《Ecohydrology》：Intra-Annual Isotope Variations in Tree Rings Reveal Climate Change Impacts on Tree Growth and Water Use in the Turtmann River Basin, Switzerland
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本文通过分析瑞士图特曼河流域欧洲落叶松（Larix decidua）75年（1946–2020）的早材（EW）与晚材（LW）树轮宽度及其稳定同位素（δ18O、δ2H）组成，揭示了气候变化与上游水电站调控对高海拔阿尔卑斯流域树木生长和水文来源的复合影响。研究发现，树木生长主要受温度限制，但近几十年来降水（特别是下游位点）日益成为限制因子；近河树木能利用冰川融水缓冲夏季干旱，而远河树木更依赖降水，其同位素值更高。晚材对气候变化的敏感性高于早材。树轮同位素有效示踪了高山水文情势变化，为理解气候变暖与水能开发对阿尔卑斯生态系统水循环和树木动态的影响提供了关键见解。
1 引言
阿尔卑斯山作为“欧洲水塔”和生物多样性热点，对气候变化表现出高度敏感性。过去120年间，该地区气温升高约2°C，是全球平均升温速率的两倍，而降水格局也发生季节性变化，夏季降水减少趋势明显。这种变化不仅影响树线向高海拔迁移，也改变了高山流域的水文动态，特别是冰川融水在河流径流中的比例增加。然而，气候变化与水电站调控如何共同影响高山树木的生长和水分利用策略，尚不清楚。本研究以瑞士图特曼河流域为研究区，该流域上游建有水电大坝（海拔2200米），几乎截留了所有冰川融水，使得坝下河流径流主要依赖非冰川化子流域的降水和融雪。通过分析生长在河流近旁和远处的欧洲落叶松的树轮宽度及其稳定同位素组成，旨在揭示气候变暖和人为水文调控对树木生长动态和水源利用的综合影响。
2 材料与方法
2.1 研究区
图特曼河流域（110平方公里）位于瑞士西南部瓦莱州，海拔范围678至4150米，冰川广泛覆盖于2500米以上区域。图特曼冰川自1885年以来显著退缩。1958年建成的水电大坝改变了自然水文情势，法定最小下泄流量为0.12立方米/秒，远低于6-8月融雪期的自然流量（2.28-4.09立方米/秒）。流域内植被分布具有海拔梯度特征，本研究统一选用优势树种欧洲落叶松以保证样品同质性。
2.2 树木选择与钻取
研究设置两个样点：Site 1（海拔1900米，距大坝约1.5公里）和Site 2（海拔1800米，距大坝约6.5公里）。在每个样点，分别钻取靠近河流（近河）和远离河流（远河）的健康欧洲落叶松树芯。共获取28棵树、56个树芯。记录每棵树的坐标及与河流的距离。
2.3 树轮宽度数据处理
树芯在室温下风干7天后，使用树芯切片机进行横向切片以优化年轮可视性并保留最大材料用于同位素分析。切片后使用高分辨率扫描系统（“Skippy”）成像，并通过CoRecorder和cDendro软件精确测量早材和晚材宽度至0.001毫米。进行交叉定年后，使用ARSTAN程序去除年龄趋势，生成标准化的树轮宽度指数（RWI）年表。
2.4 稳定同位素分析
样品制备包括分离早材和晚材、50°C烘箱干燥7天、手动研磨以及称重封装。采用高温燃烧元素分析仪（TC/EA）联用同位素比值质谱仪（IRMS）同时测定氢（δ2H）和氧（δ18O）同位素组成，结果以相对于VSMOW标准的值（‰）表示。分析精度分别为δ2H < 1.5‰和δ18O < 0.34‰。本研究使用整体木材（bulk wood）而非α-纤维素进行测定，因前期测试表明经过充分干燥的整体木材与纤维素同位素值高度相关且无显著差异，此法更省时且避免化学处理引入误差。此外，还采集了图特曼河及其支流的17个水样，使用Picarro激光光谱仪测定其同位素值，并与邻近Allenbach流域的降水和河水同位素数据进行比较，以建立局部大气水线（LMWL）并解释树木水源。
2.5 气候数据分析
由于流域内无气象站，使用Meteoblue网格化数据插值得到研究点1946年以来的月均温和月降水总量。重点分析生长季（6-9月，JJAS）的气候数据。同时，利用气候研究单元（CRU）数据进行了树轮指标与区域气候因子的空间相关性分析。
3 结果
3.1 年内（早材与晚材）树轮生长的变化
树轮宽度分析揭示了1946年以来的 distinct 生长模式。Site 1的早材和晚材平均生长率分别为1.36 ± 0.32 mm和0.58 ± 0.18 mm，Site 2则为1.25 ± 0.34 mm和0.50 ± 0.15 mm。近河与远河树木的生长在个体间呈正相关。研究发现两个主要的气候周期：1946–1980年和1981–2020年。第一个周期内，早材和晚材生长在近河和远河树木间交替增减；第二个周期则呈现一致的生长下降趋势，尤其是在下游的Site 2。晚材生长始终低于早材，表明其对后期环境条件更为敏感。生长率与生长季均温的相关性在2000年（Site 2）和2008年（Site 1）后由正转负，表明温度可能不再是主要的限制因子，而水分可用性的重要性上升。
3.2 早材、晚材树轮及河水的稳定同位素变异性
近河树木的早材和晚材δ18O值通常比远河树木低约1‰，而δ2H值无系统性差异。晚材的δ18O值略高于早材。时间序列上，1946-1980年间同位素值波动较小，而1981年后，远河树木的δ18O值显著增加，反映了在变暖干燥条件下蒸发富集加剧；近河树木则呈现下降趋势，暗示其对同位素较轻的冰川融水的利用增加。2014年所有树木的δ18O和δ2H值均出现显著贫化，这与该异常暖年导致的强烈积雪融化输入有关。河水同位素值（δ18O约-14.4‰）比降水更轻，证实了雪冰融水在河川径流中的主导地位。树轮同位素值偏离LMWL，且与高海拔雪冰样品同位素特征重叠。
3.3 年内树轮生长与其同位素组成之间的关系
滑动窗口相关分析显示，早材生长与δ18O的关系在1946-1980年间多为正相关，1980年后变得多变且减弱；而与δ2H的关系则更弱且多变。晚材生长与δ18OLW在整个研究期间表现出持续的正相关，尤其在1981-2020年更为显著，表明晚材形成及其同位素分馏受温度控制更强。晚材生长与δ2HLW的关系则随时间变化较大。空间相关性分析表明，晚材生长及其同位素组成与欧洲阿尔卑斯地区生长季温度呈显著正相关，与降水呈负相关，凸显了晚材作为气候变异指示剂的敏感性。
4 讨论
4.1 作为高山流域气候变化函数的年内树轮生长变化
树木生长对气候的响应可划分为两个时期。1946-1980年，气温缓慢上升，年降水量增加，树木生长主要受温度限制。1981-2020年，升温加速且降水总体减少，树木生长普遍下降，表明向水分限制条件的转变。然而，Site 1的近河树木生长却有所增加，这得益于升温导致的冰川融水增加，为其提供了稳定的水分补给。相反，远河树木，尤其是Site 2的树木，因土壤水分更快耗竭而生长下降。这表明，局地水文条件（如河流渗漏和地下水获取）显著调节了树木对气候变化的响应。晚材生长持续低于早材，反映了其对生长季后期水分胁迫的更高敏感性。
4.2 作为高山流域气候变化函数的年内树轮生长水源变化
树轮同位素揭示了树木水分来源的时空变化。近河树木较低的δ18O值表明其持续利用来自冰川和积雪的同位素较轻的融水。远河树木较高的δ18O值则指示其更依赖同位素较重的夏季降水，并在变暖干燥条件下经历更强的蒸发富集。1980年后，远河树木δ18O的升高直接反映了水分胁迫的加剧。而近河树木同位素值的下降趋势，则与上游冰川融水贡献增加相吻合。2014年的同位素贫化事件，与异常温暖的生长季和前期积雪的大量融化有关，所有树木都利用了该轻同位素水源。这些结果强调了在近期气候变暖下，树木水分来源的水文分异日益明显。
4.3 对有无水电站发电的高山流域树木生长的启示
在海拔1800米以上的图特曼流域，树木生长最初受温度驱动，这与阿尔卑斯树线上升的现象一致。然而，自1980年代气候体制转变以来，降水（水分可用性）的作用日益凸显。在自然无调控流域，季节性融雪和冰川径流为树木提供持续水分。而在像图特曼这样受水电站调控的流域，大坝改变了自然流态，减少了夏季冰川融水对下游的补给，使得河流径流更依赖于非冰川化区域的降水和融雪。这种水文调控引入了复杂性，可能使树轮生长与直接气候强迫解耦，特别是在早材形成的关键需水期。因此，树轮同位素记录不仅能重建过去水文气候变异，还能评估在水能开发背景下，持续气候变暖对高山生态系统水文的长期生态后果。
5 结论
本研究通过分析瑞士图特曼河流域欧洲落叶松75年的早材和晚材树轮指标，明确了气候变化与水文调控对高海拔树木生长的复合影响。树木生长总体上受温度限制，但近几十年来降水（尤其是下游）的限制作用增强。局地水文条件至关重要：近河树木能利用冰川融水缓冲干旱，其树轮δ18O值较低；远河树木则更依赖降水，同位素值较高且生长更易受干旱抑制。晚材生长及其同位素组成对夏季气候条件（特别是温度）表现出比早材更强的敏感性，是监测高山环境变化的更灵敏指标。尽管上游水电站运行可能影响河流水文，但其对树轮趋势的直接效应在本研究中并不显著，1960-1970年代的增长主要归因于升温。2014年的同位素显著贫化与异常暖年导致的强积雪融化有关。总之，树轮稳定同位素是追踪阿尔卑斯水文情势变化的有效工具，为了解气候变暖与水能开发如何影响高山流域水可用性和树木动态提供了宝贵见解。未来需要对流域内河水、降水和树轮同位素进行长期同步监测，以进一步阐明这些复杂的生态水文过程。
