青藏高原中新世植物及古海拔与古环境重建研究

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青藏高原隆升是新生代以来发生的重大地质事件,不仅直接改变了亚洲的地形、地貌、气候和生物多样性格局,甚至影响了全球的气候变化。青藏高原隆升过程中对高原地区的植物多样性演变、植被演替、环境变化,以及对全球变化的影响是涉及生命科学和环境科学研究的重要研究课题。近年来,地球物理、地球化学、以及生物学的研究,使得青藏高原的抬升历史在逐渐清晰化。但目前不少关键地区和时段的抬升历史及对应的环境和生物多样性信息仍不清楚。采用生物学的研究思路和方法对青藏高原及相关的邻近地区的化石植物群进行研究,可以获得青藏高原在不同地质历史时期的植物群、植被以及古气候和古高程信息,以此为基础分析和认识青藏高原的古植被的演替过程、古气候和古环境的变化规律,以及与古高程之间的内在联系,其结果将为研究现今青藏高原的生态系统的形成和未来发展,以及与全球变化的关系提供重要的背景资料。  本论文中,我们分别以发现于青藏高原地区藏北五道梁盆地新生代早中新世五道梁组和藏中伦坡拉盆地早中新世丁青组的两个重要植物类群小檗属亚洲小檗比较种(Berberis cf.asiatica)和苹属四叶苹比较种(Marsilea cf.quardrifolia)为研究对象,开展了演化生物学研究,并基于本文化石新发现和原创研究结果,整合了青藏高原的地球科学、环境科学、生命科学等多学科研究的最新进展,探讨了藏北的抬升历史、温带植被由东亚向印度次大陆迁移的可能路径,并首次重建了藏中古湖的古海拔及生态系统。本研究取得的研究结果和创新认识如下:  1.首次在青藏高原上发现小檗属和苹属化石新记录  详细的植物形态学与系统学比较研究清楚地显示新发现于藏北可可西里和藏中伦坡拉地区化石植物的叶结构特征组合分别落入了被子植物小檗科小檗属和蕨类植物苹科苹属的属征范围;在与小檗属及苹属的全部已发现的化石种和现存种做了详细的叶结构分析、比较和排查后,我们将藏北小檗属叶片化石精确定位到亚洲小檗比较种(B.cf.asiatica),藏中苹属叶片化石为四叶苹比较种(M.cf.quardrifolia)。  2.用小檗化石证据重建了藏北中新世古海拔并探讨了青藏高原抬升历史  藏北可可西里海拔4611±9m处发现的早中新世小檗,其最近亲缘种现在还生活在喜马拉雅山南坡914~2450m范围。考虑全球中新世与现在存在温差情形下,作了海拔校正后,估测藏北可可西里的古海拔在1395~2931m范围,这意味着在过去的17 Ma中,该地区至少还抬升了约2~3 km。这一发现并不支持先前有关藏北地区在中新世之前已抬升至或甚至超过其现在的高度的假说。  3.用小檗化石证据指示了温带植物从欧亚大陆东部向印度次大陆的交流  藏北早中新世B.cf.asiatica的发现,在时间和空间上连接了小檗属自东亚起源向印度迁移和传播的路径,提供了温带植物由东亚向印度次大陆迁移的新案例。同时,本文关于藏北古海拔的估测显示这一时期藏北的古海拔在2000m左右,相比于同一时期已抬升至4000m以上的藏南及藏中地区,藏北显然更适宜于温带植物的生长和传播。前人曾提出的温带植被经由藏南绕过喜马拉雅传入印度东北部的生物地理假说,本研究的发现不同于前人,认为藏北才是温带植被的传播通道。  4.首次重建早中新世藏中伦坡拉古湖平面海拔及生态系统  我们调查了全球范围内,尤其是泛喜马拉雅地区苹属的分布海拔范围,并经过古温度及气温直减率的校正后,得到当时该属分布的海拔上限应为3161m,而近于原地埋藏的挺水或浮水的苹属为株高10 cm左右的小草本,其分布海拔可视为当时古湖平面的高程,由此我们推断伦坡拉古湖早中新世(18Ma)的湖平面海拔上限为3161 m。同时,孢粉分析显示苹化石所在地层当时、当地的植被类型为针阔混交林,反映了温带或暖温带温暖气候。基于新发现的M.cf.quardrifolia化石、孢粉组合反映的植被类型、同一地层已发现的动物化石及地质学记录,首次重建了早中新世伦坡拉古湖周边的生态系统,反映了当时的生物多样性状态与生态景观。  上述研究基于原创的化石新发现并整合多学科成果,探讨了青藏高原隆升的关键时段—中新世的古高程、植物迁移、古植被及古生态系统重建等科学问题,有助于推动科学界完整地理解青藏高原的抬升历程及其生态学效应。
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