科研动态
代表成果
海洋地质过程与环境功能实验室在中亚植被长期演变历史及驱动机制方面取得重要进展
来源:海洋地质过程与环境功能实验室     通讯员:胡珊     2018-09-14 17:33:52
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国际地学刊物Earth and Planetary Science Letters(简称EPSL,Top 5%)于2018年9月12日在线发表了青岛海洋科学与技术试点国家实验室(以下简称“海洋试点国家实验室”)海洋地质过程与环境功能实验室万世明研究员(通讯作者)、沈兴艳博士研究生(第一作者)与法国巴黎第十一大学、日本东京大学等合作的最新研究成果Increased seasonality and aridity drove the C4 plant expansion in Central Asia since the Miocene-Pliocene boundary。团队通过研究深海沉积记录发现中亚C4植被在距今530万年前发生显著扩张,这一现象主要受到西风减弱和东亚夏季风增强导致的中亚干旱和季节性加剧的共同驱动。

绝大多数陆生高等植物主要通过两种光合作用途径(即C3和C4)固定大气CO2并合成自身有机质,其中所有的乔木、绝大多数灌木和草本植物使用C3光合作用途径,而部分灌木和草本植物使用C4光合作用途径。现代C4植被在低纬度地区占统治地位,随着纬度增加,C3植物含量逐渐增加。C4植被早在一亿年前就已出现,而大规模的C3植被向C4植被转变即C4植被扩张则主要发生在晚中新世,被认为是地球生物圈对大气圈变化的一种响应,各种假说如季风说、CO2浓度下降说、干旱化说等用以解释其扩张的机制问题,但迄今尚无定论。

由于生理过程的不同,C3和C4植物的碳同位素组成具有明显的差异。因此,利用碳同位素示踪可追踪地质历史时期C3/C4植物的演替历史。日本海位于亚洲风尘通过西风带向北太平洋传输的路径上,是来自亚洲内陆风尘的主要沉降区。由于其周边没有大型河流入海,日本海是研究亚洲风尘沉积的理想海区。研究人员以国际综合大洋钻探计划(IODP)346航次在日本海郁陵海盆(Ulleung Basin)钻取的U1430站位长达258米的岩芯为研究材料(图1),前期通过粘土矿物和Sr-Nd-Pb同位素研究了陆源物质源区并重建了中新世以来亚洲风尘输入到日本海南部的历史(Shen et al., 2017, EPSL)。在此基础上,进一步提取了沉积物中黑炭(图2)并分析黑炭含量、通量和碳同位素(δ13CBC)组成,首次获得了一千三百万年以来连续、高分辨率的亚洲黑炭输入日本海的历史及其反映的黑炭源区--中亚干旱地区植被演化历史的综合信息。

研究结果显示(图3),在530万年左右广阔中亚区域C4植物发生显著扩张,C3植被相对减少。这滞后南亚地区C4植被扩张约二百万年。在讨论构造时间尺度中亚植物演化历史时,研究人员首次将西风降雨变化作为中亚区域主要的降水来源之一纳入考虑,并且提出冬季西风水汽和夏季东亚夏季风降雨之间的竞争关系是决定亚洲生态系统中C3-C4植物转化的重要观点。由于全球变冷和青藏高原西北部(天山和帕米尔高原)的隆起导致冬季西风降水减弱,而东亚夏季风降水在上新世初开始增强,共同引起了中亚和黄土高原地区的干旱度和季节性差异增强,进而导致了中亚C4植被在晚中新世-上新世之交的扩张。与先前普遍认为的大气CO2浓度下降是驱动C4植物扩张的首要因素的观点不同,本研究认为CO2浓度下降更可能是C4植物扩张的前提条件而不是驱动因素,而构造驱动下的区域水文气候变化(尤其是季节性增强)才是影响C4植被扩张的最重要因素,这也是全球尺度C4植被扩张时间不完全同步的主要原因。该研究提升了我们对新生代以来气候和植被演化相互关系的理解与认识。

本项研究得到了国家自然科学优秀青年基金(万世明)、海洋试点国家实验室“鳌山人才”计划项目、全球变化与海气相互作用专项等的支持。 

论文出处:

1.Shen, X., Wan, S.M.*, Colin, C., Tada, R., Shi, X., Pei, W., Tan, Y., Jiang, X., Li, A., Increased seasonality and aridity drove the C4 plant expansion in Central Asia since the Miocene-Pliocene boundary. Earth and Planetary Science Letters, 2018, 502, 74–83.

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X18305284

2.Shen, X., Wan, S.M.*, France-Lanord, C., Clift, P.D., Tada, R., Révillon, S., Shi, X., Zhao, D., Liu, Y., Yin, X., Song, Z., Li, A. History of Asian eolian input to the Sea of Japan since 15Ma: Links to Tibetan uplift or global cooling? Earth and Planetary Science Letters, 2017, 474, 296–308.

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X17303771


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图 1 研究站位图


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图2 沉积物黑炭的形貌和组成(A. 日本河流;B. 日本海U1430站;C. 黄土)


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图3 日本海黑炭记录的中新世以来亚洲内陆植被演化历史及海陆对比


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