中-晚中新世气候转型期大气CO2浓度研究：基于化石叶片气孔分析

Revealing the link between the atmospheric CO2 and deep–time palaeoclimate underpins the complete understanding of the atmospheric CO2–climate–Earth system, which enhances the credibility of predictions of future global climate change. The Cenozoic era, the last 65 million years of Earth’s history, is characterized by a general cooling trend. The significant cooling during the mid–late Miocene ~15-9 Ma finally drive the Earth from “greenhouse” to “icehouse”. The temperature, which is still higher than that of current, gradual decrease during the above mid–late Miocene climate transition (MMCT). However, CO2 levels are near preindustrial values (~280 ppmv), which significantly less than the modern values of ~400 ppmv, even with some rise trends. This decoupling appears to challenge the leading climatic role for atmospheric CO2. This study focus on reconstructing of palaeo-CO2 with greater credibility, establishing the atmospheric CO2 fluctuation, and exploring the link between the atmospheric CO2 and climate during the MMCT on the basis of stomatal frequency of fossil leaf, collected from Shengxian formation, Zhejiang and Fotan formation, Fujian with the age constrain by 40Ar-39Ar method. This work will improve our understanding about the role of atmospheric CO2 during the MMCT, and has the potential to unclose the above enigma of the “decoupling” of CO2 and climate.

对地质时期古大气CO2与古气候变化关系的研究，能增强对整个大气CO2–气候–地球系统的理解，提高预测未来气候变化的准确性。新生代气候整体变冷，并最终于中–晚中新世（~15-9Ma）驱动了地球由“温室”转向“冰室”。在该气候转型期内，温度逐渐下降，但仍高于今天；然而，CO2浓度却仅约为工业革命前的水平（~280ppmv），显著低于今天的浓度（~400ppmv），甚至还呈现上升的趋势。这种“解耦联”似乎对大气CO2驱动温度变化的作用提出了质疑。本研究拟以中国浙江嵊县组、福建佛昙组中保存的植物化石为研究对象，在精确的年代框架下，聚焦于利用化石植物叶片气孔高准确度重建中–晚中新世气候转型期的大气CO2浓度，构建大气CO2浓度变化曲线，进一步探讨大气CO2波动与气候变化的关系。该项目的实施将加强我们对大气CO2在中–晚中新世气候转型中作用的理解，并有潜力解开该时段大气CO2与温度变化“解耦联”之谜。

在中—晚中新世气候过渡期，全球气候经历了由“温室”向“冰室”的转型。该时段内，全球温度持续下降且高于当今。然而，该时段大气CO2浓度却低于今天，甚至呈现上升趋势，这种现象被称为大气CO2波动与气候变化的“解偶联”。准确重建该时段的大气CO2浓度是论证上述假说的关键。.本项目在浙江天台县家湖村系统采集了中—晚中新世植物大化石，利用气孔指数法和叶片气体交换模型，重建了该时段的大气CO2浓度，探讨了大气CO2浓度与气候之间的关系。结果显示，利用气孔指数法重建的古大气CO2浓度约为400ppmv，基于机制模型重建的值约为800ppmv。造成这种差异的原因可能与前种方法的限制性有关，即在利用气孔指数法重建古大气CO2浓度时，当CO2浓度高于500ppmv时，CO2浓度与气孔参数的非线性关系可能会导致古大气CO2浓度估测值偏低。该研究基于机制模型重建的大气CO2浓度显著高于前人大部分重建的结果以及当今大气CO2水平，我们推测该时段大气CO2浓度可能并不低于当今的大气CO2浓度，而是存在一种“偶联”现象，即中—晚中新世显著高于当今的温度与当时显著高于今天的大气CO2水平相偶联。.此外，本项目还调查了现生植物芦苇气孔参数对大气CO2浓度变化的响应规律，结果显示该物种的气孔密度和气孔指数均可高度响应外界大气CO2浓度变化，进而开发、丰富了基于植物气孔重建古大气CO2浓度新的代用指标；分析了浙江天台县中—晚中新世的植被组成，主要类群为栎属、枫香树属、樟属、栗属、柯属、润楠属、菱属等，当地植被可能存在垂直植被分带现象，表现为低海拔地区为以壳斗科植物为主的常绿阔叶林，高海拔地区为常绿硬叶阔叶林和中生混交林；重点研究了化石类群—金钱松，模拟了其在不同气候环境下的地理分布区及潜在的迁移路线，结果显示气候冷暖变化显著影响该物种的地理分布，提出迁移保护可能是将来保护该濒危物种的有效措施。