探索过去典型增温期的植被气候演变规律,有助于深入理解地球子系统相互作用的过程和机制。中新世气候适宜期(Miocene Climatic Optimum,MCO)是发生在新生代长期变冷趋势下的重要暖期,地球温度和CO2在距今17.0-14.0 Ma期间处于高值。该时期全球海洋、陆地、冰盖、碳循环及动植物面貌均发生重大转变。东亚季风环流系统作为联通欧亚大陆和太平洋的大气-海洋-生物等多圈层的重要纽带,在温度和CO2升高对植被和气候的调节中起到了关键作用。然而由于高质量陆相记录的稀缺,增温期间大陆关键区生态植被的响应机制及其与海洋变化的可能联系仍存诸多谜题。从陆地敏感带如季风边缘区着眼入手,强化多指标综合重建和海-陆对比,或可成为理解该问题的重要突破口。
图1.同心盆地的位置及研究区的大气环流模式。该区位于东亚夏季风边缘区和林草过渡带,生态植被对气候变化较为敏感(王建 供图)
位于东亚季风西北边缘区的宁夏同心盆地发育了连续厚层的新近纪河湖相沉积(图1),为上述科学问题的探讨提供重要契机。该盆地处于青藏高原东北部前缘的现代林草过渡带,盛产新近纪哺乳动物化石。同心动物群(又名丁家二沟哺乳动物群,细分为早期的印子岭动物群和晚期的马二嘴子沟动物群)的研究最早可追溯到20世纪初,经过研究所老中青三代古生物学家数十年的系统性调查和研究,已成为亚洲中中新世早期最具代表性的区域动物群之一。然而,此前对同心动物群的年代范围及其植被气候背景不甚清楚。这无疑限制了对哺乳动物演化、生物-环境协同关系等的深层讨论。
图2.同心盆地黄家水剖面的岩性、生物地层学、磁化率记录和磁性地层学,及其与全球极性年表的对比 (王建 供图)
近日,由中国科学院古脊椎动物与古人类研究所李小强研究员领衔的中外科研团队,在邱占祥院士、叶捷研究员、王世骐研究员等多年的野外调查和古生物研究基础上,联合攻关在上述问题的探索中取得新进展,相关成果以“Two-Stage Climate and Vegetation Change at the East Asian Monsoonal Margin Across the Miocene Climatic Optimum”为题发表于地球科学领域权威期刊《古海洋学和古气候学》(Paleoceanography and Paleoclimatology)。该项工作通过磁性地层学和生物地层学构建了可靠年代框架,厘定了经典同心动物群的沉积年代 (图2),基于孢粉、总有机碳同位素、碳酸盐碳氧同位素和磁化率等多种指标证据,重建了该地区跨越中中新世暖期的植被-气候历史。在此基础上进行时间序列分析和海-陆记录对比,发现东亚季风边缘区植被-气候在此期间经历两阶段演变,并提出暖期低纬海洋碳库共同调控陆地生态脆弱区植被气候的新假说。
图3.同心盆地的碳酸盐氧同位素(a)、花粉(b)记录与 19-13 Ma 期间的全球及区域海洋重要钻孔的底栖有孔虫氧碳同位素(d-h)、CO2浓度(i)及全球有机碳埋藏率(j)记录的对比。CM/Cmax事件指碳同位素极大值事件,亦称蒙特利碳位移(Monterey carbon isotope excursion)。海-陆记录对比显示区域植被气候在MCO早期(17-16 Ma)和晚期(16-14 Ma)呈现两阶段的演变特征,与海洋碳库模态变化较为相似 (王建 供图)
该研究获得如下新认识:(1)同心盆地黄家水剖面的年代范围为18.2-13.5 Ma,同心动物群的沉积年代为18.0-14.0 Ma,下部印子岭动物群和上部马二嘴子沟的年代分别为18.0-15.9 Ma和15.9-14.0 Ma;(2)花粉、碳氧同位素及磁化率数据显示区域植被-气候经历两阶段演变,MCO前期为暖干气候下稳定的干旱草地,MCO后期为多次林地和草地环境的快速交替;(3)同心盆地的两阶段变化模式与秦安、庄浪等可靠年代的长序列记录较为一致,支持东亚季风对区域水文气候格局的主控;(4)谱峰及小波相干性分析显示,MCO后期季风边缘区的多次林地出现同时或稍滞后于海洋碳库多次Cmax事件(图3),~16 Ma开始两者在40万年周期上相关,暗示其变化很可能存在耦合关系。
图4.中新世气候适宜期早期 (a) 和晚期 (b) 海洋碳库通过东亚夏季风调控大陆林地-草地边界移动的动力机制示意图 (王建 供图)
研究团队构建新的动力机制概念模式以尝试解析两阶段变化模态(图4)。将Cmax事件与有机碳埋藏率下降及气候不稳定性相联系,可合理解释东亚夏季风降水的多次显著波动。温暖时期依赖温度的细菌降解导致海洋有机碳埋藏率降低,海洋碳库δ13C值升高,释放大量CO2并增强季风系统。随着低纬海洋温度上升,CO2及碳循环成为驱动季风水文变化的另一关键因素。季风降雨带在MCO中期开始脉冲式推进至林草过渡区,其变化多次跨越草地和林地的降水阈值,这进一步放大了海洋碳库调控季风边缘区降水波动下林草交替出现的信号。上述概念模式支持有机碳循环是过去全球变暖的正反馈的新观点。
该项研究不仅为同心动物群的深入研究提供了可靠的时间标尺,为东亚中中新世暖期的植被及气候演变提供了背景数据,同时两阶段模态的发现揭示了暖期持续下气候由稳态向高变率的转变,凸显了低纬驱动及地球内反馈在暖期海-陆气候耦合变化中的重要作用。这对改进模拟实验边界参数、理解暖期海-陆相互作用过程、探索古植被对过去不同幅度增温和CO2 浓度变化的响应均有参考价值。该工作强调,在双碳目标国家战略及未来高温高碳的背景下,开展内陆敏感区的生态气候预测需考虑碳循环的深远影响。
论文第一作者为中国科学院古脊椎所博士毕业生王建(现为中国科学院大学博士后),共同通讯作者为李小强和周新郢研究员。本项研究得到国家重点基础研究计划项目 (2022YFF0801502,2022YFF0801102)、国家自然科学基金 (NSFC42303017,41888101)、中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB26000000)、中国科学院青年创新促进会项目(2022071)和中央高校基本科研业务费专项项目(E3E40905)的联合支持。
原文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2024PA004894
编辑：诸鹏飞
审核：盛捷