Polona HAFNER*, Tom LEVANIČ**	UD« 630* 811.4:174.7 Picea abies
PQVEZAVA MED RAZMERJEM STABILNIH IZQTQPQV QGLJIKA V BRANIKI IN QKQLJSKIMI DEJAVNIKI
Linkage between stable carbon isotopic ratios in tree-rings and environmental factors
Povzetek: V prispevku so podane osnove teorije izotopske sestave rastlinskega tkiva. Predstavljeni so glavni dejavniki, procesi, ki vplivajo na razmerje stabilnih ogljikovih izotopov v branikah dreves, ter korekcije, kijih je potrebno opraviti pred nadaljnjo analizo izotopske kronologije. Na študiji primera je prikazan klimatski signal kronologije ô,3C in njegov potencial za rekonstrukcijo temperatur v širšem prostorskem okviru.
Ključne besede: ô,3C, CO2, dendroekologija, izotopska frakcionacija, klimatski signal, Picea abies, smreka, stabilna ogljikova izotopa
Abstract: In this arcticle the basic of isotope theory of plant tissue is described. The empasis is on the main factors and processes, which influence the stable carbon isotopic ratios in tree-rings and on the corrections, which have to be aplied before further analysis of stable carbon isotope chronology. In the case study the climate signal in ô,3C chronology and its spatial climate reconstruction potential is shown.
Key words: ô,3C, CO2 dendroecology, isotope fractionation, climate signal, Picea abies, spruce, stable carbon isotopes
uvod
Drevesa so stalni in najdlje živeči element krajine, ki vzkli-jejo ter nato na istem mestu rastejo tudi več stoletij, morda celo tisočletij. V tem času se bolj ali manj intenzivno odzivajo na biotske in abiotske dejavnike, ki delujejo v njihovi okolici (McCarroll in Loader, 2005). Iz okoliške atmosfere in talne vode privzemajo osnovne elemente ter iz njih preko številnih kompleksnih procesov vsako leto proizvedejo novo plast lesa, ki jo imenujemo branika. Informacije, ki jih hrani branika (širina, gostota, izotopska sestava ...) se iz leta v leto spreminjajo v skladu z razmerami v katerih je branika nastala. Morda največji potencial dreves za ekološke študije predstavlja prav vsakoletno arhiviranje osnovnih gradnikov organske snovi (ogljika, kisika in vodika) iz okolja v les ter selektivno vgrajevanje teh
Gozdarski inštitut Slovenije, Večna pot 2, SI-1000 Ljubljana, Slovenija, e-pošta: polona.hafner@gozdis.si
' Gozdarski inštitut Slovenije, Večna pot 2, SI-1000 Ljubljana, Slovenija, e-pošta: tom.levanic@gozdis.si
elementov v branike. Selektivnost drevesa pri privzema-nju snovi iz okolja se izraža v variacijah v izotopski sestavi branike. Izotopske kronologije predstavljajo arhiv podatkov za rekonstrukcijo klime in okoljskih razmer v preteklosti, tudi v obdobjih pred instrumentalnimi meritvami (McCarroll in Loader, 2004). Izotopska zgradba branike je pri rekonstrukciji okoljskih razmer pomemben podatek, ki dopolnjuje informacijo, ki je vsebovana v ostalih parametrih branike (širina, maksimalna gostota kasnega lesa ...). V prispevku predstavljamo:
►	osnovne predpostavke teorije ogljikovih izotopov in glavne procese, ki vplivajo na izotopsko razmerje v rastlinskem tkivu,
►	korekcije izotopskih kronologij zaradi spremenjene koncentracije in sestave CO2 v atmosferi ter
►	primer študije klimatskega signala v kronologiji ogljikovih izotopov v branikah smreke in njegov potencial za klimatsko rekonstrukcijo v širšem prostorskem okviru.

izotopi
Izotopi so atomi istega elementa, ki imajo v jedru enako število protonov (Z), med seboj pa se razlikujejo po različnem številu nevtronov (N) in različni atomski masi, ki je seštevek števila protonov in neutronov (A=Z+N). V periodnem sistemu vsi izotopi enega elementa zasedajo isto mesto, na kar nakazuje tudi njihovo ime (iz grščine: isos = enak, topos = mesto) (Dawson in Brooks, 2001). Izotope ločimo na stabilne in nestabilne oz. radioaktivne izotope. Prvih poznamo okoli 300, radioaktivnih pa preko 1200. Radioaktivni izotopi se med seboj razlikujejo po različnih hitrostih razpada, medtem ko stabilni izotopi ne razpadajo, a se izotopska sestava elementov kljub temu spreminja (Pezdič, 1999).
Vsi trije glavni kemični gradniki lesa (ogljik 50 %, vodik 6% in kisik 44 %) so v naravi zastopani z več kot enim stabilnim izotopom. Kemične značilnosti izotopov oz. molekul, ki vsebujejo različne izotope posameznega elementa, so glede na klasično kemijsko definicijo enake. To v veliki meri drži, vendar pa z uporabo občutljivih merilnih instrumentov lahko opazimo drobne razlike v kemijskih in fizikalnih lastnostih t.i. izotopskih molekul (spojine, ki so sestavljene iz molekul z različnimi izotopi istega elementa) in so posledica razlik v njihovi masi. Pojav, ki povzroča te razlike, imenujemo izotopska frakcionacija. Frakcionacija se pojavi pri prehajanju spojine skozi različna agregatnega stanja (voda v tekočem stanju preide v stanje vodne pare) oziroma v drugo spojino (anorganski CO2 se veže v spojino organske snovi - rastlinsko tkivo), pojavi pa se lahko tudi kot razlika v izotopski sestavi dveh spojin kot posledica težnje po kemijskem ali pa fizikalnem ravnotežju (Mook, 2000). Fizikalne in kemične lastnosti izotopskih spojin so odvisne predvsem od mase izotopov, ki spojino sestavljajo. Razlike med lažjimi in težjimi izotopi se kažejo v različnih hitrostih kemijskih reakcij ter v različni energiji kemijskih vezi (Mook, 2000). Za težji izotop je značilna manjša reaktivnost, večja gostota in viskoznost ter višje tališče in vrelišče. Razlike med lažjimi in težjimi izotopi se kažejo tudi v različnih hitrostih kemijskih reakcij. Pri transportnih procesih, kot so difuzija, izparevanje, kondenzacija in migracija ionov, lažji izotopi hitreje prehajajo iz enega mesta na drugo (Pezdič, 1999). Za možnost primerjave relativnih izotopskih meritev sta bila za določanje izotop-ske sestave ogljika, kisika in vodika sprejeta dva standarda. V-SMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water) se uporablja za določevanje vrednosti izotopske sestave kisika in vodika v vodi, oksidih in ogljikovodikih, V-PDB (Vienna Pee Dee Belemnite Americana) pa za določevanje vrednosti izotopske sestave ogljika in kisika v karbonatih ter ogljika v organski snovi. Izotopsko sestavo določene snovi podajamo v promilah (%o) kot odklon od sprejetega standarda
za določen element. Tako majhna enota je sprejeta zato, ker je absolutna zastopanost izotopov posameznega elementa navadno manjša od 1 %. (Pezdič, 1999).
Relativno vrednost izotopske sestave oz. razmerja stabilnih izotopov označujemo z grško črko delta (5) in jo podajamo kot relativni odklon od mednarodno določenega standarda. Za njen izračun uporabljamo enačbo 1
3C (
(Rvzorec / Rst
. - 1) x 1000
(enačba 1),
kjer je R razmerje med težjim (13C) in lažjim (12C) izotopom v vzorcu in standardu. Po definiciji je vrednost 5 standarda enaka 0%. Pozitivna 5 nakazuje, da vsebuje vzorec v primerjavi s standardom več težjega izotopa, medtem ko bolj negativna vrednost pomeni večjo vsebnost lažjega izotopa v vzorcu (Dawson in Brooks, 2001). Z vrednostjo izotopske sestave lahko podajamo tudi izmenjavo izotopov med zrakom (Ra) in rastlino (R) (enačba 2) (Treydte in sod., 2001):
A = (R - R) / Rf ~ 513C - 513C
v a t t	a	t
(enačba 2),
kjer 513Ca predstavlja izotopsko sestavo zraka in 513Ct izo-topsko sestavo rastlinskega tkiva.
STABILNA OGLJIKOVA IZOTOPA V BRANIKAH DREVES
Izotopska razmerja posameznih elementov v braniki se močno razlikujejo od njihovih razmerij v atmosferskem CO2, ki je vir v rastlino vgrajenega ogljika. Drevesa tako niso le pasivni zbiratelji elementov, saj je izotopska sestava posameznih elementov v braniki posledica odziva dreves na okoljske razmere v času njihovega nastanka (McCarroll in Loader, 2004). Za interpretacijo informacije, ki je vsebovana v izotopski sestavi ogljika, je potrebno poznavanje procesa frakcionacije. Glavni okoljski dejavniki, ki vplivajo na frakcionacijo ogljikovega izotopa v drevesu, so sončno obsevanje, izotopska sestava zraka, zračna vlažnost, temperature, padavine, taljenje snega, vodni status tal, globina in struktura korenin, morfologija listja, hidravlična prevodnost ksilema, recikliranje izdihanega CO2 ter razdalja med listi in korenino (McCarroll in Loader, 2004).
FRAKCIONACIJA OGLJIKOVEGA IZOTOPA
Rastline v procesu fotosinteze iz atmosfere vežejo CO2, ki predstavlja edini vir ogljika za rastlino. Pri tem prihaja do encimatskih in difuznih procesov frakcionacije, ki vodijo do diskriminacije proti 13C. Trenutno razmerje 13C/12C v CO2 v ozračju se odraža v 513C in znaša približno -8 %. Vrednosti izotopske sestavev listih ter lesu so posledica frakcionacije in so v primerjavi z vrednostjo v zraku precej manjše, pri C3 rastlinah variirajo med -21 % in -35 % (Badeck in sod., 2005). Frakcionacija ogljikovih izotopov se med vgra-
jevanjem ogljika iz CO2 zunanjega zraka v listne sladkorje pojavi na dveh točkah - pri difuziji CO2 skozi listne reže in pri fiksaciji CO2 (Warren in sod., 2001).
Razločevanje med težjim in lažjim ogljikovim izotopom se najprej pojavi pri prehajanju CO2 skozi listne reže, skozi katere le-ta iz okoliškega zraka prehaja do kloroplasta. Lažji 12CO2 prehaja na mesto vezave ogljka hitreje in zato CO2 v listu v primerjavi z zunanjim CO2 vsebuje manj 13C. Proces imenujemo frakcionacija pri difuziji in znaša -4,4 %o (McCarroll in Loader, 2004). Druga točka frakcionacije nastopi pri fiksaciji CO2. Rastline so razvile različne poteke fotosintetske vezave ogljika, kar se odraža v precejšnjih razlikah v vrednosti izotopske sestave ogljika v rastlinskem tkivu. V veliki meri vsa drevesa spadajo med tako imenovane C3 rastline (rastline, pri katerih v proceu fiksacije ogljika kot prvi zaznavni produkt nastane spojina s tremi ogljikovimi atomi) (McCarroll in Loader, 2004). Glavni »krivec« diskriminacije proti 13C je primarni karboksilacij-ski encim RuBisCO, ki v procesu fiksacije ogljika raje veže 12C kot 13C, glavni vzrok za to diskriminacijo pa je manjša reaktivnost 13C (Farquhar in sod., 1982). Proces imenujemo frakcionacija pri karboksilaciji, ki je ocenjena na -27 % (McCarroll in Loader, 2004).
UČINKOVITOST IZRABE VODE (WATER USE EFFICIENCY - wue) in vrednost izotopske sestave
Medtem ko odprte listne reže omogočajo sprejem CO2 v rastlino, hkrati dopuščajo tudi izhajanje vodne pare iz listov v okolico. Z zapiranjem listnih rež rastlina omejuje izgubo vode, vendar hkrati omejuje tudi sprejem CO2. Razmerje med asimiliranim CO2 in transpiracijo vode se imenuje fotosintetska učinkovitost izrabe vode in predstavlja kvantitativno mero trenutne izmenjave plinov v listu. Vodna para in CO2 se razlikujeta glede nekaterih osnovnih lastnosti, ki vplivajo na difuzijo plina. Koncentracijski gradient CO2 med zunanjim zrakom in kloroplastom je manjši kot gradient vodne pare med notranjostjo lista in okoliško atmosfero, dokler se le-ta ne nasiči z vodno paro. Zato se transpiracija vode odvija precej hitreje kot sprejem CO2. Vodne molekule so manjše kot molekule CO2 in lahko hitreje prehajajo skozi listne reže v okoliško atmosfero. Med plinoma pa obstajajo tudi bistvene razlike v poti difuzije, ki je za CO2 daljša in počasnejša (Larcher, 2001). V sušnih razmerah je za rastlino bolj pomembno omejevanje transpiracije (izgube vode) kot sprejem CO2. Zaradi naštetih lastnosti obeh plinov se morajo listne reže bolj zapreti, da omejijo izhajanje vodnih molekul in s tem postanejo bolj nepropustne za CO2 molekule (Kozlowski in Pallardy, 1997).
Glavni vpliv na 513C sladkorjev v listih in tudi na 513C branike ima razmerje med medcelično (c) in atmosfersko (ca)
koncentracijo CO2 (c/ca), ki je posledica stopnje fotosinteze in prevodnosti listnih rež. Farquhar in sodelavci (1982) so za predstavitev izotopske sestave rastline uporabili model:
VCastina, =	- a - b - a)(c / g	(ena&a 3),
kjer je a = -4,4 % (frakcionacija pri difuziji) in b = -27 % (frakcionacija pri karboksilaciji). Najboljšo predstavo dobimo z ilustracijo dveh ekstremnih primerov. Ko je c v primerjavi s ca visoka, je prevodnost listnih rež večja od fotosinteze in v tem primeru je karboksilacijska frakcionacija velika, kar se izkazuje v močni diskriminaciji rubisca proti 13C in manjšimi CO213C vrednostmi. 513C rastlin bi bila v tem primeru približno -38 %. Ob zmanjšani prevodnost listnih rež oz. njihovem zaprtju medcelična koncentracija CO2 upade, njegovo prehajanje v list pa je onemogočeno. Rastlina bo za fotosintezo porabila ves v listu še prisoten CO2, rubisco zmanjša diskriminacijo proti 13C in ga veže v sladkorje, vrednost 513C naraste. Ob atmosferski vrednosti 513C -8 % bi imelo rastlinsko tkivo s popolnoma zaprtimi listnimi režami hipotetično vrednost 513C -12,4 % (-8 % je 513C atmosferskega CO2; -4,4 % je diskriminacija pri prehajanju skozi listne reže).
Najpomembnejši okoljski dejavniki, ki kontrolirajo izotop-sko sestavo rastlinskega tkiva (v našem primeru branike) so torej tisti, ki kontrolirajo tudi prevodnost listnih rež ter fotosintezo (McCarroll in Loader, 2004). Vrednost 513C v rastlini je lahko indikator WUE, saj je izotopska diskriminacija funkcija razmerja med medcelično in atmosfersko koncentracijo CO2. Če predpostavimo, da je vrednost 513C atmosfere konstantna (-8 %), potem izotopska diskriminacija neposredno odseva sezonske spremembe v braniki, kjer višja vrednost 513C odgovarja zmanjšani izotopski diskriminaciji in veliki WUE (Leavitt, 1992). Poleg diskriminacije proti 13C pri difuziji skozi listne reže ter fiksaciji ogljika v kloroplastu je razmerje stabilnih ogljikovih izotopov v različnih rastlinskih tkivih odvisno tudi od sekundarnih biokemičnih reakcij pri premeščanju in pretvorbah produktov fotosinteze (D'Alessandro in sod., 2004).
spremembe koncentracije c02 v atmosferi in organski snovi
LETNE SPREMEMBE
Sezonski cikel spremenjenih vrednosti razmerja 13C/12C v atmosferi s povišano koncentracijo 13C v poletnih mesecih se pojavlja zaradi diskriminacije pri prehajanju CO2 v list in pri fotosintezi. Z letnim merjenjem variiranja 513C atmosferskega CO2 neposredno nad plastjo krošenj dobimo podatek o učinku spremenjenih vrednosti v atmosferi na razmerje 13C/12C v organski snovi. Dobljeni rezultati so kljub majhnemu številu meritev potrdili dejstvo o manj-
ših vrednostih v zimskem obdobju in višjih v vegetacijski sezoni, saj 513C v atmosferskem CO2 poleti naraste za pri-bliZno 1 %o. Vendar pa ta sprememba 513C atmosferskega CO2 ne razloZi porasta vrednosti 513C mladega listja za 2 % do 3 % ob pojavu listov spomladi. V obdobju med majem in junijem sta trenda 513C atmosferskega CO2 in organske snovi celo popolnoma nasprotna (Helle in Sc-hleser, 2004). Vpliv spremembe koncentracije in izotopske sestave atmosferskega CO2 je zato potrebno opazovati skozi daljši časovni okvir.
DOLGOROČNE GLOBALNE SPREMEMBE IN POVEZAVA S KLIMATSKIMI DEJAVNIKI
Pred industrijsko revolucijo je bila ocenjena koncentracija CO2 v ozračju na povprečni ravni 280 ppm. Podatki observatorija Mauna Loa na Havajih prikazujejo 19,4 % porast povprečne letne koncentracije CO2 v atmosferi med leti 1959 (316 ppm) in 2004 (377 pm). Med letoma 1997 in 1998 je zabeleZeno največje povečanje koncentracije atmosferskega CO2 (za 2,9 ppm letno), odkar potekajo meritve. Povprečno letno povečanje sicer znaša 1,4 ppm (Atmospheric carbon, 2008). Mnogo polemik se poraja okoli vprašanja ali so spremembe v atmosferskem CO2 zares posledica človekovega delovanja. Enega od odgovorov na to vprašanje nam podajajo meritve izotopske sestave branike (RealClimate, 2008). Fosilna goriva so organskega izvora in torej imajo niZje vrednosti 513C kot ozračje. Antropogeno pogojena povečana koncentracija CO2 zaradi izgorevanja fosilnih goriv se odraZa v zmanjševanju vrednosti 513C zraka za pribliZno 1,5 % od začetka industrializacije, ta trend pa se odseva tudi v branikah dreves (McCarroll in Loader, 2004). Na številnih lokacijah je bil opaZen dolgoročni padajoči trend nestandardiziranih izotopskih kronologij. Ta trend lahko odraZa naraščajočo koncentracijo atmosferskega CO2 (129-360 ppm v zadnjih 100 letih) in je povezan z upadom vrednosti 513C v organski snovi. Obstajajo pa tudi raziskave, kjer tega trenda ni bilo moč zaznati. Nekateri avtorji odsotnost padajoče vrednosti izotopske sestave CO2 in trend razlagajo z različnimi moZnimi razlogi, npr. reasimilacijo izdihanega CO2 v sestoju (Treydte in sod., 2001).
Izotopske kronologije je potrebno pred nadaljnimi analizami standardizirati. Odstranitev trenda, ki je posledica spremenjene koncentracije in izotopske sestave CO2 v atmosferi je potrebna zato, ker nas v dendroklimatoloških raziskavah zanima odziv dreves na klimatske dejavnike, ne pa na spremenjeno količino in izotopsko sestavo CO2 (Gagen in sod., 2007). Pred nadaljno analizo zato uvedemo dve korekciji surovih (RAW) podatkov. Namen teh dveh korekcij je oceniti, kakšna bi bila ô13C branike, če bi ta nastala v pogojih, kakršni so bili pred industrijsko revolucijo (leto 1850).
Prva korekcija upošteva spremembe v izotopski zgradbi atmosferskega CO2, ki ima zaradi izgorevanja fosilnih goriv niZje ô13C vrednosti. Korekcija je razmeroma preprosta in preračuna izmerjene vrednosti na predindustrijsko izotopsko razmerje ogljika v atmosferi, ki je ocenjeno na -6,4% (Gagen in sod., 2007). Na ta način dobimo korigirano kronologijo (COR). Tudi po odstranitvi vpliva ô13C atmosferskega CO2 je pogosto še opazen padajoči trend ô13C branik, ki se ne ujema s klimatskimi spremembami. Verjetna razlaga tega pojava je v fiziološkem odzivu rastlin na povečano ci kot neposreden odziv na povišano koncentracijo CO2 v atmosferi. Koncentracijo CO2 v listu uravnavata prevodnost listnih reZ in stopnja fotosinteze. Če je ca stabilna, potem dvig ô13C pomeni zmanjšanje prevodnosti listnih reZ, zvišanje stopnje fotosinteze ali pa kombinacijo obojega. Klimatski dejavniki, ki jih potencialno lahko rekonstruiramo iz ô13C kronologije branik, so torej tisti, ki kontrolirajo prevodnost listnih reZ in stopnjo fotosinteze. Pri tem je nujno upoštevanje tudi značilnosti drevesne vrste, rastišča in klimatskega reZima (McCarroll in Loader, 2004). Na sušnih rastiščih s plitvo plastjo prsti ima glavni vpliv prevodnost listnih reZ in posledičo dobimo visoke korelacije med ô13C ter relativno zračno vlaZnostjo in padavinami. V bolj vlaZnem okolju pa prevladuje vpliv stopnje fotosinteze in višje korelacije s sončnim obsevanjem in temperaturo. S t.i. PIN korekcijo pretvorimo izotopsko razmerje v vrednosti c in nato ocenimo, kakšne bi bile vrednosti c v predindustrijski dobi. Dobimo kronologijo PIN, ki jo uporabimo za vse nadaljne analize (McCarroll in sod., 2009).
študij primera klimatskega signala v 513c kronologiji smreke na sorškem polju in na pokljuki in njegova prostorska dimenzija
Teoretična izhodišča in modele smo preverili na študiji primera. V nadaljevanju predstavljeni rezultati so bili pridobljeni v okviru raziskovalnega projekta PINE (EVK2-CT-2002-00136) (Levanič in sod., 2008; Hafner in Levanič, 2009). Cilji študije primera so bili preveriti klimatski signal v izotopski kronologiji smreke na niZinskem in visokogorskem rastišču, preveriti njegovo rekonstrukcijsko moč in testirati klimatski signal tudi v širšem prostorskem okviru.
Raziskava je potekala na dveh smrekovih rastiščih, na niZinskem na Sorškem polju (350 m n.m.v.) in na visokogorskem na Pokljuki (1200 m n.m.v). NiZinsko rastišče na Sorškem polju je za rast smreke sicer dokaj ugodno, je pa v poletnih mesecih podvrZeno suši, zaradi tega in zaradi plitvih korenin je smreka podvrZena sušnemu stresu in se zelo senzitivno odziva na pomanjkanje padavin. Visko-gorsko rastišče smreke na Pokljuki spada med optimalna smrekova rastišča, poletja so relativno hladna in dobro
-22
O g
O -23
co
T—
IO
-24 -25
-21 -22
O -23
CO
-24
-25
Sorsko polje		/ \ y\\ \ L____^—— / v»
		
" \ / -RAW v -COR --PIN		
Pokljuka		
- ' 11—, / \	a^/	VrA
		- RAW -COR --PIN
1960
1970
1980
Leto / Year
1990
2000
Slika 1: RAW, COR in PIN kronologija smreke na Sorškem polju in na Pokljuki ter trend v RAW in PIN kronologiji za obdobje 1960-2002. Raw - osnovna izotopska kronologija, surovi podatki; Cor - korigirana kronologija, ki upošteva spremembe izotopske sestave atmosfere; PIN - korekcija, ki upošteva koncentracijo stabilnega izotopa ogljika v predindustrijski dobi.
preskrbljena s padavinami. Zaradi hladnega rastišča se smreka na Pokljuki pozitivno odziva, s širšo braniko, na nadpovprečno tople poletne mesece. Na vsakem rastišču smo petim drevesom z 12 mm svedrom odvzeli vzorce lesa, ki smo jih analizirali v izotopskem laboratoriju Univerze v Swansea, Wales (VB). Vse meritve razmerja stabilnega izotopa ogljika v branikah so bile izvedene na a-celulozi, ki smo jo ekstrahirali iz lesa posamezne branike. Meteorološke podatke za korelacijsko in kalibracijsko analizo smo pridobili od Agencije republike Slovenije za okolje (ARSO), za prostorsko analizo pa smo uporabili podatke CRU TS 1.2 meteorološke baze (Mitchell, 2008). V analizi smo se zaradi juvenilnega efekta v izotopski kronologiji omejili samo na obdobje 1960-2002 (Levanič in sod., 2008; Hafner in Levanič, 2009).
Na sliki 1 so prikazane vse tri v uvodnem delu opisane kronologije (RAW, COR in PIN). RAW vrednosti so bolj ne-
gativne in imajo padajoč trend, ki je na Pokljuki bolj izrazit kot na Sorškem polju. Po vpeljavi korekcije zaradi spremenjene izotopske sestave atmosferskega CO2 se vrednosti kronologije nekoliko dvignejo. Bolj ko se približujemo sedanjosti, večji vpliv ima korekcija na kronologijo, saj 513C atmosferskega CO2 s približevanjem sedanjosti postaja vedno bolj negativna. Na Sorškem polju se vpliv spremenjene koncentracije CO2 pokaže le v zadnjem desetletju. Na Pokljuki pa PIN korekcija vpliva na ô13C branik celotnega analiziranega obdobja. To pomeni, da je odklon 513C vrednosti v kronologiji na Sorškem polju skoraj popolnoma pojasnjen s spremenjeno 513C atmosfere, medtem ko je na Pokljuki bolj prisoten tudi vpliv spremenjene koncentracije atmosferskega CO2.
Osnovna korelacijska analiza med klimatskimi podatki in PIN korigirano izotopsko kronologijo pokaže, da na razmerje stabilnih ogljikovih izotopov v braniki najbolj vpli-
vata povprečje julijskih in avgustovskih povprečnih mesečnih temperatur ter vsota mesečnih padavin v juliju in avgustu. Smreke na nižinskem rastišču Sorško polje imajo nekoliko slabši odziv na nadpovprečne temperature v juliju in avgustu in nekoliko močnejši odziv na nadpovprečne količine padavin v juliju in avgustu in obratno, na visokogorskem rastišču Pokljuka se smreke nekoliko močneje odzivajo na nadpovprečne temperature v juliju in avgustu ter nekoliko šibkeje na nadpovprečne padavine v juliju in avgustu.
Iz slike 2 in 3 je razviden odziv 513C branik na spremembo temperatur in padavin. Ob porastu temperature vrednost 513C branik naraste (je manj negativna) in obratno, ob nižjih temperaturah je tudi vrednost 513C branik nižja (je bolj negativna). Variabilnost v 513C branik posameznih let je na Sorškem polju bolj izrazita kot na Pokljuki. Smreka na Sorškem polju je zaradi plitvejšega koreninskega sistema, višjih poletnih temperatur in pogostega pomanjkanja padavin v najbolj kritičnih mesecih v sušnem stresu. Zaradi
Preglednica 1: Vrednosti Pearsonovega korelaci-jskega koeficienta med PiN korigirano izotopsko kronologijo in klimatskimi podatki za posamezne mesece od aprila do septembra in za različne kombinacije poletnih mesecev od maja do septembra za obe analizirani rastišči - Sorško polje in Pokljuka za obdobje 1960-2002.
	Temperature		Padavine	
	Sorško polje	Pokljuka	Sorško polje	Pokljuka
Apr	0.26	0.31	0.05	-0.14
Maj	0.50	0.47	-0.09	0.02
Jun	-0.01	0.11	-0.26	0.10
Jul	0.52	0.57	-0.37	-0.40
Avg	0.54	0.62	-0.29	-0.16
Sept	-0.11	-0.09	0.09	0.05
				
JJ	-	-	-0.47	-0.17
JA	0.61	0.67	-0.51	-0.50
MJ	0.31	0.39	-0.16	0.15
JJA	0.52	0.61	-0.54	-0.31
MJJ	0.53	0.62	-0.54	-0.31
MJJA	0.59	0.65	-0.47	-0.25
MJJAS	0.50	0.56	-0.46	-0.23
tega se intenzivneje odziva na spremembe okoljskih dejavnikov. Na Pokljuki, kjer so razmere za rast smreke optimalne do suboptimalne, je nizka temperatura omejujoč dejavnik, zato višje temperature ugodno vplivajo na rast, to se vidi tudi iz višjih vrednosti regresijskega koeficienta - preglednica 2.
Padavine so v negativni korelaciji z izotopskimi vrednostmi v branikah. Na sušnejšem rastišču, na Sorškem polju, imajo padavine v rastni sezoni ugoden vpliv na rast drevesa, kar ima za posledico bolj negativne vrednosti ô13C v branikah. Na Pokljuki pa so nadpovprečne padavine večinoma povezane tudi z nekoliko nižjimi temperaturami v rastni sezoni. Naklon regresijske premice je posledično manjši, tako kot tudi korelacija med meteorološkimi parametri in ô13C branik - preglednica 2 in slika 3. Poleg tega pa imajo vrednosti ô13C branik nekoliko manjšo variabilnost in se manj občutljivo odzivajo na okoljske spremembe.
Visoke korelacijske vrednosti med stabilnimi izotopi ogljika v branikah smreke in klimatskimi podatki, nam ob pogoju, da ustrezajo še ostali statistični kriteriji (RE, CE in MSE), omogočajo rekonstrukcijo klime v obdobje pred instrumentalnimi meritvami. Statistični kazalci, ki kažejo robustnost statistične rekonstrukcije klime v preteklosti so RE - »reduction of error statistics« oz. statistika odprave napake (Fritts, 1976) in CE - »coefficient of efficiency« oz. koeficient učinkovitosti (Cook in sod., 1994) v preglednici 3. Tako RE kot CE morata biti večja od nič, da na kronolo-
Sorško polje Pokljuka
Kombinacija vpremenskih parametrov za: JJ ... junij in julij; JA ... julij in avgust; MJ ... maj in junij; JJA ... junijjulij in avgust; MJJ ... maj,junij in julij; MJJA ... maj, junij, julij in avgust; MJJAS ... maj, junij, julij, avgust in september.
18	19	20	21	22
Povprečje temperatur v juliju in avgustu (°C) Mean temperature in July and August (°C)
Slika 2: Vpliv povprečnih mesečnih temperatur v juliju in avgustu na razmerje stabilnih izotopov ogljika v branikah smrek na Sorškem polju (tanka črta, prazni kvadratki) in Pokljuki (debela črta, polni kvadratki) v obdobju 1960-2002.
Preglednica 2: Osnovni parametri regresijskih enačb odvisnosti razmerja stabilnega izotopa ogljika v branikah od kombinacije povprečnih mesečnih temperatur v juliju in avgustu ter skupne vsote mesečnih padavin v juliju in avgustu na Sorškem polju in Pokljuki v obdobju 1960-2002. Vsi regresijski koeficienti so visoko značilni - ***
Lokacija	Parameter	Meseci	r2	b0	b1
Sorško polje	Temperature	julij-avgust	0,38	-31,05 ***	0,42 ***
	Padavine	julij-avgust	0,37	-20,22 ***	-0,0061 ***
Pokljuka	Temperature	julij-avgust	0,45	-26,98 ***	0,24 ***
	Padavine	julij-avgust	0,12	-21 53 ***	-0,0018 ***
r2 ... regresijski koeficient / coefficient of determination
b0 ... presečišče regresijske črte z Y osjo / intercept of the regression curve with Y axis b1 ... naklon regresijske črte / slope of the regreesion curve
giji stabilnih ogljikovih izotopov temelječa rekonstrukcija verodostojno prikazuje klimo v obdobju pred instrumentalnimi meritvami. V našem primeru je RE večji od 0. CE statistika ne zadošča kriteriju pozitivne vrednosti, kar glede na relativno kratko kalibracijsko in verifikacijsko obdobje in posledično majhno število stopinj prostosti niti ni presenetljivo in je v skladu z viri (Anonymous, 2006).
Visoka korelacija s povprečno temperaturo v juliju in avgustu (r = 0,61 na Sorškem polju in r = 0,67 na Pokljuki) in padavinami v juliju in avgustu (r = 0,51 na Sorškem polju in r = 0,50 na Pokljuki) potrjuje možnost razmeroma natančne rekonstrukcije poletnih temperatur v preteklosti
Sorško polje Pokljuka
100 150 200 250 300 350 400 Mesečna količina padavin v v juliju in avgustu (mm] Monthly sum of precipitation in July and August (mm)
Slika 3: Vpliv skupne količine padavin v juliju in avgustu na razmerje stabilnih izotopov ogljika v branikah smrek na Sorškem polju (tanka črta, prazni kvadratki) in Pokljuki (debela črta, polni kvadratki) v obdobju 1960-2002.
ob predpostavki, da imamo na razpolago daljše obdobje za kalibracijo in verifikacijo (zaradi negativnega CE).
Preizkusili smo tudi rekonstrukcijski potencial izotopskega signala v smrekah s Pokljuke in s Sorškega polja v širšem prostorskem okviru. S pomočjo spletne aplikacije za izračun prostorske statistike (Van Oldenborgh, 1999) smo izračunali korelacije med rekonstruiranim povprečjem julijske in avgustovske temperature ter izmerjenimi me-terorološkimi podatki. Rezultati so pokazali, da ima rekonstrukcija povprečnih julijskih in avgustovskih temperatur, ki temelji na razmerju stabilnega izotopa ogljika v braniki, ne samo močan lokalni, pač pa tudi zelo močan regionalni signal. Klimatski signal v razmerju ogljikovih izotopov
Slika 4: Prikaz prostorske korelacije med rekonstruiranim povprečjem za julijske in avgustovske temperature in izmerjenimi povprečnimi julijskimi in avgustovskimi mesečnimi temperaturami za obdobje 1960-2002 (Van Oldenborgh, 1999). Prikazane so samo značilne korelacije (p < 0.01).
Preglednica 3: Kalibracijska in verifikacijska statistika izotopskih smrekovih kronologij s Sorškega polja (ô13Csor) in Pokljuke (ô13Cpok). Tabela prikazuje parametre za kalibracijsko (1982-2002) in verifikaci-sko obdobje (1960-1981). Kalibracijo in verifikacijo smo izvedli tudi v obratni smeri.
		Kalibracija 1982-2002 Verifikacija: 1960-1981				Kalibracija 1960-1981 Verifikacija: 1982-2002			
	Pearsonov r	r2 ver	MSE	RE	CE	r2 ver	MSE	RE	CE
ô13C	0,61	0,30	1,76	0,43	-1,54	0,14	1,97	0,41	-1,01
ô13C . Dok	0,67	0,12	1,37	0,55	-0,98	0,20	1,52	0,55	-0,55
v branikah smreke je tako robusten, da tudi na majhnem številu dreves in omejenem številu lokacij temelječe kronologije vsebujejo potencial za rekonstrukcijo klime na širšem prostorskem nivoju (slika 4).
Študija primera je pokazala, da imajo izotopske kronologije zelo kvaliteten in robusten (stabilen) klimatski signal, ki ima poleg lokalnega tudi zelo velik regionalni signal. V primerjavi s kronologijami širin branik ali kronologijami maksimalnih gostot kasnega lesa v braniki je sestava izotopskih kronologij z vidika priprave in analize vzorcev bolj zahtevna in dolgotrajna, vendar je za primerljiv ali boljši klimatskih signal potrebnih bistveno manj vzorcev kot za prvi dve kronologiji. Nekaj razlike je tudi v samem klimatskem signalu oziroma odzivu. V primerjavi s kronologijami širin branik, kjer je odziv na klimo vezan predvsem na zgodnje poletne mesece (večinoma maj ali junij), je klimatski odziv v izotopskih kronologijah najpogosteje vezan na pozno poletne mesece (julij in avgust), kar je podobno kot pri kronologijah maksimalnih gostot kasnega lesa.
literatura
1.	Atmospheric carbon dioxide record from Mauna Loa. (2008)
CDIAC. http://cdiac.ornl.gov/trends/CO2/sio-mlo.htm (19.8.2008)
2.	Anonymous (2006) Surface Temperature Reconstructions for the Last 2,000 Years. Washington, D.C., The National Academies Press, 145
3.	Badeck F.-W., Tcherkez G., Noguéz S., Piel, C. Ghashghaie J. (2005) Post-photosynthetic fractination of stable carbon isotopes between plant organs - a widespread phenomenon. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 19, 11: 1382-1391
4.	Cook E. R., Briffa K. R., Jones P. D. (1994) Spatial regression methods in dendroclimatology: a review and comparison of two techniques. International Journal of Climatology, 14: 379-402.
5.	D'Alessandro C. M., Guerrieri M. R., Saracino A. (2004) Comparing carbon isotope composition of bulk wood and holocellulose from Quercus cerris, Fraxinus ornus and Pinus radiata tree rings. Forest, 1: 51-57
6.	Dawson T. E., Brooks P. D. (2001) Fundamentals of Stable Isotope Chemistry and Measurement. V: Stable Isotope Techniques in the Study of Biological Processesmand Functioning of Ecosystems. Unkovich, M. (Ur.), Pate, J. (Ur.), Mcneill, A. (Ur.), Gibbs, D. J. Dordrecht. 40: 1-18
7.	Farquhar G. D., Leary M. H. O., Berry, J. A. (1982) On the Relationship between Carbon Isotope discrimination and the Intercellular Carbon Dioxide Concentration in Leaves. Australian Journal of Plant Physiology, 9: 121-137
8.	Fritts H. C. (1976) Tree rings and climate. London, New York, San Francisco, Academic Press, 567
9.	Gagen M., McCarroll D., Loader N. J., Robertson I., Jalkanen R., Anchukaitis K. J. (2007) Exorcising the segment length curse summer temperature reconstruction since AD 1640 using non-de-trended stable carbon isotope ratios from pine trees in northern Finland. The Holocene, 17: 435-446
10.	Hafner P., Levanič T. (2009) Stable carbon isotopes in norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) tree rings at two sites in Slovenia. Zbornik gozdarstva in lesarstva, 88: 43-52
11.	Helle G., Schleser G. H. (2004). Beyond CO2-fixation by Rubisco - an interpretation of 13C/12C variations in tree rings from novel intra-seasonal studies on broad-leaf trees. Plant, Cell and Environment, 27: 367-380
12.	Kozlowski T. T., Pallardy S. G. (1997) Physiology of Woody Plants. California, London, Academic Press, 411
13.	Larcher W. (2001) Physiological Plant Ecology. Ecophysiology and Stress Physiology of Functional Groups. Springer, Berlin, Heidelberg, New York, Springer, 511
14.	Leavitt S. W. (1992) Seasonal 13C/12C changes in tree rings: species and site coherence, and a possible drought influence. Canadian Journal of Forest Research, 23: 210-218.
15.	Levanič T., Gričar J., Gagen M., Jalkanen R., Loader N. J., McCarroll D., Oven P., Robertson I. (2008) The climate sensitivity of Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) in the southeastern European Alps. Trees, 23: 169-180
16.	McCarroll D., Gagen M. H., Loader N. J., Robertson I., Anchukaitis K. J., Los S., Young G. H. F., Jalkanen R., Kirchhefer A., Waterhouse J. S. (2009) Correction of tree ring stable carbon isotope chronologies for changes in the carbon dioxide content of the atmosphere. Geochimica et Cosmochimica Acta, 73: 1539-1547
17.	McCarroll D., Loader N. J. (2004) Stable isotopes in tree rings. Quatenary Science Reviews, 23: 771-801
18.	McCarroll D., Loader N. J. (2005) Isotopes In Tree Rings. V: Isotopes in Palaeoenvironmental Research. Leng M. J., Springer. 67-116.
19.	Mitchell T. (2008) CRU TS 1.2. http://www.cru.uea.ac.uk/~timm/ index.html (4.8.2008)
20.	Mook W. G. (2000) Environmental isotopes in the hydrological cycle. Principles and applications - Introduction. Theory Methods Review. Mook, W. G., IHP-V. Technical Documents in Hydrology.
21.	Pezdič, J. (1999) Izotopi in geokemijski procesi. Naravoslovnoteh-niška fakulteta, Oddelek za geologijo, Ljubljana, 269
22.	Treydte K., Schleser G. H., Schweingruber F. H., Winiger M. (2001) The climatic significance of H13C in subalpine spruces (Lotschental, Swiss Alps) - A case study with respect to altitude, exposure and soil moisture. Tellus, 53B: 593-611
23.	Van Oldenbourg G. J. (1999) KNMI Climate explorer. http://cli-mexp.knmi.nl (16.3.2010)
24.	Warren C. R., Mcgrath J. F., Adams M. A. (2001) Water availability and carbon isotope discrimination in conifers. Oecologia, 127: 476-486