黄土中的植物生长调节剂

黄土中的植物生长调节剂

黄土是重要的古环境数据集的载体。他的研究引起了国内外科学家的关注，取得了许多成果。目前,可靠的年代研究是古环境研究的重要环节。例如,YD、Preboreal、8200aBP等突变事件,仅持续百年至千年,而突变过程往往只有几十年,准确测定这些突变事件的年龄往往需要借助高精度、高分辨率测年手段,传统的测年手段无法满足此类测年的需要,因此这些研究给出的年代框架往往是基于粒度年代模式或磁化率时间模型,或磁化率-太阳辐射调谐得出的。Porter和An(1995)根据洛川黄土中石英颗粒和粗颗粒组分的变化揭示出末次冰期中国黄土中保存有格陵兰冰心和北大西洋深海沉积物记录的6次寒冷事件。在没有更好的办法时,它们只能给出相对的年龄,但引出的问题是:(1)全球气候事件会同步变化;(2)不同的模型至少产生千年级或更大的年龄误差,由此带来许多不确定性以及空间对比上的误导。精确、可靠的年代标尺,特别是14C年代标尺对近5万年以来黄土-古土壤中古环境信息的合理提取有很重要的研究价值。14C测年的可靠性在很大程度上取决于测年物质的可靠。黄土-古土壤序列的14C测年,因缺乏可靠的测年物质而受到限制。最常用的测年物质可靠性受到置疑,如黄土中的有机质,由于受现代根系和农业施肥等带来的现代有机碳污染,使得年龄偏年轻。因此,前人研究主要集中在可靠测年物质的选择和提取方法上。例如,在沉积环境稳定的黄土-古土壤剖面中,孢粉可作为可靠的测年物质,弥补了黄土中缺乏可靠测年物质的缺陷;在用NaOH溶液分离古土壤腐殖酸和胡敏素之前,先用有机溶剂提取单体有机小分子,能得到可信度较高的测年成分。这些可靠测年物质的发现和前处理方法的使用,大大推动了黄土14C年代学的发展。1人类活动的干扰黄土-古土壤序列除了受到温度、水、地理位置和有机质与矿物基质相互作用等自然力的影响外,还受到人类活动的干扰,造成测年样品的多源性和复杂性,从而为进一步深入研究带来了相当大的局限性。目前国际上在黄土14C测年的研究中,其测年的物质主要有有机质(腐殖酸)、花粉、蜗牛化石、木质样品等。以下主要针对上述几种测年物质做一评述。1.1土壤有机组分的分离与鉴定土壤中腐殖质的积累过程是循环进行,表层腐殖质的循环周期平均为400a,最大不超过1000a,土壤深层腐殖质的分解和形成过程比较缓慢。土壤被埋藏后,可溶态有机质的淀积作用等过程并没有停止。因此,土壤腐殖质的14C年龄实际是新老腐殖质组分的平均年龄。后期作用中变化较小的不溶性有机质(胡敏素),其年龄可能接近于土壤的发育时间。Scharpenseel和Schiffman在研究中发现,合理的土壤胡敏素年龄可以通过碱连续提取腐殖酸,或者6M的HCl重复酸解之后得到。Gilet-Blein等检验了这两种前处理方法后发现碱提取物得到的14C年龄根据提取时间长短和被处理土壤的特性而存在差异,连续酸解也许能分离最老的部分,但是所得的14C年龄仍然比地层的真实年龄年轻;同时还指出,如果碱提取法用于酸性土壤时,胡敏素所得年龄总是比腐殖酸的老,但是,对于碱性土壤关系则相反。Head等认为,酸碱法不能完全分离、提纯腐殖酸和胡敏素,仍有很大一部分年轻有机污染物残留其中,造成与真实年龄的偏差。目前对于黄土-古土壤测年组分的提取,大多数实验室仍采用酸碱处理法。周卫健和Head等认为在用NaOH溶液分离土壤腐殖酸和胡敏素之前,先用有机溶剂提取,除去一些单体有机小分子,并将其方法用于北庄村黄土-古土壤剖面。在古土壤序列底部,有机溶剂前处理法能成功提取可信度较高的测年成分,然而,在相同黄土剖面序列顶部分离出相同的化学成分得到的14C年龄却明显偏年轻,腐殖酸和胡敏素所得年龄和同层位陶器碎片所记录的历史年龄都不相符。因此,现有酸碱法和有机溶剂提取仍不能满足提取黄土-古土壤可靠有机组分的要求,应该进一步探索新的前处理方法。黄土有机质的移动过程让黄土剖面成为了一个天然的色层分离柱,向下移动的有机质与黏粒结合成络合物,或被较老的腐殖质吸附,这部分有机质为碳水化合物、蛋白质、脂肪酸、烷烃类等物质。Wang等认为通过适当热解温度可以把低分子有机质和高分子有机质分开,因此,可以把土壤总有机质分为热解稳定部分(Py-R)和热解不稳定部分(Py-V),GCMS分析发现Py-V中所含的物质主要是碳水化合物和蛋白类等物质,而Py-R主要是抗微生物分解的木质素和脂类等化合物。基于前人的研究成果,我们采用热解对黄土-古土壤中的有机质进行分离,并对组分进行测年(表1)。没经过热解的全有机质里含有大量上部淋漓的不稳定小分子有机质,因而得到的年龄偏年轻;而高温部分是稳定的大分子有机质,可能代表地层沉积年龄。1.2分离性的构成随着加速器测年技术的问世,使得孢粉这样的微量样品的测年也成为了可能,对高分辨率、高精度年代标尺的建立起到了巨大的推动作用。Brown用湖相沉积物中的孢粉浓缩物进行加速器测年,指出花粉浓缩物14C年龄为古环境的研究提供了较为可靠的年代标尺。Long利用孢粉进行加速器测年也得到了相似的结论。孢粉能作为测年物质主要是基于以下几点:(1)孢粉每年产生,就地沉积,其外表面由一层孢子花粉素构成,能免受细菌分解,避免与外界碳的交换。(2)在古土壤中孢粉迁移的距离很有限,小于10cm。(3)孢粉是丰富的植物化石,其量完全能满足加速器质谱(AMS)(<500μg)14C年代测定的需要。(4)孢粉完全是陆地源的产物,其年龄不会受“交换碳库”的影响。本实验室对巴谢黄土剖面中分离的孢粉和同一层位的木质样品年龄进行了对比,并对玄河则、杨桃茆黄土-古土壤剖面中孢粉进行了年代测定(表2)。表中数据表明巴谢古土壤中分离的孢粉和同层位可靠的测年物质所得年龄有很好的一致性,证实了其测年的可靠性。通过对玄河则和杨桃茆剖面孢粉显微镜分析结合其年代数据认为孢粉由两部分组成:(1)在一个稳定的沉积环境下与沉积物共同沉积的孢粉,可以作为可靠的测年物质,例如在古土壤、湖相沉积物中等;(2)再沉积的孢粉,由于气候环境的不稳定(沙尘暴)带来较老或者年轻的有机碎屑和孢粉,使之再次沉积,其14C不能代表真实的地层年龄。例如,在冬季风盛行地区,黄土或者风成砂中的孢粉。因此,在不稳定沉积环境下,孢粉不易作为测年物质,可能会使得14C年龄偏老或者年轻,当然也需要进一步用不同测年物质进行交叉检验。再沉积的孢粉通常对不稳定气候环境具有一定的指示意义。1.3科学测定15c年龄蜗牛是黄土地区最常见的无脊椎动物,也是黄土层中最常见的化石,在黄土地区不同时代的地层中均有发现。蜗牛的出现和生存与黄土富碳酸钙和生态环境有关,为适应不同时期黄土地层的生态条件,出现了不同的蜗牛组合,并反映了当时的自然环境。但蜗牛化石作为测年物质其可靠性一直存在争议。60年代初,Rubin测定了一批晚更新世蜗牛壳的14C年龄、δ13C和现代活蜗牛的放射性比值,认为在极其适宜的环境中,蜗牛从周围获取了10%～12%的老碳酸盐,致使蜗牛碳酸钙14C年龄偏老1000a左右。Tamer、Burleigh和Kerney、Evin等、Goodfriend和Stipp等对温和气候条件和热带地区蜗牛的研究发现,老碳酸盐致使蜗牛碳酸钙14C年龄偏老最大达到3000a,造成蜗牛14C年龄的异常。周卫健等认为,在选用蜗牛作为测年物质时应选择由文石构成的蜗牛壳。文石是一种亚稳定矿物,在常温常压下,通过重结晶作用,逐步转变为方解石,这时会把环境中14C结合到矿物中去,污染样品。文石虽稳定性差,但属于生物骨骼中原生组分,能够表征蜗牛的真实年龄,可以用X衍射和傅立叶红外变换光谱仪进行精确的文石鉴定,最后用牙钻或者稀盐酸溶解分离方解石。在黄土高原地区,碳酸钙中较老的14C进入到蜗牛的外壳中,导致年龄偏老。其年代的校正,一般采用活蜗牛壳形成时期大气14C的放射性比值计算出这部分偏老的年龄,用此年龄校正相似土壤基质中同种属或者相似的蜗牛化石的年龄。但是在黄土中,碳酸钙基质的14C浓度,可能随着时间的衰变而减少,也可能由于成土作用引入新的14C而增加,然而黄土中成土作用强度的变化是如何引起黄土表面14C的改变,这其中的关系仍不是很清楚,因此,这样的不确定性会导致蜗牛年龄的异常具有可变性,可能导致蜗牛14C年龄的可靠性降低。表3为陕西凉村黄土-古土壤剖面中陆地蜗牛AMS14C年龄测定结果。在226cm处,孢粉的年龄数据和蜗牛文石的碳库校正后的年龄(Metodontia),在1倍标准偏差内相似性很好。在186cm处,碳库校正后得到年龄比孢粉所得到的年龄年轻700a,通过X光测定此蜗牛化石含有大量的方解石,所得年龄被认为是不可靠的。所以采用蜗牛定年首先要确定蜗牛外壳是否为文石,然后所得年龄需和公认的典型的环境事件年龄或者可靠物质的年龄进行比对后,确定其可靠性后才能使用。在研究黄土中孢粉、蜗牛样品、有机质测年的可靠性时,木质样品的年龄作为一个年龄标志点来确定其他测年物质可靠性。木质样品主要的化学组分为纤维素、半纤维和木质素;其中纤维素是由葡萄糖分子通过β键连接而形成的线性高分子化合物,化学结构是木质样中最稳定的组分,碳同位素在化学前处理过程中不易发生同位素分馏,14C年龄被认为是可靠的。但是,容易产生“样品生长期后误差”,即树木生长与人类使用木材之间的时间差。2黄土壤中的可靠测年物质(1)可靠的测年物质保障了年龄的可靠。在黄土-古土壤中,木质样品、蜗牛化石、孢粉、有机质(腐殖酸、胡敏素)等测年物质都可以用于年代测定,木质样品虽是最可靠的测年物质,但在黄土序列中不易被发现。常用的测年物质是有机质(腐殖质),其含量通常低于2%,并且受到各种人为和自然因素的影响,造成常规的前处理方法无法将其完全分离,使得14C年龄偏年轻。采用热解法,虽然能有效地分离年轻污染物,但还需要继续研究不同温度段下组分分离的情况,找到一个更为合适的试验条件。孢粉测年可靠性的研究发现,孢粉可以作为稳定沉积物的可靠测年物质,这弥补了黄土中缺乏可靠测年物质的缺陷;但是,在不稳定的沉积环境中,孢粉不能作为测年物质使用。蜗牛吸收周围不同放射性比度的14C,使得测年准确性受到影响,如果用于测年通常选用蜗牛文石。另外,在建立黄土-古土壤时间标尺时,可以结合公认的考古年龄对黄土-古土壤地层年龄进行比对、校正,确保年龄的合理性和可靠性。(2)传统的测年技术无法满足突变环境事件年代研究所需样品量少、高精度、高分辨率等特点。与传统的14C液闪法相比,加速器14C测年法具有明显的优势。加速器测量所需碳量为1mg,现代样品的14C的日常测量精度优于0.3%。因此,针对黄土-古土壤中测年物质含量少的特点,只有采用耗样少、测量精度高的AMS测年手段,才能对突变事件的年龄快速转换过程(往往只有几十年)定年。例如结合AMS测年技术,我们得到的孢粉的14C年龄为10360±65aBP,此年龄刚好位于国际公认YD事件发生期间1000～11000aBP,并且同一层位木质样品14C年龄为10