孢粉稳定同位素研究进展初探

张国富，王天强，周林宗*

（1.云南师范大学旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500；2.楚雄师范学院地理科学与旅游管理学院，云南 楚雄 675000）

孢粉作为研究古环境和古气候的一个重要手段，这主要是因为孢子和花粉具有：产量大沉积后成为化石孢粉的概率很高、孢粉体积小易于传播、孢粉壁易于保存、不同的孢子和花粉具有特定的外壁结构和萌发器官易于识别等优势。对孢粉进行研究可以推断古植被的种类等相关信息，由于不同的植被群落所适应的环境和气候是有差异的因而可以根据孢粉鉴定出的植被类型去反推当时气候环境。但孢粉的分析主要是通过对孢粉的形态特征进行鉴别从而区分出不同的孢粉类别，这样鉴别的优点在于可以宏观和定性的知道植被的属性，但常常受到孢粉鉴定分类水平和鉴定者的鉴定水平等方面因素的限制。如：同一个属怎么去区分同一个属下面的不同植被之间的关系，同一个属下面的不同植被类型的物理性质和化学性质是否一样成为了研究孢粉所急需解决的问题，也是目前对孢粉进行研究的另一个视角。

植物通过吸收CO2进行光合作用从而生成有机质保存于植物体内供植物的生长和发育同时释放出氧气，目前人们已经证明了由于光合作用途径的不同，以及温度、湿度、降水等因素的不同能够影响植物组分中的由CO2带来的碳元素（δ13C）的性质，这一现象的掌握已经在生态学中得到了广泛的应用，植物学家和生态学家通过对δ13C进行追踪研究从而试图去解释过去的气候和环境问题[1-2]。现阶段应用同位素原理去研究植物中的同位素变化规律，植物对气候变化的响应等问题已经成为了一个热点研究领域。何春霞等[3]通过对生长在中国北热带、亚热带和温带的13个气候区的树木叶片的稳点碳同位素进行研究得出不同气候条件下树木叶片稳定碳同位素比率和稳定碳同位分辨率差异明显，水热条件较好环境条件的相对改变对植物生理活动及叶片稳定碳同位素分馏的影响较小，反之当出现极端的气候环境时叶片稳定碳同位素分馏差异较大。正因植物同位素和环境变化之间存在着一定的关系，所以应用同位素原理研究过去环境的变化具有重要的实践意义。目前在已有大量的孢粉学研究者运用同位素的方法去研究同一个属下面不同植物类型之间的相互关系和差异从而进一步的深入研究它们是如何对气候进行响应的，他们通过将孢粉图谱的解释与沉积物物中的δ13C记录相结合[4-5]，进一步去研究植物群落的结构的演化及物种的变化等，从而更加深入的推断当时环境的水热状况如：温度、降水等相关的气候指标。

1 孢粉稳定同位素研究进展分析

1.1 孢粉稳定同位素基本原理

植物通过吸收空气中的CO2进行光合作用从而生成有机质和氧气，植物通过光合作用对吸收进来的CO2发生CO2的生物分馏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对孢粉中氢氧同位素进行测定从而来反应当时特定的环境情况。植物的光合作用途径有C3、C4和CAM三种，前两种较为常见。C3、C4植物对光合作用所需要的催化霉不同因而它们在光合作用过程中对温度、水分的利用率也有较大的差别，也就是说C3、C4植物对CO2和H2O的亲合力不同所以它们所表现出来的同位素变化情况也不相同，一般而言C3植物更适应于潮湿、低温和高CO2的环境,而C4植物更适应干旱、高温和低CO2的条件,因此它们在植被中的含量可以反映环境参数的变化[6]。同位素在植物体内的分馏作用不同从而导致植物产物中的同位素含量也有所差异，如：C3植物的δ13C值为-2.3%～-3.8%，而C4植物的δ13C值变化较小,为 -1.2%～-1.4%，这一特性使得利用 δ13C值的测定和判断C4植物的含量进而推断气候条件的变化成为可能[7]。

1.2 孢粉稳定同位素与植物体同位素之间的关系

用孢粉和植物都可反应当时的气候情况，一般认为植物生长的周期较长，可能会对当时气候变化的反应会存在一个滞后的效应，突发的环境问题可能在植物体本身上是很难反映出来，但是利用孢粉对当时的气候进行研究最大的好处在于花粉的形成周期短、花粉的产量相对较大受环境因素的影响较大且花粉是当一年产生的就可以很好的记录下这一年的环境变化情况如：光照、温度、水分等，因而对孢粉进行研究就可以很好的克服植物反应气候存在的时间滞后性问题。那孢粉同位素与植物体同位素到底有怎样的关系，是不是可以用孢粉同位素来代替植物体同位素呢？1997年Amundson[8]等对生长于不同生态环境下的禾本科植物的稳定碳同位素进行研究，结果发现原始孢粉中的同位素居然和植物体内的碳稳定同位素十分接近，因而可以认为用孢粉中的稳定同位素是可以代替植物更加准确的反映当时环境变化情况的。但Amundson做的只是草本植物，草本植物符合这一规律那其他的植物类型也符合这一规律吗？在这种疑问之下，美国的Jahren[9]等学者对北美地区的189种现代被子植物的孢粉及植物不同部位（茎、干、叶）等不同部位的稳定同位素进行了测定发现不同的植物类型同位素的变化范围不一样，而孢粉、茎干、叶的变化范围且在陆生植物的碳同位素变化范围之内[10]。综述所述花粉本身稳定的同位素和植物体本身的同位素变化是相一致的，因而利用孢粉稳定的同位素也可以对过去气候环境的变化进行反演。

1.3 孢粉中稳定同位素和环境参数之间的关系

孢粉中稳定的同位素可以对气候的变化情况进行反映，但孢粉中稳定同位素怎么和环境因子相对应，是不是存在一定的对应机制和数量关系呢？我国魏明建等[11]学者应用蜂箱对铜川、志丹、定边、盐池等四个地区采集了7月份的现代花粉，把收集来的花粉分别在干燥箱中收集花粉中的水，制成花粉水和风干花粉及花粉壳分别在MAT241型质谱仪上进行测试发现：花粉水的稳定同位素δ18O的取值范围在-0.542%～-1.442%之间与本地区夏季降水的稳定同位素基本相符，花粉水的δD值得取值范围也与该区降水稳定同位素相近，对风干花粉和花粉壳进行测定发现这两种物质的δ13C也存在着明显的同位素分馏效应，通过与7月气温相比得出：气温越高，δ13C值越负。后来Loader等[12]在欧洲地区的28个站点收集了Pinus sy lvestris花粉及该地区每年4—6月的平均气温通过研究发现Pinus sy lvestris花粉中同位素δ13C的值与温度呈负相关关系即气温越高，δ13C值越小。综上所述虽然存在δ13C的值与温度呈负相关的关系，但是这种关系存在很多的不确定关系比如太阳光照强度、电导率等因素都会对温度和孢粉稳定同位素之间的关系进行影响，因而还存在着很多的不确定性因素，但随着现代科学技术的不断发展，仪器测量精度的不断提高，以后对孢粉同位素的研究会更加的深入。

2 孢粉稳定同位素在研究过程中存在的问题

通过上述的综述可知利用孢粉同位素来对古气候和古环境研究十分有利，而且研究潜力巨大，但是花粉粒很小，有的只能在光学显微镜下才能看到，因而对花粉的提纯及前期的预处理上则存在较大的问题，孢粉前期的预处理方法决定了实验最终的结果，那在孢粉同位素的研究中我们应该怎么对前期的样品进行处理。

花粉作为一个植物细胞它是由内壁、外壁、萌发孔、原生质层等构成，但是大多数花粉通过风、地表径流等方式被带到了湖泊之中，随着时间的推移花粉中的原生质层，细胞质等物质就容易被破坏，只留下由花粉素组成的外壁，花粉素具有耐高压，耐酸碱，耐腐蚀的特性所以孢粉才保存了下来，成为研究古气候古环境的一种重要手段。我们在对孢粉进行分析时首先就要清除孢粉内残留的细胞内壁、纤维素细胞质等物质只留下孢粉的外壁。实验室对孢粉的预处理方法是加入9∶1的醋酸酐和浓硫酸混合液去掉孢粉上的原生质层来达到对孢粉提纯的目的，但是Amundson等[9]发现如果用醋酸酐对孢粉进行提纯的话孢粉的碳同位素与原始的未经处理的碳同位素存在较大的差异，如果用醋酸酐对孢粉进行提纯会对产生的碳同位素造成污染从而影响碳同位素的范围。魏明建等[11]采用氢化铜做氧化剂，用氧化分解的方法把样品变成CO2和H2O，最后将其收集来的CO2送质谱分析有机碳的同位素，应用该方法存在的问题是反应难以判断是不是完全反应且其转化率达不到100%，存在一定的误差。2000年为了对孢粉进行提纯Loade和Hemming两位学者在Amundson的基础之上采用孢粉富积的方法将10mL浓硫酸加到10mg的干孢粉中在磁力搅拌仪搅拌下进行反应，离心清洗后测量碳同位素[13]，发现即使在不用醋酸酐的情况下也能去除孢粉中的纤维素达到想要的结果而且发现用浓硫酸实验更加方便，对碳同位素的干扰较小。现目前对孢粉提纯去除纤维素测定碳同位素用的最多的方法便是浓硫酸提纯法，但对孢粉纤维素进行处理的方法还很多，可能还有更好的方法达到去除孢粉中的纤维素从而对孢粉进行提纯。

3 结论与展望

现阶段对孢粉同位素的研究还在处于不断的发展过程中，通过以上综述可知：利用孢粉稳定同位素对古环境和古气候进行研究具有较大的优势，初次判断温度和孢粉的稳定碳元素之间存在负相关的关系；在现在测定孢粉同位素对孢粉进行提纯的大多都使用浓硫酸去除孢粉的纤维素从而对孢粉进行提纯，该方法现在也处于尝试阶段，还没有达到完全成熟的地步；在目前大多的学者对孢粉的研究开始倾向于对同一个属中不同的植物类别之间同位素、物理性质、化学性质的差异进行研究，从而弥补了孢粉鉴定分类水平的不足。再对过去的气候研究过程中孢粉具有独特的优势，孢粉作为环境变化的指示剂将有更多的学者向这方面发展，随着社会的不断发展，先进仪器的使用，孢粉同位素的研究将不断的深入，我们可以根据孢粉同位素精确的研究和模拟过去的环境状况从而探索以前在世界上出现过的物种，还可以对海洋中的孢粉沉积物进行追踪了解世界季风和环流的变化规律。从小范围来讲可以利用孢粉同位素对花粉的来源和传播途径进行追踪从而了解区域与区域之间的内在联系，也可以进一步的探索水循环的具体方式等等。