Environmental and climatic dependences of stable isotope ratios in tree rings on different temporal scales

This work examines stable isotope ratios of carbon, oxygen and hydrogen in annual growth rings of trees. Isotopic composition in wood cellulose is used as a tool to study past climate. The method benefits from the accurate and precise dating provided by dendrochronology. In this study the origin, nature and the strength of climatic correlations are studied on different temporal scales and at different sites in Finland. The origin of carbon isotopic signal is in photosynthetic fractionation. The basic physical and chemical fractionations involved are reasonably well understood. This was confirmed by measuring instantaneous photosynthetic discrimination on Scots pine (Pinus sylvestris L.). The internal conductance of CO2 was recognized to have a significant impact on the observed fractionation, and further investigations are suggested to quantify its role in controlling the isotopic signal of photosynthates. Isotopic composition of the produced biomass can potentially be affected by variety of external factors that induce physiological changes in trees. Response of carbon isotopic signal in tree ring cellulose to changes in resource availability was assessed in a manipulation experiment. It showed that the signal was relatively stable despite of changes in water and nitrogen availability to the tree. Palaeoclimatic reconstructions are typically based on functions describing empirical relationship between isotopic and climatic parameters. These empirical relationships may change depending on the site conditions, species and timeframe studied. Annual variation in Scots pine tree ring carbon and oxygen isotopic composition was studied in northern and in central eastern Finland and annual variation in tree ring latewood carbon, oxygen and hydrogen isotopic ratio in Oak (Quercus robur L.) was studied in southern Finland. In all of the studied sites at least one of the studied isotope ratios was shown to record climate strongly enough to be used in climatic reconstructions. Using the observed relationships, four-century-long climate reconstructions from living Scots pine were created for northern and central eastern Finland. Also temporal stability of the relationships between three proxy indicators, tree ring growth and carbon and oxygen isotopic composition was studied during the four-hundred-year period. Isotope ratios measured from tree rings in Finland were shown to be sensitive indicators of climate. Increasing understanding of environmental controls and physiological mechanisms affecting tree ring isotopic composition will make possible more accurate interpretation of isotope data. This study also demonstrated that by measuring multiple isotopes and physical proxies from the same tree rings, additional information on tree physiology can be obtained. Thus isotopic ratios measured from tree ring cellulose provide means to improve the reliability of climate reconstructions.

Tässä väitöskirjassa tutkittiin hiilen, hapen ja vedyn stabiilien eli pysyvien isotooppien suhdetta puiden vuosilustoissa ja niiden käyttöä tiedonlähteenä menneistä ilmastonvaihteluista. Kemiallisissa, fysikaalisissa ja biologisissa prosesseissa saman alkuaineen isotooppien suhde hieman muuttuu, eli tapahtuu fraktioitumista. Puuaineksessa isotooppisuhteet muuttuvat riippuen siitä millaisissa kasvuoloissa ja ilmastossa puu on kasvanut. Kun isotooppisuhde mitataan puun vuosilustosta, lusto voidaan dendrokronologisten menetelmien avulla ajoittaa ja isotooppisuhde yhdistää kyseisen vuoden kasvuoloihin. Aikaisemmissa tutkimuksissa Suomesta on mitattu lähinnä hiilen isotooppisuhteita puiden vuosilustoista. Tässä työssä perehdyttiin tarkemmin niihin prosesseihin jotka puussa muokkaavat hiilen isotooppisuhdetta sekä mitattiin hiilen lisäksi myös hapen ja vedyn pysyvien isotooppien suhdetta puiden vuosilustoissa. Kasvimateriaalin hiilen isotooppikoostumus määräytyy ensisijaisesti kasvin sitoessa hiiltä ilmakehästä yhteyttämällä. Tätä tutkittiin männyllä (Pinus sylvestris L.) kammiomittauksilla ja mallintamalla Etelä-Suomessa. Lisäksi tutkittiin männyn kasvuresurssien muutoksen vaikutusta vuosiluston hiilen isotooppikoostumukseen ja puun kasvuun Lapissa. Isotooppisuhteessa ei havaittu merkittävää muutosta, huolimatta kasvussa tapahtuneista muutoksista. Lapista ja Itä-Suomesta mitattiin 400 vuotta pitkät hiili- ja happi-isotooppi sekä lustonleveys aikasarjat mäntyjen vuosilustoista. Vuosittaista vaihtelua isotooppisuhteissa verrattiin säähavaintoihin viimeisen sadan vuoden ajalta. Hiilen isotooppien havaittiin korreloivan vahvasti kesälämpötilojen kanssa molemmilla alueilla. Itä-Suomessa havaittiin hapen ja myös hiilen isotooppien korreloivan kesän sademäärän kanssa. Pitkiä aikasarjoja käyttäen tehtiin 400 vuoden lämpötilarekonstruktio Lappiin ja lämpötila- ja sademäärärekonstruktiot Itä-Suomeen. Pitkiä aikasarjoja myös vertailtiin keskenään ja havaittiin niiden välisessä korrelaatiossa ajallista vaihtelua. Työssä tutkittiin myös voitaisiinko tammen (Quercus robur L.) vuosilustojen isotooppisuhteita käyttää ilmastoindikaattorina. Tammista mitattiin sekä hiilen, hapen että vedyn stabiilit isotoopit vuosiluston kesäpuusta viimeisen sadan vuoden ajalta. Tutkimuksessa havaittiin erityisesti hapen, mutta myös hiilen isotooppisuhteen heijastavan vuosittaista vaihtelua kesän pilvisyydessä ja sademäärässä. Pysyvien isotooppien suhteen todettiin olevan usein vuosiluston leveyttä vahvempi ilmastoindikaattori. Niitä voidaan myös hyödyntää laajemmalla maantieteellisellä alueella. Lisäksi, koska samasta puulustosta voidaan mitata useampi isotooppisuhde sekä fysikaaliset indikaattorit, voidaan useampaa tiedonlähdettä käyttämällä saada kattavampi kuva puun toiminnasta ja siihen vaikuttavista tekijöistä ja näin ollen parantaa ilmastorekonstruktioiden luotettavuutta.