孢粉穩(wěn)定同位素研究進展初探

張國富，王天強，周林宗*

（1.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.楚雄師范學(xué)院地理科學(xué)與旅游管理學(xué)院，云南 楚雄 675000）

孢粉作為研究古環(huán)境和古氣候的一個重要手段，這主要是因為孢子和花粉具有：產(chǎn)量大沉積后成為化石孢粉的概率很高、孢粉體積小易于傳播、孢粉壁易于保存、不同的孢子和花粉具有特定的外壁結(jié)構(gòu)和萌發(fā)器官易于識別等優(yōu)勢。對孢粉進行研究可以推斷古植被的種類等相關(guān)信息，由于不同的植被群落所適應(yīng)的環(huán)境和氣候是有差異的因而可以根據(jù)孢粉鑒定出的植被類型去反推當時氣候環(huán)境。但孢粉的分析主要是通過對孢粉的形態(tài)特征進行鑒別從而區(qū)分出不同的孢粉類別，這樣鑒別的優(yōu)點在于可以宏觀和定性的知道植被的屬性，但常常受到孢粉鑒定分類水平和鑒定者的鑒定水平等方面因素的限制。如：同一個屬怎么去區(qū)分同一個屬下面的不同植被之間的關(guān)系，同一個屬下面的不同植被類型的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)是否一樣成為了研究孢粉所急需解決的問題，也是目前對孢粉進行研究的另一個視角。

植物通過吸收CO2進行光合作用從而生成有機質(zhì)保存于植物體內(nèi)供植物的生長和發(fā)育同時釋放出氧氣，目前人們已經(jīng)證明了由于光合作用途徑的不同，以及溫度、濕度、降水等因素的不同能夠影響植物組分中的由CO2帶來的碳元素（δ13C）的性質(zhì)，這一現(xiàn)象的掌握已經(jīng)在生態(tài)學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，植物學(xué)家和生態(tài)學(xué)家通過對δ13C進行追蹤研究從而試圖去解釋過去的氣候和環(huán)境問題[1-2]。現(xiàn)階段應(yīng)用同位素原理去研究植物中的同位素變化規(guī)律，植物對氣候變化的響應(yīng)等問題已經(jīng)成為了一個熱點研究領(lǐng)域。何春霞等[3]通過對生長在中國北熱帶、亞熱帶和溫帶的13個氣候區(qū)的樹木葉片的穩(wěn)點碳同位素進行研究得出不同氣候條件下樹木葉片穩(wěn)定碳同位素比率和穩(wěn)定碳同位分辨率差異明顯，水熱條件較好環(huán)境條件的相對改變對植物生理活動及葉片穩(wěn)定碳同位素分餾的影響較小，反之當出現(xiàn)極端的氣候環(huán)境時葉片穩(wěn)定碳同位素分餾差異較大。正因植物同位素和環(huán)境變化之間存在著一定的關(guān)系，所以應(yīng)用同位素原理研究過去環(huán)境的變化具有重要的實踐意義。目前在已有大量的孢粉學(xué)研究者運用同位素的方法去研究同一個屬下面不同植物類型之間的相互關(guān)系和差異從而進一步的深入研究它們是如何對氣候進行響應(yīng)的，他們通過將孢粉圖譜的解釋與沉積物物中的δ13C記錄相結(jié)合[4-5]，進一步去研究植物群落的結(jié)構(gòu)的演化及物種的變化等，從而更加深入的推斷當時環(huán)境的水熱狀況如：溫度、降水等相關(guān)的氣候指標。

1 孢粉穩(wěn)定同位素研究進展分析

1.1 孢粉穩(wěn)定同位素基本原理

植物通過吸收空氣中的CO2進行光合作用從而生成有機質(zhì)和氧氣，植物通過光合作用對吸收進來的CO2發(fā)生CO2的生物分餾作用并且植物光合作用是在H2O和CO2共同作用下形成因而可以對孢粉中氫氧同位素進行測定從而來反應(yīng)當時特定的環(huán)境情況。植物的光合作用途徑有C3、C4和CAM三種，前兩種較為常見。C3、C4植物對光合作用所需要的催化霉不同因而它們在光合作用過程中對溫度、水分的利用率也有較大的差別，也就是說C3、C4植物對CO2和H2O的親合力不同所以它們所表現(xiàn)出來的同位素變化情況也不相同，一般而言C3植物更適應(yīng)于潮濕、低溫和高CO2的環(huán)境,而C4植物更適應(yīng)干旱、高溫和低CO2的條件,因此它們在植被中的含量可以反映環(huán)境參數(shù)的變化[6]。同位素在植物體內(nèi)的分餾作用不同從而導(dǎo)致植物產(chǎn)物中的同位素含量也有所差異，如：C3植物的δ13C值為-2.3%～-3.8%，而C4植物的δ13C值變化較小,為 -1.2%～-1.4%，這一特性使得利用 δ13C值的測定和判斷C4植物的含量進而推斷氣候條件的變化成為可能[7]。

1.2 孢粉穩(wěn)定同位素與植物體同位素之間的關(guān)系

用孢粉和植物都可反應(yīng)當時的氣候情況，一般認為植物生長的周期較長，可能會對當時氣候變化的反應(yīng)會存在一個滯后的效應(yīng)，突發(fā)的環(huán)境問題可能在植物體本身上是很難反映出來，但是利用孢粉對當時的氣候進行研究最大的好處在于花粉的形成周期短、花粉的產(chǎn)量相對較大受環(huán)境因素的影響較大且花粉是當一年產(chǎn)生的就可以很好的記錄下這一年的環(huán)境變化情況如：光照、溫度、水分等，因而對孢粉進行研究就可以很好的克服植物反應(yīng)氣候存在的時間滯后性問題。那孢粉同位素與植物體同位素到底有怎樣的關(guān)系，是不是可以用孢粉同位素來代替植物體同位素呢？1997年Amundson[8]等對生長于不同生態(tài)環(huán)境下的禾本科植物的穩(wěn)定碳同位素進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)原始孢粉中的同位素居然和植物體內(nèi)的碳穩(wěn)定同位素十分接近，因而可以認為用孢粉中的穩(wěn)定同位素是可以代替植物更加準確的反映當時環(huán)境變化情況的。但Amundson做的只是草本植物，草本植物符合這一規(guī)律那其他的植物類型也符合這一規(guī)律嗎？在這種疑問之下，美國的Jahren[9]等學(xué)者對北美地區(qū)的189種現(xiàn)代被子植物的孢粉及植物不同部位（莖、干、葉）等不同部位的穩(wěn)定同位素進行了測定發(fā)現(xiàn)不同的植物類型同位素的變化范圍不一樣，而孢粉、莖干、葉的變化范圍且在陸生植物的碳同位素變化范圍之內(nèi)[10]。綜述所述花粉本身穩(wěn)定的同位素和植物體本身的同位素變化是相一致的，因而利用孢粉穩(wěn)定的同位素也可以對過去氣候環(huán)境的變化進行反演。

1.3 孢粉中穩(wěn)定同位素和環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)系

孢粉中穩(wěn)定的同位素可以對氣候的變化情況進行反映，但孢粉中穩(wěn)定同位素怎么和環(huán)境因子相對應(yīng)，是不是存在一定的對應(yīng)機制和數(shù)量關(guān)系呢？我國魏明建等[11]學(xué)者應(yīng)用蜂箱對銅川、志丹、定邊、鹽池等四個地區(qū)采集了7月份的現(xiàn)代花粉，把收集來的花粉分別在干燥箱中收集花粉中的水，制成花粉水和風(fēng)干花粉及花粉殼分別在MAT241型質(zhì)譜儀上進行測試發(fā)現(xiàn)：花粉水的穩(wěn)定同位素δ18O的取值范圍在-0.542%～-1.442%之間與本地區(qū)夏季降水的穩(wěn)定同位素基本相符，花粉水的δD值得取值范圍也與該區(qū)降水穩(wěn)定同位素相近，對風(fēng)干花粉和花粉殼進行測定發(fā)現(xiàn)這兩種物質(zhì)的δ13C也存在著明顯的同位素分餾效應(yīng)，通過與7月氣溫相比得出：氣溫越高，δ13C值越負。后來Loader等[12]在歐洲地區(qū)的28個站點收集了Pinus sy lvestris花粉及該地區(qū)每年4—6月的平均氣溫通過研究發(fā)現(xiàn)Pinus sy lvestris花粉中同位素δ13C的值與溫度呈負相關(guān)關(guān)系即氣溫越高，δ13C值越小。綜上所述雖然存在δ13C的值與溫度呈負相關(guān)的關(guān)系，但是這種關(guān)系存在很多的不確定關(guān)系比如太陽光照強度、電導(dǎo)率等因素都會對溫度和孢粉穩(wěn)定同位素之間的關(guān)系進行影響，因而還存在著很多的不確定性因素，但隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，儀器測量精度的不斷提高，以后對孢粉同位素的研究會更加的深入。

2 孢粉穩(wěn)定同位素在研究過程中存在的問題

通過上述的綜述可知利用孢粉同位素來對古氣候和古環(huán)境研究十分有利，而且研究潛力巨大，但是花粉粒很小，有的只能在光學(xué)顯微鏡下才能看到，因而對花粉的提純及前期的預(yù)處理上則存在較大的問題，孢粉前期的預(yù)處理方法決定了實驗最終的結(jié)果，那在孢粉同位素的研究中我們應(yīng)該怎么對前期的樣品進行處理。

花粉作為一個植物細胞它是由內(nèi)壁、外壁、萌發(fā)孔、原生質(zhì)層等構(gòu)成，但是大多數(shù)花粉通過風(fēng)、地表徑流等方式被帶到了湖泊之中，隨著時間的推移花粉中的原生質(zhì)層，細胞質(zhì)等物質(zhì)就容易被破壞，只留下由花粉素組成的外壁，花粉素具有耐高壓，耐酸堿，耐腐蝕的特性所以孢粉才保存了下來，成為研究古氣候古環(huán)境的一種重要手段。我們在對孢粉進行分析時首先就要清除孢粉內(nèi)殘留的細胞內(nèi)壁、纖維素細胞質(zhì)等物質(zhì)只留下孢粉的外壁。實驗室對孢粉的預(yù)處理方法是加入9∶1的醋酸酐和濃硫酸混合液去掉孢粉上的原生質(zhì)層來達到對孢粉提純的目的，但是Amundson等[9]發(fā)現(xiàn)如果用醋酸酐對孢粉進行提純的話孢粉的碳同位素與原始的未經(jīng)處理的碳同位素存在較大的差異，如果用醋酸酐對孢粉進行提純會對產(chǎn)生的碳同位素造成污染從而影響碳同位素的范圍。魏明建等[11]采用氫化銅做氧化劑，用氧化分解的方法把樣品變成CO2和H2O，最后將其收集來的CO2送質(zhì)譜分析有機碳的同位素，應(yīng)用該方法存在的問題是反應(yīng)難以判斷是不是完全反應(yīng)且其轉(zhuǎn)化率達不到100%，存在一定的誤差。2000年為了對孢粉進行提純Loade和Hemming兩位學(xué)者在Amundson的基礎(chǔ)之上采用孢粉富積的方法將10mL濃硫酸加到10mg的干孢粉中在磁力攪拌儀攪拌下進行反應(yīng)，離心清洗后測量碳同位素[13]，發(fā)現(xiàn)即使在不用醋酸酐的情況下也能去除孢粉中的纖維素達到想要的結(jié)果而且發(fā)現(xiàn)用濃硫酸實驗更加方便，對碳同位素的干擾較小?，F(xiàn)目前對孢粉提純?nèi)コw維素測定碳同位素用的最多的方法便是濃硫酸提純法，但對孢粉纖維素進行處理的方法還很多，可能還有更好的方法達到去除孢粉中的纖維素從而對孢粉進行提純。

3 結(jié)論與展望

現(xiàn)階段對孢粉同位素的研究還在處于不斷的發(fā)展過程中，通過以上綜述可知：利用孢粉穩(wěn)定同位素對古環(huán)境和古氣候進行研究具有較大的優(yōu)勢，初次判斷溫度和孢粉的穩(wěn)定碳元素之間存在負相關(guān)的關(guān)系；在現(xiàn)在測定孢粉同位素對孢粉進行提純的大多都使用濃硫酸去除孢粉的纖維素從而對孢粉進行提純，該方法現(xiàn)在也處于嘗試階段，還沒有達到完全成熟的地步；在目前大多的學(xué)者對孢粉的研究開始傾向于對同一個屬中不同的植物類別之間同位素、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的差異進行研究，從而彌補了孢粉鑒定分類水平的不足。再對過去的氣候研究過程中孢粉具有獨特的優(yōu)勢，孢粉作為環(huán)境變化的指示劑將有更多的學(xué)者向這方面發(fā)展，隨著社會的不斷發(fā)展，先進儀器的使用，孢粉同位素的研究將不斷的深入，我們可以根據(jù)孢粉同位素精確的研究和模擬過去的環(huán)境狀況從而探索以前在世界上出現(xiàn)過的物種，還可以對海洋中的孢粉沉積物進行追蹤了解世界季風(fēng)和環(huán)流的變化規(guī)律。從小范圍來講可以利用孢粉同位素對花粉的來源和傳播途徑進行追蹤從而了解區(qū)域與區(qū)域之間的內(nèi)在聯(lián)系，也可以進一步的探索水循環(huán)的具體方式等等。