近日，國際綜合性期刊Global and Planetary Change《全球和行星變化》在線發表了中國科學院海洋研究所、法國巴黎薩克雷大學、自然資源部第一海洋研究所等單位合作的最新研究成果“Expansion of C4 plants in South China and evolution of East Asian monsoon since 35 Ma: Black carbon records in the northern South China Sea”。研究團隊基于南海北部黑碳碳同位素組成的連續沉積記錄，首次提供了晚始新世以來華南C4植被長期擴張的關鍵證據，揭示典型的東亞季風氣候系統在早中新世建立以及隨后東亞夏季風長期減弱，提出亞洲地形格局建立后全球變冷驅動了東亞季風和植被類型的長期演變。
新生代以來，伴隨印度-歐亞大陸碰撞和青藏高原隆升，全球氣候系統最顯著的特征是以兩極冰蓋擴張為主要標志的全球整體變冷。同時期，亞洲最為突出的環境變化是東亞季風氣候系統和內陸干旱環境的形成與發展。構造、氣候和大氣環流的變化對生態系統演化產生了深遠的影響，其中最引人注目的事件是新生代晚期全球陸地生態系統中C4植被的出現和擴張(C4植被豐度相對增加)。C3和C4植物的光合作用途徑不同，在自然環境的生存中是競爭關系，二者此消彼長。C4植物貢獻了全球約25%陸地植被凈初級生產力，其擴張歷史和適應機制的研究對于理解生物多樣性及演化具有重要意義。C4植被最早出現在一億多年前，各種地質記錄顯示C4植被的擴張主要發生在晚中新世，少量記錄揭示C4植被擴張首先發生在早中新世。然而作為生態系統對其生存的氣候環境的適應和進化，C4植被擴張的驅動機制有很多假說，如季風說、CO2濃度下降說、干旱化說等，迄今尚無定論。東亞植被類型豐富，是研究C4生態系統擴張及其驅動機制的理想場所；而且，東亞盛行以季節性降雨為主要特征的亞洲季風氣候，重建C4植被擴張歷史對于理解季風氣候的演化也具有重要意義。
C3和C4植被的碳同位素組成具有明顯差異，因而利用碳同位素組成記錄可以追蹤地質歷史時期植被類型的變化。黑碳作為植被不完全燃燒所形成的具有高熱穩定性的含碳物質，由于顆粒小(微米級)、密度輕、化學穩定性高，可被河流或風長距離搬運，廣泛存在于土壤和沉積物中。因此，邊緣海沉積物中黑碳的 13C指標可被用于追蹤源區C3-C4植被演化歷史。
南海北部是珠江等華南河流系統的主要沉積匯，其巨厚、連續且有良好地層年代約束的沉積物是重建地質時間尺度華南大陸古環境演化的重要材料。研究人員以國際大洋發現計劃 (IODP) 368航次在南海北部鉆取的U1501站位為研究材料，提取沉積物中的黑碳并分析黑碳含量、通量和碳同位素組成 ( 13CBC)，在物源約束的基礎上，重建了晚始新世以來黑碳源區華南的C4植被擴張歷史。
研究結果顯示，華南C4植被相對C3植被在~20 Ma、15 Ma和7-4 Ma發生三次明顯階段性擴張，其中C4植被的豐度在此三個階段分別占比約10-20%、20-30%和>30%。華南C4植被擴張歷史和大氣CO2濃度及全球C4植被演化的差異性，強烈表明區域古環境演化是其主要影響因素。進一步基于末次冰期以來華南植被類型變化和相應溫度、降水等氣候因子的良好約束和對比，并結合C4植被的生理特性，我們認為華南C4植被在末次冰期相對全新世暖期的擴張主要歸因于干旱度增加(東亞夏季風減弱和冬季風增強)和降水季節性的增強(降水更集中于暖季而非冷季)。這一短期記錄可作為長時間尺度研究的很好類比。因此，我們提出晚始新世以來華南C4植被的三次階段性擴張，指示了早中新世以來華南降水強度的總體減弱、干旱度和降水季節性的增強，從而反映了東亞夏季風的長期減弱。
綜合構造-氣候記錄對比表明，早中新世青藏高原隆升通過地形阻擋和熱力作用，驅動了類似現今的典型亞洲季風系統的形成，進而導致晚始新世以來華南C4植被首次擴張發生在早中新世，因為季風氣候的建立導致華南由全年溫暖潮濕的熱帶氣候轉變為干濕季節分明的季風氣候，暖季降水季節性增強促進了C4植被擴張。而在典型的東亞季風系統形成之后，東亞夏季風則呈現出長期減弱而冬季風增強的趨勢。由于模擬表明高原隆升是加強而非減弱夏季風降水，且亞洲地形基本格局在早中新世已經建立，因此我們提出東亞夏季風此后的長期減弱主要受控于兩極冰蓋擴張背景下的全球變冷。全球變冷可通過溫度-水汽效應影響區域降水。全球變冷驅動下的中中新世以來華南總體變干和降水季節性增強進一步引起了C4草本植被相對C3木本植被豐度的增加。這很好解釋了以前東亞季風長期演變歷史和驅動機制的爭論。
本研究是迄今南海北部最長且連續的黑碳碳同位素記錄，對于追蹤華南陸地生態系統C4植被擴張，揭示植被類型演化和氣候變化之間的內在聯系進而重建東亞季風演化具有重要科學意義。
論文第一作者為中國科學院海洋研究所博士生李夢君，通訊作者為海洋所萬世明研究員。本研究得到了中國大洋發現計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略先導專項、國家重點研發計劃等的支持。
論文信息：
Mengjun Li, Shiming Wan*, Christophe Colin, Hualong Jin, Debo Zhao, Wenqiang Pei, Wenjun Jiao, Yi Tang, Yang Tan, Xuefa Shi, Anchun Li, 2023. Expansion of C4 plants in South China and evolution of East Asian monsoon since 35 Ma: Black carbon records in the northern South China Sea. Global and Planetary Change 223, DOI: 10.1016/j.gloplacha.2023.104079.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921818123000528
圖1南海及周邊海陸分布和研究站位圖
圖2 南海北部IODP U1501站位黑碳含量、碳同位素及通量記錄
圖3 末次冰盛期以來華南C4植被相對豐度演變和氣候變化對比
圖4 晚始新世以來華南陸地生態系統C4植被擴張和構造-氣候對比
