楊美臨,陳傳飛,楊 茜,苗運(yùn)法

(1.云南省建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境審核受理中心,云南昆明 650032;2.蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 &資源環(huán)境學(xué)院,甘肅蘭州 730000;3.云南省環(huán)境科學(xué)研究院,云南昆明 650034;4.中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所盆地與資源環(huán)境研究中心,北京 100085)

簡(jiǎn)單物化因子影響楊屬花粉保存的初步研究

楊美臨1,陳傳飛2,楊 茜3,苗運(yùn)法4

(1.云南省建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境審核受理中心,云南昆明 650032;2.蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 &資源環(huán)境學(xué)院,甘肅蘭州 730000;3.云南省環(huán)境科學(xué)研究院,云南昆明 650034;4.中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所盆地與資源環(huán)境研究中心,北京 100085)

選取地層埋藏條件中可能與花粉保存狀態(tài)相關(guān)的兩個(gè)物化因子—pH值和溫度開展試驗(yàn),即將現(xiàn)代楊屬花粉置于不同 pH值梯度的溶液中,并在模擬的地層溫度條件下進(jìn)行不同持續(xù)時(shí)間的恒溫水浴加熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,楊屬花粉隨所處環(huán)境的酸堿度升高,花粉濃度明顯降低、破壞程度顯著增加,但與加熱時(shí)間卻無(wú)明顯關(guān)系。

楊屬花粉;pH;溫度;破壞程度;花粉濃度

地層中的孢粉化石組成和濃度能夠用以直觀恢復(fù)古植被狀況,因此作為一種良好的代用指標(biāo)廣泛地應(yīng)用于古環(huán)境、古氣候重建,而從地層能夠提取到的孢粉種類和數(shù)量也將直接影響到古環(huán)境和古氣候重建的準(zhǔn)確性。楊屬植物為典型的溫帶落葉闊葉植物,現(xiàn)代楊屬植物廣泛分布于 30°～65°N,海拔4000m以下的北溫帶[1],生態(tài)幅較為確定。其植物大化石資料顯示,楊屬植物最早出現(xiàn)于晚白堊世[2,3],新生代以來(lái)在北半球逐步擴(kuò)散至現(xiàn)代分布范圍。盡管楊屬植物大化石在晚白堊世地層中被頻頻發(fā)現(xiàn),但在相應(yīng)地層中卻無(wú)該屬植物花粉記錄,例如:甘肅蘭州盆地古近系地層[4]和山東山旺中新世地層[5]中都發(fā)現(xiàn)了楊屬植物的大化石,卻未見該屬植物花粉[6～8]。

首先,外壁薄和外壁光滑的花粉易被分解,且花粉中孢粉素含量越低,花粉保存的穩(wěn)定性就越差[9],而楊屬花粉恰恰是一類外壁光滑、外壁較薄、易褶皺破裂[6,10],孢粉素含量低[11]的花粉。其次,孢粉在埋藏過(guò)程中經(jīng)歷了物理、化學(xué)和生物的協(xié)同作用,其形態(tài)會(huì)受到一定的影響[12],比如土壤中 pH值變化對(duì)花粉影響顯著[13],堿性環(huán)境不利于現(xiàn)代油松花粉的保存[14];現(xiàn)代松屬花粉的破碎程度隨著溫度升高而加大[15];黃土中的碳酸鈣可毀壞花粉壁[16];細(xì)菌、真菌對(duì)花粉亦具破壞作用[17],黃土中的微生物會(huì)降解孢粉素[16]等。現(xiàn)代花粉實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)也證實(shí)高溫和有機(jī)溶劑的浸泡對(duì)花粉粒形態(tài)亦具有一定的影響[18,19]。此外,楊屬植物雖為高大喬木,但花粉產(chǎn)量并不高,同時(shí)由于花粉的結(jié)構(gòu)特征不利于遠(yuǎn)距離傳播,可能使其地層中具有很低的代表性[20～23]。

以上僅是根據(jù)楊屬花粉本身特性和其他孢粉研究結(jié)果所做的定性類比解析,即除楊屬花粉本身形態(tài)不利于保存外,pH值、溫度及微生物活動(dòng)都可能破壞花粉保存的完整性,但目前尚缺乏模擬埋藏條件下特定物化因子對(duì)楊屬花粉保存狀況的定量影響研究。本研究設(shè)計(jì)了在 5個(gè) pH梯度環(huán)境對(duì)楊屬花粉進(jìn)行水浴加熱的破壞性實(shí)驗(yàn),討論了楊屬花粉在不同的 pH值環(huán)境背景及加熱持續(xù)時(shí)間下的保存情況,為探討孢粉提取實(shí)驗(yàn)中地層楊屬花粉的得失起到借鑒作用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用楊柳科楊屬銀白楊 (Populus alba)現(xiàn)代花粉,花粉樣品于 2007年 4月初采集于蘭州市皋蘭山 (海拔 2130m)的人工種植銀白楊成年純林。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

現(xiàn)代花粉自母體脫落后,經(jīng)過(guò)復(fù)雜的搬運(yùn)過(guò)程后在不同的弱 pH環(huán)境中沉積和埋藏;而地層中的花粉則還要經(jīng)歷后期升溫?cái)D壓和蝕變降解過(guò)程,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重現(xiàn)這一復(fù)雜過(guò)程的全部影響幾乎是不可能的,根據(jù)楊屬花粉具有外壁薄、紋飾模糊[24]的特征,進(jìn)行主要影響因素在理想化保存條件下的模擬,即考慮不同的 pH值水平和地溫條件。實(shí)驗(yàn)中將楊屬花粉置于不同 pH值溶液中,進(jìn)行不同持續(xù)時(shí)間的水浴加熱,統(tǒng)計(jì)楊屬花粉的破壞度。在預(yù)處理樣品中加入石松孢子,以定量討論模擬的簡(jiǎn)單埋藏因子對(duì)花粉濃度的影響。加熱處理在恒溫水浴鍋中進(jìn)行,花粉濃度計(jì)算采用常規(guī)的體積法。

1.2.1 樣品預(yù)處理

將雄花序裝入盛有蒸餾水的試管內(nèi),用玻璃棒輕輕擊打花序,充分浸泡以保證花粉散出,然后用200目篩子將樣品過(guò)濾到 25ml量筒內(nèi),添加一粒石松孢子藥片 (含石松孢子約 27000粒),溶解后攪拌均勻。實(shí)驗(yàn)中不對(duì)花粉原生質(zhì)進(jìn)行去除。

1.2.2 pH溶液的配制

實(shí)驗(yàn)中共配置 5個(gè)等級(jí)的 pH值溶液 (表 1)。堿性溶液用分析純固體氫氧化鈉配制,酸性溶液用分析純鹽酸溶液配制。pH溶液的配制遵循堿性由高到低,酸性按由低到高原則,使用 PP-50專業(yè)型 pH計(jì) (精度為 0.01)配制,其中 pH=7的為蒸餾水。溶液即用即配,每次取 10ml裝入 15ml的試管中。

表 1 實(shí)驗(yàn)配制 pH值與樣品編號(hào)

1.2.3 混合溶液的配制

將預(yù)處理獲得的含花粉與石松孢子的溶液攪拌均勻,用吸管取 5份,每份 1ml,分別加入到配制好的不同 pH等級(jí)的 10ml溶液中。在均勻攪拌后,配成 5份 11ml的混合溶液,此時(shí) 1ml混合溶液含石松孢子約 98粒。

1.2.4 加熱處理過(guò)程

實(shí)驗(yàn)在 40℃恒溫的水浴鍋中進(jìn)行加熱,加熱過(guò)程分為 6個(gè)時(shí)間控制段,分別為 10min、20min、30min、40min、50min、60min。每到時(shí)間控制點(diǎn)取樣,取樣時(shí)須將溶液攪拌均勻,每個(gè)樣品每次取1ml溶液,裝入 1.5ml離心管中,每個(gè)樣品含石松孢子約 98粒。將樣品離心 4次,清洗至中性,加適量甘油后立即在顯微鏡下觀察。

2 結(jié)果

鏡下觀察時(shí)將花粉分為兩類分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì):一類是完好花粉 (未發(fā)生褶皺和破損);一類是破壞性花粉 (以外壁褶皺或明顯破裂為判斷標(biāo)準(zhǔn))。對(duì)預(yù)處理樣品也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)時(shí)每個(gè)樣品統(tǒng)計(jì)不少于 500粒,同時(shí)統(tǒng)計(jì)石松孢子,作為參照量以計(jì)算濃度。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整理分析發(fā)現(xiàn),花粉濃度在經(jīng)過(guò)相同加熱時(shí)間后,隨堿度增大呈降低趨勢(shì) (圖 1);而在相同 pH值條件下,花粉濃度隨加熱時(shí)間沒(méi)有明顯變化 (圖 2)。

就破壞度而言,預(yù)處理樣品的破壞度為 25%,處理后的樣品破壞度均高于 25%,并隨酸堿度的增強(qiáng)而升高 (圖 3)。而在相同 pH值條件下,破壞度隨加熱時(shí)間沒(méi)有明顯變化 (圖 4)。

3 分析與討論

本研究利用實(shí)驗(yàn)?zāi)M來(lái)探討地層中楊屬花粉的保真度,由于現(xiàn)代自然環(huán)境的沉積物多偏中性,只有較為發(fā)育的土壤或極端環(huán)境的 pH值可以達(dá)到 5或 8.5,而楊屬本身多生活在中性土壤中,因而本研究在實(shí)驗(yàn)中將酸堿度設(shè)計(jì)為較弱 pH值類型,設(shè)計(jì)為 5.4～8.6五個(gè)等級(jí),而非強(qiáng)酸和強(qiáng)堿環(huán)境。水浴加熱的恒溫條件設(shè)計(jì)為 40℃,主要是考慮地溫梯度對(duì)具有一定埋藏深度花粉的增溫作用,以蘭州地區(qū)為例,11℃的年平均溫度加上蘭州盆地古近系之上近千米地層的約 30℃的增溫作用 (地溫梯度一般為 3℃/100m),基本上為 40℃。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,預(yù)處理樣品中出現(xiàn)了 25%的破損花粉,經(jīng)處理后的樣品破壞量增加,比如 pH=5.4和 pH=8.6時(shí),樣品經(jīng)加熱處理后破損花粉含量分別達(dá)到 40%,表明偏酸和偏堿條件下,楊屬花粉的破壞較明顯,不利于花粉的保存。這可能與楊屬花粉外壁薄、紋飾模糊、分解后不完整等特點(diǎn)[24]有關(guān),即楊屬花粉具有易破壞的特性。因而,楊屬花粉在地層孢粉分析中不多見或較低的代表性,可能與花粉埋藏環(huán)境的酸堿度有一定關(guān)系。

在本次實(shí)驗(yàn)中,花粉濃度和破壞度隨加熱時(shí)間的變化均不明顯,一方面與楊屬花粉在偏酸和偏堿環(huán)境中的易破壞性有關(guān),另一方面可能與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的加熱時(shí)間過(guò)短有關(guān),無(wú)法再現(xiàn)花粉在漫長(zhǎng)的地質(zhì)過(guò)程中發(fā)生的變化。

此外,仔細(xì)比較楊屬花粉濃度和破壞度隨 pH值變化的特征,可以看出,pH=7時(shí),楊屬花粉的破壞度低,說(shuō)明偏中性環(huán)境對(duì)楊屬花粉的破壞性較弱,但花粉濃度在 pH=7時(shí)并未出現(xiàn)高值,二者表現(xiàn)出不一致性。理論上,楊屬植物適生于中性環(huán)境,其遺傳物質(zhì)最為穩(wěn)定的部分花粉也應(yīng)該最適應(yīng)中性環(huán)境,因而在中性環(huán)境中花粉的破壞度最低,基本接近預(yù)處理樣品的百分含量;中性環(huán)境時(shí)花粉的濃度也相應(yīng)為最大值。造成在中性環(huán)境中花粉濃度和破壞度結(jié)果不一致性的原因可能是在預(yù)處理樣品中加入的石松孢子在統(tǒng)計(jì)玻片中的含量低,而石松孢子的隨機(jī)分布致使其數(shù)量上出現(xiàn)誤差,因?yàn)椴Ｆ蠋琢Ｉ踔烈涣Ｊ涉咦拥牟顒e就可能造成花粉濃度的較大變化。因此,在以后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必加入足量的石松孢子來(lái)討論花粉濃度的變化趨勢(shì),這樣才會(huì)達(dá)到理論上的濃度變化的理想狀態(tài),即中性環(huán)境下濃度值高于偏酸與偏堿環(huán)境。

4 結(jié)論

(1)楊屬花粉經(jīng)簡(jiǎn)單預(yù)處理后破壞度就達(dá)25%,這說(shuō)明楊屬花粉的易破壞性。

(2)在相同 pH環(huán)境下,加熱時(shí)間在 1h內(nèi)延長(zhǎng),楊屬花粉濃度和破壞度均保持穩(wěn)定,可能與楊屬花粉的易破壞性和加熱時(shí)間過(guò)短有關(guān)。

(3)在相同加熱時(shí)間條件下,花粉濃度隨著堿度的升高而降低,破壞度則隨著酸堿度的升高而增強(qiáng),表明偏酸和偏堿性環(huán)境均不利于楊屬花粉的保存。

需要指出的是,影響花粉埋藏后保存的因素多而復(fù)雜,本實(shí)驗(yàn)僅進(jìn)行了較短加熱時(shí)間的弱 pH環(huán)境的初步模擬,仍存在局限性,針對(duì)花粉保存問(wèn)題的多種因子疊加影響研究還有待進(jìn)一步開展工作,這對(duì)于利用沉積花粉進(jìn)行古植被、古氣候重建大有裨益。

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Prel im inary Study on Conservation of Populus Pollen with pH Value and Temperature

YANGMei-lin1,CHEN Chuan-fei2,YANGQian3,MIAO Yun-fa4
(1.Yunnan Provincial Appraisal Center for Environmental Engineering,Kunming Yunnan 650032 China)

A simulation experiment on the modern Populus pollen classified by five pH values heated in water bath with the constant temperature through different durations showed that Populus pollen concentration decreased and deconstruction degree increased with the enhancement of acidity and alkalinity.However,no obvious changes in Populus pollen concentration and further deconstruction phenomenon resulted from continuous experimental heating,which could be explained that Populus pollen was easily deconstructed in heated basic or acid solutions,but there is no distinct relation with the heating time.

Populus pollen;pH;temperature;destruction degree;pollen concentration

X173

A

1673-9655(2010)01-0001-04

2009-11-09