近日，国际综合性期刊Global and Planetary Change《全球和行星变化》在线发表了中国科学院海洋研究所、法国巴黎萨克雷大学、自然资源部第一海洋研究所等单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”。研究团队基于南海北部黑碳碳同位素组成的连续沉积记录，首次提供了晚始新世以来华南C4植被长期扩张的关键证据，揭示典型的东亚季风气候系统在早中新世建立以及随后东亚夏季风长期减弱，提出亚洲地形格局建立后全球变冷驱动了东亚季风和植被类型的长期演变。
新生代以来，伴随印度-欧亚大陆碰撞和青藏高原隆升，全球气候系统最显著的特征是以两极冰盖扩张为主要标志的全球整体变冷。同时期，亚洲最为突出的环境变化是东亚季风气候系统和内陆干旱环境的形成与发展。构造、气候和大气环流的变化对生态系统演化产生了深远的影响，其中最引人注目的事件是新生代晚期全球陆地生态系统中C4植被的出现和扩张(C4植被丰度相对增加)。C3和C4植物的光合作用途径不同，在自然环境的生存中是竞争关系，二者此消彼长。C4植物贡献了全球约25%陆地植被净初级生产力，其扩张历史和适应机制的研究对于理解生物多样性及演化具有重要意义。C4植被最早出现在一亿多年前，各种地质记录显示C4植被的扩张主要发生在晚中新世，少量记录揭示C4植被扩张首先发生在早中新世。然而作为生态系统对其生存的气候环境的适应和进化，C4植被扩张的驱动机制有很多假说，如季风说、CO2浓度下降说、干旱化说等，迄今尚无定论。东亚植被类型丰富，是研究C4生态系统扩张及其驱动机制的理想场所；而且，东亚盛行以季节性降雨为主要特征的亚洲季风气候，重建C4植被扩张历史对于理解季风气候的演化也具有重要意义。
C3和C4植被的碳同位素组成具有明显差异，因而利用碳同位素组成记录可以追踪地质历史时期植被类型的变化。黑碳作为植被不完全燃烧所形成的具有高热稳定性的含碳物质，由于颗粒小(微米级)、密度轻、化学稳定性高，可被河流或风长距离搬运，广泛存在于土壤和沉积物中。因此，边缘海沉积物中黑碳的 13C指标可被用于追踪源区C3-C4植被演化历史。
南海北部是珠江等华南河流系统的主要沉积汇，其巨厚、连续且有良好地层年代约束的沉积物是重建地质时间尺度华南大陆古环境演化的重要材料。研究人员以国际大洋发现计划 (IODP) 368航次在南海北部钻取的U1501站位为研究材料，提取沉积物中的黑碳并分析黑碳含量、通量和碳同位素组成 ( 13CBC)，在物源约束的基础上，重建了晚始新世以来黑碳源区华南的C4植被扩张历史。
研究结果显示，华南C4植被相对C3植被在~20 Ma、15 Ma和7-4 Ma发生三次明显阶段性扩张，其中C4植被的丰度在此三个阶段分别占比约10-20%、20-30%和>30%。华南C4植被扩张历史和大气CO2浓度及全球C4植被演化的差异性，强烈表明区域古环境演化是其主要影响因素。进一步基于末次冰期以来华南植被类型变化和相应温度、降水等气候因子的良好约束和对比，并结合C4植被的生理特性，我们认为华南C4植被在末次冰期相对全新世暖期的扩张主要归因于干旱度增加(东亚夏季风减弱和冬季风增强)和降水季节性的增强(降水更集中于暖季而非冷季)。这一短期记录可作为长时间尺度研究的很好类比。因此，我们提出晚始新世以来华南C4植被的三次阶段性扩张，指示了早中新世以来华南降水强度的总体减弱、干旱度和降水季节性的增强，从而反映了东亚夏季风的长期减弱。
综合构造-气候记录对比表明，早中新世青藏高原隆升通过地形阻挡和热力作用，驱动了类似现今的典型亚洲季风系统的形成，进而导致晚始新世以来华南C4植被首次扩张发生在早中新世，因为季风气候的建立导致华南由全年温暖潮湿的热带气候转变为干湿季节分明的季风气候，暖季降水季节性增强促进了C4植被扩张。而在典型的东亚季风系统形成之后，东亚夏季风则呈现出长期减弱而冬季风增强的趋势。由于模拟表明高原隆升是加强而非减弱夏季风降水，且亚洲地形基本格局在早中新世已经建立，因此我们提出东亚夏季风此后的长期减弱主要受控于两极冰盖扩张背景下的全球变冷。全球变冷可通过温度-水汽效应影响区域降水。全球变冷驱动下的中中新世以来华南总体变干和降水季节性增强进一步引起了C4草本植被相对C3木本植被丰度的增加。这很好解释了以前东亚季风长期演变历史和驱动机制的争论。
本研究是迄今南海北部最长且连续的黑碳碳同位素记录，对于追踪华南陆地生态系统C4植被扩张，揭示植被类型演化和气候变化之间的内在联系进而重建东亚季风演化具有重要科学意义。
论文第一作者为中国科学院海洋研究所博士生李梦君，通讯作者为海洋所万世明研究员。本研究得到了中国大洋发现计划、国家自然科学基金、中国科学院战略先导专项、国家重点研发计划等的支持。
论文信息：
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
图1南海及周边海陆分布和研究站位图
图2 南海北部IODP U1501站位黑碳含量、碳同位素及通量记录
图3 末次冰盛期以来华南C4植被相对丰度演变和气候变化对比
图4 晚始新世以来华南陆地生态系统C4植被扩张和构造-气候对比
