尚华明;刘晓宏;张瑞波;魏文寿;袁玉江;喻树龙;张同文;陈峰
【摘 要】With the development of plant physiology and mass spectrometry analysis technique, stable isotope played a more and more important role in dendroclimatology. This paper summarized the method of tree ring stable isotope data acquisition and its quality control for dendroclimatological research. It included the requirement for the tree ring sample, extracting procedure of tree ring cellulose, the mass spectrograph analysis method for tree ring stable isotope and the data treatment method. It would provide the references for tree ring stable isotope research, enhance the data comparability between laboratories, and establish the foundation of tree ring stable isotope network.%随着稳定同位素分析技术的进步和植物生理学研究的发展,稳定同位素在树轮气候研究中扮演着日益重要的角。本文总结了用于气候分析的树木年轮稳定同位素资料获取与质量控制方法。包括对分析树轮样品的要求、树轮纤维素提取实验流程、树轮同位素的质谱分析方法和稳定碳同位素数据的处理方法等。为树轮稳定同位素实验分析提供参考,便于获得可靠的树轮同位素数据,且能够进行不同实验室之间数据结果的对比,为建立树木年轮同位素网络奠定基础。 【期刊名称】《沙漠与绿洲气象》
【年(卷),期】2012(006)001
【总页数】6页(P56-61)
【关键词】树木年轮;稳定同位素;纤维素
【作 者】尚华明;刘晓宏;张瑞波;魏文寿;袁玉江;喻树龙;张同文;陈峰
【作者单位】中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆树木年轮生态实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室,新疆乌鲁木齐830002／中国科学院新疆生态与地理研究所,新疆乌鲁木齐830010;中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州730000;中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆树木年轮生态实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室,新疆乌鲁木齐830002;中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆树木年轮生态实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室,新疆乌鲁木齐830002;中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆树木年轮生态实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室,新疆乌鲁木齐830002;中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆
树木年轮生态实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室,新疆乌鲁木齐830002;中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆树木年轮生态实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室,新疆乌鲁木齐830002;中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆树木年轮生态实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室,新疆乌鲁木齐830002
【正文语种】中 文
【中图分类】P468.0
树木主要由碳、氢、氧3种元素组成，这3种元素都含有一种以上的稳定同位素，树木通过光合作用利用大气CO2和H2O形成年轮，每一年轮的碳都来源于大气CO2，而氢、氧来源于土壤水分和降水。树轮中碳、氢、氧稳定同位素的组成不仅反映了来源物质稳定同位素的变化，也随着树木生长环境的变化而变化，因此树轮稳定同位素能反映年轮形成时的气候与环境变化。在过去气候变化研究中，树轮具有定年精确、复本量大等优势[1]，而树轮稳定同位素与树轮的其他指标相比还具有生理意义明显、低频信息含量丰富等优势[2]。近年来，随着植物生理学研究的发展和稳定同位素分析技术的进步，树轮稳定同位素分析在
水声工程对过去气候变化研究中的应用越来越广泛，并取得了丰硕的成果[3-6]。
聚类分析论文目前树轮稳定同位素分析所用的方法，特别是前处理方法存在差异，导致分析结果的可靠性和可比性较差。因此需要针对树轮气候研究，建立统一的前处理流程和分析规范，指导相关实验室开展工作，获得可靠的树轮同位素数据，且能够进行不同实验室之间数据结果的对比，为建立树木年轮同位素网络奠定基础。本文在对树轮同位素气候学的相关文献研究的基础上，总结树轮稳定同位素分析的方法，包括样品的要求、前处理方法、质谱分析方法和后期的数据处理等，为开展树轮稳定同位素分析提供参考。
1 样品的要求
1.1 样品的分辨率
由于分析技术的限制，早期的研究一般是将相邻的几轮同时剥离，作为一个样品。随着质谱分析技术的改进，所需的样品量减少了。由于树轮早材部分利用了部分上年光合作用的产物，最理想的情况是仅对年轮的晚材部分进行分析，得到真正的年际分辨率的同位素数据，但这对于样品剥离的要求较高，很难对较窄的年轮进行同位素分析。有研究尝试采用激光剥离技术对树轮稳定碳同位素的年内分布进行研究[7]。
1.2 全木还是纤维素
树木是由多种化学成分组成的复合体，主要包含以下几大类：（1）多糖类：纤维素和半纤维素为主，约占69%左右；（2）木素：多为芳香族化合物，约占28%左右；（3）可提取物：以树脂、挥发性油类、单宁和素等，约占3%左右。由于光合作用过程中各种组分形成的生物化学过程不同，各组分的稳定同位素组成也存在差异。早期的树轮同位素研究都采用全木，但自从Wilson等发现木材的不同组分的同位素存在差异后，很多研究都分析木材中的纤维素。关于选择α-纤维素而不采用全木分析的原因，相关的研究论述较多[8-10]，首先是由于每一年轮的纤维素都与明确的生长期时段相对应。其次，将年轮中的一种组分（如纤维素）分离出来，就可以避免由于同一序列中木质素/纤维素比的年际变化带来的问题。第三，在提取纯化的过程中，α-纤维素具有较好的均一性。但也有研究表明，全木同位素分析并不一定比纤维素的同位素信息含量少。Barbour等[11]将全世界的橡树和松树的全木和纤维素的δ18O值进行比较分析，认为全木和纤维素同位素都记录同样的气候信息，仅分析全木也不会丢失气候信息。
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1.3 单株分析还是多株混合
由于分析技术和经费的限制，通常是先将数棵树同一年份的样本进行混合，然后进行分析。Leavitt等[12]提出，将不同树同一年的样芯进行混合后再分析其δ13C值，能较为简单地获得具有代表性的同位素组成信息。Treydte等[13]的研究证明将多根样芯混合后分析得到的结果与单独分析再合并后的结果相似。但混合样品分析方法不利于去除单个树木所含的非气候趋势，如树龄效应等。
1.4 样品准备
一般选择较为开阔的样地，树间干扰较少，树轮边界清晰、缺年较少的点进行采样。采样方法包括锯取树盘和钻取树芯，一般是在树木的胸径高处取样。由于同位素分析所需的样品量较大，在不具备采集圆盘的条件下，可以采用直径为12 mm的生长锥采样。由于树轮不同方位稳定同位素变化趋势一致，但存在显著的差异[14～15]，如果同一株树采集多根树芯，可以在不同方位采集。
为了保证稳定同位素分析结果的代表性，一般在选择4～10棵树，每棵树1个样芯。要求所选样芯宽度变化与该样点其他样本之间无明显差异，生长正常，缺失年轮较少或没有缺轮，与主序列相关较好的，树轮界限较为明显、规则。
对所有的样芯进行准确交叉定年，确定年轮确切的年代后，对树芯（直径12 mm）进行样品剥离和混合。利用不锈钢手术刀在双目显微镜下进行样品剥离，也可采用旋转式切片机或者自动的微样品研磨仪进行剥离。剥离过程在玻璃板上进行，利用硫酸纸把剥离的样品转移到经过净化处理的离心管中，并在离心管上进行编号，将相同年份、不同样芯的样品装在同一个离心管中，在75℃下烘干24 h。然后将烘干的样品利用高速离心球磨仪粉碎至60目（300μm），得到粉末状的原木混合样品。
2 α-纤维素提取
2.1 有机溶剂的萃取
又是一年开学时将粉碎的样品包裹在25μm孔径的滤布中；用苯∶乙醇（2∶1）的混合液 225 mL，在 70 ℃恒温水浴箱中萃取粉碎的树轮样品24 h；冷却以后弃去废液，用丙酮180 mL在同样的条件下萃取24 h；弃去废液，室温下风干。在沸水中煮10 min，去除残留的丙酮，室温下风干。
2.2 次氯酸钠的漂白
将风干后的样品转移至试管中，加入过量的2%的次氯酸钠溶液、20%的乙酸溶液，放入70℃恒温超声波（频率40 kHz）水浴，每30 min换溶液试剂一次，重复3～6次（根据不同树种、样品的粉碎程度、样品量决定次数，以样品变成白为宜），弃去废液，此时样品变成白，可得到全纤维素；将全纤维素用热和冷的蒸馏水各清洗3次。
2.3 碱化
在试管中加入10%的氢氧化钠12 mL，在超声波80℃条件下处理30 min，用冷的蒸馏水清洗2次，加入过量的17%的氢氧化钠溶液室温下（20℃左右）处理45 min。
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2.4 蒸馏水冲洗
在试管中用大量蒸馏水冲洗样品，然后加入1%的盐酸溶液，最后将试管中的样品转移至砂芯漏斗中，用过量蒸馏水冲洗至溶液为中性，过滤出的不溶物质即为α-纤维素。
2.5 均一化
将提取的α-纤维素转移到净化处理过的离心管中，在超声波细胞破碎仪下（48 kHz）处理1.
5～2 min，使样品进一步均匀，保证测试样品具有较好的代表性。然后在冰箱中冷冻，放入真空冻干机中冻干（-45℃），约3 d；最后在干燥密封条件下保存。
3 硝化纤维素的提取
3.1 硝化溶液配备
将404 g的五氧化二磷缓慢倒入1 000 g的冷的90%的硝酸中，得到64%的硝酸、-26%磷酸、-10%五氧化二磷的混合酸，冷却后，放入冰箱中，在-16℃下储存。
3.2 硝化液硝化
量取约1～2 mL的硝化溶液，将约0.01～0.02 g的样品（α-纤维素）快速放入溶液中，0～5℃下反应3～4 h，再冷却到-16℃。过滤后，用1∶1的冰乙酸和水的混合液冲洗（浸泡每隔20～30 min换一次溶液）。注入0℃的蒸馏水，加入微量碳酸钠（30～60 mg）中和至中性。水洗后，用沸水稳定3次，每次约5 min。
3.3 甲醇稳定
加入10 mL甲醇冷却5 min将溶液吸出，室温下干燥。
3.4 丙酮纯化
将硝酸盐（干燥的）直接转移到离心管中，加入3 mL丙酮，至白纤维状物质出现，用离心机离析出没有溶解的粒状物，弃去溶液。加入丙酮后，大约10 min左右，溶液呈粘稠状。离析后，弃去上层溶液，此时沉淀物呈白纤维状，即硝化纤维素。
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