植硅体14C测年研究:过去、现在与未来

文章回顾了植硅体14C测年发展的历史,对当前其研究的现状进行了全面的总结和评述,对近年来其研究的争议进行了梳理。植硅体测年研究中存在的问题(如污染和老碳效应等)在其他材料测年过程同样存在,不能基于少量现代植物植硅体测年的异常数据而完全否定其意义。大量的测年数据显示,并不是所有的植硅体年代都偏老,相反地层中的植硅体年代与同层位其他材料的年代重合或接近。因此,在一些缺少其他有机质测年材料的地层,植硅体14C测年仍然是一种极具潜力的年代学方法,在构建一些重要环境和考古文化时间标尺上将会发挥更重要的作用。     

植硅体化学组成研究进展

现代植物植硅体化学组成研究有利于揭示植硅体的化学组成与细胞形态、植物种类及植物生长环境之间的关系,认识植硅体形成机制、植物分类及生态意义。植硅体化学组成测试方法多种多样,主要涉及植硅体化学元素组成及Si、O和C元素同位素组成测定,研究表明植硅体主要含二氧化硅和水,封闭有少量的有机成分及多种矿质元素。在植硅体封闭有机成分存在形式,部分元素的形成、迁移等循环机理,稳定碳同位素组成、分布及其生态指示意义以及^14C测年研究等方面取得一定认识。植物种类、组织部位、细胞微环境以及植物生长的环境因子能够影响植硅体的化学组成。植硅体化学组成研究对植硅体形成机制及碳、硅等元素循环具有重要意义,植硅体部分化学元素、植硅体稳定同位素组成及^14C测年具有较好的古环境及考古研究潜力。现代植物植硅体化学组成及其与环境因子的关系,以及植硅体电子探针微区研究有待于进一步深入开展。     

植硅体稳定同位素生物地球化学研究进展

植硅体形态鉴定与组合分析广泛应用于古环境重建和农作物起源分析等.鉴于植硅体的抗腐蚀、抗降解,易保存,锢囚的碳不易污染,且保存了植物的原始信息等特性,其有机地球化学研究日益被重视.植硅体稳定同位素分析表明植硅体是植物通过吸收单硅酸,以蒸腾作用为主要动力,在植物的不同部位发生同位素分馏淀积形成,其稳定同位素组成具有丰富的植物生理和环境信息.植物不同部位植硅体稳定同位素组成具有差异,其含量和硅、氧同位素值沿蒸腾流通常有增加的趋势.沉积物植硅体碳同位素分析不仅可以用于恢复草本的C3、C4植物生物量的比例,并且有可能重建古大气的碳同位素构成,是三者中最具有潜力的考古学、古环境研究的指标.植硅体有机化学组成分析,特别是类脂物分析,有利于认识植硅体碳同位素值相对于总有机碳偏负,C3、C4草本植硅体同位素差值范围缩小的原因.     

珠江口及南海沉积物碳黑的放射性碳年龄

放射性碳同位素(14C)是含碳物质年代测定的有效手段,它的半衰期是5730年.研究了珠江口及南海沉积物碳黑的放射性碳年龄,碳黑样品采取化学氧化方法提取,用加速器质谱仪(AMS)测定珠江三角洲沉积柱中碳黑的放射性碳同位素剂量.研究结果表明,位于珠江口的钻孔3的碳黑的14C年龄是倒置的,邻近香港的钻孔30的碳黑14C年龄旱现老.新.老的趋势,而钻孔E2的碳黑的14C年龄则儿乎是不变的.碳黑的这种14C年龄的变化趋势与碳黑的来源相关,化石燃料来源的碳黑的增加使得碳黑的14C年龄偏老.     

植硅体碳与陆地生态系统碳循环：机遇和挑战

植硅体在形成过程中能够包裹植物有机碳,是已被证明的一种非常有潜力的大气CO₂封存方式,对于增加陆地生态系统碳汇和延缓温室气体效应带来的全球变暖具有重要意义,因此受到了学术界的广泛关注。简要回顾了植硅体碳的研究历史和现状,并着重从植硅体碳长期变化入手,探讨了植硅体碳与陆地生态系统碳汇存在的问题与挑战,以及近来有关植硅体碳存在被严重高估的论点。同时指出为了更加准确地估算植硅体碳汇,应充分考虑植硅体包裹碳能力的差异、植硅体碳来源、植硅体稳定性、土壤中植硅体碳含量衰减速率以及植硅体提取方法等在植硅体碳的长期变化中的作用,进一步提高植硅体碳在陆地碳汇研究中的地位与重要性。     

“死碳”对14C年代测定影响的初步研究

在回顾14 C测年技术发展的基础上,指出了影响14 C测年精度的各种因素,并初步讨论了“死碳”对14 C年代的影响。通过对岩溶区“死碳”的成因分析以及对碳酸盐样品的14 C年代学研究,认为酸的来源不同,是造成岩溶区样品14 C年代偏老的原因;局部环境中“死碳”释放是造成水生样品14 C表观年龄偏老的主要原因。由于影响岩溶区样品14 C年龄的因素是多方面的,目前尚无有效的校正办法。为此,作者在讨论了洞穴碳酸盐样品年代的可靠性及影响因素的基础上,提出了用交叉对比定年的方法解决“死碳”对14 C测年的影响问题和在岩溶地区谨慎使用14 C年龄的建议。      

河北平原第四系地下水^36Cl年龄研究

本文报道了河北平原第四系地下水~(36)Cl研究的样品采集、制备,加速器质谱计(AMS)测定及地下水~(36)Cl年龄的计算原理和结果。     

增温、施氮、CO2浓度升高对羊草(C3)、芦苇(C4)植硅体组合的影响

研究未来全球变暖和氮沉降下C3、C4植物植硅体的变化规律,对松嫩草原优势群落演替方向的预判、古植被及古气候的重建和全球环境变化的预测等工作具有重要意义.本文选取松嫩草原的优势物种羊草(Leymus chinensis,C3)和芦苇(Phragmites communis,C4),对其进行模拟增温、施氮、CO2浓度升高处理,研究叶片部位植硅体的组合规律及形态变化特征,试图寻找在改变某一单一环境要素条件下,C3、C4植物所含各类型植硅体百分含量及形态的变化规律,以探究C3、C4植物植硅体对不同环境因素响应的异同.结果显示:CO2浓度升高、增温对羊草植硅体发育具有促进作用,对芦苇植硅体发育起抑制作用;氮素过高对羊草和芦苇植硅体的发育都不利,但增温能减轻施氮对羊草植硅体的负面效应.棒型、板型、方型、块状、蜂窝状植硅体对模拟增温、施氮、CO2浓度升高反应敏感,可作为指示环境变化的新指标.     

闽江下游白头山遗址稻旱混作农业的植硅体证据

稻作和旱作农业的起源与传播一直是植物考古和农业考古研究中的热点,闽江下游地区农业开始的时间及其发展过程对农业向南及向台湾传播的路径和时间研究至关重要,然而由于缺少详细的植物考古学工作,迄今为止关于该地区稻作和旱作农业开始的时间仍然是不清楚的。文章对闽江下游新发掘的闽侯县荆溪镇白头山遗址进行了系统的采样,通过考古学研究和14C测定确立了年代框架,对遗址进行了详细的植硅体分析。研究结果表明,白头山遗址主要包含闽江下游地区新石器时代晚期到末期的遗存(约5000~3000 cal.a B.P.),该遗址中植硅体类型丰富,自昙石山下层文化时期至黄瓜山文化时期,均发现有水稻特征型植硅体,黍子稃壳植硅体首次出现于昙石山文化层,说明在距今5000年左右稻作农业已经传播到了闽江下游,距今4700年左右的昙石山文化时期地层中黍子的出现则说明旱作农业的传入,形成了稻旱混作的原始农业格局。结合闽江流域及台湾地区其他的植物考古学工作,认为闽江是稻旱农业向台湾及东南亚地区传播的重要通道,研究结果为深入了解闽江流域新石器时代农业的发生、发展及其结构特征提供新的认识,为稻旱混作农业南传的时间及路径提供了新的证据。     

北京大学AMS 14 C 国际比对样品测量*

介绍了北京大学加速器质谱(AMS)实验室参加国际原子能机构 (IAEA) 组织的第五届¹⁴ C国际比对样品测量的过程和结果,包括样品制备、小型¹⁴ C测量加速器质谱计装置和比对测量结果的统计分析等。北京大学的测量结果与IAEA加权统计平均值的偏差在1σ之内, 这一结果较客观地体现了我国¹⁴ C AMS年代测定在国际同类实验室中所处的地位。     

黄土高原平凉地区中全新世以来孢粉-植硅体记录对比研究

对位于甘肃省平凉县大寨村的平凉剖面(0–142 cm)进行年代测试、孢粉及植硅体分析。从孢粉角度反映8.50 Ka BP气候经历了冷干—凉干—偏凉偏湿—凉干—偏凉偏湿—偏凉偏干的变化过程。从植硅体的角度经历了凉湿—暖湿—暖湿(具有变冷的趋势)—凉湿—偏凉偏干的变化过程。选取含量较高且具有典型环境指示意义的四种科属孢粉(云杉属、松属、禾本科、蒿属)与四种类型植硅体(扇型、长方型、棒型、尖型)进行对比,结果表明:孢粉记录的气候与植硅体记录的气候特征总体趋势相同,但存在一定的差异。孢粉含量较为丰富的气候带与植硅体气候带有很好的对应关系,反映的气候类型较为准确;当孢粉带中其他花粉含量很少,仅含有较多传播能力强、不具代表性的花粉(如松属)时,孢粉指示的气候环境准确性较低。而植硅体样品在整个黄土剖面中含量都较高,反应的气候特征较为准确,因而在孢粉含量较少的黄土高原,相较于孢粉而言,植硅体是较为有效的古气候研究手段。     

草地退化对植物硅分布和植硅体碳汇的影响:以北方农牧交错带草地为例

草地生态系统中,硅(Si)不仅在植物生长过程中扮演着重要的角色,而且通过形成植硅体碳(Phytolith-Occluded Carbon,简称PhytOC)的方式参与陆地生态系统碳循环。近几十年来,由于人为干扰等因素导致的草地退化引起了广泛的关注。本研究中,我们选取了我国北方农牧交错带中30个不同退化程度的样地,分析了8种常见植物(共71个样品)地上部分Si含量和分布特征,并估算了植硅体碳产生通量。结果发现,随着草地退化的加剧,糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)地上部分Si含量呈下降趋势,而羊草(Leymus chinensis)表现为先上升后下降的倒"V"型。不同退化程度样地植物地上部分Si平均含量分别为12.25±1.02 g/kg(轻度)、10.56±1.15 g/kg(中度)和8.06±0.93 g/kg(重度),而植硅体碳产生通量显著下降,分别为0.320±0.038 kg/(ha·a)、0.190±0.021 kg/(ha·a)和0.068±0.006 kg/(ha·a)(P<0.05)。研究表明,草地退化对不同种类植物的Si含量和产生通量的影响不同,这可能是由于植物的功能类型不同造成的。草地退化可以导致种群结构的变化和地上净初级生产力(ANPP)的降低,从而影响草地植物地上部分Si的分布和植硅体的固碳能力。当退化严重时,初步估算北方农牧交错带内草地植物地上部分植硅体固碳速率将下降5倍以上。     

“中国糖碳标准”的标定

一、前言 ~(14)C在大气上层以某一恒定速度不断产生,同时又按自身的放射性蜕变速度(T_(1/2)=5730年)蜕变。~(14)C的产生和蜕变,几十万年以来处于自然平衡,自然交换碳的~(14)C具有平衡浓度。~(14)C年代就是根据标本目前的~(14)C比度同其原始的平衡比度比较而定的。然而,标本原始~(14)C平衡比度无法直接测定,但它对应于1850年以前树木含的~(14)C浓度。因此,~(14)C年代测定工作需要定一个统一的“现代碳标准”。     

加速器质谱14C分析石墨制备技术研究进展

加速器质谱(AMS)是进行~(14)C同位素分析的主要技术手段,而高精度低本底加速器质谱~(14)C分析主要受样品制备技术限制,因此探讨如何提高石墨制备的稳定性和控制碳污染降低本底将有助于产出高质量~(14)C分析数据,突破~(14)C测年上限(约5.0万年),进一步拓宽~(14)C年代学和同位素示踪的应用范畴。本文详细阐述了催化还原法(H_2/Fe法、Zn/Fe法和Zn-TiH_2/Fe法)制备石墨样品的真空装置和主要工作原理,指出了微量样品石墨制备过程中同位素分馏、石墨产率、束流强度以及精密度与样品量之间存在严重的依赖关系及其抑制方法。着重探讨了石墨制备技术实验条件(还原剂、催化剂、温度等)的优化选择及其与石墨产率、同位素分馏、束流性能之间的内在联系,总结分析了碳污染来源并探寻合适的碳污染控制技术。目前的研究表明最佳实验条件为:H_2/Fe法宜采用还原剂H_2/CO_2(体积比2～2.5),催化剂为源自氢还原单质铁粉(-325目球粒,Fe/C=2～5),温度500～550℃;Zn/Fe法宜采用还原剂Zn/C(质量比50～80),催化剂为源自氢还原单质铁粉(-325目球粒,Fe/C=2～5),Zn反应管温度400～450℃,Fe反应管温度500～550℃。碳污染来源于制备过程中的各个方面,除采用高温除碳的方式外还可采用适当的数学模型加以校正,但还需要更多详细的实验工作来加强现有认识,以期更好地消除碳污染对测试结果的影响。对测年目标组分不稳定的样品(如地下水中的溶解无机碳)应避免样品直接暴露于大气,以减少野外采样过程中现代大气CO_2对测量结果的影响。     

长白山泥炭湿地主要植物植硅体形态特征研究

对长白山地区常见的泥炭地25个属31个种植物进行了植硅体形态鉴定统计,共发现植硅体类型15种,它们分别是硅化气孔、棒型、扇型、板型、硅质突起、尖型、导管型、帽型、齿型、哑铃型、鞍型、多边帽型、毛发型等。除禾本科和莎草科、菊科部分植物植硅体含量高外,木贼科、堇菜科、茜草科、蓼科等部分植物植硅体的含量也较高。禾本科植物的短细胞植硅体对植物分类有意义,但可能因采样环境和种类差异等原因,长白山泥炭湿地禾本科植物的植硅体在形态和数量上都与其他区域同类研究结果有所差异,如禾本科早熟禾亚科的菵草中新发现了含量丰富的枕木型植硅体,黍亚科的荩草和水稗中还发现少量帽型植硅体; 另外菊科兴安一枝黄花和齿苞风毛菊含有大量的特殊的尖形植硅体。硅化气孔宽度大小可指示环境湿度状况,对硅化气孔的数量和大小的深入研究将对古环境和古CO₂浓度的恢复有一定帮助。长白山泥炭湿地植物的植硅体与植物的分类关系密切,湿地植物植硅体中硅质突起、棒型、哑铃型和尖型植硅体特征组合代表湿冷组合,本研究中的5块泥炭湿地植硅体的组合特征受纬度变化影响不明显。     

~(14)C定年和示踪数据计算与报道形式的新进展

近些年,随着~(14)C分析技术的发展,~(14)C定年与示踪研究在考古学、海洋学、大气科学甚至生物医学等领域都有新的拓展,随着我国多台加速器质谱的引进,必将引起一股~(14)C研究的热潮。然而,新的研究领域产生了一些新的~(14)C数据计算方法和报道形式,尚未有系统的归纳和介绍,使得新接触~(14)C的研究人员以及使用~(14)C数据的科研人员易产生困惑甚至导致最终结果的错误表达。本文针对近些年来~(14)C研究的新方向并结合传统的~(14)C计算原理,总结了其中常见的和较为重要的~(14)C数据计算原理及报道形式,尤其是对其中容易引起误用和混用的参数和定义进行了详尽的说明。期望本文能对我国新接触~(14)C的相关科研人员迅速而准确地了解~(14)C定年和示踪数据的计算原理和报道形式有所帮助。     

14C测年技术新进展

¹⁴C测年技术的进展主要表现为3个方面：1)¹⁴C常规测定技术向高精度发展比较成熟，目前已可以普及；2)加速器质谱技术的建立和普及，使测定要求的样品碳量减少到mg级，甚至μg级，虽然目前的精度尚未超过常规方法，但由于所需样品量极少，测定时间短而工效高，大大拓宽了应用范围；3)高精度¹⁴C－树轮年龄校正曲线的建立，不但可将样品的¹⁴C年龄转换到日历年龄，而且对有时序的系列样品的¹⁴C年龄数据通过曲线拟合方法转换到日历年龄时年龄误差大为缩小。     

华南早期新石器的14C断代和问题

¹⁴C断代在中国史前考古学中取得了显著的成果,但华南早期新石器的五十多个年代数据却呈现偏老的趋势,甚至还有明显的误差。由于华南的石灰岩地带属于¹⁴C断代的异常区,某些样品的层位和年代反映出一定的矛盾,所测定的陶器年代过于古老,特别是时代和文化的发展过程,也与其它地区不相平衡。因此,华南早期新石器的年代数据尚待深入验证,至少目前还不可能作为可以信赖的绝对年代。     

黄土剖面古土壤和生物化石14C测年对比

精确、可靠测定古土壤和生物化石年代是重建环境变化过程、探讨人地关系的关键.研究古土壤中不同组分年代的异同对于分析土壤中碳附存状态和碳储存库十分重要.对甘肃省榆中县境内兴隆山典型黄土剖面采集的动物化石、土壤无机质、土壤有机质3个样品进行常规14C和AMS测年,发现同一地层相同点样品不同组分的测年结果相差悬殊,样品无机质比其有机质年龄(3 682±70)a偏老2 624 a.对其14C测年可靠性对比分析发现,常规14C和AMS对骨骼和牙齿化石测年相差仅为13 a,校正为日历年后几乎相等,认为实验室产生的误差很小,而碳的来源、组成及其"死碳"混入的比例是影响测年结果的主要因素.化石年龄与土壤有机质年龄之间的差别,揭示该剖面可能存在持续时间达千年以上的沉积间断.由于同一层位骨化石、土壤有机质、土壤无机质14C测年结果差异,在进行化石年代确定、考古及古文明研究、生态植被恢复、土壤无机碳存储库研究中,年龄的界定应选择相应的测年数据.     

一种植硅石沉积天然微纳米硅碳矿的发现

全球尚无植硅石成矿的先例,近年在江西省丰城市石炉坑发现一种植硅石沉积的天然微纳米硅碳矿床。赋矿岩石由浅灰色—灰黑色植硅石岩,是由大量植硅体堆积固结成岩形成的植硅石,不含孢粉也极少见硅藻,形成于始新世中期—中新世早期温暧湖泽环境沉积。硅碳矿石主要由微米—纳米级石英和固定碳组成,含少量其他杂质;SiO2含量65%~85%、固定碳9%~20%,硅和碳矿物具多孔结构。硅碳矿石通过超细研磨和分选的方式,可获得微米级石英产率49.7%,SiO2含量99.95%,其中粒度在80~200 nm纳米级石英产率可达25%,微米级碳产率30%。植硅石经湿法物理分选可直接制备橡胶补强填料、高硬碳化硅、污水处理和导电性材料等;经矿石矿物加工分离提纯试验,可得介孔硅、介孔碳、白炭黑、纳微硅粉等材料,其工业价值极高。目前暂定为天然微—纳米硅碳矿床,资源储量规模为大型。