利用水杉化石重建晚白垩世以来古大气CO2浓度的演化历史

Reconstruction of atmospheric CO2 concentration during geological times can help us to understand the links between CO2 concentration and the environmental change as well as biological evolution. This provides valuable geological evidence in order to predict future climate change and the biological response to climate change. As reconstructed now, the differences among CO2 concentrations derived from models and each proxies are considerably large, and the relationship between CO2 and temperature is still controversial; thus, a reliable and continuous CO2 reconstruction in the long geological time is necessary. As Metasequoia was widely distributed in the northern hemisphere since the late Cretaceous, and its stomatal index sensitively responses to atmosppheric CO2 change, it is a very valuable research material to reconstruct the paleo-CO2 levels based on a single plant taxon. We have collected well-preserved Metasequoia fossils from different geological ages at different regions of China, Japan, Canada and the United States. This project aims to quantitatively reconstruct ancient atmospheric CO2 concentration from the late Cretaceous to Pleistocene by statistical analysis, based on the mathematical model deduced from the relationship between the stomatal index of extant Metasequoia (M. glyptostroboides) and CO2 concentration and a stomatal index function of fossil Metasequoia leaf cuticle, and to provide important new evidence on the evolution of the global atmospheric CO2 concentration, and the relationship between paleo-CO2 concentration and the paleo-temperature.

重建地质时期大气CO2浓度，有助于深入理解CO2浓度与环境演变及生物演化的关系，为预测未来的气候变化趋势、生物对气候变化的响应提供重要地质学证据。由于各代理指标和模型重建的古大气CO2浓度尚有较大的差别，CO2浓度与古温度之间的关系尚有争议，目前迫切需要建立连续而可靠的古大气CO2浓度演化历史。水杉属（Metasequoia）自晚白垩世以来在北半球广泛分布，且其气孔参数对CO2浓度的响应具有敏感性，为建立基于单一植物类群的古大气CO2浓度演化历史提供了非常宝贵的研究材料。本项目根据现生水杉（M. glyptostroboides）气孔指数与CO2浓度的函数模型，选用晚白垩世-更新世连续地质时期的来自东亚、北美和俄罗斯等地区保存良好的化石材料，利用改良的角质层分析技术，对化石水杉叶角质层的气孔指数进行统计分析，定量重建晚白垩世以来的古大气CO2浓度，并讨论古大气CO2浓度与古温度的关系。

古大气二氧化碳（CO2）浓度的变化可以为当今大气CO2浓度变化与全球温度之间的关系提供线索。然而，目前缺乏基于单一代理指标重建出的晚白垩世和新生代大气CO2浓度演化历史，而不同代理指标重建结果都存在一定的误差。本项目选用单一植物类群水杉属化石为研究对象，采集了来自中国、日本、加拿大、俄罗斯等国家共13个化石点的、新生代不同时期的水杉叶片化石，利用其气孔指数重建了新生代不同地质时期的古大气CO2浓度。结果显示，在整个新生代期间，大气CO2浓度曾发生过急剧的变化：在晚古新世时期，大气CO2浓度相对较低（308–370 ppmv），之后逐渐升高，在中始新世时增加到了474 ppmv至982 ppmv。在此之后，早中新世的古大气CO2浓度又降至449 ppmv，并且在中中新世和晚中新世时期稳定在330–350 ppmv。在晚上新世至更新世期间，大气CO2浓度降低至工业革命之前的水平，约为278–284 ppmv。本研究的结果表明，高浓度的大气CO2可能是造成中始新世高温的原因，但是却并不是造成古新世-始新世极热期的原因；中中新世至更新世时全球大气CO2浓度也降低了约50 ppmv，表明当时全球温度的降低和大气CO2浓度的降低是同步的。本项目还对水杉化石叶片的稳定碳同位素、叶片形态性状与新生代气候变化的趋势进行了相关性研究。本项目的研究结果从一个新的角度揭示了古大气CO2浓度与古温度之间存在的相关关系，从而为探究当今的全球变化的原因及影响提供线索。