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【前沿報道】Nature Geoscience:植被對早侏羅世全球變暖的響應
2019-06-03 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  基于陸生植物孢粉及海洋浮游生物微體化石的研究顯示,早侏羅世全球變暖事件(圖阿爾期大洋缺氧事件)不僅破壞了海洋生態系統,也對陸地生態系統帶來重大影響,且對陸地生態系統的影響明顯早于海洋。   

  近年來,溫室氣體排放導致全球變暖,從而引發了國際社會的強烈關注。一些學者預測全球變暖會對地球系統帶來災難性后果,如極端氣候事件頻發、生物多樣性減少、物種滅絕等。地質歷史上的增溫事件是評估全球變暖生態效應的重要相似型。早侏羅世圖阿爾期(Toarcian(距今1.83億年前)發生了持續30-50萬年、升溫~6.5°C的快速全球變暖事件。事件發生期間,大洋缺氧,海洋生物滅絕,并伴隨著明顯的地球系統碳庫的同位素負漂(carbon isotope excursion, CIE),被稱為圖阿爾期大洋缺氧事件(Toarcian Oceanic Anoxic EventT-OAE)。大多數學者認為,此次全球變暖由南非及南極洲的卡魯-費拉大火成巖省釋放的巨量CO2所引發(Pálfy and Smith, 2000)。但是,由于該時期陸相沉積鮮有保存,有關該事件對生態系統影響的研究主要集中于海洋,獲取該時期陸地生態系統演化的信息成為研究難題。 

  近期,瑞典自然歷史博物館古生物學系Slater等通過孢粉研究為回答上述問題提供了重要證據,成果發表于Nature Geoscience期刊(Slater et al., 2019)。孢粉是植物產生的孢子和花粉,因其數量大、抗腐蝕能力強,可以在古老地層中較好地保存下來。因此,沉積物中的孢粉組合已被廣泛用于重建古植被演化及氣候環境狀況。Slater等在英國早侏羅世普林斯巴赫期及圖阿爾期(Pliensbachian–Toarcian)淺海陸架沉積頁巖中獲取了豐富的陸生植物孢粉和海洋浮游生物化石。結合沉積學及同位素研究,Slater與合作者重建了陸地生態系統對圖阿爾期變暖事件的完整響應過程,發現此次變暖事件引發了陸地植物群的巨大轉變。 

  在變暖事件初期,即普林斯巴赫期圖阿爾期界線至CIE之前(圖1),陸地植物群即開始發生較大改變,由松柏類、種子蕨(產生雙氣囊花粉)及喜濕的蕨類和石松類為主的植物組合(圖2a)轉變為適應暖干環境的松柏類(主要為掌鱗杉科)和蘇鐵類(產生克拉梭粉及寬溝粉)為主的植物組合(圖2b),孢粉豐度及多樣性明顯降低。相比而言,海洋中雖然發生了浮游生物組合的改變,但變化較小。 

  在變暖達到鼎盛的時候,即CIE期間,植物的豐度和多樣性大幅度降低,植物組合以少量適應干熱氣候的松柏類(主要為掌鱗杉科)為主(圖2c,并出現大量高溫環境標志性花粉——腦形粉。同時,海洋生態系統也發生劇烈變化,鞭毛藻和多刺疑源類顯著減少,球形亞類及青綠藻等藻類大量增加,并伴隨著大量無定型有機物出現(圖2c),指示了海水的富營養化。以上變化伴隨著微球粒黃鐵礦的出現,揭示了還原性的海洋環境。 

  變暖事件結束后,植物的豐度和多樣性快速增加,恢復到事件之前的水平,但植物組合卻發生了明顯變化,掌鱗杉科、柏科及喜濕樹種(產生周壁粉)占據主導地位(2d、圖2e)。海洋生態系統則基本恢復至事件前的面貌(圖2e)。 

1  英國約克郡T-OAE期陸地植物和海洋生物記錄。橘色條帶為氣候極熱期;淺綠色及深綠色圖譜分別為各類孢子和花粉豐度變化;藍色及棕色圖譜分別為各類海洋浮游生物及無定型有機物豐度變化; Mosses:苔蘚;Club mosses:石松類;Ferns:蕨類;Bisaccate pollen:雙氣囊花粉;Classopollis:克拉梭粉;Cerebropollenites macroverrucosus:腦形粉;Perinopollenites:周壁粉;Chasmatosporites:寬溝粉;Cycadopites:蘇鐵粉;Dinoflagellate cysts:鞭毛藻囊泡;Sphaeromorphs:球形亞類;Tasmanites:一種青綠藻;Spiny acritarchs:多刺疑源類;Amorphous organic matter:無定型有機物

2  T-OAE期海陸環境演變示意圖,圖例同圖1。(a)普林斯巴赫期,氣候濕潤;(b)普林斯巴赫期/圖阿爾期界線至CIE前,氣候變暖具強季節性,陸地植被發生較大轉變;(c)圖阿爾期CIE時段,氣候極暖具極端干/濕季,海陸生態系統發生劇烈變化;(d)圖阿爾期CIE結束后藻類爆發階段,陸地生態系統開始恢復,海洋生態系統恢復滯后;(e)圖阿爾期藻類爆發后,海陸生態系統恢復,陸地植被組合已不同于事件前    

  該研究依據直觀的孢粉證據重建的T-OAE時期氣候暖干,并且具極端干/濕季(圖2),與前人依據沉積特征推斷的暖濕氣候結論不同。海陸生態系統對比顯示,全球變暖初期陸地植物群落即發生較大改變,而海洋生態系統變化較小;全球變暖鼎盛期海陸生態系統均發生劇烈變化。據此,作者認為由于海洋具有較高的熱緩沖能力,全球變暖初期陸地生態系統受到的影響更為嚴重。該現象在地球更早的歷史中也曾出現,如近期研究發現,由火山活動引發的二疊紀-三疊紀界線全球變暖使陸地植物先于海洋生物發生滅絕(Fielding et al., 2019)。 

  該論文作者接受了已有的火山活動釋放溫室氣體造成全球變暖進而引發生物滅絕的觀點,但亦有學者表示質疑。Nature Geoscience同時刊發針對該文章的評論,強調火山活動釋放的汞對陸地植被的破壞不可忽視(Mander and McElwain, 2019)。目前,與二疊紀末生物滅絕(Wang et al., 2018)、白堊紀大洋缺氧事件(OAE 2)、白堊紀末生物滅絕(Percival et al., 2018)等事件相關的火山活動期均已獲得汞同位素異常的證據。該研究雖獲取了早侏羅世陸地生態系統演化的信息,但還需進一步研究全球范圍內陸地生態系統演化過程及其機制。 

    

  主要參考文獻 

  Fielding C R, Frank T D, McLoughlin S, et al. Age and pattern of the southern high-latitude continental end-Permian extinction constrained by multiproxy analysis[J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 385.原文鏈接 

  Mander L, McElwain J C. Toarcian land vegetation loss[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 405-406.原文鏈接 

  Pálfy J, Smith P L. Synchrony between Early Jurassic extinction, oceanic anoxic event, and the Karoo-Ferrar flood basalt volcanism[J]. Geology, 2000, 28(8): 747-750.原文鏈接 

  Percival L M E, Jenkyns H C, Mather T A, et al. Does large igneous province volcanism always perturb the mercury cycle? Comparing the records of Oceanic Anoxic Event 2 and the end-Cretaceous to other Mesozoic events[J]. American Journal of Science, 2018, 318(8): 799-860.原文鏈接 

  Slater S M, Twitchett R J, Danise S, et al. Substantial vegetation response to Early Jurassic global warming with impacts on oceanic anoxia[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 462-467.原文鏈接 

  Wang X, Cawood P A, Zhao H, et al. Mercury anomalies across the end Permian mass extinction in South China from shallow and deep water depositional environments[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2018, 496: 159-167.原文鏈接    

  (撰稿:王永達,楊石嶺/新生代室)

 
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