泥盆纪是维管植物开始大规模登陆时期，也是全球气候由温室期向冰室期转换的关键时期。一直以来，植物登陆被认为是地球表层系统转变的关键因素之一，即所谓的“泥盆纪植物假说”（Devonian plant hypothesis）。该假说认为树和森林的出现极大地促进了大陆风化作用和陆源营养物质的输入，促使海洋初级生产力提升和有机碳埋藏量增加，驱动大气二氧化碳浓度下降和气候变冷，最终导致在泥盆-石炭纪之交的中-高纬度地区出现了晚古生代最早的冰碛岩沉积。然而，这一假说尚未得到高精度古气候或古温度数据的严格检验。此外，泥盆纪还经历了多次造山运动和火山喷发事件，它们对泥盆纪气候转变是否产生了重大影响也未经过系统评估。
针对这些科学问题，中国科学院南京地质古生物研究所陈波副研究员等与来自北京大学、南京大学以及英、德两国的同行合作，利用华南的牙形刺磷酸盐氧同位素记录系统重建了泥盆纪古海水温度演化历史。新的研究结果显示，植物登陆是控制泥盆纪气候演化重要但并不唯一的驱动因素，构造和火山活动在塑造泥盆纪气候波动方面也扮演了重要作用。该成果最近正式发表在地球科学综合性期刊《地球科学评论》（Earth-Science Reviews）。
在这项研究中，陈波等人利用牙形刺氧同位素测温方法，系统分析了采自华南板块10余条剖面的180个牙形刺样品，获得一条完整的泥盆纪氧同位素曲线。通过与其它板块氧同位素数据进行系统对比，发现不同板块的氧同位素数值存在较大的区域差异，开放海的氧同位素数据相对于陆表海来说可能更真实地记录了全球温度的变化。来自华南及其它低纬度地区的氧同位素数据显示泥盆纪气候呈现出早泥盆世温暖，中泥盆世变冷，中-晚泥盆世之交短暂变暖，随后又变冷的复杂动态变化过程。这与先前普遍认为的由植物登陆所导致的全球气候单向、逐步变冷模式形成鲜明对比。
在对比植物登陆的关键性演化事件和植物化石多样性曲线后，研究人员认为早-中泥盆世之交的气候变冷可能与维管植物登陆和维管植物根系-土壤相互作用的建立有关。这一重大的陆表革新事件可能极大地加速了大陆风化，从而驱动气候变冷。中-晚泥盆世之交的短暂气候变暖则可能与阿卡迪亚（Acadian）造山运动过程中流体入侵碳酸盐岩地层导致的变质脱碳作用所排放二氧化碳有关；而晚泥盆世法门期的气候变冷则可能与种子植物的出现和具有复杂根系植物的崛起，以及由于晚泥盆世火山活动和岛弧碰撞所造成的玄武岩和蛇绿岩套大规模暴露导致的大陆风化再次增加等因素叠加有关。
为了验证验证这些假设，陈波还利用COPSE生物地球化学模型（COPSE：Carbon（碳）, Oxygen（氧）, Phosphorus（磷）, Sulfur （硫），Evolution（演化））对这些驱动机制进行了检验。结果显示，模型能很好地揭示相关的气候变化趋势，但获得的变化幅度相对较小，可能与COPSE模型为简单的一维模型有关。
该研究得到中科院战略先导专项（B）项目和国家自然基金（NSFC）的资助。
论文信息: Chen, B., Ma, X., Mills, B.J.W., Qie, W., Joachimski, M.M., Shen, S., Wang, C., Xu, H., Wang, X., 2021. Devonian paleoclimate and its drivers: A reassessment based on a new conodont δ18O record from South China. Earth-Science Reviews 222, 103814. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2021.103814
图1 泥盆纪重要的植物革新、化石多样性、构造、火山事件、二氧化碳、古海水温度记录以及相对应的COPSE模型预测结果
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