科研進(jìn)展
Science: 晚中新世青藏高原東北部劇烈隆升加速氣候環(huán)境演化
中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)西北研究院)苗運法研究員在Science發(fā)表最新研究成果。
該成果以A new biologic paleoaltimetry indicating Late Miocene rapid uplift of northern Tibet Plateau為題發(fā)表于國際期刊Science。該項創(chuàng )新工作提出了基于孢粉的定量重建海拔的植被新指標，為探索青藏高原隆升過(guò)程研究開(kāi)拓了新視野，有力地推動(dòng)了孢粉學(xué)科的發(fā)展。
苗運法研究員為國家第四批“國家高層次人才特殊支持計劃”青年拔尖人才，長(cháng)期致力于青藏高原東北部的孢粉研究。近期，苗運法研究員及其合作團隊借助3088個(gè)現代表層孢粉樣本 (圖1a-b)，創(chuàng )新性地選取了與海拔密切相關(guān)的四個(gè)山地針葉類(lèi)型 (鐵杉屬 (Tsuga)、羅漢松屬 (Podocarpus)、冷杉屬 (Abies) 和云杉屬 (Picea))，建立了 (鐵杉屬%+羅漢松屬%) / (上述四類(lèi)針葉樹(shù)總和%) 比值 (簡(jiǎn)稱(chēng)TP/TPAP)與中值海拔 (即盆地到山頂的中間海拔)的定量轉換方法 (圖1c-d)，同時(shí)依據地層中提取的上述四類(lèi)孢粉的比值 (圖2)，定量重建了青藏高原東北部16 Ma (百萬(wàn)年) 以來(lái)東、西兩組平行的海拔演化序列 (圖3b-c)，量化了高原局部隆升對區域氣候變干和高原生物多樣性形成的作用。
該研究成果通過(guò)了第四紀以來(lái)青藏高原5個(gè)地區流域的中值海拔檢驗，結合過(guò)去每個(gè)百萬(wàn)年的溫度差以及溫度遞減率，在青藏高原中新世以來(lái)的6個(gè)地點(diǎn)甚至日本海平面附近通過(guò)了可靠性驗證。并將該方法應用于青藏高原東北部重建16 Ma以來(lái)海拔演化歷史，同時(shí)結合柴達木盆地內新發(fā)現的植物化石 (圖2)，揭示出青藏高原東北部中值海拔在16-14 Ma海拔東、西部分別為~1.3 km和~0.4 km，12-10 Ma迅速抬升到~2.9 km和~2.7 km，并在8-7 Ma同時(shí)抬升至~3.6 km，之后接近于現代高度 (圖3a); 盆地海拔在16-14 Ma 為~1.1 km，12-10 Ma抬升至~2.4 km (圖3b-c)。進(jìn)一步研究中，研究團隊利用高分辨率區域氣候模式RegCM 4.6定量評估了高原東北部隆升對青藏高原及其周邊地區氣候影響，發(fā)現如果青藏高原東北部降低到現在海拔的1/3，該區域年降水量則減少50%以上，而高原南部喜馬拉雅山和東南部的橫斷山區，降水量則分別增加50%和150% (圖3d)。這一認識與柴達木盆地西部耐旱植物孢粉含量增加以及粗骨魚(yú)出現指示的氣候變干相吻合，而在喜馬拉雅山和橫斷山區由于降水量的顯著(zhù)增加和高地形的存在支撐了該區域豐富的生物多樣性。該項研究表明青藏高原東北部隆升產(chǎn)生的氣候效應顯著(zhù)影響了青藏高原地區的氣候和生物演化。
新生代青藏高原隆升過(guò)程對理解其氣候環(huán)境效應，如亞洲內陸干旱環(huán)境演化和生物多樣性形成等具有重要意義。作為構造隆升最直觀(guān)的體現—海拔的定量重建，常因代用指標機理的復雜性及所選用研究材料形成環(huán)境的嚴苛性，導致結果差異較大且不連續，至今仍未形成對高原隆升古高度演化歷史的統一認識。因此，如何獲取可以相互校驗的、連續的海拔定量重建序列成為解決上述科學(xué)問(wèn)題的核心難點(diǎn)。
植物生長(cháng)與分布主要受環(huán)境水熱組合調控，對氣候和海拔變化的響應極其敏感。孢粉 (孢子和花粉) 作為植物的生殖細胞，具有產(chǎn)量大、易保存等優(yōu)點(diǎn)，常被用做解讀過(guò)去氣候環(huán)境變化的“鑰匙”。但是，在古海拔重建方面的潛力尚未被深度挖掘。
苗運法研究員為論文第一作者及通訊作者，中國科學(xué)院青藏高原研究所方小敏研究員和中山大學(xué)黃康有副教授為共同通訊作者，同時(shí)聯(lián)合了中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的孫繼敏研究員、中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所肖文交院士、蘭州大學(xué)宋春暉教授、中山大學(xué)鄭卓教授、中國氣象局蘭州干旱氣象研究所任余龍研究員，以及英國布里斯托大學(xué)A. Farnsworth教授及德國波恩大學(xué)的T. Utescher教授等國內外多名學(xué)者。西北研究院特別研究助理王雪蓮和博士生楊永恒分別負責植物化石分析和緯度-溫度效應轉換工作，并全面參與成文過(guò)程。
該研究獲科技部第二次青藏高原綜合科學(xué)考察、國家自然科學(xué)基金和中科院戰略性先導科技專(zhuān)項等項目聯(lián)合資助。論文信息: Miao YF*, Fang XM*, Sun JM, Xiao WJ, Yang YH, Wang XL, Farnsworth A, Huang KY*, Ren YL, Wu FL, Qiao QQ, Zhang WL, Meng QQ, Yan XL, Zheng Z, Song CH, Utescher T, 2022. A new biologic paleoaltimetry indicating Late Miocene rapid uplift of northern Tibet Plateau. Science, doi: 10.1126/science.abo2475.
圖1 (a) 現代大空間3088個(gè)表層樣品中四類(lèi)針葉類(lèi)母體植物和表土孢粉 (鐵杉屬、羅漢松屬、冷杉屬和云杉屬)空間分布; (b) TP/TPAP (鐵杉屬%+羅漢松屬%) /(四類(lèi)針葉樹(shù)總和%) 比值的空間分布; (c) 四類(lèi)孢粉與母體植物海拔矯正示意圖; (d) 以海拔200米為間隔的TP/TPAP比值平均結果與中值海拔定量關(guān)系 (注: 公式為37.2°N的擬合公式)
圖2 中新世柴達木盆地四類(lèi)孢粉形態(tài)及懷頭他拉剖面部分化石植物形態(tài)
圖3 青藏高原東北部基于孢粉方法的海拔重建及其氣候效應。(a) 以1 Ma為時(shí)間間隔的平均海拔連續演化歷史 (藍色和綠色點(diǎn)與線(xiàn))及其與高原北部構造事件研究頻數 (CCTE) (紫色線(xiàn))對比; (b)-(c) 16-14 Ma和12-10 Ma柴達木盆地及毗鄰山體海拔和植被-孢粉分布示意圖; (d) RegCM4.6模型數值模擬結果。紫紅線(xiàn)表示青藏高原輪廓，虛線(xiàn)表示高原東北部 (NTP)、喜馬拉雅山 (HY) 和橫斷山脈 (HD) 邊界
圖4 苗運法研究員及課題組成員在柴達木盆地野外工作照
