簡單物化因子影響楊屬花粉保存的初步研究

楊美臨,陳傳飛,楊 茜,苗運法

(1.云南省建設項目環境審核受理中心,云南昆明 650032;2.蘭州大學西部環境教育部重點實驗室 &資源環境學院,甘肅蘭州 730000;3.云南省環境科學研究院,云南昆明 650034;4.中國科學院青藏高原研究所盆地與資源環境研究中心,北京 100085)

簡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,苗運法4

(1.云南省建設項目環境審核受理中心,云南昆明 650032;2.蘭州大學西部環境教育部重點實驗室 &資源環境學院,甘肅蘭州 730000;3.云南省環境科學研究院,云南昆明 650034;4.中國科學院青藏高原研究所盆地與資源環境研究中心,北京 100085)

選取地層埋藏條件中可能與花粉保存狀態相關的兩個物化因子—pH值和溫度開展試驗,即將現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行不同持續時間的恒溫水浴加熱。實驗結果顯示,楊屬花粉隨所處環境的酸堿度升高,花粉濃度明顯降低、破壞程度顯著增加,但與加熱時間卻無明顯關系。

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古植被狀況,因此作為一種良好的代用指標廣泛地應用于古環境、古氣候重建,而從地層能夠提取到的孢粉種類和數量也將直接影響到古環境和古氣候重建的準確性。楊屬植物為典型的溫帶落葉闊葉植物,現代楊屬植物廣泛分布于 30°～65°N,海拔4000m以下的北溫帶[1],生態幅較為確定。其植物大化石資料顯示,楊屬植物最早出現于晚白堊世[2,3],新生代以來在北半球逐步擴散至現代分布范圍。盡管楊屬植物大化石在晚白堊世地層中被頻頻發現,但在相應地層中卻無該屬植物花粉記錄,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]中都發現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,孢粉在埋藏過程中經歷了物理、化學和生物的協同作用,其形態會受到一定的影響[12],比如土壤中 pH值變化對花粉影響顯著[13],堿性環境不利于現代油松花粉的保存[14];現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];細菌、真菌對花粉亦具破壞作用[17],黃土中的微生物會降解孢粉素[16]等。現代花粉實驗室模擬試驗也證實高溫和有機溶劑的浸泡對花粉粒形態亦具有一定的影響[18,19]。此外,楊屬植物雖為高大喬木,但花粉產量并不高,同時由于花粉的結構特征不利于遠距離傳播,可能使其地層中具有很低的代表性[20～23]。

以上僅是根據楊屬花粉本身特性和其他孢粉研究結果所做的定性類比解析,即除楊屬花粉本身形態不利于保存外,pH值、溫度及微生物活動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楊屬花粉保存狀況的定量影響研究。本研究設計了在 5個 pH梯度環境對楊屬花粉進行水浴加熱的破壞性實驗,討論了楊屬花粉在不同的 pH值環境背景及加熱持續時間下的保存情況,為探討孢粉提取實驗中地層楊屬花粉的得失起到借鑒作用。

1 實驗材料與實驗過程

1.1 實驗材料

采用楊柳科楊屬銀白楊 (Populus alba)現代花粉,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 實驗過程

現代花粉自母體脫落后,經過復雜的搬運過程后在不同的弱 pH環境中沉積和埋藏;而地層中的花粉則還要經歷后期升溫擠壓和蝕變降解過程,在實驗室內重現這一復雜過程的全部影響幾乎是不可能的,根據楊屬花粉具有外壁薄、紋飾模糊[24]的特征,進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。實驗中將楊屬花粉置于不同 pH值溶液中,進行不同持續時間的水浴加熱,統計楊屬花粉的破壞度。在預處理樣品中加入石松孢子,以定量討論模擬的簡單埋藏因子對花粉濃度的影響。加熱處理在恒溫水浴鍋中進行,花粉濃度計算采用常規的體積法。

1.2.1 樣品預處理

將雄花序裝入盛有蒸餾水的試管內,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目篩子將樣品過濾到 25ml量筒內,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。實驗中不對花粉原生質進行去除。

1.2.2 pH溶液的配制

實驗中共配置 5個等級的 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專業型 pH計 (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 實驗配制 pH值與樣品編號

1.2.3 混合溶液的配制

將預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等級的 10ml溶液中。在均勻攪拌后,配成 5份 11ml的混合溶液,此時 1ml混合溶液含石松孢子約 98粒。

1.2.4 加熱處理過程

實驗在 40℃恒溫的水浴鍋中進行加熱,加熱過程分為 6個時間控制段,分別為 10min、20min、30min、40min、50min、60min。每到時間控制點取樣,取樣時須將溶液攪拌均勻,每個樣品每次取1ml溶液,裝入 1.5ml離心管中,每個樣品含石松孢子約 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 結果

鏡下觀察時將花粉分為兩類分別進行統計:一類是完好花粉 (未發生褶皺和破損);一類是破壞性花粉 (以外壁褶皺或明顯破裂為判斷標準)。對預處理樣品也進行了統計,統計時每個樣品統計不少于 500粒,同時統計石松孢子,作為參照量以計算濃度。經過數據整理分析發現,花粉濃度在經過相同加熱時間后,隨堿度增大呈降低趨勢 (圖 1);而在相同 pH值條件下,花粉濃度隨加熱時間沒有明顯變化 (圖 2)。

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

3 分析與討論

本研究利用實驗模擬來探討地層中楊屬花粉的保真度,由于現代自然環境的沉積物多偏中性,只有較為發育的土壤或極端環境的 pH值可以達到 5或 8.5,而楊屬本身多生活在中性土壤中,因而本研究在實驗中將酸堿度設計為較弱 pH值類型,設計為 5.4～8.6五個等級,而非強酸和強堿環境。水浴加熱的恒溫條件設計為 40℃,主要是考慮地溫梯度對具有一定埋藏深度花粉的增溫作用,以蘭州地區為例,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℃。

實驗結果表明,預處理樣品中出現了 25%的破損花粉,經處理后的樣品破壞量增加,比如 pH=5.4和 pH=8.6時,樣品經加熱處理后破損花粉含量分別達到 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[24]有關,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,可能與花粉埋藏環境的酸堿度有一定關系。

在本次實驗中,花粉濃度和破壞度隨加熱時間的變化均不明顯,一方面與楊屬花粉在偏酸和偏堿環境中的易破壞性有關,另一方面可能與實驗設計的加熱時間過短有關,無法再現花粉在漫長的地質過程中發生的變化。

此外,仔細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,楊屬花粉的破壞度低,說明偏中性環境對楊屬花粉的破壞性較弱,但花粉濃度在 pH=7時并未出現高值,二者表現出不一致性。理論上,楊屬植物適生于中性環境,其遺傳物質最為穩定的部分花粉也應該最適應中性環境,因而在中性環境中花粉的破壞度最低,基本接近預處理樣品的百分含量;中性環境時花粉的濃度也相應為最大值。造成在中性環境中花粉濃度和破壞度結果不一致性的原因可能是在預處理樣品中加入的石松孢子在統計玻片中的含量低,而石松孢子的隨機分布致使其數量上出現誤差,因為玻片上幾粒甚至一粒石松孢子的差別就可能造成花粉濃度的較大變化。因此,在以后的實驗設計時務必加入足量的石松孢子來討論花粉濃度的變化趨勢,這樣才會達到理論上的濃度變化的理想狀態,即中性環境下濃度值高于偏酸與偏堿環境。

4 結論

(1)楊屬花粉經簡單預處理后破壞度就達25%,這說明楊屬花粉的易破壞性。

(2)在相同 pH環境下,加熱時間在 1h內延長,楊屬花粉濃度和破壞度均保持穩定,可能與楊屬花粉的易破壞性和加熱時間過短有關。

(3)在相同加熱時間條件下,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,表明偏酸和偏堿性環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雜,本實驗僅進行了較短加熱時間的弱 pH環境的初步模擬,仍存在局限性,針對花粉保存問題的多種因子疊加影響研究還有待進一步開展工作,這對于利用沉積花粉進行古植被、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