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落“叶”,不只是归根

落“叶”,不只是归根
2023年01月16日 19:34 新浪网 作者 石头科普工作室

  “落红不是无情物,化作春泥更护花”,当花瓣和树叶走到生命的尽头,它们便随风飘落地面,年复一年。然而,随着千百年时光流逝,层层叠叠、堆积如山的落叶并没有如人们料想的那样出现,层层落叶就这么悄无声息地消失了。

  这可能是我们最熟悉的落叶的作用,零落成泥,化作肥料,被植物的根茎吸收,无声滋润其生长,即我们常说的落叶归根。这个过程的实质是枯枝落叶的分解过程。首先土壤中的动物(如蚯蚓、蚂蚁等)会使枯枝落叶成为碎片,而后土壤微生物则进一步将这些碎片分解呈简单无机分子或者转化为腐殖质。

  但是,就如同人类一样,分解者也并非“来者不拒”,总会有不喜欢吃或者吃不下的东西,对于部分的根、茎和叶等,它们也会说不。那么,这些残留的部分就逐渐被覆盖并埋藏在泥土中,当我们拨开土壤,看着那些存在于几千年前甚至更为久远的沉积物中的植物残体,它们仿佛穿越时空前来告诉我们:落“叶”,不只是归根。

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  什么是植物残体?

  植物残体是死亡植物未被微生物分解的残留部分,一般以植物的根、茎和叶最为常见。

  在自然植被下,植物残体主要是木本植物凋落物的叶片、枝条、花果和死亡的根以及草本植物死亡的根;

  在耕地土壤中,主要是作物的落花、落叶以及收获后残留的根茬和部分秸秆;

  在湖泊生态系统中,秋冬季水生植物大量衰亡,大部分的植物残体将沉积到表层沉积物中,包括未完全腐烂的水生植物茎、叶的纤维质碎片、种子等,在湖底缺氧的环境条件下以残体的形式年复一年沉积下来,是湖底生物沉积的重要组成部分。

湖泊沉积物中的植物残体(王玉慧等,2017)

  植物残体在湖泊生态系统中的应用

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  目前对于植物残体的研究主要集中在农耕地中秸秆的腐烂方面的研究,但湖泊沉积研究中植物残体的研究也逐渐受到重视,相关的研究可用于探讨湖泊的古环境演化,揭示湖泊的富营养化历程,并在一定程度上对城市湖泊进行环境评价,为我国的城市湖泊的管理及防治污染政策提供一定的借鉴和科学依据。

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  对环境的响应(富营养化、古气候)

  通过对比沉积物和植物残体在不同沉积深度的元素分布模式,研究人员发现植物残体中的元素浓度随深度有明显的规律性变化,而沉积物中元素浓度随沉积物深度波动不大,说明相比之下,植物残体的元素组合特征对环境变化的响应更灵敏。水生植物残体也可作为一种研究湖泊沉积学的证据材料,分析其TP(总磷)含量及其垂直分布,可以追溯湖泊环境和营养盐的变化过程。

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  植物残体中的同位素 

  随着古气候研究的深入,学者们希望更精确地了解一些重要气候事件的具体过程以及变化机制,此时,除了高分辨率的样品外,高精度的年龄结果也格外重要。14C测年是湖泊沉积物高精度定年的主要方法之一,根据14C的衰变程度可计算出样品年代,而不同的测年物质的14C定年结果会有不同的误差,进而影响到气候指标的解译。

  相比全样有机质,使用植物残体定年可以在一定程度上避免碳库效应的影响。一般认为,叶片和种子多为一年生的有机组分,因此原生沉积的叶片和种子的14C年代结果最能代表沉积物的形成年代。而树皮、树枝和树干等存在“穿时”效应,尤其是树根或草根的“穿时”更为严重,在进行14C定年时需要谨慎选择。

  此外,植物残体的碳氧等同位素也在古气候研究中发挥重要作用。有学者利用喀纳斯湖岩芯的陆生C3植物残体δ13C探讨过去近600年区域温度对全球气候变化的响应。该δ13C序列记录的气候变暖与冰芯、湖泊沉积物和树轮重建的温度记录表现出比较一致的趋势,说明植物残体δ13C序列也可以很好地反映气候信息。此外,泥炭沉积植物残体的纤维素氧同位素δ18Ocellulose也被认为是研究古气候变化的重要手段之一,可作为大范围水汽循环转变的代用指标。例如,阿拉斯加泥炭δ18O成功重建了全新世以来阿留申低压的强弱变化。

贵州梵净山九龙池FJ19A岩芯年龄框架及各有机质组分定年点的分布(戎钇锰等,2022)

  参考文献

  [1]戎钇锰, 彭海军, 丁寒维,等. 贵州梵净山九龙池沉积物^(14)C年代学研究及全新世碳累积速率变化[J]. 地球与环境, 2022(001):050.

  [2]杨明生, 黄孝湘, 汪殿蓓,等. 孝感市野猪湖沉积物及水生植物残体中的氮,磷分布特征[J]. 湖北工程学院学报, 2019, 39(6):5.

  [3]王玉慧, 黄小忠, 彭卫,等. 喀纳斯湖植物残体碳同位素记录的温度波动[J]. 科学通报, 2017, 62(24):11.

  [4]李世红, 李小梅, 毛雪瑛,等. INAA研究南极菲尔德斯半岛西湖沉积物和植物残体的生物地球化学特征[J]. 核技术, 2005, 28(4):6.

  [5]Jones M C, Wooller M, Peteet D M. A deglacial and Holocene record of climate variability in south-central Alaska from stable oxygen isotopes and plant macrofossils in peat[J]. Quaternary Science Reviews, 2014, 87: 1-11.

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枯枝
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