黃土中的植物生長調(diào)節(jié)劑

黃土中的植物生長調(diào)節(jié)劑

黃土是重要的古環(huán)境數(shù)據(jù)集的載體。他的研究引起了國內(nèi)外科學家的關注，取得了許多成果。目前,可靠的年代研究是古環(huán)境研究的重要環(huán)節(jié)。例如,YD、Preboreal、8200aBP等突變事件,僅持續(xù)百年至千年,而突變過程往往只有幾十年,準確測定這些突變事件的年齡往往需要借助高精度、高分辨率測年手段,傳統(tǒng)的測年手段無法滿足此類測年的需要,因此這些研究給出的年代框架往往是基于粒度年代模式或磁化率時間模型,或磁化率-太陽輻射調(diào)諧得出的。Porter和An(1995)根據(jù)洛川黃土中石英顆粒和粗顆粒組分的變化揭示出末次冰期中國黃土中保存有格陵蘭冰心和北大西洋深海沉積物記錄的6次寒冷事件。在沒有更好的辦法時,它們只能給出相對的年齡,但引出的問題是:(1)全球氣候事件會同步變化;(2)不同的模型至少產(chǎn)生千年級或更大的年齡誤差,由此帶來許多不確定性以及空間對比上的誤導。精確、可靠的年代標尺,特別是14C年代標尺對近5萬年以來黃土-古土壤中古環(huán)境信息的合理提取有很重要的研究價值。14C測年的可靠性在很大程度上取決于測年物質(zhì)的可靠。黃土-古土壤序列的14C測年,因缺乏可靠的測年物質(zhì)而受到限制。最常用的測年物質(zhì)可靠性受到置疑,如黃土中的有機質(zhì),由于受現(xiàn)代根系和農(nóng)業(yè)施肥等帶來的現(xiàn)代有機碳污染,使得年齡偏年輕。因此,前人研究主要集中在可靠測年物質(zhì)的選擇和提取方法上。例如,在沉積環(huán)境穩(wěn)定的黃土-古土壤剖面中,孢粉可作為可靠的測年物質(zhì),彌補了黃土中缺乏可靠測年物質(zhì)的缺陷;在用NaOH溶液分離古土壤腐殖酸和胡敏素之前,先用有機溶劑提取單體有機小分子,能得到可信度較高的測年成分。這些可靠測年物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和前處理方法的使用,大大推動了黃土14C年代學的發(fā)展。1人類活動的干擾黃土-古土壤序列除了受到溫度、水、地理位置和有機質(zhì)與礦物基質(zhì)相互作用等自然力的影響外,還受到人類活動的干擾,造成測年樣品的多源性和復雜性,從而為進一步深入研究帶來了相當大的局限性。目前國際上在黃土14C測年的研究中,其測年的物質(zhì)主要有有機質(zhì)(腐殖酸)、花粉、蝸牛化石、木質(zhì)樣品等。以下主要針對上述幾種測年物質(zhì)做一評述。1.1土壤有機組分的分離與鑒定土壤中腐殖質(zhì)的積累過程是循環(huán)進行,表層腐殖質(zhì)的循環(huán)周期平均為400a,最大不超過1000a,土壤深層腐殖質(zhì)的分解和形成過程比較緩慢。土壤被埋藏后,可溶態(tài)有機質(zhì)的淀積作用等過程并沒有停止。因此,土壤腐殖質(zhì)的14C年齡實際是新老腐殖質(zhì)組分的平均年齡。后期作用中變化較小的不溶性有機質(zhì)(胡敏素),其年齡可能接近于土壤的發(fā)育時間。Scharpenseel和Schiffman在研究中發(fā)現(xiàn),合理的土壤胡敏素年齡可以通過堿連續(xù)提取腐殖酸,或者6M的HCl重復酸解之后得到。Gilet-Blein等檢驗了這兩種前處理方法后發(fā)現(xiàn)堿提取物得到的14C年齡根據(jù)提取時間長短和被處理土壤的特性而存在差異,連續(xù)酸解也許能分離最老的部分,但是所得的14C年齡仍然比地層的真實年齡年輕;同時還指出,如果堿提取法用于酸性土壤時,胡敏素所得年齡總是比腐殖酸的老,但是,對于堿性土壤關系則相反。Head等認為,酸堿法不能完全分離、提純腐殖酸和胡敏素,仍有很大一部分年輕有機污染物殘留其中,造成與真實年齡的偏差。目前對于黃土-古土壤測年組分的提取,大多數(shù)實驗室仍采用酸堿處理法。周衛(wèi)健和Head等認為在用NaOH溶液分離土壤腐殖酸和胡敏素之前,先用有機溶劑提取,除去一些單體有機小分子,并將其方法用于北莊村黃土-古土壤剖面。在古土壤序列底部,有機溶劑前處理法能成功提取可信度較高的測年成分,然而,在相同黃土剖面序列頂部分離出相同的化學成分得到的14C年齡卻明顯偏年輕,腐殖酸和胡敏素所得年齡和同層位陶器碎片所記錄的歷史年齡都不相符。因此,現(xiàn)有酸堿法和有機溶劑提取仍不能滿足提取黃土-古土壤可靠有機組分的要求,應該進一步探索新的前處理方法。黃土有機質(zhì)的移動過程讓黃土剖面成為了一個天然的色層分離柱,向下移動的有機質(zhì)與黏粒結(jié)合成絡合物,或被較老的腐殖質(zhì)吸附,這部分有機質(zhì)為碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪酸、烷烴類等物質(zhì)。Wang等認為通過適當熱解溫度可以把低分子有機質(zhì)和高分子有機質(zhì)分開,因此,可以把土壤總有機質(zhì)分為熱解穩(wěn)定部分(Py-R)和熱解不穩(wěn)定部分(Py-V),GCMS分析發(fā)現(xiàn)Py-V中所含的物質(zhì)主要是碳水化合物和蛋白類等物質(zhì),而Py-R主要是抗微生物分解的木質(zhì)素和脂類等化合物?；谇叭说难芯砍晒?我們采用熱解對黃土-古土壤中的有機質(zhì)進行分離,并對組分進行測年(表1)。沒經(jīng)過熱解的全有機質(zhì)里含有大量上部淋漓的不穩(wěn)定小分子有機質(zhì),因而得到的年齡偏年輕;而高溫部分是穩(wěn)定的大分子有機質(zhì),可能代表地層沉積年齡。1.2分離性的構(gòu)成隨著加速器測年技術的問世,使得孢粉這樣的微量樣品的測年也成為了可能,對高分辨率、高精度年代標尺的建立起到了巨大的推動作用。Brown用湖相沉積物中的孢粉濃縮物進行加速器測年,指出花粉濃縮物14C年齡為古環(huán)境的研究提供了較為可靠的年代標尺。Long利用孢粉進行加速器測年也得到了相似的結(jié)論。孢粉能作為測年物質(zhì)主要是基于以下幾點:(1)孢粉每年產(chǎn)生,就地沉積,其外表面由一層孢子花粉素構(gòu)成,能免受細菌分解,避免與外界碳的交換。(2)在古土壤中孢粉遷移的距離很有限,小于10cm。(3)孢粉是豐富的植物化石,其量完全能滿足加速器質(zhì)譜(AMS)(<500μg)14C年代測定的需要。(4)孢粉完全是陸地源的產(chǎn)物,其年齡不會受“交換碳庫”的影響。本實驗室對巴謝黃土剖面中分離的孢粉和同一層位的木質(zhì)樣品年齡進行了對比,并對玄河則、楊桃茆黃土-古土壤剖面中孢粉進行了年代測定(表2)。表中數(shù)據(jù)表明巴謝古土壤中分離的孢粉和同層位可靠的測年物質(zhì)所得年齡有很好的一致性,證實了其測年的可靠性。通過對玄河則和楊桃茆剖面孢粉顯微鏡分析結(jié)合其年代數(shù)據(jù)認為孢粉由兩部分組成:(1)在一個穩(wěn)定的沉積環(huán)境下與沉積物共同沉積的孢粉,可以作為可靠的測年物質(zhì),例如在古土壤、湖相沉積物中等;(2)再沉積的孢粉,由于氣候環(huán)境的不穩(wěn)定(沙塵暴)帶來較老或者年輕的有機碎屑和孢粉,使之再次沉積,其14C不能代表真實的地層年齡。例如,在冬季風盛行地區(qū),黃土或者風成砂中的孢粉。因此,在不穩(wěn)定沉積環(huán)境下,孢粉不易作為測年物質(zhì),可能會使得14C年齡偏老或者年輕,當然也需要進一步用不同測年物質(zhì)進行交叉檢驗。再沉積的孢粉通常對不穩(wěn)定氣候環(huán)境具有一定的指示意義。1.3科學測定15c年齡蝸牛是黃土地區(qū)最常見的無脊椎動物,也是黃土層中最常見的化石,在黃土地區(qū)不同時代的地層中均有發(fā)現(xiàn)。蝸牛的出現(xiàn)和生存與黃土富碳酸鈣和生態(tài)環(huán)境有關,為適應不同時期黃土地層的生態(tài)條件,出現(xiàn)了不同的蝸牛組合,并反映了當時的自然環(huán)境。但蝸牛化石作為測年物質(zhì)其可靠性一直存在爭議。60年代初,Rubin測定了一批晚更新世蝸牛殼的14C年齡、δ13C和現(xiàn)代活蝸牛的放射性比值,認為在極其適宜的環(huán)境中,蝸牛從周圍獲取了10%～12%的老碳酸鹽,致使蝸牛碳酸鈣14C年齡偏老1000a左右。Tamer、Burleigh和Kerney、Evin等、Goodfriend和Stipp等對溫和氣候條件和熱帶地區(qū)蝸牛的研究發(fā)現(xiàn),老碳酸鹽致使蝸牛碳酸鈣14C年齡偏老最大達到3000a,造成蝸牛14C年齡的異常。周衛(wèi)健等認為,在選用蝸牛作為測年物質(zhì)時應選擇由文石構(gòu)成的蝸牛殼。文石是一種亞穩(wěn)定礦物,在常溫常壓下,通過重結(jié)晶作用,逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐?這時會把環(huán)境中14C結(jié)合到礦物中去,污染樣品。文石雖穩(wěn)定性差,但屬于生物骨骼中原生組分,能夠表征蝸牛的真實年齡,可以用X衍射和傅立葉紅外變換光譜儀進行精確的文石鑒定,最后用牙鉆或者稀鹽酸溶解分離方解石。在黃土高原地區(qū),碳酸鈣中較老的14C進入到蝸牛的外殼中,導致年齡偏老。其年代的校正,一般采用活蝸牛殼形成時期大氣14C的放射性比值計算出這部分偏老的年齡,用此年齡校正相似土壤基質(zhì)中同種屬或者相似的蝸?；哪挲g。但是在黃土中,碳酸鈣基質(zhì)的14C濃度,可能隨著時間的衰變而減少,也可能由于成土作用引入新的14C而增加,然而黃土中成土作用強度的變化是如何引起黃土表面14C的改變,這其中的關系仍不是很清楚,因此,這樣的不確定性會導致蝸牛年齡的異常具有可變性,可能導致蝸牛14C年齡的可靠性降低。表3為陜西涼村黃土-古土壤剖面中陸地蝸牛AMS14C年齡測定結(jié)果。在226cm處,孢粉的年齡數(shù)據(jù)和蝸牛文石的碳庫校正后的年齡(Metodontia),在1倍標準偏差內(nèi)相似性很好。在186cm處,碳庫校正后得到年齡比孢粉所得到的年齡年輕700a,通過X光測定此蝸?；写罅康姆浇馐?所得年齡被認為是不可靠的。所以采用蝸牛定年首先要確定蝸牛外殼是否為文石,然后所得年齡需和公認的典型的環(huán)境事件年齡或者可靠物質(zhì)的年齡進行比對后,確定其可靠性后才能使用。在研究黃土中孢粉、蝸牛樣品、有機質(zhì)測年的可靠性時,木質(zhì)樣品的年齡作為一個年齡標志點來確定其他測年物質(zhì)可靠性。木質(zhì)樣品主要的化學組分為纖維素、半纖維和木質(zhì)素;其中纖維素是由葡萄糖分子通過β鍵連接而形成的線性高分子化合物,化學結(jié)構(gòu)是木質(zhì)樣中最穩(wěn)定的組分,碳同位素在化學前處理過程中不易發(fā)生同位素分餾,14C年齡被認為是可靠的。但是,容易產(chǎn)生“樣品生長期后誤差”,即樹木生長與人類使用木材之間的時間差。2黃土壤中的可靠測年物質(zhì)(1)可靠的測年物質(zhì)保障了年齡的可靠。在黃土-古土壤中,木質(zhì)樣品、蝸?；?、孢粉、有機質(zhì)(腐殖酸、胡敏素)等測年物質(zhì)都可以用于年代測定,木質(zhì)樣品雖是最可靠的測年物質(zhì),但在黃土序列中不易被發(fā)現(xiàn)。常用的測年物質(zhì)是有機質(zhì)(腐殖質(zhì)),其含量通常低于2%,并且受到各種人為和自然因素的影響,造成常規(guī)的前處理方法無法將其完全分離,使得14C年齡偏年輕。采用熱解法,雖然能有效地分離年輕污染物,但還需要繼續(xù)研究不同溫度段下組分分離的情況,找到一個更為合適的試驗條件。孢粉測年可靠性的研究發(fā)現(xiàn),孢粉可以作為穩(wěn)定沉積物的可靠測年物質(zhì),這彌補了黃土中缺乏可靠測年物質(zhì)的缺陷;但是,在不穩(wěn)定的沉積環(huán)境中,孢粉不能作為測年物質(zhì)使用。蝸牛吸收周圍不同放射性比度的14C,使得測年準確性受到影響,如果用于測年通常選用蝸牛文石。另外,在建立黃土-古土壤時間標尺時,可以結(jié)合公認的考古年齡對黃土-古土壤地層年齡進行比對、校正,確保年齡的合理性和可靠性。(2)傳統(tǒng)的測年技術無法滿足突變環(huán)境事件年代研究所需樣品量少、高精度、高分辨率等特點。與傳統(tǒng)的14C液閃法相比,加速器14C測年法具有明顯的優(yōu)勢。加速器測量所需碳量為1mg,現(xiàn)代樣品的14C的日常測量精度優(yōu)于0.3%。因此,針對黃土-古土壤中測年物質(zhì)含量少的特點,只有采用耗樣少、測量精度高的AMS測年手段,才能對突變事件的年齡快速轉(zhuǎn)換過程(往往只有幾十年)定年。例如結(jié)合AMS測年技術,我們得到的孢粉的14C年齡為10360±65aBP,此年齡剛好位于國際公認YD事件發(fā)生期間1000～11000aBP,并且同一層位木質(zhì)樣品14C年齡為10