℃；1980—2014年表现为明显上升趋势，波动较大，斜率为0.056，线性拟合r²=0.323 5，变幅为24.8~27.7 ℃。

3.4 树轮δ¹³C值DS序列对降水的响应

油松树轮δ¹³C值DS序列与6，7，8月降水量显著相关(图 5)，与7月份相关性最高，与6—8月总降水量相关性比单独任何1个月份的相关性都要高(r=-0.696 7，P＜0.01^**)(图 6)，斜率为-114.89，为极显著负相关关系。

利用油松树轮δ¹³C值DS序列，对当地夏季降水量(P_S)资料进行补充和重建，根据拟合方程可以得到转换函数：

$ {P_{\rm{S}}} = - 114.89{\rm{DS}} - 2\ 422.4。$

利用现有气象资料(1989—2014)对重建方程进行统计检验(表 2)，重建方程与实测数据差异不显著(P＞0.05)，表明重建方程是稳定可靠的。

重建的夏季降水量(图 7)显示，1947—2014年密云山区夏季平均降水量为450.3 mm，1980年以前较为平稳，呈现略微上升趋势，线性拟合斜率为2.790 7；自1980年以后，降水量年际变化出现较大波动，并且下降趋势明显，线性拟合斜率为-5.577 3。该地区1947—2000年平均夏季降水量在400 mm以上，较为湿润；自2000年以后夏季降水量减少，相对较为干旱。

4 讨论 4.1 树轮稳定碳同位素值对气温的响应

油松树轮δ¹³C对生长季气温响应显著，且5—8月的平均气温均高于20 ℃，由此可推测，影响树木年轮δ¹³C值的温度大约为20 ℃以上，在一定范围内，温度越高，植物光合固定的¹³CO₂越多。从植物生理学角度分析，光合作用对温度的变化响应非常敏感，夏季气温达到20 ℃以上，叶片气孔导度和光合酶活性下降，扩散进入叶片气孔腔的CO₂减少，叶片细胞内的CO₂浓度降低，植物为了维持光合速率，对¹³CO₂的排斥作用减弱，碳同位素效应增强，因此固定了相对较多的¹³CO₂，表现在树轮δ¹³C值偏正。这与他人的研究结果一致，如刘禹等(2004)对贺兰山油松树轮δ¹³C值的分析表示，6—8月平均气温越高，树轮δ¹³C值越高，基于此关系重建了贺兰山1980年以来的6—8月气温；张瑞波等(2014)对阿尔泰山树木年轮δ¹³C值的研究表明δ¹³C值与夏季平均气温显著相关。以上研究说明多地区和多树种间树木年轮δ¹³C值对夏季气温或者是生长季较高气温的正相关性普遍存在。基于树轮δ¹³C与气温之间的相关关系对贺兰山区7月份平均气温进行重建，结果与实测值吻合程度较高。重建的7月份平均气温资料拐点出现在1980年左右，正值改革开放初期，人类对自然的干扰大大增加，植被覆盖面积急剧减少，使得现有森林压力增加，对气候的调节能力减弱，夏季气温出现一定程度的上升。密云山区7月平均气温波动程度明显增大，气候进一步趋于极端化。

4.2 树轮稳定碳同位素值对降水量的响应

油松树轮δ¹³C值受整个夏季降水量的组合影响。夏季降水越丰沛，油松固定的¹³CO₂越少，树轮δ¹³C值越低；夏季降水量越少，树木处于相对干旱的条件下，树轮δ¹³C值越高。从植物生理生态角度分析，当植物受到干旱胁迫影响时，为了避免水分过度流失，部分气孔关闭，植物体内的CO₂浓度降低，因此植物光合作用碳同位素效应减弱，即相比水分充足条件下，增加了对大气中¹³CO₂的利用率，因此导致植物组织内δ¹³C升高。Sidorova等(2013)在树轮气候学的研究中也发现，树轮δ¹³C对夏季降水敏感，且与7月降水相关性最高，这与本研究结果一致。相关分析表明，夏季降水量是该地区油松树轮稳定碳同位素分馏的主要限制性因子。

比较重建值与实测值后发现，重建值能够反映实际夏季降水的变化趋势，但是相对保守，对极端天气资料的重建能力较差。重建结果显示密云山区1947—2014年气候呈现波动性变暖变干趋势，这与华北地区相关气候变化研究结果一致(谭方颖等，2010; 阿多等，2017)，且有研究表明(Shi et al., 2007)自19世纪小冰期结束以来，中国西北部气候处于波动性变暖变干过程，这也与本研究结果相一致。

5 结论

1947—2014年，密云山区油松树轮δ¹³C值为-22.86‰~-26.45‰，呈下降趋势。油松树轮δ¹³C值对夏季7月份平均气温响应敏感(r=0.719 7，P＜0.01^**)。对密云山区1947—2014年7月平均气温重建结果显示，7月气温呈逐渐上升趋势，平均气温为25.67 ℃，存在多次明显的年际和年代间波动。

油松树轮δ¹³C值对夏季平均降水量响应敏感(r=-0.696 7, P＜0.01^**)；对夏季降水量进行重建，结果显示1947—2014年夏季降水量平均为450.3 mm，1980年以前稳中有升；自1980年以后，降水量年际变化出现较大波动，并且下降趋势明显。总体来看，北京市密云山区气候变化呈现波动性变暖变干趋势。