Close
USC Libraries
University of Southern California
About
FAQ
Home
Collections
Login
USC Login
0
Selected 
Invert selection
Deselect all
Deselect all
 Click here to refresh results
 Click here to refresh results
USC
/
Digital Library
/
University of Southern California Dissertations and Theses
/
Folder
Evaluation of the mechanism of variability of the delta18O in alpha-cellulose of tropical deciduous tree pinus kesiya: conventional models and new thinking
(USC Thesis Other) 

Evaluation of the mechanism of variability of the delta18O in alpha-cellulose of tropical deciduous tree pinus kesiya: conventional models and new thinking

doctype icon
play button
PDF
 Download
 Share
 Open document
 Flip pages
 More
 Download a page range
 Download transcript
Copy asset link
Request this asset
Request accessible transcript
Transcript (if available)
Content EVALUATION OF THE MECHANISM OF VARIABILITY OF THE δ 
18 
O IN α­ 
CELLULOSE OF TROPICAL DECIDUOUS TREE PINUS KESIYA: 
CONVENTIONAL MODELS AND NEW THINKING 
by 
Andrés C. Martinez 
A Thesis Presented to the 
FACULTY OF THE GRADUATE SCHOOL 
UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA 
In Partial Fulfillment of the 
Requirements of the Degree 
MASTER OF SCIENCE 
(EARTH SCIENCE) 
December 2007 
Copyright 2007  Andres C. Martinez
ii 
Dedication 
This Manuscript is dedicated to Ruben and Maria Martinez
iii 
Acknowledgements 
I  would  like  to  acknowledge  the  tremendous  amount  of  mentorship,  support  and 
friendship  I  have  received  from:  Lowell  D.  Stott,  Douglas  Hammond,  David  Bottjer, 
Brendan  Buckley,  Robert  Douglas,  Cynthia  Waite,  Angela  Cornell,  Reetta  Saikku, 
Maximus Berkelhammer, Vardui Ter­Sermonian, and the Department of Earth Science. 
Above all I would like to thank Miguel Rincon for 6 years of guidance and friendship.
iv 
Table of Contents 
Dedication  ii 
Acknowledgements  iii 
List of Tables  vi 
List of Figures  vii 
Abstract  viii 
Chapter 1: Introduction  1 
1a: History and Interest  1 
1b: Isotope Method  4 
Chapter 2: Hypothesis and Theory  10 
2a: Hypothesis  10 
2b: Tree Cellulose Model  17 
2c: A Tropical Tree Model  19 
2d: Isotope Theory  20 
Chapter 3: Methods  24 
3a: Sampling: Chiang Dao, Northern Thailand  25 
3b: Micro­sampling Technique  26 
3c: Alpha­cellulose preparation  27 
3d: Isotopic Analysis: Pyrolysis, Elemental Analysis and 
Isotope­ratio Mass Spectrometry  29 
Chapter 4: Results  30 
4a: Cellulose Extraction  30 
4b: Pinus kesiya  32 
4b­i: Growth Model 1  36 
4b­ii: Growth Model 2  40 
4b­iii: Growth Model 3  41 
4c: Lower Frequency Isotopic Variability  41 
Chapter 5: Discussion  43 
5a: Seasonal Features, Color vs. Cellulose δ 
18 
O  43 
5b: Rainfall Amount and Cellulose δ 
18 
O  47 
5c: Inter­annual Variability  57 
5c­i: Influence of ENSO  57 
5c­ii: Pacific Decadal Oscillation  60 
5c­iii: Southern Oscillation Index  60 
5c­iv: Indian Ocean Dipole  61 
5c­v: Asian Monsoon Strength  62
v 
5d: Mechanistic Theory  64 
5e: Previously Published Data  66 
5f: Final Proxy Reconstruction  71 
Chapter 6: Conclusion  71 
References:  75
vi 
List of Tables 
Table 1: History of stable oxygen isotope dendroclimatology  5 
Table 2: History of Methods  8 
Table 3: Duplicate Analysis  33
vii 
List of Figures 
Figure 1: Seasonal precipitation vs. latitude  12 
Figure 2: Qualitative isotopic schematic  14 
Figure 3: Isotopic Circulation patterns  16 
Figure 4: Chiang Dao, Thailand  26 
Figure 5: 
13 
C NMR Spectra of cellulose  31 
Figure 6: δ 
18 
O record through time  34 
Figure 7: Annual (averaged)  δ 
18 
O α­cellulose vs. color; with example 
of a random annual tree ring.  35 
Figure 8: Environmental Data (annual averages)  38 
Figure 9: Possible growth patterns (cartoon)  40 
Figure 10: δ 
18 
O vs. time with a 5 point smooth  42 
Figure 11: δ 
18 
O and amount of rain at Chiang Dao vs. Time (2000­1987)  44 
Figure 12: Bangkok δ 
18 
O with rainfall amount through time  45 
Figure 13: Average Amount of Rainfall and δ 
18 
O Over a Year  46 
Figure 14: δ 
18 
O and rainfall at Chiang Dao vs. time (1970­60)  50 
Figure 15: Variance of Isotopic Record at 10 Year Intervals  51 
Figure 16: Annual Rainfall vs. Annual Isotope Values  52 
Figure 17: Rainfall vs. δ 
18 
O regression  53 
Figure 18: δ 
18 
O with Color Designation through time  56 
Figure 19: Interannual Environmental Oscillations with δ 
18 
O from Chiang Dao  59 
Figure 20: Schematic of the pressure gradient created by trees  69 
Figure 21: Linear rainfall proxy reconstruction and comparison to the 
Instrumental record  72
viii 
ABSTRACT 
The  relationship  between  environmental  variables  and  the  oxygen  isotope 
composition  of  α­cellulose  in  ringed  tropical  trees  may  not  be  constrained  to  simple 
“amount  effects.”  Here  I  present  a  55­year  continuous  record  of  δ 
18 
O  of  α­cellulose 
from Pinus kesiya. By comparing the cellulose isotope record to previous data, model 
theory,  and  rain  amount  data  it  is  clear  that  both  amount  effects  as  well  as  isotopic 
changes in atmospheric circulation regimes are incorporated in the oxygen isotopic ratio 
of the alpha cellulose. Regression analysis show most of the variability recorded in the 
δ 
18 
O of cellulose results from changes in total annual rainfall, and large anomalies arise 
during  La  Nina  and  El  Nino  events.  A  proxy  rainfall  reconstruction  exhibits  poor 
correlation with rainfall  variability and will require  further work in order to  constrain 
how  best  to  extract  a  quantitative  estimate  of  rainfall.
1 
Chapter 1: Introduction 
1a. History and Interest 
Efforts  to  extend  the  history  of  tropical  climate  variability  beyond  the  short 
instrumental  record  have  been  hampered  by  the  lack  of  sufficient  high  resolution 
terrestrial climate archives (Evans and Schrag 2004; Poussart et al 2004; Poussart and 
Schrag  2005).  Marine  sediment  cores,  corals,  and  ice  cores  fall  short  of  providing  a 
continuous,  annually  resolved  history  of  atmospheric  temperatures  and  precipitation. 
However,  tree­ring  α­cellulose  may  be  able  to  provide  this  information  for  the  last 
several  thousand  years  (McCaroll  and  Loader  2004;  Libby  et  al  1976).  Climate 
variability  has  traditionally  been  reconstructed  from  tree  ring  chronologies.  In  some 
trees  annual  ring  widths  and  densities  are  sensitive  to  changes  in  temperature  and 
precipitation. Tree ring records have been developed throughout most of the Holocene 
(McCaroll and Loader 2004). Recently, climate signals have also been detected in the 
stable oxygen, carbon and hydrogen isotopes of the raw wood, holo­cellulose and alpha 
cellulose  (Libby  1976;  DeNiro  1981;  Yapp  and  Epstein  1982;  Buhay  1985;  Roden 
1999; Evans and Schrag 2004). These observations are promising  for several reasons: 
tree ring cellulose is abundant, easy to obtain, simple to work with and, in many cases, 
available continuously for several hundreds of years (McCaroll 2004). Long lived trees 
(>100 years) inhabit every continent, excluding Antarctica. Furthermore, many cultures 
have  incorporated  large  old  growth  trees  into  their  dwellings,  thereby  preserving  the 
wood  for  many  generations.  The  stable  isotopic  fractionation  preserved  in  the  trees 
wood (including cellulose) results  from several  factors: the condensation of the heavy 
and light isotopes of oxygen in water due to atmospheric processes (e.g.  precipitation,
2 
humidity and temperature; Dansgaard; 1964) and the original source of the atmospheric 
precipitation. Most commonly this fractionation is variable as a function of the amount 
of rainfall.  As atmospheric water vapor pressure reaches a saturation point, the heavy 
isotopes  will condense  more  readily than  lighter isotopes  and,  therefore, the  resulting 
precipitation will have an enrichment of H
2 
18 
O relative to the vapor. This phenomenon 
is  termed  the  “amount  effect”  by  stable  isotope geochemists.  Changes  in  the  isotopic 
ratio  as  a  function  of  the  source  reservoir  have  been  described  in  earlier  studies 
(Dansgaard 1964). 
Climatic information is transferred to trees via the cambial tissue in the form of 
cellulose,  but  the  process  is  potentially  complicated  by  physiologic  factors. 
Physiological factors also influence the δ 
18 
O of cellulose synthesized by trees and these 
will  be  discussed  below  in  the  Cellulose  Model  Chapter.  Nonetheless,  with  current 
sampling and analytical techniques it is now possible to produce a radial oxygen isotope 
stratigraphy of tree cellulose at sub­annual resolution (Evans and Schrag 2004; Poussart 
et al 2004; Poussart and Schrag 2005; Brendel 2000; McCaroll and Loader 2004; Tsuji 
et al 2006). On long lived trees this offers a possibility of obtaining a continuous or near 
continuous climatology from the oxygen isotope variability recorded by the tree. 
At  the  present  time  there  are  a  few  terrestrial  tropical  paleoclimate  records 
scattered throughout Southeast  Asia, Indonesia, Eastern China and the tropical Pacific 
(IAEA­GNIP,  NOAA  database,  www.ngdc.noaa.gov/paleo/).  Only  a  few  of these  are 
records  of  oxygen  isotope  values  from  tree  wood  and  cellulose  (McCaroll  2004). 
Further more, less than seven records showing δ 
18 
O of α­cellulose ratios at sub­annual
3 
resolution have been published (Roden et al 2000; Evans and Schrag 2004; Poussart et 
al 2004; Poussart and Schrag 2005; Tsuji et al 2006). 
Traditionally,  tree­based  climatologies  focus  on  locations  within  groves  where 
the trees are under an environmental or ecological stress. The reason for this method is 
that in a stressed environment (water stress, light stress, or temperature stress) the trees 
will exhibit the greatest  growth­related response  to environmental change. In order to 
utilize the  growth behavior  expressed  by trees  in these environments  it  is essential to 
understand the physiological differentiation that takes place during early and late wood 
syntheses and how environmental factors (such as temperature, and humidity) influence 
growth.  Precise  observational  width  measurements  are  fed  into  statistical  models  and 
collated into a single site average (McCaroll 2004; Robertson 2006). Creating a robust 
record therefore  requires  nearly  a  dozen  “well  behaved”  trees,  a  well  constrained  age 
model, a detailed knowledge of absent and false rings (McCaroll 2004; Robertson 2006) 
and a strong understanding of the current regional climate regime. 
The oxygen isotope chemistry of tree cellulose may provide complementary or 
unique  information that cannot be obtained  from tree ring width and density analyses 
alone.  Several  indigenous  tropical  species  from  locations  where  there  is  little 
temperature variability but large changes in rainfall have been found to have non­annual 
rings or completely absent ring structures, which makes traditional statistical tree ring 
width  analysis  impossible.  In  several  tropical  trees  which  do  possess  annual  ring 
structures the visible changes in wood color that characterize the ring structure of many 
extra­tropical species are not observed. In many annual rings (taken from tropical trees) 
intra­annual transition periods from early to the late wood in a given growing season are
4 
ambiguous. It can therefore be difficult to use annual ring structures in tropical trees to 
differentiate  boundaries  between  early  and  late  wood,  and  therefore  to  obtain 
temperature  and/or  precipitation  information  from  qualitative  methods  (McCaroll 
2004).  Further,  recent  work  by  Briffa  et  al  (2004)  suggests  that  ring  widths  are 
becoming  decreasingly  sensitive  to  climate  (temperature  and  precipitation)  with 
increasing  CO
2 
levels,  due  to  stress  and  availability  of  CO
2 
at  the  leaf/atmosphere 
interface. Therefore there  is  not only a  need  for  more physically constrained  methods 
but also methods that are insensitive to the properties which are causing problems with 
previous ring width data methods. 
1b. Isotope Method 
From the time Dansgaard first identified the physical connection between stable 
isotope fractionation and climatic parameters, there have been efforts to apply oxygen 
and hydrogen isotope geochemistry to tree wood and cellulose (Dansgaard 1964; Libby 
et al 1976). The first studies were focused almost entirely in northern Europe due to the 
relatively high availability of long instrumental records and the previous knowledge of 
the physiology of the indigenous tree species which produce “well behaved annual ring 
structures”  (Libby  et  al  1976;  Thompson  and  Gray  1977).  Initial  processing  methods 
called  upon  crude  chemical  techniques  which  were originally  developed  by  the  paper 
and pulp industry for mass refining raw wood to form suitable material for commercial 
use; however, these methods were not developed for rigorous analytical precision and 
were  not  sensitive  to  stable  isotope  exchanges  (Green;  1963).  They  were  unfinished, 
tedious, used tremendous amounts of reagents per sample that were often unnecessarily
5 
hazardous (Green; 1963). These  factors resulted  in relatively  few isotopic studies and 
very few conclusive results. The climatic information inferred from the isotope records 
in  these  earlier  studies  was  mostly attributed  to temperature  influence  on  the  δ 
18 
O  of 
tree  wood  at  locations  in  Switzerland  and  England.  There  was  no  effort  to 
systematically relate the tree δ 
18 
O of wood to precipitation or humidity. 
Of the studies that have been carried out, few have been able to reach agreement 
as to how climate information is expressed in the oxygen isotopes of wood. Nor is there 
agreement  about  how  to  handle  differences  in  procedure,  species,  ecology,  materials 
and  growth  models.  Table  1  shows  the  oxygen  isotope  dendroclimatology  literature 
base:  experiments  with  many  different  species,  wood  types,  chemical  methodologies 
and  many  different  observed  results.  Several  patterns  are  obvious  between  latitude, 
species, materials, and methods. 
Table 1: History of stable oxygen isotope dendro­climatology. 
Author  Species  Location  Methods  Factors affecting variability 
Anderson 
1998/2002 
Abies alba  Central 
Switzerland 
On­line 
IRMS, 
Primary temperature signal, 
secondary Precipitation and 
Relative humidity 
Buhay and 
Edwards 1995 
Quercus p.  Ontario Canada  Off­line, 
bulk 
cellulose 
Signal composed of 
precipitation and Relative 
humidity. 
Burk and Stuiver 
1981 
Maple  North America  Bulk 
cellulose 
Temperature 
Danis P.A, et al. 
2006 
Quercus robur  France  Alpha 
cellulose 
Precipitation 
Evans and Schrag 
2004 
Pinus strobes, 
prosopis sp. 
Thailand  Alpha 
cellulose 
Precipitation, relative 
humidity 
Gray and 
Thompson 1976/7 
Picea glauca  Canada  Bulk 
Cellulose 
Precipitation/ Groundwater 
Hemming et al. 
1998 
Pinus sylv.  England  Alpha 
Cellulose 
Relative humidity. 
Tsuji H, et al 
2006 
Quercus 
crispula 
Northern Japan  Alpha­ 
cellulose 
(no ref.) 
Precipitation amount and 
Humidity. 
Libby et al 1976  Cryyptomeria 
japonica 
German, 
Northern Japan 
Whole raw 
wood 
Temperature 
Lipp et al. 1996  Tamarix 
jordanis 
Italy  Wood 
cellulose 
Precipitation
6 
Table 1: continued 
Poussart, Evans 
and Schrag 2003 
Podocarpus  Indonesia and 
Thailand 
Alpha 
cellulose 
Precipitation 
Poussart and 
Schrag 2005 
Pinus Merkusii  Thailand  Alpha 
cellulose 
Precipitation, relative 
humidity 
Raffalli­delerce 
G. et al 2004 
Quercus robur  Western France  Alpha 
cellulose 
Precipitation 
Ramesh et al. 
1985/1986 
Abies pindrow  India  Raw wood 
(no ref) 
Precipitation and relative 
humidity 
Rebetez, Saurer, 
Cherubini 2003 
Abies Alba  Central 
Switzerland 
Raw 
latewood 
Temperature 
Robertson et al 
2001 
Qurecus 
petraea 
East England  Late wood 
alpha 
cellulose 
Precipitation> Relative 
humidity> temperature. 
Roden and 
Ehleringer 2000 
Populus 
fremontii 
(cottonwood) 
Southwest 
USA 
Alpha­ 
cellulose 
Precipitation and relative 
humidity. 
Saurer et al. 
1998/1997/2002 
Picea glauca, 
pinus 
Central 
Switzerland 
Alpha 
cellulose 
Ground water 
Switzer et al. 
1994/1996 
Quercus robur  East England  Early and 
late wood 
Temperature and relative 
humidity. 
Verheyden A., et 
al. 2004 
Rhizophora 
mucronata 
(mangrove) 
Gazi bay, 
Kenya 
Alpha wood  Annual cycle, possible 
salinity 
Waterhouse J.S., 
wt al 2002 
Qurecus robur  Norfolk, UK  Latewood 
alpha­ 
cellulose. 
Summer precipitation. 
Weiguo, et al 
2004 
Pinus 
tabulaeformis 
(Chinese pine) 
Northwest 
China 
Alpha 
cellulose 
Precipitation, monsoon 
activity 
Table 1: A brief history of the literature of stable oxygen isotope analysis on tree ring material. Species, 
location,  material  analyzed  and  interpreted  results  are  listed.  Bulk  cellulose  indicates  1­4  (beta)glucan 
polymers  of  non­regular distribution.  Alpha  cellulose  refers  to  1­4(beta)glucan  of  between  10,000  and 
15,000 DOP (Green 1963). 
It  is  clear  that  at the  higher  latitudes  (>45˚N), temperature  seems  to  be  the  dominant 
variable  recorded.  At  lower  latitudes  (<  40˚N),  precipitation  and  relative  humidity 
appear to be most  important (Table 1). However, there are several exceptional studies 
from  high  latitude  sites  that  show  precipitation,  not  temperature,  as  the  dominant 
forcing  (Robertson  2001,  Waterhouse  2002,  Gray  and  Thompson  1976).  From  the 
results  summarized  in  Table  1,  one  might  also  conclude  that  the  isotope/climate 
relationship  depends  as  much  on  the  material  chosen  as  it  does  on  the  location.  Raw 
wood (unprocessed woody material with all lignins, resins, polymers, sugars and oils), it
7 
seems,  usually  leads  to  temperature  as  the  interpreted  result  (Verheyden  A  2002; 
Switzer et al 1996; Rebetez, Saurer, Cherubini 2003; Libby et al 1976). When regular 
cellulose  (cellulose  polymers  of  indiscriminate  length)  and  α­cellulose  (cellulose  of 
DOP 10,000­15,000) is separated from raw wood and analyzed isotopically the results 
are  typically  shown  to  correlate  most  strongly  with  precipitation,  changes  in  ground 
water  source  and  relative  humidity  (Evans  and  Schrag  2004;  Poussart,  Schrag  and 
Evans 2005, Poussart and Schrag 2006, etc). 
There  does  not  seem  to  be  any  noticeable  pattern  or  predictability  between 
results  from  hard  woods  and  soft  woods.  Because  various  materials  and  chemical 
preparatory techniques have been applied to these studies it is difficult to assess whether 
there  is  a  coherent  relationship  between  the  oxygen  isotope  composition  of  various 
woods  (and  components  of  wood)  and  a  particular  climate  variable.  Further,  it  is  not 
clear from the available data whether the isotopic composition recorded by early wood 
or  late  wood  is  more  sensitive  to  a  particular  climate  variable.  Poussart  and  Schrag 
(2005) reported on four tree cores (of different species, from Bali, Indonesia and Chiang 
Mai,  Thailand)  where  there  was  no  statistical  correlation  to  either  instrumental 
precipitation or temperature record. These authors provided no explanation, either from 
a  physiological  or  isotopic  standpoint  other than  to  claim  it  as  real  signal and  not  an 
instrumental artifact. 
It is also evident from the literature review that there is no consistency among 
chemical techniques applied to stable oxygen isotope measurements and preparation of 
cellulose.  Cellulose  in  the  current  literature  is  simply  defined  as  a  glucose  polymer 
linked together by 1­4 carbon bonds. However, there is considerable variability within
8 
the  simple  definition.  Cellulose  may  differ  in  its  polymer  length  or  degree  of 
polymerization  (D.O.P.),  regularity  and  purity.  Chemically  these  forms  are 
distinguished as  “alpha,  beta, gamma, and  holo.” Several  methods  neglect to exercise 
the rigorous chemical differentiation and refer to their products as either “holo or alpha” 
regardless of its true chemical nature. 
Table 2: Methods Summary 
Method  Products 
Brendel O. et al 
2000 
Alpha­cellulose, and 
holocellulose: 
Acid/ethanol 
Modified Brendel 1 
(Evans and Schrag 
2004) 
Alpha­cellulose 
Modified Brendel 2 
(Gaudinski et al 
2005) 
Alpha­cellulose: 
extra NaOH rinse 
Water­modified 
Brendel (Gaudinski 
et al 2005) 
Alpha­cellulose: 3 
extra water rinses. 
Green 1963  Review of several 
methods. 
Jayme­Wise 1946  Holo cellulose: 
benzene/ethanol 
Leavitt and Danzer  Holo cellulose: 
benzene/methanol 
Stuiver 1984  Holo cellulose 
Sternberg 1989 
(modified Wise) 
Holo cellulose: 
benzene/methanol 
Leavitt and Danzer 
1993 
Alpha cellulose: 
toluene/ethanol 
Table 2: Several different popular methods for 
cellulose extraction and their products. 
There are several methods in common use; each differs in chemical treatment and also 
in  their  final  product  (Table  2).  The  majority  of  techniques  in  use  today  are  slight 
modifications  of  the  Jayme­Wise  method  that  was  originally  developed  over  half  a 
century ago  for mass production of paper pulp (Green, 1963). Procedures such as the 
Jayme­Wise method involve a separation of the organic and aqueous phases and often
9 
require  use  of  a  highly  carcinogenic  benzene  mixture.  Several  techniques  have  been 
developed  more recently for oxygen  isotope analysis of cellulose which recognize the 
more  precise  chemical  definition  for  cellulose  such  as  that  proposed  by  Ward  (Ward 
1946;  Robertson  et  al  2001;  Evans  and  Schrag  2004;  Poussart  and  Schrag  2005, 
Poussart et. al 2004). 
Of  the  techniques  currently  being  used  there  are  three  categories.  First,  raw 
wood is considered by some workers to be the best recorder of climatic information. In 
studies  utilizing  raw  wood, little  preparation  is  applied  to  the  wood prior to  analysis, 
typically  on  a  pre­pyrolysis  wash  with  de­ionized  water  to  remove  any  extra  woody 
contamination  collected  prior  to  sampling  (Anderson  et  al  2002).  Studies  that  have 
attempted  to  separate  cellulose  from  other  wood  components  have  utilized  a  phase 
separation technique and dissolution/recrystalization method (Green 1963; Gaudinski et 
al 2004). The products consist of α­cellulose, β­cellulose, γ­cellulose and holo­cellulose 
in  a  random  mixture.  Lastly,  there  is  a  community  of  workers  who  have  chosen  to 
isolate  regular  cellulose  polymers  (D.O.P.  10,000  ­15,000)  from  other  wood 
components  and  to  analyze  this  discrete  part  of  the  wood.  The  method  most  often 
employed  in  these  studies  involves  a  strong  nitric  acid  solution  (according  to  Ward 
1946)  to  separate  the  cellulose  from  extra  cellulosic­organic  materials  followed  by  a 
series of washes to neutralize and clean the product. There is little literature to show that 
one  of  the  methods  produces  cellulose  product  superior  (in  purity  or  analytical 
precision) for stable oxygen isotopic analysis (Brendel 2000; Gaudinski 2000; McCaroll 
2004). In the present study I apply a  modified Brendel  method (Brendel 2000, Evans 
and Schrag 2004) for its simplicity, safety, and efficiency (to be discussed later).
10 
Chapter 2: Hypothesis and Theory 
2a. Hypothesis 
The hypothesis I seek to test is as follows:  the ratio of 
18 
O to 
16 
O fixed in the α­ 
cellulose  of  tropical  tree  Pinus  kesiya,  taken  from  Chiang  Dao  Northern  Thailand  is 
entirely dependent on fluctuations in amount of precipitation, both at seasonal as well as 
at  interannual  time  scales.  The  null  hypothesis  is  that, the  oxygen  isotope  ratio  of α­ 
cellulose in this tree is controlled by origin of precipitation due to competing monsoonal 
circulation  cells  shown  to  have  distinct  isotopic  signatures  (Aggarwal  2004).  The 
variability expressed through δ 
18 
O α­cellulose is a function of changes in the amount of 
rainfall  both  from  the  beginning  of  the  rainy  season  to  its  termination  as  well  as  the 
interannual variability, rather than as a result of the recognizable signals documented in 
monsoon circulation cells recently by stable isotopists studying fractionation in rainfall. 
In  order  to  test  this  hypothesis  it  will  be  necessary  to  analyze  a  long  period  of 
continuous core material for its δ 
18 
O and compare it to known instrumental precipitation 
data. The data will be worked up in three ways: (1) using color identification of samples 
within the ring as an age model; (2), tuning that age model using the isotopic results the 
most positive isotopic value will be accepted as the beginning of the rainy season; and 
(3), the data will be further tuned using the peak of the rainy season to identify the most 
depleted  isotopic  value  (these  models  will  be  explained  in  more  depth  in  the  results 
section). The isotopic record will also be compared to the instrumental records for total 
monsoonal rainfall in order to observe inter­annual trends. 
Unfortunately there  is  no  literature documenting the precise  movements of the 
major circulation cells over the Southern Asian continent­ the oceanic monsoon trough
11 
(OMT), trade wind trough (TWT) and the continental monsoon trough (CMT)­ through 
time, therefore the null hypothesis will be compared to known atmospheric circulation 
phenomena  and  anomalies  (for  which  there  is  data)  through  time.  Results  will  be 
interpreted from observations of how the isotopic record varies according to what one 
might  expect  from  the  knowledge  of  the  atmospheric  circulation.  For  example,  under 
the Poussart, Evans and Schrag theory (hereafter referred to as PESt), during strong El 
Nino  events  the  rainy  season  isotopic  excursions  should  be  highly  damped  or 
completely  absent.  Further,  any  “amount  effect”  relationship  would  be  altered 
systematically but still present. Whereas under the Asian circulation monsoonal theory 
(hereafter  referred  to  as  ACMt),  one  may  expect  El  Nino  events  to  shift  the  normal 
positions  of  circulations  systems,  yielding  a  different  source  of  precipitation  and  a 
different isotopic behavior altogether. 
It may be that changes in the pressure and temperature systems which define the 
Pacific  Decadal  Oscillation  (PDO),  Southern  Ocean  Index  (SOI),  El  Niño  Index,  and 
Indian Ocean Dipole (IOD) may impose influences on the atmospheric dynamics across 
Southeast Asia that can alter the source of precipitation that falls on Chiang Dao. This is 
because  it  sits  at  the  boundary  of  several  large­scale  atmospheric  cells  (Araguas­ 
Araguas  1998;  Aggarwal 2004).  Therefore,  the  premise  of  this  study  is  to  show  how 
much oxygen isotope variability, expressed in the α­cellulose component of wood, can 
be tied to “amount effects;” any residual variability may reflect changes in atmospheric 
circulation patterns or previously overlooked biological factors. 
In the tropical regions, summer­time precipitation is associated with the highest 
rainfall (Figure 1; Peterson and Vose 1997; Evans and Schrag 2004). There are
12 
Figure 1: Seasonal precipitation vs. latitude 
Amplitude of the seasonal precipitation cycle as a function of latitude. This data was 
taken from stations having at least 30 years of monthly observations. Taken from 
Peterson and Vose (1997); Evans and Schrag (2004). The largest amplitude signals 
come from the terrestrial tropics.
13 
relatively  small  temperature  fluctuations  between  summer  and  winter  (Evans  and 
Schrag 2004). This observation has been used to argue that the oxygen isotopic value of 
the  precipitation  is  dominated  by  changes  in  rainfall  amount  (the  “amount  effect”) 
rather than changes in temperature (as seen in precipitation at higher latitudes) (Roden 
et al 2000; Barbour et al 2004; Evans and Schrag 2004; Tsuji et al 2006). This is indeed 
what  Michael Evans, Pascale Poussart and Dan  Schrag proposed  in a  recent series of 
papers (Evans and Schrag, 2004; Poussart et al, 2004; Poussart and Schrag 2005; Evans 
et  al  2006).  In  several  low  latitude  locations  in  both  the  northern  and  southern 
hemisphere, and also mid­latitude northern hemisphere, they interpreted δ 
18 
O values in 
α­cellulose  as  being  an  expression  of  the  isotopic  fractionation  arising  from  H
2 
18 
O 
condensation during precipitation. Their research sites consist of Peru, Costa Rica, the 
continental United States, Indonesia and Thailand, implying that the same results may 
be observed over a wide range of climates from tropical rainforest to warm­temperate 
areas  (Evans  and  Schrag  2004,  Poussart  et  al  2004,  Poussart  and  Schrag  2005).  The 
greater the amount of rain the greater proportion of light isotopic H
2 
16 
O condensed from 
atmospheric  vapor. Hence, the highest rainfall amounts are associated with the  lowest 
δ 
18 
O  values  in  a­cellulose.  Heavy  amounts  of  rain  in  this  region  are  usually  due  to 
moisture from walker circulation and monsoonal rain caused by the thermal temperature 
gradient between the ocean and the land. 
In the rainy summer  months  most of the tree cellulose  is  laid down  so that  an 
isotope stratigraphy from a tropical tree  is  weighted towards the wet season. There  is 
some isotopic enrichment at the leaf­air interface due to diffusion of isotopically light 
water vapor, particularly in the dry winter months (Figure 2; from Evans and Schrag,
14 
Figure 2: Qualitative Isotopic Schematic 
A simple qualitative model created by Evans and Schrag (2004) from their isotope data 
and the model proposed by Roden et al 2000. δ 
18 
O α­cellulose values are hypothesized 
to be a function of both evapotranspirative enrichments and the amount effect through 
the course of a year.
15 
2004). However, the authors do not address the possibility that  their 2­4‰ variability 
could also reflect the influence of changing regional water source patterns or monsoonal 
circulation cells that can vary in strength and location interannually and intra­annually. 
The qualitative  model also  implies a  large seasonal  bias (expressed  mathematically  in 
the numerical model to be discussed later). 
Within the stable  isotope dendroclimatology community the Evans and Schrag 
model  is  gaining  acceptance.  However,  stable  isotopists  looking  at  and  modeling  the 
oxygen isotope composition of precipitation over Asia, have documented isotope values 
that are unique to the source of Asian  monsoonal circulation cells,  not from a  simple 
physical  condensation  (“amount  effect”)  alone  as  expressed  in  the  cellulose  model 
(Figure  3;  Aggarwal  2004;  Araguas­Araguas  2004).  This  presents  a  significant 
complication to the effort to use the cellulose δ 
18 
O values as direct measure of rainfall 
amount variations. It is not clear to what extent the oxygen isotope ratios in α­cellulose 
will reflect changes due to source water variations and to what extent they will represent 
an “amount effect”. 
This  study  will  address  both  possibilities.  After  preliminary  observations  are 
made,  data  will  be  tested  against  each  theory.  The  mechanism  responsible  for  the 
variability of oxygen isotopes in precipitation and subsequently preserved in cellulose is 
the key to our ability and  limitations to interpret cellulose results,  monsoon  intensity, 
and to apply these interpretations to El Niño history and to further calibrate models.
16 
Figure 3: Isotopic circulation patterns 
The circulation patterns over Asia and the δ 
18 
O signatures of the precipitation in the 
Oceanic monsoon trough (OMT), Continental monsoon trough (CMT) and the trade 
wind trough (TWT). Taken from Aggarwal (2004).
17 
2b. Tree Cellulose Model 
The  pathway  by  which  cellulose  is  synthesized  and  the  possible  sources  of 
oxygen  isotopic  fractionation  are  complex,  but  can  be  simplified  by  separating  a  tree 
into  its  sub­systems.  Although  the  oxygen  in  cellulose  ultimately  comes  from 
precipitation,  the  δ 
18 
O  of  cellulose  (or  wood)  is  very  different  from  the  δ 
18 
O  of 
precipitation,  indicating  that  a  tree  does  not  passively  collect  and  store  oxygen,  but 
rather  acts  to  fractionate  or,  exchange  oxygen  isotopes,  likely  responding  to 
environmental  factors  (DeNiro,  1979;  McCaroll  et  al  2004).  It  has  been  shown  that 
while oxygen is also present in CO
2 
and O
2, 
it is only the oxygen in H
2
O that affects the 
δ 
18 
O of the α­cellulose (DeNiro 1979; Yakir 1981). 
A deciduous tree (one that loses its leaves in the dry season) may be thought of 
as  a  combination  of  three  communicating  systems;  the  roots,  the  cambium,  and  the 
crown. Water is  introduced to the tree via the roots system. In the case of  many pine 
species this comes by way of a system of lateral roots and one tap root. The source of 
cambial  water  is  mostly  from  the  lateral  roots  system,  while  the  tap  root  primarily 
provides  stability  (Evans  and  Schrag  2004;  McCaroll  and  Loader  2004).  There  is  no 
oxygen  fractionation  during  water  uptake  (Wershaw  et  al  1966;  DeNiro  1979;  Libby 
1976;  McCaroll  2004;  Evans  and  Schrag  2004).  There  is  speculation  as  to  whether 
evapotranspiration  takes  place  within  the  soil  creating  a  fractionation  which  is 
dependent  on  root  depth  and  tree  maturity.  However,  the  work  done  to  monitor  this 
effect has shown depth to play a minor factor only in trees which utilize a good portion 
of water from deep lateral roots and in locations of low rainfall (Dawson 1993; Dawson 
and Pate 1996; Buhay and Edwards 1995; Tang and Feng 2001). Therefore, as long as
18 
the taproot does not draw water from a deep underground aquifer, the water absorbed is 
from  atmospheric  precipitation  (Evans  and  Schrag  2004).  Studies  assume  percolation 
time  is  negligible  (Buhay  and  Edwards  1995).  Water  is  carried  up  the  cambium  via 
capillary action and a pressure gradient described by:
h
p
8 
4 
r  P 
Jv
D
=  (Equation 1) 
Where J
v, 
is the velocity of water, P is the pressure, r is the radius of the capillary tube, 
and η  is the relative  viscosity (taken from Hopkins and Huner, 2003). The gradient is 
created  in  large  part  by  the  evaporation  of  water  at the  leaf  surface,  creating  positive 
pressure  at  the  roots.  Water  makes  its  way  up  the  cambium,  eventually  reaching  the 
crown  and  leafs.    The  water  in  the  leaf  is  used  along  with  carbon  from  CO
2 
in  the 
atmosphere  during  photosynthesis  to  make  sucrose  (glucose  is  not  made  at  this  step; 
were  it  made  here  it  would  be  absorbed  in  the  branches  of  the  crown  system  before 
reaching the cambium), a simple sugar (DeNiro 1979; Yakir and DeNiro, 1981; Hill et 
al 1995; McCaroll and Loader 2004). The isotopic composition of the sucrose reflects 
that of the leaf water, with 27‰ enrichment due to exchange between organic carbonyl 
oxygen and water oxygen (Sternberg 1986; DeNiro 1979; McCaroll and Loader 2004). 
As sugars are carried down the trunk they come into contact with the xylem water and 
undergo an exchange (Roden et al 2000; Anderson et al 2002; Barbour et. al 2004). This 
occurs when the sucrose is cleaved into its monomer glucan units. These form hexose 
phosphates,  from  which  20%  of  the  oxygen  exchanges  with  xylem  water.  To  further 
complicate  the  picture,  a  small  portion  of  the  hexose  phosphate  does  not  undergo 
immediate conversion into cellulose, but rather breaks down to an intermediate “triose­
19 
phosphate,” which remains available for further exchange (Hill et al 1995; Barbour and 
Farquhar 2000; Roden et al 2000; Evans and Schrag 2004; McCaroll and Loader 2004). 
The  second  source  of  fractionation  is  physical  rather  then  biochemical  and 
occurs via evapotranspirative effects at the leaf­atmosphere boundary. Trees are capable 
of transpiring tremendous amounts of water. A large tree may transpire over 200 liters 
of  water  an  hour  (Hopkins  and  Huner,  2003).  This  amount  is  dependent  on  stomatal 
conductance  and  relative  humidity  (Roden  et  al  2000;  McCaroll  2004).  As  water 
evaporates at the leaf­atmosphere  interface­creating the pressure gradient­ isotopically 
light oxygen preferentially transfers into the vapor phase, enriching the residual liquid 
phase with the heavy oxygen. This may cause up to 20‰ enrichment above the source 
water (Saurer et al 1998 a & b). The isotopic ratio imprinted on the tree ring is a balance 
between  the  enrichments  due  to  sucrose  synthesis  and  evapotranspiration,  and  the 
dampening by way of exchange with the xylem water. 
2c. A Tropical Tree Model 
Annual  tree­rings  from  the  northern  hemisphere  mid­latitudes  are  traditionally 
defined as having two visibly distinct sections; earlywood and latewood. The distinction 
is  based  on  color  and  density.  In  softwood  conifers,  such  as  pines,  the  early­wood  is 
made up of less dense large cells of light color, whereas late wood is much darker and is 
composed of smaller cells more tightly packed, creating a denser wood. The change in 
physiology arises due to external stresses. During peak growing season, the tree freely 
produces  cellulose  and  cambial  cells.  As  the  rains  stop  and  the  tree  becomes  more 
stressed,  less  wood  is  produced,  possibly  analogous  to  the  tree  rationing  its
20 
photosynthate.  Classically  a  ring  can  be  thought  of  as  spanning  a  year.  However,  the 
boundary  may  not  be  a  sharp  line  since  trees  are  known  to  store  photosynthate 
(McCaroll  and  Loader  2004).  Thus,  it  is  possible  for  a  tree  to  grow  with  stored 
photosynthate which does not represent current source water conditions, but rather the 
source water of the previous  year. This usually takes place at the earliest parts of the 
growing  season  or  when  the  tree  is  most  stressed  (McCaroll  and  Loader  2004).  This 
traditional ring identification system has been applied to pines for a long time. 
However,  tropical  pine  trees  have  always  presented  dendrologists  with  a 
problem.  Trees  which  experience  high  amounts  of  rainfall  annually  do  not  lay  down 
earlywood and latewood with a clearly defined boundary. Rather there is a “gradient” 
between early and latewood, due to the relatively small amount of stress placed on the 
tree annually. This makes tropical growth models based on cellulose color and density 
difficult to construct. It is visually unclear how much of an annual ring was synthesized 
during the peak growing season and how much formed during the terminal end of the 
rainy season or during the dry season  from  stored photosynthate. Studies  have shown 
tropical tree growth to be highly variable, with some tropical trees experiencing 90% of 
their growth during the peak two weeks of the rainy season, while others grow equally 
through  virtually  the  entire  rainy  season  (Bullock  et  al  2003).  The  only  way  to  get 
precise  measurement  of  cambial  growth  through  time  is  through direct  attachment  of 
dendro­graphs  to the  trees  in  question.  For this  reason,  this  study  has  adopted  a  new 
method for describing a sample position in the ring, based on the relative color of the 
sample.  This  method  will  allow  for  a  consistent  analysis  for  all  rings  regardless  of 
thickness or abnormal growth patterns.
21 
2d. Isotope Theory 
Due to the difficulty in precisely measuring the absolute isotopic composition of 
16 
O to 
18 
O in cellulose, ratios are presented in δ (delta), notation in relation to a standard 
or, Δ, in relation to source material. All values here are reported in relation to Vienna­ 
Standard Mean Oceanic Water (v­SMOW). Isotopic compositions are expressed as: 
1000  1 
standard
× ÷
ø
ö
ç
è
æ
- = 
R 
Rsample
d  (Equation 2) 
Where  “R
sample
”  and  “R
standard
”  are  the 
18 
O/ 
16 
O  ratios  of  the  given  material  and  the 
standard  respectively.  Using  this  nomenclature, the  first  simple  model  connecting  the 
enrichment  in  an  open  water  system  to  fractionation that  takes  place  during  diffusion 
and  the  liquid­vapor  phase  change  was  developed  by  Craig  and  Gordon  (Craig  and 
Gordon 1965). Years later, the model was extrapolated to describe leaf boundary effects 
and diffusion of H
2
O through stomata:
ú
û
ù
ê
ë
é
÷
ø
ö
ç
è
æ
+ ÷
ø
ö
ç
è
æ -
+ ÷
ø
ö
ç
è
æ -
= 
i 
a 
a 
i 
a  s 
wx  kb 
i 
e  i 
wx  k 
e 
e 
e 
e  e 
e 
e  e 
R  R  R  *  Rwl a a a  (Equation 3) 
where R
wl 
is the 
18 
O/ 
16 
O ratio in the  leaf  water, R
wx 
is the 
18 
O/ 
16 
O ratio  in the  xylem 
water,  R
a 
is  the 
18 
O/ 
16 
O  ratio  in  the  atmosphere,  α*  is  the  liquid­gas  fractionation 
factor, α
k 
is the kinetic fractionation factor (associated with diffusion through air), α
kb 
is 
the fractionation associated with diffusion through the atmosphere­leaf boundary layer, 
e
i 
is the intercellular vapor pressure, e
s 
is the water vapor pressure at the leaf surface, 
and e
a 
is water vapor pressure in the atmosphere (Craig and Gordon 1965; Farquhar et 
al 1989; Flanagan et al 1991; Roden et al 2000). This  equation simply  states that the 
18 
O/ 
16 
O ratio in leaf water is a function of the sum of the products of involved pressures
22 
with  their  respective  fractionation  factors,  analogous  to  an  isotopic  mass  balance. 
However, this description of leaf water enrichment is confusing as written with respect 
to  an  isotopic  standard.  Recently,  Barbour  et  al  (2004)  and  Evans  et  al  (2004)  have 
expressed  the  same  leaf  water  enrichment  model,  in  terms  of  the  source  water  ratio 
(Barbour et al 2002; Barbour et al 2004; Evans and Schrag 2004, Evans et al 2006):
( ) ( )
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ -
þ
ý
ü
î
í
ì
-
ú
û
ù
ê
ë
é
- D + + + = D
-
r
a a a
r 
e 
e 
e 
i 
s 
k  wva  k  wl 
1 
1  1  *  1  (Equation 4) 
Where αk and α* are the temperature dependent kinetic and  equilibrium  fractionation 
factors, and Δwva is the isotopic composition of atmospheric water vapor. This model 
also accounts for the so called “back­diffusion” or mixing of un­evaporated stem water 
where, “ρ” is the dimensionless Peclet number defined as: 
cD 
lE
= r  (Equation 5) 
Where  l  is  the  path  length,  E  is  the  evaporation  rate  (g/cm 
2 
­sec),  c  is  the  density  of 
water, and D is the diffusivity of H
2 
18 
O in water (this model is available for download 
from  ftp://ecophys.biology.utah.edu/tree_ring/). An understanding of  isotopic  behavior 
in the leaf and xylem has allowed calibration of models designed to evaluate the oxygen 
isotope composition of α­cellulose from regions with recorded climate data. The most 
popular method to model oxygen isotopes in tree ring cellulose was developed by John 
Roden (Roden 1999; Roden et al 2000; Evans and Schrag 2004): 
δ 
18 
O
cx 
= f
o 
(δ 
18 
O
wx 
+ ε
o
) + (1 – f
o
) (δ 
18 
O
wl 
+ ε
o
)  (Equation 6) 
Where δ 
18 
O
cx
, is the oxygen isotope composition of the tree­ring cellulose, δ 
18 
O
wx 
is the 
isotopic composition of the xylem water, δ 
18 
O
wl 
is the isotopic composition of the leaf
23 
water, ε
o 
is  the  isotopic  fractionation  factor  for the  enzymatic  assimilation  of  oxygen 
into  cellulose  and  f
o 
is  a  dimensionless  constant  which  estimates  the  proportion  of 
exchange  between  cellulose  and  leaf  water.  ε
o 
has  been  estimated  to  be  +  27‰ 
(Sternberg 1989; Yakir and DeNiro 1983; Roden 2000) and “f
o
” has been estimated to 
be ~0.42 (Roden et al 2000). This model, however, is a balance between two terms; the 
rainy  season  “amount  effect”  depletion  and  a  winter  enrichment  driven  by 
evapotranspiration.  The  model  is  calibrated  around  data  sets  where  the  variability  is 
thought  to  follow  the  qualitative  PESt  model  (Figure  2)  which  suggests  a  heavy 
seasonal  bias,  and  therefore,  this  seasonal  bias  is  implied  in  the  model.  This 
relationship, (equation 6) is expressed qualitatively in figure 2. In this conceptual model 
there  is  a  significant  bias  toward  the  amount  of  precipitation  received  through  the 
effects  of  precipitation  and  evaporation  and  it  does  not  account  for  shifts  in  storm 
source  water.  The  δ 
18 
O  of  tropical  precipitation  is  explained  simply  as  the  “amount 
effect” whereby precipitation preferentially rains out the heavier isotope, leaving further 
precipitation  isotopically  depleted  (Gat,  1996; Evans  and  Schrag,  2004). Therefore  as 
the  rainy  season  continues  the  δ 
18 
O  values  of  water  taken  up  by  the  roots  becomes 
increasingly  enriched  in 
16 
O.  Along  with  high  humidity  (which  reduces  leaf  water 
evaporation), the “f
o 
(δ 
18 
O
wx 
+ ε
o
)” term of equation 6 becomes the dominant term. As 
the wet season gives way to the dry season, the humidity decreases, increasing the rate 
of evaporation at the leaf­air interface, and thereby increasing the preferential removal 
of the light isotope, leaving the subsequent leaf water enriched in the heavy isotope and 
allowing  the  second  term  in  equation  6  to  the  be  the  dominant  forcing.  These 
relationships  have  been  used  to  empirically  develop  dendo­chronometers,  as  well  as
24 
indications of the strength of El Niño events and total precipitation in areas dominated 
by  the  Asian  monsoon.  Although  little  has  been  done  to  calibrate  the  model  against 
records with high isotopic variability, these results rely on the assumption that δ 
18 
O of 
precipitation is driven largely by seasonally controlled factors and is consistent between 
species and sample sites which may be too broad an umbrella to work under. 
Chapter 3: Methods 
The  record  necessary  to  test  my  hypothesis  must  be  sampled  at  sub­annual 
resolution  to  observe  intra­annual  trends  and  structure.  This  is  an  accomplishment 
which  has  only  recently  become  possible  because  of  the  ability  to  sample  and 
isotopically analyze small, sub­annual cellulose samples. It is now possible to precisely 
analyze  samples  of  <0.3mg  of  cellulose  on  an  isotope  ratio  mass  spectrometer. 
Traditional wood core sampling via a hand razor often yields only a single sample per 
ring;  at best two samples per ring, one  from early­wood and one  from the  late wood. 
Using a microtome it is possible to obtain between 4 and 12 samples per tropical tree­ 
ring  (depending  on  the  thickness  of  the  ring  and  the  thickness  of  the  core  taken). 
Methods used in this study (modified Brendel method; Brendel et al. 2000; Evans et al. 
2004)  are  identical  to  those  used  in  other  studies  which  report  data  at  sub­annual 
resolution;  therefore  results  may  be  treated  as  equivalent,  and  conclusions  may  be 
attributed solely to the mechanistic pathway of fractionation, rather than differences in 
analytical or chemical pathways. 
For this experiment it is was necessary to develop an effective method to sample 
material  in  a  way  that  would  identify  the  sub­annual  color  characteristics  of  the  tree
25 
wood  in  order  to  analyze  results  in  portions  of  trees  which  are  typically  avoided  by 
tropical dendroclimatoligists due to their unusual intra­ring density behavior. 
3a. Sampling: Chiang Dao, Northern Thailand (19˚37’ N, 98˚58’ E). 
Pinus kesiya (living) were identified and sampled from a 2 km 
2 
grove in Chiang 
Dao (Figure 4)  by  Brendan Buckley of Lamont  Doherty Tree  Ring Laboratory in the 
summer  of  2001.  Chiang  Dao  is  located  in  the  northern  portion  of  Thailand 
(approximately  60  miles  north  of  Chiang  Mai,  a  site  of  previous  oxygen  isotope 
cellulose  work  by  Poussart  and  Schrag  2004),  and  experiences  a  complex  annual 
weather cycle dominated by the Asian monsoons. The monsoon manifests itself in three 
distinct  seasons:  a  wet  hot  season  from  May  to  September,  a  cool  dry  winter  from 
October  to  February,  and  warm  spring  from  February  to  May  (Poussart,  Evans,  and 
Schrag 2004). The monthly rainfall varies throughout the year from around 1800mm in 
the peak of the summer rains to 0mm in the dry winter (January). Mean temperatures 
also show a smooth transition between the seasons from around 23˚C in the winter to 
~28˚C  in  the  summer.  Extracted  core  material  extended  through  the  entire  life  of  the 
tree  2000­1929  (known  from  observing  tree  pith  from  cores).  Pinus  Krempfii  was 
chosen  in  part  because  it  lays  down  annual  ring  structures.  All  collected  tree  cores 
showed clear annual ring structures. However, the color/density gradients within rings 
make the late/early wood distinction (optically) problematic.
26 
Figure 4: Chiang Dao, Thailand 
Chiang Dao, Thailand (19.22N, 98.58E). Approximately 60 kilometers north the Chiang 
Mai (Modified from: http://geography.about.com/library/blank/thailand.jpg). 
3b. Micro­sampling technique 
Samples  were  extracted  from  the  tree  via  a  16  inch  Hagloft  5mm  increment 
borer. Tree cores were glued  into wood sample channels  for ring age  model analysis. 
Brendan Buckley of Lamont Doherty Tree Ring Laboratory, using ring width data from 
a suite of cores within the same grove, provided an age model spanning the entire length 
of the core, accurate to one year. Core DCK 06a was selected for isotopic analysis due 
to its well annually occurring ring structures; showing no evidence of false or missing 
rings. Upon receiving the core sample  it was removed from the wooden channel. The 
raw core material was placed in an Optical American 820 Rotary Microtome positioned 
under a compound  microscope so that the  level of the  microtome  blade was  in  focus. 
Microtome  slices  were  taken  at  consecutive  30  μm  intervals,  using  Surgipath  high 
profile  Teflon  coated  surgical  microtome  blades.  Blades  were  repositioned  every  60
27 
samples to avoid problems from dull blades (dull blades do not yield uniform slices of 
wood).  Samples  are  labeled  according  to  their  relative  “color.”  Three  categories  are 
defined: “W
o
” is the lightest color wood (the wood of least density) in the entire annual 
ring, appearing immediately after the latewood from the previous growing season. “W
1
­ 
W
n
”  is  described  as  the  gradient  wood  which  is  also  light  in  color  but  becomes 
progressively less “light” (and denser) as it approaches the late wood. This is necessary 
as there is an unclear latewood­earlywood boundary.  “D” is designated as the darkest 
wood  in  the  ring  and  the  clear  late  wood  (also  the  densest  wood  in  the  ring).  The 
boundary between the latewood and the beginning of the early wood for the following 
season is usually clear and abrupt. However, due to the non­planar tree ring boundary 
between “D” and “W” there is a small amount of overlap between these samples. This 
overlap is designated at “M” or a sample mixed with both dark wood from the previous 
year and white wood from the  following  year. Every three slices  are combined  into a 
single sample for processing. Interval size, dependent entirely on the minimum weight 
required  for  analysis,  is  calculated  by  the  inequality:  %Y*TW≥0.25μg;  (where 
“TW”=total  pre­extracted  weight,  “%Y”  =  expected  yield),  and  the  thickness  of  the 
microtome slices (slices thinner then 30 μm did not produce consistent sample sizes). 
3c. Alpha­cellulose preparation 
Unfortunately the term “alpha cellulose” (α­cellulose) is not well defined in the 
stable isotope dendrology literature. In the present study α­cellulose is considered to be 
defined chemically as  by Ward (1946): a polymer of glucan (glucose)  monomer units 
beta  linked  at the  1­4 oxygen­carbon,  usually  with  degree of  polymerization  (D.O.P.)
28 
between  10  and  15  x10 
3 
.  Extraction  methods  for  extracting  this  glucan  monomer 
involve separating the α­cellulose from other lignins, cyclic esters, epoxides, resins and 
cellulose  chains  with  a  significantly  lower  D.O.P.  (<  10x10 
3 
)  all  of  which  may  have 
potentially  different  biochemical  synthesis  factors  influencing  their  δ 
18 
O  fractionation 
and exchange (McCaroll 2004, Evans 2004). There are several published  methods  for 
purification.  For this  study  we use  a  modified  Brendel  method  (Brendel  2000,  Evans 
2004) which allows for rapid sample processing without using carcinogenic materials. 
Raw wood material is placed into clear 2 ml micro­centrifuge tubes. To the samples a 
mixture of concentrated nitric acid and glacial acetic acid is added (1:10). The samples 
are  capped  and  heated  in  a  sand  bath  at  130ºC  for  30  minutes.  Samples  are  then 
vortexed for 3 minutes. 400μl of pure ethanol is added to quench the reaction. Solution 
is  removed  and  200μl  of  DI  water  is  added.  Samples  are  centrifuged  for  30  minutes. 
Supernatant is removed, 400μl of pure ethanol is added, and samples are centrifuged for 
15  minutes. Supernatant  is removed and the sample  is washed and centrifuged a  final 
time with acetone to remove any  final organics.  Acetone  is removed and samples are 
placed in a 70˚C oven for 12 hours. Final yields range from 45% to 65%. These values 
are consistent both with the fraction of alpha­cellulose in whole wood and the results of 
Brendel (2000) and Evans et al. (2004). The finished product is observed to be a white 
fibrous, “cotton­like” mass with no odor. This product is also consistent with previous 
experiments (Brendel et al, 2000; Evans and Schrag, 2004).
29 
3d.  Isotopic  analysis:  pyrolysis,  elemental  analysis  and  isotope­ratio  mass 
spectrometry. 
Once dry, 200 –250 µg of pure α­cellulose was placed in Costech silver capsules 
(5mm  x  9mm)  and  compressed  with  mid­range  forceps  to  remove  any  atmosphere 
(comparisons  of  oxygen  fractionations  to  beam  height  show  minimal  analytical 
fractionation between 6­9 na. However, samples which do not produce beam heights in 
the optimum range tend to show enrichment). Silver capsules are loaded into an auto­ 
sampler  capable  of  50  consecutive  analyses  per  run.  The  samples  are  pyrolysied  in  a 
Carlo Erba Elemental Analyzer (EA) at 1050˚C in a quartz reaction column packed with 
a  combination  of  nickel  wool  and  carbon­nickel  wool  over  quartz  turnings.  The 
pyrolysis  is  thought  to  proceed  as  described  by  Shafizadeh  (Shafizadeh  1973).  At 
temperatures above 1000 ˚C, it is unlikely kinetic effects cause a significant change to 
the  chemistry.  The  major  products  of  the  pyrolysis  are  di­hydrogen  gas  and  carbon 
monoxide. The carbon monoxide is measured on a continuous flow Micro­Mass Isotope 
Ratio  Mass  Spectrometer  (coupled  to  the  EA).  The  system  is  constantly  purged  with 
ultra­high  purity  helium  and  samples  are  measured  relative  to  an  ultra­high  purity 
carbon monoxide gas. Sample measurements are adjusted relative to an inter­laboratory 
standard of granular cellulose power synthesized by J.T. Baker and calibrated by Nick 
Evans at  the  Arizona Tree Ring  Laboratory  and the, Schrag  laboratory at Harvard, as 
28.62  permil  vSMOW  (Evans  and  Schrag  2004).  Reproducibility  of  the  mass 
spectrometer on the Baker standard is 0.3 permil. MassLynx version 3.6i software was 
used to compute δ 
18 
O ratios.
30 
Chapter 4: Results 
4a. Cellulose extraction 
Work  carried  out  by  Gaudinski  (2002)  showed  several 
13 
C  nuclear  magnetic 
resonance  spectra  (NMR)  of  α­cellulose  products  produced  from  different  chemical 
processing methods (Figure 5): Jayme­Wise, modified Jayme­Wise, Brendel, modified 
Brendel and “Water­modified” Brendel (identical to the “modified” Brendel Procedure 
with an added terminal water wash) (Gaudinski et al 2002). The authors concluded, for 
the  purposes  of  δ 
18 
O  analysis,  the  Brendel  method  may  not  remove  all  long  chain 
alkanes  and  possibly  cellulose­acetate  byproducts.  However,  NMR  results  show  no 
noticeable “shifts” (peaks) where long chain or short chain alkanes (or alkenes) bearing 
carbonyl,  alcohol  or  ester  groups  would  be  expected;  ~0.8ppm,  ~5.0ppm  (Pavia  et  al 
2001; p 122). Further distinguishing between long chain polymers of similar chemical 
composition is not a simple feat and is almost always accompanied with other analytical 
methods. Their proposed solution was an extra sodium hydroxide wash (NaOH, prior to 
the  first  water  wash).  Although,  with  no  oxygen  bearing  long  chain  alkanes  present, 
there  is  nothing  with  which  cellulose  oxygen  can  exchange.  Further,  the  authors 
suggested the appearance of the product of the Jayme­Wise method to be a cottonous, 
fibrous product. However, this may in fact be a premature conclusion; there is a bleach 
step carried out in the first section of this method which may guarantee a white fibrous 
product, regardless of chemical composition. The formation of cellulose­acetate is most 
likely  negligible  due  the  steric  and  torsional  hindrance  acetate  groups  would  cause; 
furthermore, such a product would be washed away in the terminal acetone wash.
31 
Figure 5: 
13 
C NMR Specrtra of Cellulose Products 
13 
C NMR analysis of cellulose prepared under several different methods (No 
18 
O 
analysis is available because of nuclear spin). Modified Brendel method appears nearly 
identical to the cellulose standard. Taken from Gaudinski et al (2002).
32 
Several individual samples were chosen at random intervals throughout the core 
and  divided  into  duplicate  samples  for  a  test  of  reproducibility  of  chemical  and 
analytical  techniques.  These  duplicate  samples  were  processed  identically  to  all  other 
samples.  Reproducibility  of  the  duplicate  pine  samples  is  well  within  the  internal 
reproducibility  of  the  inter­laboratory  standard  and  within  the  analytical  error  of  the 
mass spectrometer. Table 3 shows several duplicate samples as well as their respective 
δ 
18 
O  value  and  the  difference  between  δ 
18 
O  values  of  the  duplicates.  On  average  it 
seems the duplicate samples are within 0.20‰ of each other. 
4b. Pinus kesiya 
δ 
18 
O  analysis  of  the  α­cellulose  from  core  DCK  06a  yielded  a  55  year 
continuous record (from 1945 through 2000) showing both sub­annual and sub­decadal 
variability.  Figure  6  shows  the  raw  data  though  time  using  the  color  designated 
sampling  system  and  the  age  model  developed  by  Brendan  Buckley.  Variations 
throughout  the  record  are  between  27‰  and  16‰  (this  magnitude  is  consistent  with 
other  sub­annual  studies,  Evans  and  Schrag  2004;  Poussart  et  al  2004;  Poussart  and 
Schrag 2005; Tsuji et al 2006). 
Although there is up to 10‰ variability over the span of the entire record, within 
the same “color,” all samples exhibit similar standard deviation when averaged over the 
entire  record.  The  average  sub­annual  variability  is  on  the  order  of  2‰  (Figure  7a). 
Isotopic variability of this amount agrees with the variability
33 
Table 3: Duplicate Analysis 
Sample 
Location 
δ 
18 
O 
α­cellulose (‰) 
Standard 
Deviation 
1946 W2  a) 22.51 
b) 22.58 
0.049 
1947 W1  a) 19.82 
b) 19.87 
0.035 
1947 W4  a) 25.62 
b) 25.41  0.148 
1948 D1  a) 25.28 
b) 25.42 
0.099 
1949­1948 M1  a) 22.73 
b) 22.85 
0.084 
1951 W2  a) 21.01 
b) 21.15 
0.099 
1957 W3  a) 21.93 
b) 21.87 
0.042 
1960 W3  a) 22.41 
b) 22.66 
0.17 
1967 W5  a) 17.92 
b) 18.01 
0.063 
1971 W1  a) 21.82 
b) 22.01 
0.134 
1972­1971 M1  a) 23.96 
b) 23.79 
0.120 
1974 W0  a) 22.39 
b) 22.28 
0.077 
1978 W1  a) 22.62 
b) 22.45 
0.120 
Table 3: Duplicate analysis, including location/color designation within the annual tree 
ring, (DCK 06a) and the standard deviation.
34 
Figure 6: δ 
18 
O record thru time 
DCK 06a δ 
18 
O (vSMOW) of α­cellulose from Thailand tree Pinus kesiya vs. time. Raw 
data, unprocessed. The data is continuous from 1945 through 2000. Data is sampled at 
sub­annual resolution with the number of samples per ring in proportion to the thickness 
of the ring.
35 
Figure 7: Annual (averaged) δ 
18 
O α­cellulose vs. Color; with an example of a 
random annual tree ring. 
B)
a) δ 
18 
O (α­cellulose) from Pinus kesiya data binned according to color and averaged 
over the entire length of the core plotted through one annual ring. This plot shows the 
seasonal signal through the tree’s growing season. (b) A picture of an annual ring from 
a Pinus kesiya tree (picture is not from core DCK 06a and did not provide the data in 
figure 6a) arrows indicate the position of the samples in an annual ring as well as typical 
ring behavior, with an ambiguous early/latewood boundary. 
observed  intrannually  in  published  records  from  tropical  locations;  Poussart  et  al. 
(2004) and Evans and Schrag (2004).
36 
Ring  thicknesses  are  highly  variable  from  year  to  year;  two  consecutive  rings 
rarely yield the same number of samples. For example, years with very thins rings yield 
only 3 or four samples, while very thick rings yield as many as 16 samples. To collect 
average δ 
18 
O values over the entire span of the record the data was binned  into  equal 
numbers of samples per year in order to normalize this “ring­thickness” bias. Each year 
is  described  by  seven  “W”  samples  “W
0
”  indicating  the  sample  of  lightest  color, the 
beginning of the year and onset of the rainy season; followed by six consecutive white 
(these samples may appear darker then W
0
) samples, “W
1
­W
6
” describing the growth of 
the tree through the rainy season; a single “D” sample designated by the darkest densest 
portion of the ring (due to the ambiguity of the early/late wood transition naming more 
than a single dark sample per ring is problematic); and a single “M” sample indicating 
the  transition  from  one  growing  season  to  the  next.  Figure  7b,  shows  a  common 
example of a ring selected at random from a Pinus kesiya tree (not from core DCK 06a). 
Lines are drawn from figure 7a indicating by example where in the stratigraphy of the 
ring each sample represents. 
4b­i. Growth Model 1 
Here,  a  traditional  dendro­calendar  definition  of  a  year  is  adopted.  A  single 
cycle  from  earlywood  through  the  adjacent  latewood  is  considered  a  single  year  or 
growing season. The early wood is produced from the onset of the rainy season through 
the summer months and into early fall. When rain amount decreases in the late fall and 
winter  months  the  late  wood  is  synthesized  as  the  tree  becomes  increasingly  more 
stressed.
37 
The “M” sample represents the boundary between samples of both “dark” wood 
and  white  wood.  However,  this  does  not  make  clear  whether  this  “mixed”  sample  is 
more closely associated with the previous year or the following rainy season. I define 
the  “M”  sample  as  the  final  sample  in  a  year.  This  suggestion  is  supported  by  the 
observation that the average “M” value is very close to that of the nearest “dark” value 
relative  to  the  following  “W
0
”  value  (Figure  7a),  much  closer  then  the  differences 
between consecutive gradient samples, the difference between gradient and dark and the 
difference between mix and white samples. This  suggests a tree may  call upon stored 
photosynthate  created  from  water  from  the  earlier  part  of  the  year  to  create  the  first 
layers of cellulose for the next growth season (McCaroll and Loader 2004). 
The distribution in figure 7a also shows the “W
0
” sample is most similar to the 
next adjacent white samples (rather then the “mix” sample). Due to the presence of rain 
(on average) throughout the year, results have been interpreted for complete years, with 
little  to  no  discontinuity  resulting  from  absence  of  water  for  long  periods  of  time 
(normally not longer then one month). 
The  annual  record  of  precipitation  is  used  as  a  primary  input  to  of  the  intra­ 
annual growth model (Thailand meteorological society). The amount of precipitation at 
Chiang Dao reaches a peak (on average) around July and August (Figure 8a). Figures 
8b  and  8c  show  the  corresponding  average  annual  humidity  and  average  annual 
temperature distributions. Precipitation exhibits far more variability than does humidity 
or temperature. Both humidity  and temperature exhibit  seasonal cycles. The  humidity 
data,  however,  does  not  exhibit  the  same  seasonal  behavior  as  precipitation  with  its 
lowest point in March and its highest point only a few months after in August. This
38 
Figure 8: Environmental data (annual averages) 
A)
B)
C) 
a) Binned average of precipitation amount  (in mm) as a function of month. b) Binned 
average of relative humidity data (%) as a function of month. c) Binned temperature 
data (˚C) as a function of the  month for an entire year. (All data is from the Thailand 
Meteorological Society)
39 
seasonal  behavior  does  not  match  the  behavior  of  the  isotopic  annual  average (figure 
8a).  Furthermore,  the  relationship  between  humidity  and  leaf  water  enrichment 
described in Barbour (2004) suggests the surface area of the leaf plays a large role in the 
affect humidity may have on the final δ 
18 
O composition of the resulting cellulose. Pinus 
kesiya,  however,  has  long  slender  “needles”  with  relatively  small  surface  areas  as  its 
leaves.  This  suggests  that  the  evapotranspirative  enrichment  due  to  fluctuations  in 
humidity would not significantly alter the δ 
18 
O of the α­cellulose. 
There are three possible patterns of tree growth that would be anticipated for a 
seasonal  cycle  in  this  location.  In  figure  9  the  red,  blue  and  green  lines  depict,  how 
growth may occur over the course of a calendar year. The red line indicates most of the 
growth occurring  during  the  middle  of  the  year,  the  blue  line  shows  a  bias  toward  a 
larger percent of the trees total growth taking place between spring and early fall when 
Chiang Dao usually receives most of its rainfall. The green line shows the most growth 
occurring  near  the  end  of  the  rainy  season  as  the  amount  of  rain  decreases.  A 
comparison  of  annual  average  rainfall  amount  data  and  the  annual  average  δ 
18 
O  of 
cellulose would suggest that  the largest depletion are in the middle of the calendar year 
associated  with  the  peak  of  the  rainy  season,  which  suggests  the  majority  of  cambial 
growth may take place during the rainy season. There are four “white” samples between 
the  most  enriched  “W
1
”  and  the  most  depleted  “W
4
”  sample  (these  white  samples 
represent a binned average of all data in order to normalize the number of samples per 
year) indicating a slight shift toward the first half of the year. The precipitation data is 
recorded  monthly;  continuously  from  the  present  through  1980  (precipitation  amount 
data was provided by Brendan Buckley and the Thailand meteorological society).
40 
Figure 9: Possible Growth Patterns. 
The  three  possible  patterns  which  a  tree  can  grow  the  red  line  shows  the  majority  of 
growth occurring at the earliest part of the rainy season. The Green line shows a linear 
growth  pattern  and  the  Blue  line  shows  most  of  the  growth  occurring  at  the  terminal 
portion of the rainy season. 
Therefore  the  error  in  the  intra­annual  age  model  is  most  likely  <2  months.  Without 
species  specific dendrometer  measurements this  interpretive schematic  is the  best that 
can be done with this age model. 
4b­ii. Data Treatment: Model 2 
However, there are other treatments which can be applied to the raw age model 
(referred to as “Model 1”) which apply different  definitions to the growth throughout 
the year in contrast to those used by classic dendrology from visual observations. For 
example it may be appropriate to tune the cellulose δ 
18 
O record to the relationship one
41 
would expect from an “amount effect” Using model 1 as a starting point the beginning 
of each year is reassigned from its “W
0
” value to the nearest most isotopically enriched 
value.  This new “start of the year value” is on average ± 2 samples from the designated 
“W
0
” sample. This creates an assumption; the beginning of a year may not always be 
represented  exactly  as  the  onset  of  earlywood.  This  age  model  is  designated  the 
“isotopic age model” or “model 2.” 
4b­iii. Data Treatment: Model 3 
Finally, this isotopic age model is further tuned to the instrumental rainfall data 
available at Chiang Dao. Assuming an amount effect relationship such as that described 
by PESt, the most depleted isotopic value  in a  year  is assigned to the  month with the 
most  rainfall  (i.e.  the  peak  of  the  raining  season).  This  model  is  referred  to  as  the 
“rainfall model” or “model 3.” For each of these models the El Nino and La Nina years 
are  treated  separately.  Further  each  model  is  tuned  within  a  single  year  (±  2  samples 
from the “W
0
”) therefore the long term interannual behavior is unchanged and will be 
shown  as  the  color  model  from  figure  6  rather  then  three  separate  data  treatment 
records. 
4c. Lower frequency isotopic variability 
A  5­point  smoothing  function  is  applied  to  the  raw  data  (Figure  6)  and  the 
record is re­plotted through time (Figure 10) in order to better observe lower frequency 
patterns.  Lower  frequency  isotopic  variability  is  evident  at  sub­decadal  time  scales 
(Figure 10). These isotopic fluctuations tend to range between 1‰ to 9‰. Several of
42 
Figure 10: δ 
18 
O vs. time with a 5 point smooth. 
δ 
18 
O α­cellulose from DCK 06a presented with a 5­point smooth filter from 
KaleidaGraph.
43 
these sustained isotopic ‘shifts’ are evident in the early part of the record (from 1945­ 
1970).  There  seems  to  be  periods  of  relatively  higher  and  relatively  lower  isotopic 
values lasting between 5 and 10 years. From 1946­49, 1954­62 the values are on more 
enriched  on  average.  Between  1949­52  and  1963­68  the  values  are  relatively  more 
depleted.  Further  it  seems  that  the  interannual  variability  in  the  signal  becomes 
dampened  at  1976­2000.  Although  the  Chiang  Dao  cellulose  isotope  record  exhibits 
extended,  sub­decadal  length  enrichments  and  relative  depletions,  there  is  no  clear 
longer­term  (i.e.  late  20 
th 
century  trend)  evident (Figure  10).  There  are  also  two time 
periods  of  instrumental  rainfall  data  (amount  of  rainfall  from;  2000­1994,  and  1993­ 
1987) that, when compared to the α­cellulose data appear both in sync (2000­1994) and 
out of sync (1993­1987) with the PESt intra­annual/seasonal model (Figures11 a and b). 
There are no δ 
18 
O values available for Chiang Dao precipitation. However, δ 
18 
O 
of precipitation has been documented for Bangkok (13° 50' N., 100° 29' E). In this data 
the  δ 
18 
O  of  rainwater  increases  with  decreasing  rainfall  (Figure  12)  showing  the 
presence  of  the  “amount  effect”  at  a  site  south  of  Chiang  Dao,  which  experiences 
significantly  less  annual  rainfall  but  is  likely  influenced  by  the  same  atmospheric 
circulation sources. This observation suggests the amount effect is the dominant mode 
of variability at a site analogous to Chiang Dao. 
Chapter 5: Discussion 
5a. Seasonal features, Color versus Cellulose δ 
18 
O 
The  environmental  changes  that  take  place  throughout  the  year  have  an 
influence on cellulose growth rates and hence, the density/color contrasts, are associated
44 
Figure 11: δ 
18 
O and amount of rain at Chiang Dao Thailand vs. Time (2000­1987) 
a) 
b) 
a) DCK O6a δ 
18 
O (α­cellulose) with amount of precipitation at Chiang Dao from 2000 
through 1994. b) DCK O6a δ 
18 
O (α­cellulose) with amount of precipitation at Chiang 
Dao from 1993 through 1987.
45 
Figure 12: Bangkok δ 
18 
O with rainfall amount 
Shows the δ 
18 
O of precipitation at Bangkok and the amount of precipitation at Bangkok 
vs. time from 1968­2000 (From Lowell Stott unpublished; data from IAEA­GNIP 
database). 
with  a  discernable  shifts  in  the  cellulosic  δ 
18 
O  values  as  well.  This  is  most  evident 
when  the  samples  are  binned  into  their  respective  color  groupings  and  plotted over  a 
year  as  in  figure  7a.  The  growing  season samples  (W
0
­W
6 
are  on  average 1  to  1.5‰ 
lower in δ 
18 
O compared to the “Mixed” and “Dark” samples. And while the interannual 
variance  in  δ 
18 
O  within  each  of  color  groups  is  only  on  the  order  of  ±  2‰  ,  the 
correspondence between color and the δ 
18 
O of cellulose is quite clear and is taken to be 
a  reflection  of  the  close  relationship  between  growth  behavior  and  the  amount  of 
rainfall throughout the year. This relationship can be illustrated as in figure 13, which
46 
Figure 13: Average amount of rainfall and δ 
18 
O against one year 
This figure plots the annual average precipitation (amount mm) with the average δ 
18 
O 
(α­cellulose), binned annually by “color” vs. one year. 
shows the binned average δ 
18 
O values (from figure 9a) over the course of a year plotted 
with  the  average  annual  rainfall  amount.  The  highest  δ 
18 
O  values  correspond  to  the 
months  of  lowest  rainfall.  This  implies  that  the  white  samples,  which  consistently 
exhibit  the  lowest  δ 
18 
O  values,  are  formed  during  the  period  of  increasing  rainfall 
amount.  I  infer  that  rainfall  amount  is  the  primary  influence  on  the  seasonal  growth 
behavior of this tree species. The correspondence between the timing of the depletion in
47 
the  cellulose  and  the  evolution  of  the  rainy  season  make  a  strong  case  for  PESt’s 
“amount effect” argument during the summer months. The enrichment during the latter 
half of the annual cycle corresponds to the supposed “evapotranspirative” condensation 
effects  as  the  rain  subsides  during  the  later  part  of  the  year.  The  total  variability 
attributable to the “amount effect” over the length of the record is on the order of 6‰. 
However, it  is possible that the “binning”  method applied to  figure 7a dampens some 
critical portions of the entire signal or gives an incomplete picture of the individual ring 
structure. Data was binned attempting to avoid biasing the δ 
18 
O average record toward 
years  with  more  samples  versus  years  with  only  a  few  samples  (according  to  their 
respective widths). 
5b. Rainfall Amount and Cellulose δ 
18 
O 
An analysis of discrete time periods shows further details in the annual picture. 
From 1987 to 2000 (Figure 11a and 11b) continuous monthly rainfall was recorded at 
Chiang Dao. While the resolution of this rainfall data is not as high as from other time 
periods, when the δ 
18 
O of cellulose is plotted on top of precipitation amount for 2000­ 
1994 (figure 11a), there is an unmistakable anti­correlation; drier periods of the year are 
represented  by  higher  δ 
18 
O  values  whereas  wetter  time  periods  correspond  to  lower 
cellulose δ 
18 
O values. The  magnitude of the  intra­annual  variability  is on the order of 
2‰. While the qualitative schematic representation looks reasonable, the magnitude of 
the changes in precipitation amount between years does not match the magnitude of the 
corresponding  δ 
18 
O.  It  is  unclear  whether  this  is  normal  behavior,  as  previously 
published data sets did not compare δ 
18 
O to sub­annual levels of rain on a year to year
48 
basis (Evans and Schrag 2004; Poussart et al 2004; Poussart and Schrag 2005). For this 
period of time 0mm rainfall seems to be represented by ~23.5‰. 
On  the  other  hand,  depletion  which  occurs  during  the  rainy  season  stays 
somewhat  consistent  from  year  to  year,  regardless  of  how  much  total  rain  fall  was 
received. In other words, there appears to be a δ 
18 
O minimum for cellulose. The values 
are never lower than ~22 to 21.5‰. Further, the 1996 year of relatively normal rainfall 
yielded a shift almost twice that of any other year through this span. The year associated 
with the most rainfall, 1995, shows an average δ 
18 
O value typical of the rainy season. 
Further, the  rainy  season  depletion  becomes  consecutively  greater  through  the  end  of 
the period, independent of rainfall amount. Through this time there is clearly a seasonal 
signal,  however, there  is also a significant  amount of variability that appears to result 
from another mechanism. 
The  previous  portion  of  the  record,  1993­1987  (figure  11b)  tells  a  completely 
different  story.  There  is  still  an  oscillation  which,  qualitatively,  appears  to  behave 
seasonally.  However,  it  is  reversed  with  respect  to  precipitation  compared  to  the 
previous  period  (Figure  11a).  In  this  picture  is  seems  that  the  middle  of  the  white 
section corresponds to the dry season. The scale of variability is similar to the previous 
period.  Further  more,  in  this  period  there  is  less  correlation  between  enriched  and 
depleted δ 
18 
O values hovering around an average value. This behavior may be the result 
of  a  deviation  from  the  accepted  growth  model  if,  in  fact, the  onset of  growth  began 
significantly  earlier  or  later.  In this  case  the  δ 
18 
O  would  appear  to  have  been shifted. 
Also it is possible that the expected “amount effect” behavior here has been completely 
overshadowed  by  a reversal  in the source of the  moisture. Unfortunately the  monthly
49 
precipitation data terminates  in 1987. During the period from 1987­1980 the data still 
seems to follow a seasonal pattern (possibly still in phase with rainfall) although several 
years  in  this  interval  (1982­1984)  produced  relatively  thin  rings  and  therefore  few 
samples  per  ring.  The  in­phase  observation  from  the  latest  part  of  the  twenty­first 
century suggests the model 2 or model 3 may be better suited for interpretation of the 
results. Therefore it is possible that the there is a mode of isotopic variability related to 
interannual growth anomalies. 
The data for the years 1976­1980 follow a seasonal cycle (Figure 7). However 
the  beginning  and  end  of  each  cycle  does  not  precisely  correspond to the  “dark”  and 
“white” sample of every calendar year (although they are always within a sample before 
or after). The cyclic pattern is interrupted in 1976 by a 7‰ enrichment carrying though 
1973. 
One  of  the  most  striking  features  of  the  data  set  is  the  shift  in  δ 
18 
O  values 
between  1962  and  1963;  this  can  be  observed  in  figure  13  which  spans  1970­1960. 
During this time period the “M” values from 1962 through the white samples of 1963 
record  an  isotopic  shift  towards  lower  values  (from  ~27‰  to  ~18‰);  the  depleted 
values  stabilize  and  continue  throughout  much  of  the  following  decade  (Figure  13). 
This isotopic anomaly occurs close to an anomalous rain event that occurred in October 
of  1963  when  Chiang  Dao  received  5092  mm  of  rainfall;  the  highest  amount  ever 
recorded. However, the isotopic depletion precedes the increase in rain amount. Perhaps 
this  suggests a change  in circulation  from CMT to OMT prior to the rain event. This 
would  initially deplete δ 
18 
O values (regardless of the amount of rain received), as the 
CMT is shows more enriched values (Figure 4; Aggarwal 2004).
50 
Figure 14: δ 
18 
O and Rainfall amount at Chiang Dao vs. time (1970­1960) 
δ 
18 
O (cellulose) against amount of precipitation at Chiang Dao from 1970­1960 
Statistical analysis  shows the remainder of the record exhibits annual  behavior 
with  a  high  average  variance.  The  raw  α­cellulose  data  was  averaged  at  10  year 
intervals (i.e. 1950­1959, 1960­1969 etc), the variance of the data was calculated and 
plotted  through  time  (Figure  15).  It  is  clear  that  the  variance  has  decreased  through 
time,  implying  that  perhaps  the  monsoon  variability  has  also  been  lower.  This  could 
possibly  indicate  the  weakening  of  the  Asian  monsoon,  which  has  been  speculated 
recently by several authors (Hu et al 2000; Wang and Lau 2003).  This may be caused 
by a weakening of the oceanic monsoon trough and the continental monsoon trough
51 
Figure 15: Variance of isotopic record at 10 year intervals 
Variance of δ 
18 
O (α­cellulose) through time. 10 years of data was collected and variance 
was taken. 
which provide a source of moisture for Chiang Dao during a normal (non­El Niño or La 
Niña) year (Araguas­Araguas 1998; Aggarwal 2004). 
The  hypothesis  may  also  be  tested  by  simply  comparing  the  total  amount  of 
rainfall occurring during a given year to the total isotopic variability (expressed as the 
range between the lowest and highest δ 
18 
O values for a give year) experienced in that 
year (Figure 16). Although the “amount effect” does not manifest itself in a linear way, 
distillation  effects  should  be  obvious  if  that  is  what  is  controlling  the  isotopic 
composition at Chiang Dao. There are no striking correlations between the records and 
there is no regression relationship.
52 
Figure 16: Annual Rainfall and Annual Isotope values vs. time 
Total annual rainfall amount at Chiang Dao vs. Annual range of isotope values from 
DCK 06a. The large gap (1975) indicates absence of data. 
Finally, a regression of growth model 1, δ 
18 
O α­cellulose versus rainfall amount 
is shown in figure 17a.  El Nino and La Nina years are shown as separate regressions on 
the same plot. Although it has been shown that empirically the seasonal rainfall pattern 
seems to resemble the annual  isotopic pattern the regression reveals  little  relationship 
between the amount of rainfall and the δ 
18 
O of the cellulose. The presence of a visual 
trend in the regression is arguable but the correlation coefficient is only 0.32. Further it 
shows equally large scatter in La Niña and El Niño years.
53 
Figure 17: Rainfall vs. δ 
18 
O regression 
a)  b) 
Regression of growth model 1 (a), growth model 2 (b) and growth model 3 (c). Red data 
represents normal rain year. Green data shows La Nina years, and blue data show El 
Niño years. Data shown is only for the times which instrumental data at Chiang Dao is 
available.
54 
To  attempt to  search  the  record  for the  variability  associated  with  the  amount 
effect, growth models 2 and 3 were also regressed against rainfall amount (these models 
are  tuned  to  show  the  presence  of  the  amount  relationship  intra­annually  and  on 
interannual timescales are virtually identical to model 1). The regression using growth 
model 2 is shown in figure 17b again with El Niño years and La Niña years in separate 
colors.  The  difference  from  the  growth  model  1  regression  is  striking.  There  is  a 
moderate connection between the amount of rainfall during a normal year (El Niño or 
La Niña year) and the δ 
18 
O of cellulose (r 
2 
= ~0.60). Furthermore, La Niña years seem 
to be described by a more depleted and less robust relationship. During El Niño  years 
there is little if any relationship between cellulose δ 
18 
O and the amount of precipitation. 
Finally the growth model 3 is regressed against the amount of rainfall at Chiang 
Dao (figure 17c). This plot shows a clear dominant amount effect during non­El Niño 
years. The r 
2 
value  for normal rain  years  is 0.75. A clear correlation  between amount 
and δ 
18 
O for La Niña years now emerges, again more depleted then a normal year but 
still with an r 
2 
value of ~0.6. El Niño years still remain anomalous showing at best an 
extremely weak relationship. However, El Niño values are also more depleted than both 
normal rain years and La Niña events. Figure 17c shows strong evidence that there is a 
dominant  mode  of  variability  associated  with  the  amount  effect  imbedded  in  the 
cellulose record during normal rain years and that there is a slightly altered relationship 
during  la  Niña  years.  Further,  it  shows  there  still  may  be  second  order  variability 
concealed in the signal as well significantly different mechanisms acting on the source 
of precipitation during El Niño years.
55 
While  the  growth  model  3  regression  shows  the  total  amount  of  theoretical 
variability attributable to an “amount effect,” to be significantly greater then 2‰, they 
are influenced by a strong seasonal bias. Therefore, a different mechanism may explain 
the remaining variability. 
Previous studies conducted at lower resolution, have also suggested that early or 
latewood  is  selectively  coupled  to  climate  (usually  specifically  to  summer  or  winter 
temperature or precipitation) (Libby et al 1976;  Thompson 1977; Switzer). Observing 
the annual difference between dark, white and gradient it is clear that on average, one 
needs  all  three  sections  to  capture  the  total  variability;  this  is  best  demonstrated  by 
Figure 18 which shows the raw data with its “color” designation. It is clear both from 
figure 9a and 18 how the behavior of the isotopes may fluctuate between “colors;” this 
is  further  made  clear  through  events  such  as  the  1962­1963  depletion  which  is  large 
enough that it is highly unlikely to be an artifact of tree biology. The entire length of the 
tree ring records a signal which may be linked to the environment rather than only the 
earlywood or latewood portions. It is likely the variability during El Niño years may be 
a consequence of changes atmospheric circulation resulting from changes in the source 
precipitation at Chiang Dao between the CMT and TWT. Therefore, it is reasonable to 
examine the climate phenomena and atmospheric circulation changes through time with 
a focus on circulation regimes during El Niño and La Niña events.
56 
Figure 18: δ 
18 
O DCK 06a with color designation through time 
The raw data from DCK 06a core with markers indicating the values and positions of 
the “colors” over the entire core. The red line represents the raw data. Blue diamonds 
indicate the position of “white” samples, the green circles indicate the position of the 
“dark” samples and the black squares represent the locations of the “mix” samples. The 
space between every blue diamond and green circle represents the growing season (i.e. 
W
1
­W
n
).
57 
5c. Inter­annual variability 
The  five­point  smoothing  of  the  raw  data  (Figure  10)  shows  four  distinct 
isotopic  “regimes”  or  intervals.  Working  from  the  most  recent  back  in  time;  2000  to 
1971  the  record  oscillates  around  22.5‰.  Within  this  time  interval  there  are  several 
large enrichments and depletions, each persisting for a few years. During the 1960’s the 
variance  increases  significantly  and  the  average  values  become  depleted  to  around 
18‰.  From  1964­1953  mean  values  are  enriched  again;  exhibiting  a  decadal  trend. 
During  1952  through  1945  shows  a  distinct  trend  from  depleted  values  to  enriched 
values occurs. However, values at the beginning of the record are similar to those at the 
end implying no long term low­frequency patterns. 
5c­i: Influence of ENSO 
Chiang Dao lies directly on the boundary between the Oceanic and Continental 
monsoon troughs generated by the Asian/Indian monsoon. It is also directly northwest 
the trade wind monsoon trough (from figure 3). Each circulation cell has been shown to 
have a unique isotopic composition (Aggarwal, 2004; Araguas­Araguas 1998; figure 3). 
The  precipitation  at  Chiang  Dao  may  be  influenced  by  source  moisture  from  several 
different locations. Therefore, I propose that El Niño can influence the isotopic values 
at  Chiang  Dao  by  shifting  the  general  position  of  the  monsoon  cells,  which  bring  a 
distinctive  isotopic  value  to the  rain  water.  To  support the  hypothesis,  it  is  critical  to 
find  the  mechanism  for  a  shifting  of  the  cells,  and  show  how  known  oscillations  in 
atmospheric temperature and pressure fluctuate in unison or anti­unison with the stable 
isotopes  from  the  α­cellulose.  There  are  several  published  data  sets  with  which  to
58 
compare the DCK 06a pine  isotope record; the Pacific Decadal Oscillation (PDO), El 
Nino events, the Nino 3  index, Nino 3.4 index, the Southern Oscillation Index (SOI), 
the  Indian  Ocean  Dipole  (IOD),  and  estimates  of  total  Asian  Monsoon  strength  (as  a 
function  of  total  rainfall).  These  oscillations  represent  changes  in  sea  surface 
temperature and pressure systems which may be powerful enough to shift the source of 
precipitation over Chiang Dao. Each of these records are plotted side by side in figure 
19 for comparison to the DCK 06a record. This permits investigation of, phase and anti­ 
phase relationships, as well as similarities in their anomalies. 
Plotting the Nino 3 index and the Nino 3.4 index (the index’s correspond to the 
normalized  changes  in  sea  surface  temperature  in  the  western  and  eastern  portions  of 
the equatorial pacific, respectively) against the δ 
18 
O (α­cellulose) shows no immediate 
striking qualitative correlations (Figure 19a).  There are no shifts in either of the Nino 
indexes which correspond to any of the “regime” changes. There is also no relationship 
revealed from a regression. Further, the variability in the Nino index seems to increase 
towards the present (whereas the δ 
18 
O of α­cellulose decreases as time moves forward). 
The  average  frequency  of  the  Nino  index  is  on  the  order  of  a  few  years,  while  the 
cellulose shows no dominant 2­5 year patterns. The few periods where an argument for 
correlation can be made; 1999, 1984, 1979, 1968, and 1965 are completely random with 
respect to the magnitudes of the changes. The largest peak in the Nino 3.4 index (1999) 
corresponds  to  the  small  area  of  variability  in  the  cellulose  record.  There  are  no 
discernable patterns between the periods of known “El Nino” events (as defined by the 
shadowed portions of Figure 19a).
59 
Figure 19: Interannual environmental oscillations plotted with δ 
18 
O (Chiang Dao) 
a)  b) 
c)  d) 
(a) DCK O6a δ 
18 
O (α­cellulose) plotted with both Nino 3 and Nino 3.4 indices through 
time. The red line is the smoothed α­cellulose data from Chiang Dao (from figure 10). 
The blue dashed line is the Nino 3.4 index and the green line is the Nino 3.0 index. The 
green shaded areas indicate periods of El Nino events (as given 
http://ggweather.com/enso/years.htm). Nino index’s from:  Mann et al 2000. (b) 
Smoothed DCK 06a data against PDO data. From Mantua et al 1997. (c) Smoothed 
DCK 06a δ 
18 
O (α­cellulose) data against SOI data. From: Allan et al 1991; Konnen et al 
1988. (d) Smoothed DCK 06a δ 
18 
O (α­cellulose) data from Chiang Dao against Asian 
monsoon summer (integrated rainfall amounts from June through September at several 
sites throughout India) total rainfall amount.
60 
5c­ii Pacific Decadal Oscillation 
The PDO shows more similarity to the cellulose isotopes than the Nino indices 
however, there is not a strong correlation between data sets (Figure 19b). The first three 
major peaks in the PDO (centered around 1997, 1994, and 1988) correspond to relative 
peaks in the cellulose record. The PDO also shows a relative increase in strength in the 
positive  phase  from  1950­1945,  in  concert  with  the  cellulose  enrichment  through  the 
same period. However, there is only a weak correspondence between the PDO and the 
major depletion in the cellulose record (1960’s). I speculate that this may indicate that 
during  the  later  part  of  the  century  the  change  in  the  pressure  gradients  in  the  north 
Pacific  may  be  influenced the position of the Oceanic  monsoon trough relative to the 
continental  monsoon  trough.  However,  this  variability  is  small  and  not  persistent 
through any other portion of the record. 
5c­iii: Southern Oscillation Index 
The SOI (which records a normalized difference in sea surface pressure between 
Tahiti and Darwin) seems to act in counterpoint to the PDO record. Through the 1990’s, 
the  SOI  shows  an  anti­phase  relationship  with  the  cellulose  (Figure  19c).  The  late 
cellulose peaks (which corresponded to the PDO peaks) are recorded as troughs in the 
SOI  record.  However,  there  is  little  correspondence  between  the  magnitudes  of  the 
changes and a linear regression (not shown) produces little correlation. The early part of 
the record, shows large enrichments in cellulose values, correspond to negative values 
in the southern oscillation index. Interestingly, is the large cellulose depletion event in 
the 1960’s corresponds to a significant decrease in SOI values, and the subsequent δ 
18 
O
61 
increase in 1970 matches the increase in the southern oscillation. This may reflect two 
mechanisms.  First  changes  in  the  southern  oscillation  index  may  be  influencing  the 
position of the trade wind trough relative to the oceanic and continental troughs, which 
could bring precipitation from the trade wind trough over Chiang Dao or simply a more 
enriched or depleted source from within the oceanic or continental troughs. It may also 
be possible that the southern Indian oscillation is acting in concert with the PDO. They 
may  both  be  influencing  the  source  moisture  though  different  time  periods,  either 
constructively  or  destructively.  Perhaps  through  the  early  1940’s  and  late  1980’s  and 
1990’s the PDO has a more powerful influence on the dominant circulation pattern over 
Chiang  Dao.  Throughout  the  1960’s  and  1970’s  the  SOI  assumes  the  source  of  the 
dominant  variability.  The  possibility  of  the  SOI  and  the  PDO  interfering  either 
constructively or destructively with the position  of  monsoonal cells could account  for 
the  lack  of  obvious  relationships  between  the  magnitude  of  changes  in  the  decadal 
oscillations and that of the isotope record. This could also explain the failed regression 
between  each  individual  decadal  oscillation.  However,  the  relative  importance  of the 
two  patterns  (PDO  and  SOI)  through  time  is  unclear,  and  may  be  difficult  to  extract 
from the cellulose record which only extends  back through 1945 covering only a  few 
decadal oscillation cycles. 
5c­iv: Indian Ocean Dipole 
The IOD may be expected to act in concert with the SOI due to its roots in the 
normalized  difference  of Indian  Ocean  sea  level  pressure  variability.  The  IOD  shows 
weak  correspondence  to the  cellulose  record  at  its  best.  Interestingly,  the  IOD  shows
62 
high  levels of  variability  in the periods where the cellulose shows  its  “regime” shifts. 
However,  the  values  in  the  IOD  return  to  near  “0”  quickly  after  the  increases  and 
decreases  whereas  the  cellulose  values  tend  to  stabilize  at  their  peak  enrichment  or 
depletion.  This  may  indicate  that  either  there  is  nothing  linking  the  isotopes  in  the 
cellulose to the IOD record, or that the IOD is being forced by a mechanism similar to 
that driving the SOI. However, the IOD may be too far south of Chiang Dao to have a 
significant  forcing  on  circulation  patterns  governing  the  Asian  Monsoon  over  the 
Southeast Asian continent. 
5c­v: Asian Monsoon Strength 
The final variable investigated shows the most correlation by far, the strength of 
the Asian summer  monsoon  indicated by integration over several  sites  in India of the 
amount  of  precipitation  between  the  peak  summer  months  of  July­September  (Figure 
19d).  Upon  first  glance  there  are  striking  similarities  between  summer  monsoon  rain 
and δ 
18 
O of α­cellulose throughout the entirety of the core. The peaks summer monsoon 
strength do not necessarily correspond to the cellulose peaks; however, the periods of 
high rainfall are periods of enriched cellulose values, and the periods of lower rainfall 
are  periods  of  depleted  cellulose  values.  This  may  require  a  revision  of  the  original 
hypothesis.  If  the  amount  of  rain  is  anti­correlated  with  the  δ 
18 
O  enrichments  in  the 
Chiang Dao isotope record, this immediately lends credence to the original PESt model. 
The summer Asian monsoon qualitatively seems to follow the cellulose in both phase 
and  magnitude.  However,  without  an  accurate  growth  model  (and  the  knowledge  of
63 
whether growth occurs linearly or more rapidly during the rainy season) it is difficult to 
create a robust regression. 
Comparing the two records there are periods of both in and out of phase time. 
This  observation  can  supports  a  dominant  “amount  effect”  modulated  by  changes  in 
source precipitation controlling the isotopic signal imparted on the cellulose. However, 
while the “amount effect” is most likely to be a primary influence there are still a few 
periods,  some  with  no  instrumental  data  when  circulation  changes  may  still  be 
observed. A critical period for comparison is the period between 1953 and 1963. This 
period contains the largest isotopic excursion within the data set and precipitation data 
for this interval also exhibits a distinctive excursion (figure 14). The anomalously high 
rain event through 1962/63 corresponds to a drop in the cellulose δ 
18 
O values; however 
the shift in δ 
18 
O values appears to lead the shift in precipitation. If the “amount effect” 
was responsible for the isotope signal it would have to have changed after or at the same 
time  as  the  precipitation  signal,  but  not  before.  I  believe  this  observation  is  further 
support  for  interspersed  anomalous  circulation  events  that  are  associated  sometimes 
with  anomalous  rainfall.  Of  course  the  validity  of  this  interpretation  depends  on  the 
accuracy  of  the  age  model.  It  is  possible  the  circulation  cells  shift  before  a  rainfall 
amount  effect  is  taking  place;  the  timing  of  the  amount  of  precipitation  is  somewhat 
irrelevant  as  to  when  the  isotope  record  becomes  depleted.  As  the  isotope  record 
becomes depleted by 6‰ it corresponds to the time when the precipitation also begins 
to drop during the year. Therefore it is possible that any further isotopic depletion that 
follows  is  due  to  an  “amount  effect.”  This  suggestion  is  justified  on  the  basis  of  the 
isotopic  signatures  of  the  different  monsoon  cells.  The  OMT  cell  is  up  to  6‰  more
64 
depleted  then  the  CMT  cell.  Further  Araguas­Araguas  (1998)  argued  this  is  due  to 
influences  from arctic and other northern air  masses. Therefore one might expect rain 
associated  with  the  CMT  to  have  less  depleted  values  since  the  moisture  source  is 
centered  in  the  tropics  itself  (the  Indian  Ocean).  Comparing  a  possible  amount  affect 
between  the  CMT  and  OMT  I  would  predict  that the  “amount  effect”  during  a  CMT 
storm will have less depleted δ 
18 
O values. 
The timing difference between the enrichment and increase in rain in 1953 and 
the decrease in rain and the isotopic depletion in 1963 is less then one year. Therefore, 
if in this ten  year  interval, there was a  single  false ring and a  single  missing ring the 
δ 
18 
O  (α­cellulose)  record  would  become  staggered,  and  the  isotopic  depletion  would 
line up more precisely to the Asian monsoon intensity record. This would imply that the 
amount  of  rainfall  was  so  large  that  the  amount  effect  dominated  the  isotopic 
composition of the precipitation, rather then the moisture source. 
5d. Mechanistic theory 
Although there is no straightforward data documenting the shifting of the OMT, 
relative  to  the  CMT  and  TWT  there  has  been  a  breadth  of  literature  surrounding  the 
atmospheric  behavior  during  El  Niño  events,  specifically  in  India.  Not  only  is  the 
behavior  of  the  oxygen  isotopes  during  an  El  Niño  year  anomalous,  but  so  is  the 
sustained monsoon rainfall regime during the El Niño year. 
Traditionally  during  an  El  Nino  event,  tropical  Walker  circulation  will  shift 
eastward along the equator. The rising air and moisture, which usually occurs over the 
western Pacific, moves towards the central and eastern Pacific and the complementary
65 
subsidence  moves  over  the  western  pacific  as  far  westward  as  the  Indian  continent, 
suppressing  the  convection  and  precipitation  that  normally  occur  during  the  summer 
monsoon.  However,  after  1980  this  inverse  (strong  El  Niño  =  weak  monsoon) 
relationship has not been observed (Singhrattna et al 2005, Wang et al 2001, Kumar et 
at 1999). There have been normal monsoon precipitation patterns during the most recent 
El Niño events. This implies the presence of a strong land­ocean thermal gradient that is 
persistent through El Niño events. This has been shown to partially arise from decreases 
in Eurasian and Himalayan snow levels. The snow raises the albedo­reflecting radiation. 
Furthermore, solar radiation can be converted to latent heat to melt the ice. The melt­ 
water increases soil moisture, which would further decease continental warming during 
spring and summer months. Over recent decades there has been an increase in summer 
land  surface  temperatures  relative  to  the  Indian  ocean  SST’s  which  has  sustained 
normal  monsoon  behavior  in  spite  of  strong  El  Niño  events.  Although  the  annual 
rainfall patterns have not changed this does not mean there is no change in the source of 
the precipitation. 
The  specific  climatology  of  Thailand  was  not  extensively  studied  until  2005 
(Singhrattna et al 2005). Studies show the same behavior as with the Indian Monsoon 
during an El Niño event. This may explain the shifting of the OMT/CMT. In a “normal” 
situation,  due  to  Walker  convective  circulation  patterns,  the  CMT  is  the  dominant 
source of precipitation over Chiang Dao, which shows good correlation associated with 
an  “amount  effect”  (Araguas­Araguas  1998).  During  an  El  Niño  this  cell  is  shifted 
eastward and the complex interaction of Asian monsoonal cells is replaced by a simple 
land­ocean  monsoon  relationship.  During  such  an  event  the  land­ocean
66 
temperature/pressure  gradient  would  transport  moisture  from  the  Trade  Wind  trough 
(equatorial  Indian  Ocean)  to  Chiang  Dao,  and  this  moisture  would  be  isotopically 
depleted relative to the CMT (Aggarwal 2004). It may also be possible that single storm 
events  that  originate  in  the  OMT  or  TWT  may  sporadically  influence  Chiang  Dao 
enough  to  yield  the  secondary  variability  present  in  figure  17c.  However,  their  effect 
should influence both amount of rain fall and average δ18O. 
Also, perhaps during a La Nina there is a shift from the CMT to the OMT as the 
source of precipitation over Chiang Dao, opposite to that observed in an El Nino event. 
Moving  the  atmospheric  systems  westward  would  change  the  isotopic  signal  of  the 
source while retaining a strong influence of the “amount effect” (R= 0.77). The OMT 
moisture is, on average, more depleted isotopically then the CMT (figure 3), and this, 
combined with the increase in Walker circulation, could create a more depleted isotopic 
signal  relative  to  a  normal  year.  Possibly  because  these  (El  Niño  and  La  Niña) 
circulatory changes take place on inter and intra­annual time scales, there is not enough 
time  for the  anomalous  circulation  to  stabilize  (yielding  a  clear  amount  effect)  which 
may explain the larger scatter in the La Niña data (when the CMT and OMT undergo a 
relatively  small  shift)  and  the  very  large  scatter  in  the  El  Niño  data  (when  the  cells 
undergo substantial shifts). This observation combined with the regression shown in 34c 
may explain the entire range of variability through time in the isotopic record. 
5e. Previously Published Data 
Published  data  from  Evans,  Schrag  and  Poussart  (2004,  2005)  from  several 
locations  around  the  world  and  from  several  different  tree  species,  shows  similar
67 
seasonal patterns to that observed for DCK 06a through the last part of the 20 
th 
century. 
Their  conclusions  support  a  prominent  “amount  effect”  influence  on  the  isotopic 
composition  of  tree  cellulose  through  time.  Their  data  may  also  be  influenced  by 
changes in monsoonal circulation and described here for Chiang Dao. Taking the data 
on a site by site basis it may be possible to show that different sources of circulation are 
capable of causing a significant isotopic shift. Two of the sites studied by Schrag and 
Poussart  (Schrag  and  Pousart  2005)  in  Indonesia  and  Thailand  are  susceptible  to  the 
same circulation  variability (interactions between the CMT, OMT and TWT) as those 
that  affect  Chiang  Dao.  It  seems  that  several  samples  taken  from  Indonesia  and 
Thailand (Chiang Mai; approximately 60 km south of Chiang Dao) show similar 2­6‰ 
shifts,  with  significantly  more  sub  decadal  variability  then  intra­annual  variability. 
Spruce  and  Oak  trees  from  Japan,  which  are  also  influenced  by  Asian  monsoon 
circulation also show similar shifts; slightly smaller, this suggests again, the dominance 
of an “amount effect” to circulation changes. Possibly this fidelity is due to the fact that 
the  Japan  sites  are  in  the  middle  of  a  circulation  cell,  rather  then  on  the  boundary 
between two, and therefore do not see as much isotopic variability. Even in continental 
United  States  (Massachusetts)  where  there  is  an  influence  of  monsoonal  Atlantic  and 
artic  moisture  sources  (presumably  with  different  isotopic  signatures)  the  annual 
patterns  are  consistent  with  an  amount  effect  (Evans  and  Schrag  2004;  Schrag  and 
Poussart  2005).  It  seems  that  the  Japan  and  U.S.  locations  under  investigation  all 
undergo,  to  some  extent,  a  seasonal  monsoon  which  has  the  ability  to  alter  origin  of 
source  moisture;  however,  their  variability  is  consistently  dominated  by  an  amount 
effect.
68 
There  is  another  phenomenon  which  the  PESt  model  does  not  address; 
accounting for evapotranspiration in climates with small variations in relative humidity 
and in an organism with no leaves. Figure 20 (taken from Tutzet et al, 2003) shows the 
pressure gradient formed by leaves, roots and capillary action. A tree’s leaves play the 
largest  role  in  developing  and  sustaining  the  pressure  gradient.  Therefore,  as  a 
deciduous tree loses its leaves seasonally there is a time in every year when very little 
new water can be brought up from the roots. Furthermore, there would be no leaves to 
make  new  sugars.  It  may  also  be  possible  to  explain  a  small  part  of  the  enrichment 
through stored photosynthate synthesized earlier in the rainy season. For every aliquot 
of water taken up by the tree, a portion is used to make sugars and that will be stored. 
The usage of those stored supplies as the rainy  season ends would  yield a signal that 
mimics  the  previous  rainy  season.  The  possible  explanation  to  this  observation  again 
lies in the growth model. Using growth model 3 as a guide to cellulose synthesis as a 
function of calendar month it is possible to estimate the most likely growth pattern. This 
growth  model  agrees  closely  with  that  proposed  by  the  red  line  in  figure  9a.  In  an 
average year  most of the samples correspond to rainfall  values  between  February and 
August. This result suggests either discontinuous synthesis over the course of a year or 
>90%  of  the  cellulose  synthesis  during  the  raining  season,  while  the  tree  still  has  its 
foliage. 
There  is  one  final  possible  mechanism  to  explain  the  previous  data  via  an 
observation from the original α­cellulose model proposed by Evans and Schrag (2004; 
equation  6).  The  model  incorporates  a  ratio,  “f
o
”  to  account  for  the  mixing  and  re­ 
exchange between xylem water and exchangeable carbon­bound oxygen (Roden et al
69 
Figure 20: Schematic of the pressure gradient created by trees 
Taken from Tuzet et al 2003. Pressure gradient in a tree as a function of water potential 
for the leaf, root and soil systems through time. 
2000,  Poussart  et  al  2004).  This  ratio,  in  previously  published  literature,  has  been 
considered to be a constant, year­round (Roden et al, 2000; Evans and Schrag, 2004). 
This may be an inappropriate assumption. The model is sensitive to fluctuations in this 
ratio. Fluctuations in “f
o
” result in several per mil variability in the resulting α­cellulose. 
“f
o
”  is described  by a percent of exchange  between oxygen and water. Therefore this 
ratio depends inherently on the amount of water being carried up through the cambium 
as  well  as  on  the  amount  of  sugars  being  carried  down  the  cambium  for  cellulose 
synthesis;  changes  in  the  amounts  of these  place  constraints  on  how  much  exchange 
may  take  place.  In  a  deciduous  tree  there  is  no  reason  to  believe  this  ratio  will  stay 
constant between the rainy season and the dry season. To the contrary, the weakening of 
the  pressure  gradient  and  the  decrease  of  amount  of  source  water  along  with  the 
decrease  in  synthesis  of  sucrose  and  photosynthate  may  drastically  alter  the  ratio  of 
mixing and thus the δ 
18 
O which becomes incorporated in the α­cellulose. Nonetheless, 
this explanation for the observed patterns of δ 
18 
O is also remote. Assuming little water 
is  being carried up the cambial tissue  as a result  of the  loss of  foliage,  little cellulose 
would be synthesized. Therefore, fluctuations in  “fo” may be large over the course of
70 
the  year;  however,  the  mass  balance  of  resulting  cellulose  may  not  be  significantly 
influenced since little cellulose is synthesized at these times 
It may  be possible to  modify the  model to account  for the  variability  inherent 
throughout the course of the year;. Exchanging the ratio term for an optimized function 
which  allows  “f
o
”  to  respond  to  changes  in  rainfall  amount  may  create  the  seasonal 
variability on a more accurate level. A reduction in the amount of rainfall affecting the 
“amount effect” decreases the amount of xylem water introduced for sugar to exchange 
with and the resulting δ 
18 
O of the α­cellulose becomes more enriched by several permil. 
This theory could also be tested qualitatively by evaluating leaf size. The surface area of 
a  leaf  plays  a  large  role  in  how  much  water  may  be  transpired  and  therefore  the 
difference between the water transported while the leaves are blooming and while the 
tree is bare (Roden et al 2000; Evans and Schrag 2004; Barbour et al 2004). The trees 
examined in the published papers cover many species with a wide variety of leaves. The 
variability  may  be  expected  to  be  larger  in  species  which  grow  large  leaves  than  in 
species  with  smaller  leafs  or  needles.  This  indeed  may  help  explain  data  in  some 
instances.  Podocarpus  neriifolius  from  Chiang  Mai  show  incredibly  large 
fractionations,  much  larger then  any  other  species,  ranging  from  44‰  enrichments  to 
24‰ depletions (Poussart et al 2004). This species of tree has large full leaves up to 15 
cm long. Whereas Samanea saman (from the island of Bali) has small round leaves and 
exhibits  a  seasonal  variation  on  the  order  of  6‰.  Upon  this  evidence  it  also  seems 
generalizations over all species are premature and may hold important data which could 
help resolve much future work.
71 
5f. Final Proxy Reconstruction 
The  previous  sections  have  made  clear  the  problems  of  relying  solely  on  the 
amount effect to reconstruct proxy rainfall, however, the final phase of this experiment 
will  use  the  δ 
18 
O  (cellulose)  vs.  rainfall  amount  relationship  from  growth  model  3  to 
carry out a proxy reconstruction of rainfall amount through time. Figure 21a shows the 
raw  DCK  06a  data  and  the  corresponding  reconstructed  rainfall  amount  values.  The 
relationship  captures  the  inverse  correlation  between  δ 
18 
O  and  rainfall  amount.  The 
reconstruction is then plotted with the instrumental data in figure 21b (reconstructions 
with second and third order functions are also shown). All three reconstructions provide 
overestimates.  And  the  linear  reconstruction  produces  several  sub­zero  values 
(indicating a negative rainfall amount). The seasonal trend is still apparent. However, it 
does  not  correspond  well  to  the  instrumental  data.  Unfortunately  while  the  data  does 
show strong evidence for significant variability attributable to the “amount effect” it is 
not robust enough to yield a quantitative proxy technique. 
Chapter 6: Conclusions 
Analysis  of  Pinus  kesiya  core  DCK  06a  from  Chiang  Dao  northern  Thailand 
supports  the  initial  hypothesis  showing  strong  support  for  the  amount  effect  as  the 
primary control on the composition of the α­cellulose. However, the story is shown to 
be  more  complex  with  atmospheric  circulation  playing  a  large  role.  During  El  Niño 
years  when  atmospheric  circulation  influences  moisture  source  and  overshadows  any 
systematic amount effect.
72 
Figure 21: Linear rainfall proxy reconstruction and comparison to the 
instrumental record 
a) 
b) 
a) Proxy reconstructed rainfall amount (using growth model 3 relationship; rainfall= ­ 
1179.7(δ 
18 
O) + 28246) plotted against δ 
18 
O of cellulose recorded at Chiang Dao. 
b)  Proxy  rainfall  reconstruction  with  the  instrumental  record.  Blue  line  is  a 
reconstruction  from  the  growth  model  3  linear  relationship.  Green  line  is  a 
reconstruction  from a second power relationship  (also  from growth model 3) between 
rainfall amount and isotopic composition of the cellulose. Black line is the relationship 
at the third power.
73 
However,  influential  decadal  oscillations  in  the  area  seem  to  have  little 
correlation to the δ 
18 
O of the cellulose. The records which show any correlation are the 
rainfall  amount  records,  although  the  age  model  for  ring  growth  makes  lining  the 
records up on an intra­annual basis difficult. However, the study yielded many ideas as 
to the  mechanisms responsible  for the observed  isotopic  variability. Data have shown 
variability  is  likely  to  be  caused  by  the  thermodynamic  and  kinetic  Rayleigh 
fractionation  effects  with  secondary  variability  caused  by  changes  in  atmospheric 
circulation and possibly variability in the biological cycling of fluids within the tree. It 
is possible that previously published data for other sites may be influenced by identical 
mechanisms. 
The importance of assigning a proper age model has been revealed. The model 
which  is  developed  to tune  the  isotopic  record  against  may  reveal  more  or  less  of  an 
amount  effect  depending  on  how  one  defines  a  “growth  year.”  The  tuning  of  the  age 
model to the instrumental rainfall data (growth model 3) proved to be the best treatment 
for the data. The linear age model created by dividing every tree ring into a systematic 
grouping  of  “colors”  (that  isolating  the  earlywood  or  latewood  for  analysis)  may 
truncate  the  resulting  variability  and  therefore  interpretation.  This  has  important 
implications  in  the  traditional  dendro­climate  field.  Reanalysis  combining  both  an 
isotopic  rainfall  age  model  and  adjusting  the  ring  width/density  data  sets  may  yield 
more  truthful  correlations  to  climate  phenomena.  However,  the  rainfall  amount 
reconstruction is not yet robust enough for quantitative proxy reconstructions. 
While this  study  supports the conclusion that there  is  important environmental 
information  recorded  in  the  oxygen  isotopes  of  the  α­cellulose  of  wood  from  Pinus
74 
kesiya  there  is  still  significant  ground  which  needs  to  be  explored  before  this  novel 
method can yield its full potential. δD and δ 
13 
C ratios of α­cellulose need to be analyzed 
for tropical trees along with δ 
18 
O data. δD ratios regressed against δ 
18 
O can be used to 
show deviations  from source water  lines  (Sternberg 1981). This  could  make clear the 
interplay  between  the  “amount  effect”  and  circulation  patterns  and  perhaps  resolve 
questions introduced by the lack of correlation between the reconstructed rainfall values 
and  the  instrumental  values.  Further,  coupled  to δ 
13 
C  (which  is  dependent  on  several 
biologically  controlled  parameters;  McCaroll  and  Loader  2004)  empirical  growth 
models  can  be  developed,  perhaps  without  the  use  of  dendrometers.  However, 
dendrometer  data  would  provide  the  most  accurate  means  for  calibration  of  potential 
growth  models. Unfortunately dendrographs gather data in real time, and compiling  a 
statistically robust data set could take up to 10 years worth of measurements. A robust 
growth model has the ability to constrain how different trees species respond to annual 
patterns in precipitation. 
It is also important for the stable isotope dendrological community to agree on a 
single method of analysis so that there are no discrepancies originating from different 
analytical  and  chemical  methods.  Further  a  single  chemical  definition  should  also  be 
enforced. More communication must also take place between those who study the stable 
isotopes  of  precipitation  and  the  dendro­isotopists.  The  evidence  presented  here 
suggests  that  a  there  are  a  number  of  controls  on  the  isotopic  composition  of  α­ 
cellulose, which  implies a great deal of  information about several parameters may  be 
extracted once we posses the correct understanding.
75 
References 
Aggarwal,  P.  Frohlich,  K.  Kulkarni,  and  K.M.  Gourcy,  L.L.  (2004).  Stable  isotope 
evidence  for  moisture  sources  in  the  Asian  summer  monsoon  under  present  and  past 
climate regimes. Geophysical Research Letters, Vol. 31, L08203. 
Allan, R.J., Nicholls, N., Jones, P.D. and Butterworth, I.J. (1991) A further extension of 
the  Tahiti­Darwin  SOI,  early  SOI  results  and  Darwin  pressure.  J.  Climate  Vol.  4,  p. 
743­749. 
Anderson  W.T.,  Bernasconi  S.M.,  McKenzie  J.A.,  Saurer  M.,  and  Schweingruber  F. 
(2002).  Model  Evaluation  for  reconstructing  the  oxygen  isotopic  compostion  in 
precipitation from tree ring cellulose over the last century. Chemical Geology. Vol. 182, 
p 121­137. 
Anderson  W.T.,  Bernasconi  S.M.,  and  McKenzie  J.A.  (1999).  Oxygen  and  Carbon 
Isotopic record of climatic  variability  in tree ring cellulose (Picea abies):  An example 
from central Switzerland, (1913­1995). Journal of Geophysical Research. Vol. 103 No. 
D24, p 31,625­31,636. 
Araguas­Araguas,  L.  and  Froehlich,  K.  (1998).  Stable  isotope  composition  of 
precipitation over Southeast Asia. Journal of Geophysical Research Vol. 103 p 28,721­ 
28,742. 
Barbour, M.M., Roden J.S., Farquhar G.D., and Ehleringer J.R (2004). Expressing leaf 
water  and  cellulose  oxygen  isotope  ratios  as  enrichment  above  source  water  reveals 
evidence of a Peclet effect. Oecologia. Vol. 138 p 426­435. 
Brendel O., Innetta P.P.M., and Stewart D. (2000). A rapid and simple method to isolate 
pure Alpha­Cellulose. Phytochemical Analysis. Vol. 11, p 7­10. 
Briffa K.R., Schweingruber F.H., Jones P.D., Osborn T.J., Shiytov S.G., and Vaganov 
E.A. (1998). Reduced sensitivity of recent tree­growth to temperature at high northern 
latitudes. Nature. Vol. 391 p 678. 
Buhay W.M., Edwards T.W.D., and Aravena R. (1996). Evaluating kinetic fractionation 
factors used for ecologic and paleoclimatic reconstructions from oxygen and hydrogen 
isotopic rations in plant water and cellulose.  Geochimica et Cosmochimca Acta. Vol. 
60. No. 12. p 2209­2218. 
Buhay W.M., and Edwards T.W.D. (1995). Climate in Southwestern Ontairo, Canada, 
between  AD  1610  and  1885  inferred  from  Oxygen  and  Hydrogen  Isotopic 
Measurements  of  Wood  Cellulose  from  Trees  in  Different  Hydrologic  settings. 
Quaternary Research. Vol. 44, p 438­446.
76 
Buhay W.M., Edwards T.W.D., and Aravena R., (1996) Evaluating kinetic fractionation 
factors used for ecological and paleoclimatic reconstructions from oxygen and hydrogen 
isotope ratios in plant water and cellulose. Geochimica et Cosmochimica Acta. Vol. 60, 
p 2209­2218. 
Burk  R.L.,  and  Stuiver  M.  (1981).  Oxygen  Isotope  Ratios  in  Trees  Reflect  Mean 
Annual Temperature and Humidity. Science. Vol. 211, No. 4489, p 1417­1419 
Craig H. and Gordon L. I. (1995). Deuterium and oxygen­18 variations in the ocean and 
the  marine  atmosphere.  In  Proceedings  of  a  conference  on  stable  isotopes  in 
oceanographic studies and paleotemperatures (ed. E. Tongiorgi). Spoleto, Italy. p 9­130 
Danis,  P.A.  Masson­Delmontte,  V.  Stievenard,  M.  Guillemin  M.T.  Daux  V.  Naveau, 
Ph.  and  Von  Grafenstein,  U.  (2006).  Reconstruction  of  past  precipitation  dO18  using 
tree­ring  cellulose  dO18  and  dC13:  a  calibration  study  near  Lac  d’Annecy,  France. 
Earth and Planetary Science letters. Vol. 243 p 439­448. 
Dansgaard W. (1964). Stable Isotopes in Precipitation. Tellus. Vol. 4, p 436­467. 
Dawson T.E. (1993) Water sources of plants as determined from xylem­water isotopic 
composition:  perspectives  on  plant  competition,  distribution,  and  water  relations.  In 
Stable Isotopes and Plant Carbon­Water relations (ed. J.R. Ehleringer et al) p. 465­496. 
Dawson T.E. and Ehleringer J.R., (1993) Isotopic enrichment of water in the “woody” 
tissues of plants: Implications for water source, water uptake, and other studies which 
use  the  stable  isotopic  composition  of  cellulose.  Geochimica  et  Cosmochimica  Acta. 
Vol. 57, p 3487­3492. 
DeNiro M.J., and Epstein S. (1979). Relationship Between the Oxygen Isotope Ratios 
of Terrestrial Plant Cellulose, Carbon Dioxide and Water. Science Vol. 204, No. 4388, 
p 51­53. 
DeNiro  M.J.,  and  Cooper  L.W.  (1989).  Post­photocynthetic  modification  of  oxygen 
isotope  ratios  of  carbohydrates  in  the  potato:  Implications  for  paleoclimate 
reconstruction  based  upon  isotopic  analysis  of  wood  cellulose.  Geochimica  et 
Cosmochimica Acta. Vol. 53, p 2573­2580. 
DeNiro M.J., and Cooper L.W., (1990) Water is lost from leaves and trunks of trees by 
fundamentally  different  mechanisms.  Geochimica  et  Cosmochimica  Acta.  Vol.  54,  p. 
1845­1846. 
Edwards T.W.D. and Fritz P. (1986) Assessing meteoric water composition and relative 
humidity from 18O and 2H in wood cellulose: paleoclimatic implications for southern 
Ontario, Canada. Applied Geochemistry. Vol. 1, p 715­723.
77 
Edwards T.W.D. (1990). New contributions to isotope dendroclimatology form studies 
of plants. Geochimica et Cosmochimica Acta. Vol. 54, p 1843­1844. 
Epstein S. and Yapp C.J. (1977). Isotope tree thermometers (comment on Libby et al.). 
Nature. Vol.266. p 477­478. 
Epstein S., Thompson P. and Yapp C.J. (1977). Oxygen and Hydrogen Isotopic Ratios 
in Plant Cellulose. Science. Vol. 198. No. 4323 p 1209­1214. 
Evans  M.N.  and  Schrag  D.P.  (2004).  A  stable  isotope­based  approach  to  tropical 
dendroclimatology. Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol. 68, No. 16. p 3295­3305. 
Farquhar G.D., Barbour M.M., and Henry B.K. (1998). Interpretation of oxygen isotope 
composition  of  leaf  material.  In  Stable  Isotopes  (ed.  H.  Griffiths)  p  27­62.  BIOS 
Scientific Pub. Ltd. 
Flanagan L.B. (1993) Environmental and biological influence on the stable oxygen and 
hydrogen isotopic composition of leaf water. In Stable isotopes and Plant Carbon­Water 
relations (ed. J.R. Ehleringer et al) p 71­90. 
Flanagan  L.B.  Bain  J.F.  and  Ehleringer  J.R.  (1991).  Stable  oxygen  and  hydrogen 
isotope  composition  of  leaf  water  in  C
3 
and  C
4 
plant  species  under  field  conditions. 
Oecologia. Vol. 88, p 394­400. 
Flanagan L.B., Phillips S.L., Ehleringer J.R., Lloyd J., and Farquhar G.D. (1994) Effect 
of  changes  in  leaf  water  oxygen  isotopic  composition  on  discrimination  against 
C 
18 
O 
16 
O  during  photosynthetic  gas  exchange.  Australian  Journal  of  Plant  Physiology. 
Vol. 96, p 588­596. 
Gary  J.  and  Thompson  P.  (1976).  Climatic  information  from  18O/16O  ratios  of 
cellulose in tree rings. Nature. Vol. 262 p 481­483. 
Gary  J.  and  Thompson  P.  (1977).  Climatic  information  from  18O/16O  analysis  of 
cellulose, lignin, and whole wood from tree rings. Nature. Vol. 270, p708­709. 
Gat, J.R. (1996) Oxygen and hydrogen isotopes in the hydrologic cycle. Annual Review 
of Earth and Planetary Science. Vol. 24, p 225­262 
Gaudinski J.B., Dawson T.E., Quideau S., Schuur E.A.G., Roden J.S., Trumbore S.E., 
Sandquist D.R., Oh S.W. and Wasylishen R.E. (2005). Analytical Chemistry, Vol. 77, p 
7212­7224. 
Green  J.W.  (1953)  Methods  in  Carbohydrate  Chemistry:  Chapter  3  Wood  Cellulose. 
Vol. 3: Cellulose. Academic Press. New York and London.
78 
Hill  S.A.,  Waterhouse  J.S.,  Field  E.M.,  Switsur  V.R.,  and  Rees  T.  (1995).  Rapid 
recycling of triose phosphates in oak stem tissue. Plant, Cell, and Environment. Vol. 18, 
p 931­936. 
Können, G.P., Jones, P.D., Kaltofen, M.H. and Allan, R.J. (1998) Pre­1866 extensions 
of  the  Southern  Oscillation  Index  using  early  Indonesian  and  Tahitian  meteorological 
readings. J. Climate. Vol. 11, p 2325­2339. 
Kripalani  R.H.  and  Kulkarni  A.  (1998)  The  Relationship  Between  some  Large­scale 
Atmospheric Parameters and Rainfall over Southeast Asia: A comparison with Features 
over India. Theoretical Applied Climatology. Vol. 59, p 1. 
Kumar  K.  K., Rajagopalan B. and  Cane M.A. (1999) On the weakening Relationship 
Between the Indian Monsoon and ENSO. Science. Vol. 284, p 2156. 
Leavitt,  S.  W.  and  Danzer,  S.R.  (1993).  Method  for  batch  processing  small  wood 
samples to holocellulose for stable carbon isotope analysis. Analytical Chemistry. Vol. 
65, p 87­89. 
Libby  M.L.,  Pandolfi  L.J.,  Payton  P.H.,  Marshall  III,  J.,  Becker  B.  and  Giertz­ 
Sienbenlist V. (1976). Isotopic tree thermometers. Nature. Vol. 267, p 284. 
Lipp  J.,  Trimborn  P.,  Fritz  P.,  Moser  H.,  Becker  B.  and  Franzel  B.  (1991)  Stable 
isotopes in tree ring cellulose and climatic change. Tellus. 43B, p 322­330. 
Lipp J., Trimborn P., Edwards T., Waisel Y. and Yakir D. (1996). Climatic effects on 
the  dO18  and  d13C  of  cellulose  in  the  desert  tree  Tamarix  Jordanis.  Geochimica  et 
Cosmochimica Acta. Vol. 60 No. 17 p 3305­3309. 
Luo Y. H. and Sternberg L (1992). Hydrogen and oxygen isotope fractionation during 
heterotrophic cellulose synthesis. Journal of experimental Botany. Vol. 43, p 47­50. 
Mann, M.E., E.P. Gille, R.S. Bradley, M.K. Hughes, J.T. Overpeck, F.T. Keimig and 
W.S.  Gross  (2000)  Global  Temperature  Patterns  in  Past  Centuries:  An  Interactive 
Presentation, Earth Interactions. Vol. 4, Paper 4. 
Mantua,  N.J.  and  S.R.  Hare,  Y.  Zhang,  J.M.  Wallace,  and  R.C.  Francis,  (1997).  A 
Pacific interdecadal climate oscillation with impacts on salmon production. Bulletin of 
the American Meteorological Society, Vol. 78, p. 1069­1079. 
Peterson, T.C. and Vose R.S. (1997) An overview of the Global Historical Climatology 
Network temperature data base. Bulletin of the American Meteorological Society. Vol. 
78 p 2837­2849
79 
Poussart P.F., Evans M.N., Schrag D.P. (2004). Resolving seasonality in tropical trees: 
multi­decade,  high  resolution  oxygen  and  carbon  isotope  records  from  Indonesia  and 
Thailand. Earth and Planetary Science Letters. Vol. 218, p 301­316. 
Poussart P., Schrag D.P. (2005). Seasonally resolved stable isotope chronologies from 
northern  Thailand  deciduous  trees.  Earth  and  Planetary  Science  Letters.  Vol.  235,  p 
752­765. 
Raffalli­Delerce G., Masson­Delmotte V., Dupouey J.L., Steivenard M., Breda N. and 
Moisselin  J.M.  (2004).  Reconstruction  of  summer  droughts  using  tree­ring  cellulose 
isotopes:  a  calibration  study  with  living  oaks  from  Brittany  (western  France).  Tellus. 
Vol. 56B, p 160­174. 
Ramesh  R.,  Bhattacharya  S.  K.  and  Gopalan  K.  (1986).  Climatic  correlation  in  the 
stable isotope records of silver fir (Abies pindrow) trees from Kashmir, Inida. Earth and 
Planetary Science Letters, Vol. 79 p 66­74. 
Rebetez M., Saurer M. and Cherubini P. (2003). To what extent can oxygen isotopes in 
tree rings and precipitation be used to reconstruct past atmospheric temperature? A case 
study. Climatic Change. Vol. 61, p 237­248. 
Robertson  I.,  Waterhouse  J.S.,  Barker  A.C.,  Carter  A.H.C.  and  Switsur  V.R.  (2001). 
Oxygen  Isotope  ratios  of  oak  in  east  England:  implications  for  reconstructing  the 
isotopic composition of precipitation. Earth and Planetary Science Letters. Vol. 191, p 
21­31. 
Roden J.S. and Ehleringer J.R. (1999). Observations of Hydrogen and Oxygen Isotopes 
in  Leaf  Water  Confirm  the  Craig­Gordon  Model  under  Wide­Ranging  Environmental 
Conditions. Plant physiology. Vol. 120. p 1165­1173. 
Roden  J.S.  and  Ehleringer  J.R.  (1999b).  Hydrogen  and  oxygen  isotope  ratios  of  tree­ 
ring  cellulose  for  riparian  trees  grown  long­term  under  hydroponic,  controlled 
environments. Oecologia. Vol. 121, p 467. 
Roden  J.S.  and  Ehleringer  J.R.  (1999c).  Hydrogen  and  oxygen  isotope  ratios  of  leaf 
water and tree­ring cellulose for field grown riparian trees. Oecologia. Vol. 123, p 481. 
Roden  J.S.,  Lin  G.  and  Ehleringer  J.R.  (2000).  A  mechanistic  model  for  the 
interpretation of hydrogen and oxygen isotope ratios in tree­ring cellulose. Geochimica 
et Cosmochimica Acta. Vol. 64 No. 1 p 21­35. 
Ropelewski, C.F. and  Jones, P.D. (1987) An extension of the Tahiti­Darwin Southern 
Oscillation Index. Monthly Weather Review. Vol. 115, p 2161­2165. 
Saurer  M.,  Borella  S.  and  Leuenberger  M  (1997).  δ 
18 
O of  tree  rings  of  beech  (Fagus 
silvatica) as a record of δ 
18 
O of growing season precipitation. Tellus. Vol. 49B. p 80­92.
80 
Saurer  M.,  Robertson  I.,  Siegwolf  R.  and  Leuenberger  M.  (1998).  Oxygen  Isotope 
Analysis of Cellulose: An Interlaboratory Comparison. Analytical Chemistry. Vol. 70, p 
2074­2080. 
Saurer M., Cherubini P. and Siegwolf  R. (2000). Oxygen  isotopes  in tree rings  Abies 
alba:  the  climate  significance  of  interdecadal  variations.  Journal  of  Geophysical 
Research. Vol. 105, No. D10. p 12,461­12,470. 
Shafizadeh, F. and Fu, Y.L. (1973). Pyrolysis of cellulose. Carbohydrate research. Vol. 
29, p 113­122. 
Singhrattna  N.,  Rajagopalan  B.,  Kumar  K.K.  and  Clark  M.  (2005).  Seasonal 
Forecasting  of  Thailand  summer  monsoon  rainfall.  International  Journal  of 
Climatology. Vol. 25, 649. 
Singhrattna N., Rajagopalan B. and  Kumar  K.K.  (2005). Interannual and Interdecadal 
Variability of Thailand Summer Monsoon Season. Journal of Climate Vol 18, p 1697. 
Sternberg L.S.L., Anderson W.T. and Morrison K. (1989) Separating soil and leaf water 
18O isotopic signals in plant stem cellulose. Geochimica et Cosomochimica Acta. Vol 
67, No. 14 p 2561­2566. 
Sternberg  L.,  Pinzon  M.C.,  Anderson  W.T.  and  Jahren  A.H.  (2006).  Variation  in 
oxygen isotope fractionation during cellulose synthesis: intramolecular and biosynthetic 
effects. Plant, Cell, and Environment. Vol. 29, p 1. 
Switsur,  V.R.  Waterhouse,  J.S.  Field,  E.M.F.  Carter,  A.H.C.  Hall,  M.  Pollard,  M. 
Robertson,  I.  Pilcher,  J.R.  and  Heaton,  T.H.E.  (1994).  Stable  isotope  studies  of  oak 
from the English Fenland and Northern Ireland. In; Funnell, B.M. Kay, R.L.F. (Eds.), 
Palaeoclimate  of  the  Last  Glacial/Interglacial  Cycle.  Natural  Environmental  research 
council special publication 94/2. 
Switsur,  V.R.  Waterhouse,  J.S.  Field,  E.M.F.  and  Carter,  A.H.C.  (1996).  Climatic 
signals from stable isotopes in oak tree­rings from East Anglia, Great Britain. In: Dean, 
J.S.  Meko,  D.M.  Swetnam,  T.W.  (Eds),  Tree  Rings,  Environment  and  Humanity 
Radiocarbon, p 637­645. 
Tsuji H., Nakatsuka T. and Takagi K (2006). dO18 of tree­ring cellulose in two species 
(spruce and oak) as proxies of precipitation amount and relative  humidity  in  northern 
Japan. Chemical Geology. Vol. 231 p 67­76. 
Tuzet,  A.  Perrier  and  R.  Leuning  (2003).  A  coupled  model  of  stomatal  conductance, 
photosynthesis and transpiration. Plant Cell and Environment. Vol. 26, p. 1087–1096.
81 
Verheyden  A.,  Helle  G.,  Scheleser  G.H.,  Deharis  F.,  H.  Beeckman  and  Koedam  N. 
(2004). Annual cyclicity  in  high­resolution stable  carbon and oxygen  isotope ratios  in 
the  wood  of  the  mangrove  tree  Rhizophora  mucronata.  Plant,  Cell  and  Environment. 
Vol. 27, p 1525­1536. 
Waterhouse  J.S.,  Switsur  V.R.,  Barker  A.C.,  Carter  A.H.C.  and  Robertson  I.  (2002). 
Oxygen and hydrogen isotop ratios in tree rings: how well do models predict observed 
values? Earth and Planetary Science Letters. Vol. 201, p 421­430. 
Yakir D. and DeNiro M. J. (1990). Oxygen and Hydrogen Isotope Fractionation during 
cellulose Metabolism in Lemna gibba L. Plant Physiology. Vol. 93, p 325­332. 
Yapp C.J. and Epstein S. (1982). A reexamination of cellulose carbon bound hydrogen 
δD  measurements  and  some  factors  affecting  plant­water  D/H  relationships. 
Geochimica et Cosmochimica Acta. Vol. 46, p 955­965. 
Zhang, Y., J.M. Wallace, and Battisti D.S. (1997). ENSO­like interdecadal variability: 
1900­93. J. Climate. Vol. 10, p 1004­1020. 
Asset Metadata
Creator Martinez, Andrés C. (author) 
Core Title Evaluation of the mechanism of variability of the delta18O in alpha-cellulose of tropical deciduous tree pinus kesiya: conventional models and new thinking 
School College of Letters, Arts and Sciences 
Degree Master of Science 
Degree Program Geological Sciences 
Publication Date 10/22/2007 
Defense Date 08/01/2007 
Publisher University of Southern California (original), University of Southern California. Libraries (digital) 
Tag Asian monsson,climatology,dendroclimatology,oai:digitallibrary.usc.edu:usctheses,OAI-PMH Harvest,stable isotope,Thailand 
Place Name Thailand (countries) 
Language English
Advisor Stott, Lowell D. (committee chair), Bottjer, David J. (committee member), Hammond, Douglas E. (committee member) 
Creator Email andrescm@usc.edu 
Permanent Link (DOI) https://doi.org/10.25549/usctheses-m874 
Unique identifier UC1302582 
Identifier etd-Martinez-20071022 (filename),usctheses-m40 (legacy collection record id),usctheses-c127-557873 (legacy record id),usctheses-m874 (legacy record id) 
Legacy Identifier etd-Martinez-20071022.pdf 
Dmrecord 557873 
Document Type Thesis 
Rights Martinez, Andrés C. 
Type texts
Source University of Southern California (contributing entity), University of Southern California Dissertations and Theses (collection) 
Repository Name Libraries, University of Southern California
Repository Location Los Angeles, California
Repository Email uscdl@usc.edu
Abstract (if available)
Abstract The relationship between environmental variables and the oxygen isotope composition of alpha-cellulose in ringed tropical trees may not be constrained to simple "amount effects." Here I present a 55-year continuous record of delta18O of alpha-cellulose from Pinus kesiya. By comparing the cellulose isotope record to previous data, model theory, and rain amount data it is clear that both amount effects as well as isotopic changes in atmospheric circulation regimes are incorporated in the oxygen isotopic ratio of the alpha cellulose. Regression analysis show most of the variability recorded in the delta18O of cellulose results from changes in total annual rainfall, and large anomalies arise during La Nina and El Nino events. A proxy rainfall reconstruction exhibits poor correlation with rainfall variability and will require further work in order to constrain how best to extract a quantitative estimate of rainfall. 
Tags
Asian monsson
climatology
dendroclimatology
stable isotope
Linked assets
University of Southern California Dissertations and Theses
doctype icon
University of Southern California Dissertations and Theses 
Action button