从沙漠到香格里拉|Science Bulletin

青藏高原东部海拔高而地形复杂,受季风显著影响并对气候变化响应敏感,还孕育着现今地球上最重要的横断山生物多样性“热点”。稻城亚丁就位于藏东横断山腹地,现今平均海拔3700m,其旖旎的高山森林景观引人入胜,是著名小说《消失的地平线》中“香格里拉”原型所在地——隐藏在横断山深处的世外桃源。那么,以稻城香格里拉为代表的藏东高海拔森林景观究竟有着怎样的前世今生?亚洲季风又因何而形成,使得这个地区成为世界级的生物多样性中心?

“藏东的隆升是改变东亚气候环境的关键节点,它触发了东亚季风和具有全球意义的区域性生物汇聚与新生”,丁林院士介绍。

研究团队从2018~2020年,连续三年考察了藏东稻城附近的热鲁盆地,开展了细致的地质填图和样品采集工作(图2和3)。他们发现,热鲁盆地内部新生代地层发育了从干旱到湿润的连续沉积:下部昌宗组为一套代表着气候炎热干燥的冲积扇-风成砂丘相沉积;上部热鲁组为代表着气候相对湿润的湖相和河流相地层,保存有丰富的动植物化石。

基于发现的6套火山灰,研究团队运用锆石U-Pb测年方法,建立起热鲁盆地的绝对年代学框架,确定热鲁盆地地层属于5000~3400万年前的沉积产物。其中下部昌宗组地层沉积时代为5000~4500万年前,上部含植物化石的热鲁组湖相地层的沉积时代为4500~4000万年前,动物化石所在层位的沉积时代为3900~3400万年前。

研究团队又利用古土壤钙结核的团簇同位素温度计与植物化石的气候-叶相多变量分析程序重建了热鲁盆地详细的古高度变化历史:从约5000~4500万年前的低海拔0.6 km,迅速上升至4500~4200万年前的中等海拔2.0 km,再到4200~4000万年前的中高海拔2.9 km,在始新世晚期(3900~3400万年前),盆地进一步上升到3.5 km,接近现今平均海拔3.7 km(图4)。结合该团队之前的研究,在5000~3800万年前,西藏地区已经呈现出“两山夹一盆”的地貌特征:两条东西走向海拔超过4000 m的山脉,环绕着一个海拔只有1700 m的中央谷地,拥有独立的亚热带生态系统。随着以热鲁盆地为代表的青藏高原东部在3400万年前上升至接近现今高海拔,封闭了这个中央谷地的东端,与冈底斯山脉、中央分水岭山脉共同构成了晚始新世西藏地区的高海拔显著地形。

同时,动物牙齿化石氧同位素(图5)与植物化石CLAMP气候数据显示,藏东的隆升推动了热带辐合带季风向北渗透,形成了最初的与现今季风系统截然不同的始新世亚洲季风。结合气候数值模拟,指示藏东高地的存在显著增加了整个东亚的降雨量,它具有双峰降水特征和特别潮湿的冬季,这与只有一个雨季的现代亚洲季风系统完全不同,因此并不标志着任何现代亚洲季风系统的建立。研究团队强调,季风的演变与不断变化的地貌密切相关,我们今天所认知亚洲季风是在不断变化的地形条件和全球地球系统背景下逐渐发展而来的。

随着藏东的隆升,这里从一片干热的沙漠演变为一个物种高度多样化的茂盛森林(图6)。科研团队在热鲁组地层中发现了高度分化、保存精美的化石植物群,以桉树、帕里宾尼亚和黄连木等为代表,以及以犀牛、石炭兽、豫鼠等为代表的化石动物群(图6)。虽然组成与现今有很大不同,但丰富的动植物面貌表明横断山特殊的生物多样性在4500~4000万年前已有雏形,并推动了整个东亚生物多样性的现代化进程,这比普遍接受的亚洲现代生物多样性是中新世产生的结论大大提前约2000万年。也可以说横断山地区独特的生物多样性已经非常古老,隐藏在横断山崇山峻岭中的“香格里拉”在中始新世就开始萌生,替代了之前的干热沙漠环境。综合古高度数据,横断山到晚始新世已经形成了和现今海拔类似的高山森林景观。

第一作者何松林表示:“凭借准确的同位素放射性定年、同位素地球化学、关键区域的古生物资料和最先进的气候模型的整合,使我们第一次揭示了亚洲季风系统的发展和生物多样性之间的复杂联系,这是对单一数据的简单解释所无法做到的”。“通过了解景观是如何改变季风的,我们可以更好地了解季风在未来对其他因素(如全球气候变化)可能有多敏感,以及如何影响到生物多样性和生态系统功能”,英国Robert A. Spicer教授介绍。

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