第四纪研究  2019, Vol.39 Issue (1): 59-66   PDF    
植硅体14C测年研究:过去、现在与未来
左昕昕1,2, 吴乃琴3,4,5     
(1 福建师范大学湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地, 福建 福州 350007;
2 福建师范大学地理科学学院, 福建 福州 350007;
3 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院新生代地质与环境重点实验室, 北京 100029;
4 中国科学院大学, 北京 100049;
5 中国科学院地球科学研究院, 北京 100029)
摘要: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。
关键词植硅体    放射性碳十四测年    植硅体碳    
中图分类号     Q949.71+4.2;Q913.84;K854                     文献标识码    A

0 引言

植硅体在形成过程中会封闭植物体内的多种元素,如C、H、O、N和P等[1],因为植物有机质是光合作用的产物,所以植硅体内的放射性碳也被认为可以代表植物生长时段外界大气二氧化碳的放射性碳水平。由于植硅体本身具有较强的抗侵蚀风化能力[2~5],可以在地层中长期保存至百万年时间[6],其封闭的碳受硅质外壳的保护而避免了与外界的污染,植硅体碳因而成为了一种潜在的测年材料,广泛应用于解决与考古学和古生态学研究相关的年代问题[7~11],如来自中国最早具有驯化特征的水稻[12]和厄瓜多尔早全新世时期的驯化南瓜的确切年代[11]。然而,近年来有关其可靠与否的问题一直争论不休。少量学者基于现代植物植硅体的年龄比其真实年龄偏老几百年甚至上千年的现象,认为植硅体可能受到了来自植物吸收土壤老碳的影响,而且目前的研究也无法定量或校正其影响,所以据此他们认为植硅体测年是不可靠的[13~17]。同样是现代植物植硅体研究,也有不少测年结果显示植硅体14C年龄与其植物年龄吻合很好[18~21],说明植硅体年代并未受到吸收土壤老碳的严重影响。虽然支持植硅体测年的数据在增加,但争论并未因此而停止或者减少[22],所以有必要对植硅体测年研究进行系统的回顾,梳理当前的争论,明确下一步研究的关键。

1 起源与发展

植硅体14C测年研究最早可以追溯至20世纪60年代,Wilding[23]从45 kg的土壤里提取了75 g植硅体,然后对其进行了常规放射性测试(β衰变计数),得到了第一个植硅体14C年龄——13300±450 a B. P.。此后,一直到20世纪90年代初之前,鲜有学者对植硅体测年开展更深入的研究,可能由于测年技术的限制,对植硅体测年所需的样品量很大,提取费时费力,导致其应用研究不足。但随着加速器质谱技术的引入和普及,使得小样品量的测年成为可能,植硅体测年又一次进入了学者的视线。Kelly等[8]就利用植硅体AMS 14C方法对北美大平原地区的全新世地层进行了较为精确的限定,共获得了9个年代,虽然其序列并不总是与深度一致,但也进行了初步解释。随后,植硅体学者联合放射性碳测年专家,对植硅体14C测年进行了阶段性的回顾,认为沉积物中植硅体的提取方法和测年前的样品预处理对植硅体测年的准确性至关重要,并给出了他们各自实验室最新的方法[24]。其他学者和年代实验室也相继开展了植硅体测年研究,应用范围涉及考古遗址、湖泊沉积、深海沉积和陆相沉积物,研究结果认为植硅体测年基本上是可靠的,并且能够与一些沉积物同层位贝壳和炭屑的年龄对比[10~11, 25~26]。进入新世纪,特别是近十年来,Wilding[23]发表在Science上的有关植硅体测年文章的引用率大幅增加(图 1),一方面是因为植硅体在封存大气二氧化碳中的作用受到了广泛的关注,另一方面有关植硅体测年研究又重新受到了重视。

图 1 2000年以来Wilding文章被引用情况 数据来自Web of Science Fig. 1 Number of articles cite per year of Wilding's paper after 2000

中国的植硅体研究开始自20世纪80年代,这要比国际上最早开展植硅体研究的时间晚近百年,最早植硅体测年研究见于王永吉和吕厚远[27]的文章,他们简单介绍了植硅体作为一种测年材料的潜力,并没有进行具体的实验。真正的研究也是最近几年才逐步开展[28~31]。2012年前后,北京大学考古文博学院与中国科学院地质与地球物理研究所植硅体实验室合作进行了植硅体测年样品提取工作,之后北大的学者在他们实验室对采集自考古遗址的样品独立提取了植硅体,并将其年代与相同沉积单元的炭屑年代进行了对比,他们认为炭屑的年代数据比较稳定,而植硅体年代数据变化大,不稳定,而且通常比炭屑年代偏老[28, 31]。与此同时,中国地震局地质研究所的尹金辉等一些学者也在尝试植硅体测年方法,他们通过对现代粟和水稻植硅体测年研究发现,当温度超过1400 ℃后,植硅体的测年结果往往会比实际年龄老近千年[29~30]。过高的温度导致植硅体中难以分解的死碳的释放可能是植硅体14C年代偏老的原因,从而说明植硅体内的碳不是由单一组分构成的,在植硅体测试过程中要特别注意燃烧温度,低温(600~1000 ℃)下植硅体的年龄更可靠,虽然其年龄仍比样品真是年龄偏老200年[30]。此外,他们一个取自黄土的样品(光释光年龄71 ka B. P.),植硅体年龄为42380±180 a B. P.,几乎达到了当前14C测年技术所能测试的极限[29]

2 现状与争论 2.1 研究现状

据不完全统计,自从发现植硅体可以用来进行14C测年以来约有153个植硅体测年数据,数据分布范围在23889~0 cal. a B. P.。按照第一作者或者通讯作者计,以下研究机构的学者曾经开展过或正在开展植硅体测年研究,国外:美国史密森尼国立自然历史博物馆的Dolores R. Piperno[20]、美国明尼苏达大学科技考古实验室的Susan C.Mulholland[24]、新西兰国家同位素中心拉弗雷放射性碳实验室的Christine A.Prior[32]、加州大学尔湾分校地球系统科学系的Guaciara M. Santos[14]和Paul E.Reyerson[15]、新西兰威灵顿维多利亚大学释光年代实验室的Uwe Rieser[33]、澳大利亚南十字星大学的Jeffrey F. Parr[34]和Leigh A. Sullivan[19]、以色列威兹曼研究院卡迈尔考古科学研究中心的Yotam Asscher和Elisabetta Boaretto[35]以及西班牙高等科学研究理事会考古与人类学学院的Marco Madella[26];国内,中国科学院地质与地球物理研究所的左昕昕与吕厚远等[36]、北京大学的金和天等[31]、闫欣[28]、陈琛以及他的导师吴小红[31, 37]和中国地震局地质研究所的杨雪与尹金辉等[29~30]

2.2 待定的地位与热烈的讨论

近些年来,有关植硅体测年的研究出现了一些不同的声音。Santos等[13~14]发现,通过他们实验室提取的现代植物植硅体,其放射性的年龄在2~8 ka B. P.;Yin等[30]测试了现代水稻和粟秸秆的植硅体14C年龄,其结果比真实的年龄老1000年左右。他们分析了各种可能导致植硅体年龄偏老的原因,排除了提取植硅体过程以及14C测试过程中可能的污染,认为植硅体中封闭了植物通过根部吸收来的土壤有机碳(老碳),植硅体14C测年因而是不可靠的[13, 15, 38]。基于以上质疑,Taylor和Bar-Yosef[39]在《Radiocarbon DatingAn Archaeological Perspective》一书中系统总结各种放射性碳测年材料时,将植硅体与土壤有机质和碳酸盐并列为有问题的或者值得质疑的测年材料。

较早开展植硅体测年研究的Piperno教授[20]鉴于最近有关植硅体测年问题的质疑,选择了8种采集于1964~2013年间的玉米、南瓜属等植物的叶、花和皮,利用他们实验室几十年来建立的可靠的提取流程对植硅体进行了提取,可以确保去除各种外源的有机质。14C测年全部由美国Beta实验完成,避免了不同实验室测试技术的误差。结果显示,除一个异常样品外,其余植硅体的年龄都落在了核爆年代之后,经校正后基本与植物采集的年代一致;之后,她还对植硅体测年在考古学和古生态学方法的应用进行了较为系统的回顾,指出现有的植硅体年代偏老可能是由于植硅体的提取流程没有完全去除植硅体表面外源的碳造成的,因此不同的提取方法和处理流程需要相互对比,特别是从土壤植硅体提取方法要按照不同沉积物特性进行调整[20]。对植硅体测年持异议的学者[16]很快对Piperno的文章从植硅体提取和14C测试方法、年代的校正和数据解释等方面进行了评论,认为原作者错误的解释了数据,而通过他们重新计算和校正后,所有的植硅体测年结果都比其实际年龄偏老157~4376年左右。Piperno[21]也在同期刊物刊登了针锋相对的反驳文章,争论的焦点聚集在:1)如何合理的评价和解释现代植物植硅体的年代数据(核爆年代之后的14C数据如何解释对比);2)是提取方法的差异还是植物吸收老碳导致植硅体年代偏老的。

2.3 植硅体包裹碳的性质、结构与来源 2.3.1 植硅体碳的性质与来源

植硅体包裹碳的性质、结构与来源的研究对合理解释植硅体年龄和确定植硅体测年方法的可靠性与准确性至关重要[20~21]。虽然最近有不少讨论这一问题的新的成果,但其实早在发现植硅体可以测年的同时,学者们就已经开始关注植硅体碳的性质。Wilding等[7]对植硅体进行红外光谱分析,认为植硅体碳可能由多种细胞来源的物质组成,如腐殖酸、氨基酸和胺类;植硅体热重分析结果则显示植硅体碳含量在不同密度的植硅体内分布是不均一的,其中较轻(1.5~2.0)植硅体碳含量为较重(2.0~2.3)植硅体的3倍。Kelly等[8]研究了植物的植硅体碳同位素,发现和它们各自植物碳同位素相比,植硅体则显著的偏负,据此他们猜测植硅体碳可能由碳同位素偏负的脂质和木质素组成。随后,Smith和Anderson[40]利用羟化四甲铵气相色谱/质谱法证实了Kelly等的部分猜测,植硅体碳里有脂质,但没有发现木质素。基于Raven等[41]有关植物生理的研究成果,Carter[42]提出了一个植硅体碳形成的模型(图 2),植硅体在细胞内或细胞间沉淀的过程中封闭了来自细胞液的细胞器和大的碳分子。以上研究,尽管在植硅体碳性质的认识上有差异,但都将其源头指向植物有机质。

图 2 植硅体封闭植物有机碳的过程示意图 据文献[42]改绘 Fig. 2 A hypothetical model of how carbon becomes occluded during phytolith formation, modified from reference [42]

近年来,随着植硅体碳封存研究受到了极大的关注[43~45],有关植硅体碳的来源问题成为评估植硅体碳对陆地生态系统碳汇重要性的关键[17]。一些学者主要基于现代植硅体14C年龄比植物生长年代普遍早几百年甚至几千年,认为植硅体碳并不都是来自光合作用合成的大气CO2,植物从土壤中吸收老碳也许可以解释这样巨大的年龄差异[13~14, 30],但这无法解释为什么地层植硅体年龄和同层位炭屑年龄一致或接近[12, 20, 36],植物吸收土壤老碳是否是造成植硅体年龄偏差的原因还需要更多的条件实验。Reyerson等[15]对比了植硅体碳、植物器官、大气CO2和土壤有机质的14C和δ13C,发现植硅体碳的14C含量远低于其植物器官和其生长土壤有机质的14C,说明植硅体碳中确实包含了一部分来自土壤的有机碳。其他的同位素标定实验也证实了植硅体会包裹部分来自土壤的有机碳[38],但其含量仅占植硅体碳的0.15%,可能并非造成植物植硅体年龄与实际年龄相差几千年的主要原因。其实在以上专门针对植硅体碳设计的实验之前,有不少现代培养实验已经证实植物确实会吸收土壤中的有机质[46~47],但是土壤有机碳进入植物体内,为何只影响到植硅体的年龄而没有对整个植物的14C浓度造成大的影响[12]?至今没有合理的解释。也许植物吸收的所有土壤有机碳绝大部分被封闭至植硅体内[48],但目前没有任何理论或者模型支持进入植物体内的土壤有机碳有这样的偏好[49]

最新的一项研究结果基于动态核极化核磁共振方法发现了植硅体内的碳水化合物成分,如糖类、三磷酸腺苷和焦葡萄酸钠,认为植硅体碳是光合作用的产物[50]。单个高粱哑铃型植硅体的拉曼光谱分析结果也发现植硅体里包含有碳水化合物和脂质等有机物[51]。有趣的是,之前认为植硅体碳包含来自土壤有机碳的Alexandre等[38]和Santos等[14]也是前述研究的合作者之一,可见正如之前学者们在讨论植硅体碳时指出的那样[20~21, 52],植物体内绝大部分碳都是光合作用来源的,植硅体形成过程中封闭光合作用碳的概率要远高于其他碳成分,植硅体没有理由抗拒含量最多的光合作用碳而倾向于封闭其他微量的碳成分。

2.3.2 植硅体碳的结构

Wilding等[7]最早发现土壤里不同密度的植硅体碳含量存在明显差异,绝大部分植硅体碳含量的贡献来自于密度在1.5~2.0的植硅体,他们猜测可能是因为不同植物的植硅体碳含量不同。而不同氧化程度后的植硅体碳含量的差异说明植硅体碳的稳定性不同[7],这可能暗示有些植硅体碳的结构使得它们易于分解或被氧化,而另一部分植硅体碳则相对稳定。后来的不同植硅体提取方法对比实验[53]以及不同植硅体燃烧温度实验[30]也支持了这种假说,植硅体碳可能由比较容易分解的活性碳和较为稳定的惰性碳组成,前者可能保存在一些具有空心或腔体结构的植硅体中,后者则保存在实心植硅体的硅质结构中[54]。其他学者[35, 55]通过三维X射线显微镜观察了植硅体,确实发现了一些有可能用来保存有机碳的空腔结构;不过Alexandre等[55]则通过纳米离子探针他们更是发现了另一种植硅体碳分布方式,即碳是连续的分布在植硅体的硅质结构中,其C/N比为0.27,说明该碳的成分可能是氨基酸;Gallagher等[51]的植硅体拉曼光谱分析结果则更进一步指出,植硅体碳的分布虽然连续,但并不均一,其成分可能与植物生长过程和状况密切相关。

虽然我们对植硅体碳结构的认识已经有了很大的进步,但仍然是不足的,尽管现在可以解释为何氧化程度的增强会导致植硅体碳含量流失,也可以回答植硅体碳绝大部分是光合作用来源的,但诸如不同植物类型和不同地区植物植硅体碳的结构和成分是否有差异的问题仍然是开放的,有待于以后更进一步深入的探讨。

2.4 不同实验方法对植硅体测年结果的影响 2.4.1 植硅体提取方法对植硅体碳的影响

当前用于测年的植硅体提取方法主要是湿式氧化法,不同学者提取的方法差异主要在重液浮选植硅体前的氧化阶段。一类方法使用了H2SO4+H2O2,被称为快速氧化法或者深度氧化法;另一类使用了HNO3或HNO3+KClO3。在解释植硅体年龄偏老时使用第二种方法的学者认为氧化方法固然要尽可能完全去除植硅体表面的其他有机质,但快速氧化法氧化强度太大,不但会去除外缘有机质,而且可能会改变植硅体碳的性质,从而影响到植硅体的年代[19, 36, 45]。深度氧化法是否会改变植硅碳的性质目前还不是很清楚,但经过深度氧化法后植硅碳含量会显著降低[13~14, 56~57],至少说明保存在一些植硅体空腔结构中碳可能会被去除,植硅体碳的完整性被破坏[19, 53],植硅体年龄因此受到影响是有可能的。

快速氧化法由于氧化过度,导致植硅体碳的流失及其结构的改变,最终可能影响到植硅体测年结果,但同时氧化强度不够或者未提取到纯净的植硅体,同样会导致植硅体测年产生较大偏差。Zuo等[58]对比了前处理只涉及H2O2和HCl的传统湿式氧化法和增加HNO3+KClO3和多次去粘土流程的改进湿式氧化法,结果发现,传统方法提取的植硅体年龄比改进方法提取的植硅体普遍偏老3000~10000年不等,氧化强度不足导致残留的土壤有机碳和未完全去除的粘土等矿物可能是导致植硅体年龄偏老的原因。

最近,Asscher等[35]在提取植硅体时只用了稀盐酸(1 N)进行多次去碳酸钙,用酸处理前利用重力浮选法,即2.4 g/ml的重液去除石英和方解石,1.6 g/ml的重液去除碳化的有机物,以上步骤都可多次重复进行,整个过程不加热反应,最终获得了纯净的植硅体。他们的测年结果显示植硅体年龄与同层位的碳化种子年龄在± 2σ校正区间内是一致的,说明提取植硅体时不用或少用强酸不仅可以获得纯净的植硅体,而且可以最大程度上保持植硅体碳的完整性[35]。这种方法在分析植硅体内DNA时也被用于提纯植硅体,目的在于避免强酸和高温对植硅体内可能保留的DNA信息的影响[59]

2.4.2 植硅体14C测试方法对植硅体年龄的影响

植硅体提取过程类似于AMS 14C实验室对炭屑或植物残体的酸-碱-酸前处理过程,提取到纯净的植硅体后,所有测试步骤和其他常规测年材料一致[12]。目前主要的问题在于石墨制靶过程中燃烧温度。Yin等[30]对现代粟植硅体进行了AMS 14C测试,发现随着温度的升高,其获得的14C含量越低,他们自己实验室低温度(≤900 ℃)获得的14C年龄比美国Beta实验室更高温度(≥ 1400 ℃)获得的14C年龄更接近样品的真实年龄;但同是在美国Beta实验室测试,Piperno[21]的现代植物植硅体年龄大部分都落在了现代范围。地层植硅体年龄也均和同层位其他材料年代相符[10~11, 60],这说明制靶过程中高温可能并非造成植硅体年龄偏差的原因。

植硅体测试环节是否还有其他因素可能影响测年结果?通过分析不同学者植硅体测年结果的细节,发现现代植物植硅体年龄偏老的那些植硅体测试样品量往往偏少,最低只用了10.7 mg的植硅体,所有植硅体样品量不超过200 mg[14]。加之他们使用了深度氧化法提取植硅体,最终导致石墨量较少,而我们的植硅体测试量不低于200 mg,最高达688 mg[12]。Santos等[14]通过统计分析早期的植硅体年龄与其石墨含量关系,发现除了2个年代偏差超过5000年的样品,其余现代植物样品的植硅体年龄随着石墨含量的降低而更偏老,二者之间呈显著负相关关系(如图 3)。虽然目前还不能断定较少的石墨含量是造成植硅体年龄偏老的主要原因,但至少可供加速器测试的石墨含量的减少,最终的测试结果可能更容易受到其他因素的影响,这在其他低石墨含量材料测年研究中也存在类似情况,极低的石墨量提高了对测试仪器、流程和环境的要求[61],增大了测试结果的不确定性。所以我们建议在植硅体测年时要尽可能提取超过300 mg的植硅体用于石墨制靶,以避免因为样品的含碳量太低而增大了测试结果的不确定性。

图 3 石墨含量与植硅体14C年龄之间的关系 数据来自文献[14] Fig. 3 The relationship between graphite and phytolith 14C age, data cited from reference[14]
2.5 老碳对植硅体年龄的贡献

目前能够比较确定的是植硅体碳大部分来自光合作用固定的大气CO2,但一些研究的确也说明植硅体碳有一小部分非光合作用来源的成分,可能来自于土壤有机碳[46~47]。目前不能确定的是这一小部分老碳是否会严重影响植硅体年龄的准确性。植物通过根系吸收土壤老碳,其根、茎、叶等部位的有机物里都会有来自土壤的老碳,那么按照土壤老碳会使得植硅体年龄偏老,自然也会使整个植物的14C年龄偏老,但纵观半个多世纪14C测年技术发展与应用,显然情况并非如此。除非进入植物体内的老碳会在某种尚未认知的机制控制下向植硅体体内富集,否则植硅体碳和植物其他部分有机物的14C测年一样都不会受到吸收土壤老碳的影响。

Santos等[14]和Yin等[30]的现代植物植硅体的14C年龄普遍要比植物采集时间老几十年至上千年不等,最老可达8000年。他们将这种不同量级的偏老全部归结为受到了植物吸收土壤老碳的影响,忽略采样、植硅体提取与测试过程中可能的因素是不合理的。现代植物样品14C测年污染研究显示,1%死碳(放射性14C含量为0或极低现有技术无法测试的碳)的加入才可导致植物真正年龄偏老80年[39]。按照条件实验,植硅体碳包含0.15%的土壤有机碳[38],即使老碳占植硅体碳含量再增加一个数量级,也不会导致植硅体年龄出现上千年的偏差。所以用植物吸收土壤老碳来解释所有现代植物植硅体年龄偏老是不合理的,纵观所有植硅体年龄[10~15, 18~21, 25~26, 28, 31~32, 35~36, 60, 62],并非所有的结果都偏差较大,而偏差的原因可能是多样的,有采样、前处理和测试过程中的因素,其他测年材料也会遇到类似的问题[63],并非植硅体测年技术的“专利”。

地层中植硅体年龄偏老的原因,除了经常提到的植硅体在地层中的上下迁移、植硅体的长期累积等[36],植硅体提取方法也会影响植硅体测年结果,如果土壤有机质或粘土等矿物没有被完全去除,植硅体年龄就会偏差较大[58]。所以无论什么提取流程,最终都要通过植硅体纯度的检验,才能进行年代测试。

3 未来与展望

植硅体作为一种非常规的14C测年材料,经过半个多世纪的发展,在考古地层[26, 35~36]、海洋沉积[60]、陆地沉积[8, 10]中获得了一些成功的应用,特别是在一些关键科学问题的年代框架构建上发挥了重要作用,如南瓜起源[11]与水稻开始驯化的时间[12],但总体而言,在考古方面的应用多于自然地层,这可能因为:1)考古地层中植硅体含量高,提取相对容易;2)目前AMS测试所需的纯的植硅体量还比较大(> 200 mg),自然地层中的钻孔样品难以满足其需要。将来寄希望于测年技术的发展,减少对植硅体样品量的需求,以扩展植硅体14C测年在更多沉积物中的应用。

回顾当前所有植硅体测年结果、植硅体碳及有关植硅体年龄偏老原因的研究,发现并不是所有的植硅体测年结果都比预期年龄偏老,这种偏差并不能完全归结于植物吸收土壤老碳的影响,因为植硅体碳绝大部分来自光合作用合成的大气CO2,虽然植硅体内也确实有微量的土壤有机碳,但不足以导致植硅体年龄上千年的偏差。

与其他常规测年材料研究程度相比,有关植硅体测年的机理、方法和结果对比方面的研究仍然较少。不同植硅体提取方法是否必然导致测年结果的差异,各方仍然处于互相猜测阶段,快速氧化法和常规氧化法所得植硅体碳含量之间差值是植硅体包裹的碳还是常规法没有完全消化的植物有机质,这对于评估植硅体测年结果十分重要,也是平息有关各方对不同提取方法造成植硅体年代争议的关键。期待将来会有其他区域或实验室更多的植硅体测年数据的发表,进一步明确植硅体14C测年的机理,扩大植硅体14C测年方法的应用范围及其在不同区域的可靠性。

致谢: 感谢Dolores R. Piperno教授在植硅体测年研究中的鼓励、支持与指导。

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Phytolith radiocarbon dating: Past, present and future
Zuo Xinxin1,2, Wu Naiqin3,4,5     
(1 State Key Laboratory for Subtropical Mountain Ecology of the Ministry of Science and Technology and Fujian Province, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, Fujian;
2 School of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, Fujian;
3 Key Laboratory of Cenozoic Geology and Environment, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
4 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
5 Institutions of Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029)

Abstract

Phytolith radiocarbon dating was a long established chronological technique since 1960s. Questions about its reliability have been spiritedly discussed. In this study, we discussed the nature and status of phytolith radiocarbon dating through reviewing all previous phytolith dating studies, including techniques, approaches, tests, and application in paleoecological and archaeological research. We draw a conclusion that not all phytolith ages are questionable because of a large amount of successful dating applications in previous studies. The cumulative studies in the nature and structure of phytolith occluded carbon shed lights on that organic matter derived from photosynthesis is the main component of carbon in phytoliths. Although phytolith may trap trace of carbon absorbed by plants from the soil, this carbon fraction is too small to bias the phytolith ages. Those abnormal phytolith ages largely from the modern plants cannot be addressed by the old carbon hypothesis proposed by Santos et al. It is clearly that different phytolith extraction methods show different effects on the content as well as the nature of phytolith carbon. The rapid digestion was so harsh that it might alter the structure, nature, and yield of phytolith carbon, and finally skew the phytolith ages. The processes involved in phytolith 14C measurement, such as the increasing combustion temperature, were also be taken as the potential factor which would bias the phytolith dating results. It is plausible, however, that if the phytolith ages increase with increasing combustion temperature, because other phytolith ages encountered with the identical 14C measurement in the same Lab shown good consistence with other paired dating samples. The negative correlation between graphite and 14C age of phytolith in Santos' study imply that trace amounts of graphite produced by micro-phytolith samples(usually less than 100 mg) were more likely to be contaminated during the 14C measurement. Thus, phytolith carbon dating is an effective method that can be used for constructing the chronological sequences of archaeological sites in the absence of other dating.
Key words: phytolith    AMS 14C    phytolith occluded carbon