新的生物古高度計指示晚中新世青藏高原東北部快速隆升
青藏高原的隆升導致地表形變與大地貌形成，驅動了亞洲季風-干旱氣候和高山生物多樣性的演變，地表古高度變化歷史是這一過程的最直接表達。但是定量重建高原地表古高度一直是難題，不同的方法常得出不同的結論，產生諸多爭議。近日，“高原生長與演化”任務“高原風化剝蝕歷史及氣候環境效應”專題中國科學院青藏高原研究所方小敏研究員團隊，聯合中國科學院西北生態環境資源研究院苗運法研究員等國內外多家單位學者協同攻關，創新性地構建了一種定量刻畫過去海拔的植物孢粉新指標，重建了青藏高原東北部古海拔演化歷史，揭示該地區主要在距今約1100-700萬年前隆起，并產生了強烈的環境效應，該成果于2022年12月9日發表在《Science》上。
“高原地表如何隆起對于檢驗高原隆升的動力學模型、理解季風-干旱環境格局形成、亞洲地形與大江大河形成演化、風化剝蝕與全球變化等一系列重大科學問題至關重要，目前尚未形成統一定論，高原東北部古高度研究更是相對薄弱。”方小敏研究員說，“尋找一種行之有效的，有別于現有基于同位素和葉相分析兩大方面定量重建古高度的第三方方法，可為解決諸多地區古高度爭議歷史提供重要的獨立判別證據。”
研究團隊利用3088個表層孢粉樣品數據庫，從與海拔關系密切的山地針葉樹類群入手，發現適宜生長在山地中低海拔的鐵杉屬(Tsuga，300-3300米)、羅漢松屬(Podocarpus，600–2000米)和偏愛中高海拔的冷杉屬(Abies，500–4700米)和云杉屬(Picea，300–4700米)四類植物可以作為良好的海拔指示計，在剔除了緯度效應等的影響后，發現(鐵杉屬%+羅漢松屬%) /(上述四類針葉樹總和%) (簡稱TP/TPAP) 比值與樣點海拔呈現顯著相關性，建立了現代海拔計算方程Y=-7170*R-228*W+12200 (其中Y為海拔，R為TP/TPAP比值，W為緯度) (圖1）。此為基礎，研究團隊選取第四紀以來青藏高原地區的孢粉記錄進行驗證，發現Y可較好地指示流域尺度上的中值海拔 (即盆地和山體的中間海拔)，從生物指標角度建立起反演古海拔高度的新方法。
圖1. (1) 現代大空間3088個表層樣品孢粉中四類孢粉與母體植物(鐵杉屬、羅漢松屬、冷杉屬和云杉屬) 的空間分布；(2)TP/TPAP (鐵杉屬%+羅漢松屬%) /(四類針葉樹總和%) 比值的空間分布；(3) 四類孢粉與母體植物海拔矯正示意圖；(4) 以海拔200米為間隔的TP/TPAP比值平均結果與中值海拔的定量關系。
研究團隊還利用青藏高原東北部柴達木盆地四條年代準確的剖面/鉆孔——柴東的懷頭塔拉（15600-400萬年）、鴨湖剖面（530-180萬年），柴西的KC-1孔（1800-500萬年）、SG1-SG1b孔（700-40萬年）孢粉數據，結合剖面上發現的植物化石，利用上述建立的海拔公式，以及當時溫度差值和數值模擬得到的濕球溫度垂直遞減率進行矯正，分別獲得了柴東段和柴西段兩側山體1600萬年來連續的古高度變化記錄，揭示柴達木盆地在中新世 (~1500萬年前) 東、西部的古海拔分別為1332±189米和433±189米，其后東段在晚中新世 (~1100萬年前) 迅速抬升至3685±87米，西段則在~700萬年前迅速增加至3589±62米，已接近現代高度（圖2）。
圖2. 青藏高原東北部基于孢粉方法的古海拔重建及其氣候效應。(a) 以100萬年為時間間隔的平均古海拔連續演化歷史（藍色和綠色點與線）及其與青藏高原北部地區構造事件發生數目 (CCTE) (紫色線)的對比；(b)-(c) 1600-1400萬年前和1200-1000萬年前柴達木盆地及毗鄰山體古海拔和植被-孢粉分布場景恢復示意圖; (d) RegCM4.6模型數值模擬結果顯示高原東北部古海拔下降導致的高原南北和周邊降水異常，其中高原東北部、亞洲內陸變干，周邊山地變濕，高原東南部、南部變濕。紫紅線表示青藏高原輪廓，虛線表示青藏高原東北部 (NTP)、喜馬拉雅山 (HY) 和橫斷山脈 (HD) 邊界。
“我們的研究表明，青藏高原東北部在新生代晚期，即約1100-700萬年前發生了強烈隆升，這個隆升不容小覷，它對區域氣候環境和生態演化產生了重要影響。”方小敏研究員如是說。
研究團隊通過運行高分辨率（格點30公里）區域氣候模型RegCM4.6，發現如果青藏高原東北部海拔降低2/3，高原東北部年降水量將減少50%以上，而高原南部和東南部的喜馬拉雅山和橫斷山地區，降水量則分別增加了50%和150% (圖2)。經過分析得知，主要原因是由于山脈雨影效應增強和區域環流變化共同影響所致。這一認識與柴達木盆地西部荒漠植物類群逐漸增多以及鈣化粗骨架魚的出現相吻合；而在喜馬拉雅山和橫斷山脈，由于降水量顯著增加，增強了當地植被和爬行動物的多樣性，表明青藏高原東北部隆升引起的降水變化影響了整個青藏高原區域的氣候和生物演化。
該項研究從生物指標方面創立了一種重建古高度的新方法，由于上述四類針葉樹花粉在晚新生代地層中廣泛分布，保存良好，易于鑒定，可以獲得連續的古高度歷史記錄，在使用條件上優于地層中偶然發現的古土壤鈣結核同位素高度計和植物化石的葉相高度計。因此，論文評審人認為，該方法為更系統深入地揭示青藏高原古高度歷史，深化認識新生代造山作用及其導致的氣候和生物多樣性演化提供了重要的新途徑，有利于推動學科進步。
該成果以“新的生物古高度計指示晚中新世青藏高原東北部快速隆升（A new biologic paleoaltimetry indicating Late Miocene rapid uplift of northern Tibet Plateau）”為題，以研究論文（Research article）的形式發表在《科學》（Science）雜志上。該研究得到第二次青藏高原綜合科學考察研究（2019QZKK0707）等項目的聯合資助。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2475