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银杏植物化石揭示对侏罗纪古大气CO2浓度重建的影响
2020-05-28 | 编辑: | 【

  大气中二氧化碳浓度(pCO2)的升高被广泛认为是导致全球变暖的主要因素,因此,重建地质历史时期大气CO2浓度对于人类预测未来全球气候变化趋势具有重要的借鉴意义。植物化石的气孔参数及碳同位素组成是重建古大气CO2浓度的理想材料,从而备受地质古生物学界重视。大气中CO2浓度与维管植物气孔指数之间的反比关系已被广泛用于估算古大气CO2浓度。近年来,以气孔为参数等重建古大气CO2的方法不断完善。然而,不同方法在恢复古大气CO2的一致性和准确性方面亟待评估。这些一致性的差异,主要与采用不同植物物种的气孔特征校准方法有关。 

  为此,中国科学院南京地质古生物研究所王永栋研究员带领的国际科研团队,与西北大学地质学系博士后周宁及爱尔兰都柏林大学Jennifer McElwain教授等人共同合作,基于华南鄂西地区早侏罗世的银杏植物化石,首次系统评估了经验模型、回归分析模型与光合作用模型三种重建方法在恢复古大气CO2的准确性,并据此重建了我国南方鄂西地区早侏罗世古大气CO2浓度的连续变化趋势。研究成果近期发表在国际地学学术刊物《三古》(Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology)上。 

  研究团队首次从有效选择气孔记数方式、计算光合作用初始同化率、植物化石碳同位素计算古大气碳同位素组成、表皮细胞多倍体基因组等方面,对三种模型进行了测试和改进。结果显示,通过对单一银杏化石物种(似银杏Ginkgoites)采用三种方法恢复早侏罗世古大气CO2浓度的相互比较,发现经验模型和回归分析模型两种模型法在古大气CO2估算和趋势上具有高度的一致性。研究者选取同一化石采集点的两种不同银杏化石物种(似银杏Ginkgoites和楔拜拉Sphenobaiera),并利用三种模型分别进行了测算和比较,结果表明当用不同的银杏化石物种恢复CO2浓度时,三种模型都显示出与物种相关的不确定性,但经验模型和回归分析模型表现出更好的稳定性。 

  此外,研究还首次发现,同一层位的同一银杏化石物种(Ginkgoites marginatus)表皮细胞的染色体基因组大小,与光合作用模型过低估计古大气CO2浓度相关;而利用植物化石碳同位素估计大气碳同位素组成,则能够有效提高光合作用模型在计算古大气CO2浓度时的精度。 

  研究人员利用上述三种方法重建的华南鄂西地区早侏罗世古大气CO2浓度为900–1400ppm,是现今大气CO2浓度的大约3-4倍,这一结果与前人利用植物气孔参数法和地球化学模型重建的早侏罗世CO2浓度结果基本一致,表明在距今1.8亿年左右的早侏罗世晚期为温室气候期,并导致出现了全球性的大洋缺氧事件和气候升温事件。 

  本项成果的第一作者为周宁博士(现为西北大学博士后),王永栋研究员和Jennifer McElwain教授为论文通讯作者,中国科学院南京地质古生物研究所李亚博士、李丽琴博士、鲁宁博士,都柏林大学Porter Amanda博士和挪威奥斯陆大学Kürschner Wolfram教授是该论文共同合作者。 

  本项研究由国家自然科学基金项目、中科院战略性先导科技专项(B类)、国家重点研发计划项目、现代古生物学和地层学国家重点实验室项目和中科院留学基金项目等联合资助。    

  论文信息:Zhou Ning, Wang Yongdong*, Li Ya, Porter Amanda, Kürschner Wolfram, Li Liqin, Lu Ning, McElwain Jennifer*, 2020. An inter-comparison study of three stomatal-proxy methods for CO2 reconstruction applied to early Jurassic Ginkgoales plants. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 542, 109547. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2019.109547 

中国华南鄂西地区早侏罗世的两种银杏植物化石(似银杏Ginkgoites,左图)和楔拜拉Sphenobaiera,右图)及其表皮构造和气孔分布特征

  利用早侏罗世银杏植物化石重建古大气CO2浓度的三种方法比较红色表示回归分析法(Barclay and Wing, 2016);绿色表示气孔参数法(McElwain,1998);蓝色表示光合作用模型(Franks et al., 2014 

 

早侏罗世华南地区与东格陵兰两种银杏类植物化石(似银杏Ginkgoites和楔拜拉Sphenobaira和现生银杏(Ginkgo)表皮细胞多倍体基因组的比较

银杏植物化石揭示对侏罗纪古大气CO2浓度重建的影响

通过三种方法(蓝、红、绿方框示意)估算侏罗纪早期古大气CO2值及其与其它地球化学模型估算方法的比较







 
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