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藏北最后的棕櫚樹 精選

已有 8496 次閱讀 2019-3-7 03:31 |個人分類:隨想|系統分類:科研筆記| 青藏高原, 倫坡拉, 古高程, 模型

藏北最后的棕櫚樹

3月6日美國東部時間下午兩點,Science的子刊Science Advances 發表了我們研究組一篇題為“No high Tibetan Plateau until the Neogene”的研究論文(T. Su, A. Farnsworth, R. A. Spicer, J. Huang, F.-X. Wu, J. Liu, S.-F. Li, Y.-W. Xing, Y.-J. Huang, W.-Y.-D. Deng, H. Tang, C.-L. Xu, F. Zhao, G. Srivastava, P. J. Valdes, T. Deng, Z.-K. Zhou, 2019. No high Tibetan Plateau until the Neogene. Sci. Adv. 5, eaav2189)(圖1)。在這篇文章里,我們以倫坡拉盆地發現的晚漸新世大型棕櫚化石葉片為材料結合古氣候模型重建了青藏高原中部的古高程和古地貌,我們認為在2500萬年前的棕櫚生活于在高原中部近東西向海拔約2300米的大峽谷中,其南北兩側分別為海拔超過4000米的岡底斯山脈和羌塘山脈。這一峽谷直到新近紀(約2300萬年)才逐步消失變成如今的高原。這個結果為研究青藏高原隆升、地形地貌演變提供了一個全新的視角。這項研究是基于一塊特殊化石的發現,讓我穿越到2016年的夏天。


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圖1. 發表于Science Advances 的論文


那一年在藏北荒原倫坡拉盆地,一群年輕人在這里忙碌著,他們時而掄起撬杠,翻開幾塊巖石,時而用地質錘將巖石劈成兩半,時而仔細檢查每一塊被劈開的巖石。這是一只來自中國科學院的古生物科考隊,由古脊椎動物與古人類研究所和西雙版納熱帶植物園聯合組建而成(圖2)。這里的海拔高度近4700米,含氧量僅為海平面的一半左右,他們一邊努力工作,一邊要克服高原缺氧的困難。此時雖是仲夏,這里卻寒風刺骨,考察隊員們還穿著厚厚的沖鋒衣或羽絨服,高原的冰雹常常不期而遇,間雜著電閃雷鳴,頃刻間大地變成白茫茫的一片(圖3)。


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圖2. 由中國科學院古脊椎與古人類研究所和西雙版納熱帶植物園組成的古生物考察隊

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圖3. 冰雹之后的倫坡拉盆地


一天下午正在敲打化石的黃健突然叫了一聲,大家以為是他被地質錘砸到了手,都關心地圍過來。黃健指著地上半個扇狀的化石葉片對大家說這是棕櫚嗎?化石還有一大半埋在巖層中,從暴露的部分看,扇形葉片十分像棕櫚,葉片似有葉柄連接,似乎一半的葉片和大部分葉柄還埋藏在地層當中(圖4)。這群受過良好古生物學訓練的年輕人馬上意識到這塊化石的重要性。環顧海拔4700米的高原,僅有寸草,何來棕櫚?這里顯然是經歷了滄海桑田的巨變,這塊棕櫚化石也許能告訴我們2500萬年前這里發生了什么。他們放下手里的其它工作,對這塊化石進行細心地發掘(圖5)。經過近4個小時的努力,整塊的化石被取了出來,任何一個和棕櫚化石相關的碎片都小心的收集起來。兩個星期以后,整塊化石被運到了西雙版納熱帶植物園,在我們的實驗室里,我和蘇濤小心翼翼地花了近兩個小時的時間,將整個化石面剝離出來。打開化石上下兩個面的時候,真有一點打開埃及法老古墓的感覺。面紗被揭開,一塊長接近I 米,正反兩面都完好保存的棕櫚化石呈現了出來(圖6)。


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4. 尚未發掘出來的棕櫚化石

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5. 正在仔細發掘棕櫚化石


這塊1米長的來自高原腹地的棕櫚化石引起了不小的轟動,參觀者們都說這是ScienceNature的材料,我們聽了既高興又擔心。高興的是大家一致肯定了這個材料的科學價值,擔心的是暴殄天物把海鮮做出白菜味。我們清楚地知道,Science、Nature的素材不等于Science、Naturepaper,要讓材料變成paper,還需要尋找到突破點,講清楚其科學意義。

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6.在實驗室剝離出來的棕櫚化石的正反面

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7.關于青藏高原隆升的各種觀點


青藏高原的隆升是亞洲乃至全球6500萬年以來最重要的地質事件。高原的隆升改變了亞洲的大氣環流、地形地貌、生態環境和生物多樣性格局。在青藏高原的研究中,高原何時隆升、如何隆升是最核心的問題。近百年來,不同的學者依據不同的材料得出不同的結論。圖7總結的是上個世紀80、90年代以前關于青藏高原隆升的觀點,這個觀點雖然不盡相同,但似乎都把青藏高原的抬升作為一個整體來認識。在這些觀點中,李吉均院士關于青藏高原三次隆升兩次夷平的觀點對中國學者影響較大。倫坡拉盆地位于西藏北部,是青藏高原第二大沉積盆地。盆地里有一套4000多米的沉積地層,被命名為牛堡組和丁青組(丁青湖組),牛堡組在下,丁青組在上。牛堡組的年代被認為是古新世-始新世,而丁青組的年代被認為是晚漸新世到早中新世(Deng et al., 2012;Sun et al., 2014)。因為這套地層位于班公湖-怒江縫合帶,因此倫坡拉盆地成為研究青藏高原隆升的熱點地區。說句玩笑話,與倫坡拉盆地相關的SCI論文,比倫坡拉盆地的村莊數目要多得多。


2006年,Rowley和Currie利用氧同位素重建了倫坡拉盆地的古高程,他們在Nature發表文章認為在3500萬年前倫坡拉盆地就已經達到了4600米高程(Rowley and Currie, 2006)。2012年鄧濤等根據倫坡拉盆地的近無角犀化石推測早中新世(18-16Ma)的倫坡拉環境濕潤,古高程接近3000米(Deng et al., 2012)。2014年孫繼敏等利用孢粉組合和共存分析等方法重建了倫坡拉盆地丁青組的古高程,他們認為在晚漸新世到早中新世倫坡拉盆地的古高程為3190±100米,這個高度比Rowley和Currie的結果低了將近1500米(Sun et al., 2014)。隨后在2017年,吳飛翔等人根據倫坡拉盆地的攀鱸(一種現今分布于熱帶的魚)(圖8)化石推斷在晚漸新世倫坡拉盆地的古高程僅為1000米左右(Wu et al., 2017)。由此可見不同方法重建的古高程結果差異極大,倫坡拉的古地貌就像一塊未完成的拼圖,而棕櫚化石也許就是這個拼圖中最關鍵的那一塊。


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圖8.熱帶魚攀鱸

全球棕櫚科植物有188個屬,約2585種,它們集中分布在熱帶和亞熱帶地區。陽光、沙灘、棕櫚樹是多數人心目中標配的熱帶景觀(圖9)。我們西雙版納熱帶植物園就有一個十分漂亮的棕櫚園,收集了來自全球熱帶地區的500多種棕櫚科植物(圖10)。在青藏高原腹地發現的棕櫚化石是否表明這里曾經存在著熱帶或亞熱帶環境?在地質歷史上,棕櫚科植物也是最常見的化石,目前記錄的棕櫚化石有300多種,在新生代的極熱期,棕櫚甚至能分布到北極地區。經過深入的形態學比較研究,我們將倫坡拉盆地的棕櫚化石鑒定為棕櫚科一個化石屬——似沙巴棕屬(Sabalites)。由于我們的標本和已有的似沙巴棕屬化石形態都不相同,我們建立一個新種——西藏似沙巴棕(Sabalites tibensisT. Su et Z.K. Zhou)。如果對西藏似沙巴棕的研究僅僅停留在這里的話,也許吃到嘴里的就有濃郁白菜味的大蝦了。


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圖9 陽光、沙灘、海岸、棕櫚樹的熱帶景觀

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圖10. 西雙版納熱帶植物園的棕櫚園


利用這塊棕櫚化石重建倫坡拉盆地的古高程是我們的一個重要目標。 目前定量重建古高程的方法有非生物和生物兩大類。前者有穩定同位素和生物標志物等,Rowley和Currie對倫坡拉古高程的重建運用的就是氧同位素(Δ18O);后者有共存分析法和濕靜態能平衡原理等方法,Spicer等對西藏南木林以及我們對芒康古高程的重建運用的都是濕靜態能平衡方法(Spicer et al., 2003; Su et al., 2018),而孫繼敏等利用孢粉植物群重建倫坡拉盆地的古高程運用的就是共存分析的方法(Sun et al., 2014)。利用濕靜態能重建古高程的一個關鍵數據是化石產地的熱焓值,這個關鍵值是利用植物群的古氣候重建獲得的。我們在倫坡拉盆地尚未獲得足夠多的葉片形態化石,因此無法得到倫坡拉盆地的古熱焓值(paleo-enthalpy),因而不能用這種方法來重建古高程,還必須尋找新的方法。


隨著海拔的升高,氣溫會下降,海拔和氣溫呈負相關關系,氣象學中把海拔每升高100m氣溫的降低值為氣溫直減率(temperature lapse rate)。如果知道一個地點的溫度、海平面的溫度和氣溫直減率,就可以求得這個地區的高程。氣溫直減率似乎是一種確定古高程的簡便方法,如果知道海平面的古溫度、化石點的古溫度和同時代的氣溫直減率,利用公式:Z=(T同時代海平面古溫度-T化石點古溫度)/γ氣溫直減率即可獲得化石點的古高程。這個公式看似僅需要三個數據,但是每個數據的獲取都非常困難。同時代海平面的古溫度幾乎就是可望而不可即,化石點的古溫度也需要足夠的材料去獲得,而氣溫直減率看似簡單卻也非常復雜。首先,氣溫直減率受環境和地形地貌的影響極大,而且不同地質時代氣溫直減率是不一樣的。運用氣溫直減率重建古高程最常見的問題就是利用全球平均值而非實地值。


一開始我們的思路是找到棕櫚化石最近親緣種的生態幅,然后用這個生態幅來推測當時的古環境和古高程,為此我們收集了上萬條現代棕櫚分布數據。就在這個時候Scientific report雜志上發表了一篇文章,對棕櫚科的生態幅進行了分析,認為最冷月均溫(CMMT5.2℃是棕櫚科植物生存的一個重要限制因素(Reichgelt et al., 2018)。這雖然說是這篇論文把我們正在做的工作發表了,但是也為我們利用棕櫚化石重建古高程提供了很好的參考資料。于是,我們就利用限制棕櫚科生存的最冷月均溫這個最低門檻,來破解棕櫚化石所代表的最大古高程。上述氣溫直減率公式就變身為:Z=Tmsl– Th此處Z為化石點的古高程;Tmsl為同時代海平面的最冷月均溫(此處采用同時代印度東北部阿薩姆Tirap化石點的重建結果,20.4℃);Th為限制棕櫚生存的最冷月均溫,即5.2℃;γ為研究區域的氣溫直減率,在此處就是倫坡拉的氣溫直減率(表1中的Lunpola CMMT lapse rate),這個數據通過HadCM3L(HadCM3LB-M2.1) General Circulation Model模型模擬獲得。我們設計了13種不同高程峽谷和不同高程平原情景(Topography scenario, Su et al., 2019,table 1的第1欄),然后分別模擬了不同情景下的年均溫(MAT),最冷月均溫(CMMT),倫坡拉最冷月的氣溫直減率,預測各種情景下棕櫚能夠生存的古高程(Predicated highest survivable elevation),同時還模擬各種情景下Tirap這個化石點的年均溫(Tirap MAT msl proxy)和它的最冷月均溫(Tirap CMMT proxy)。各種情景下的模擬數值就形成了不同過濾值,在V1-V4情景中,由于最冷月均溫的模擬值低于棕櫚生長的最冷月均溫5.2℃,首先被放棄;平原的情景P0-P4也或因最冷月均溫低于5.2℃(如P3,P4)或因年均溫和最冷月均溫模擬值Tirap植物群的重建值之間有較大差異而被放棄(如P0-P2);再篩除掉利用氣溫直減率推測的古高程與模型情景設定高程不符的結果(Su et al, 2019;Table 1);最后,V5V7情景(海拔2000米的峽谷)得出的模擬值最符合邏輯,考慮高原東南部的芒康地區早漸新世海拔已經達到了現在的高程(3900米,Su et al., 2018),我們認為V7情景設定最符合邏輯:晚漸新世西藏沙巴棕分布在海拔不超過2300米的東西向峽谷中,峽谷兩側是海拔超過4000米的岡底斯山脈和羌塘山脈,峽谷的東段封閉。因此,新近紀(約2300萬年)之前如同現今面貌的青藏高原還沒有出現。我們的研究與其他古生物證據趨于一致,卻明顯有別于同位素方法得出的結果,青藏高原的地形地貌應該比人們之前的認識要復雜得多。


正如其中一位審稿人所言,這項研究最重要的基石是棕櫚化石。誠然,沒有這塊棕櫚化石,就不可能有后續這一系列的工作,模型也就成了空中樓閣。古生物學是以發現為基石的學科,化石的發現都帶有一定的偶然性,甚至還有幾分的幸運。然而這偶然中蘊含著必然。我們研究的化石都是一榔頭、一榔頭在青藏高原海拔4600米以上的地層中敲打出來的,那一天,誰打到了棕櫚是偶然,是幸運。在一次一次的野外工作,數以萬次的敲打中,如果棕櫚在那兒,總有一天會被敲打出來的,這就是必然。就這海拔4600米的倫坡拉盆地,我們前前后后去了5次,蘇濤和吳飛翔兩位年輕人更是每年不止一次地去青藏高原,他們前后去過十多次青藏高原了,而且每次在青藏高原一待就是數周。正是有了這群熱愛青藏高原古生物學研究的科考隊員們的堅守,才會有這個幸運的發現,天道酬勤就是這個道理吧。


然而,僅僅是針對棕櫚的研究,那么這篇文章也可能就發到本領域的專業期刊。我們這個研究能夠被Science Advances接收發表,我個人認為一個最關鍵的因素就是古植物學、生態學和模型交叉融合。系統古植物學準確鑒定了化石,尋找了化石的最近親緣種;生態學的研究提供了棕櫚分布和生存的限制性條件(最冷月均溫不低于5.2℃;模型則依據古植物學的研究結果(棕櫚化石的發現、鑒定和同時代海平面Tirap植物群古氣候的重建等)模擬了青藏高原各種可能情景的古氣候要素,與古氣候重建值相比較,從而提出合理的古地形地貌。這樣的研究方法超出了古植物學的范疇,也沒有現成的方法可尋,卻有著更加廣泛的意義。幸運的是棕櫚化石發現的第二年,蘇濤獲得了國家自然科學基金委和英國環境研究理事會(NERC,National Environment Research Council)聯合資助的國際合作重點項目,開始了和英國Bristol大學Paul Valdes教授團隊的合作,這個團隊在新生代數值模擬研究方面享有國際聲譽,在這項工作中他們對古地形地貌的模擬做出了重要貢獻。另外Bob Spicer教授是古氣候和古高程重建的專家,和我們有過多年的合作,現在也是我們團隊的一份子。我們大家通力合作,從2016年發現化石到文章最終被Science Advances發表歷經了三年,期間可謂是數易其稿,經過了無數次的計算和討論,有過多少次的推倒重來,才最終產生了這項cutting edge的成果,文章才有可能被不同學科的讀者所關注,也才有可能發表在國際綜合性期刊。


請容許我放飛一會兒思想,描述一下2500萬年前藏北的景象:那個時候的倫坡拉溫暖濕潤,在東西向峽谷的底部是深邃的湖泊,湖泊里攀鱸在自由游翔,湖水拍打著岸邊的香蒲和蘆葦,不遠處就是高大的棕櫚樹和犀牛,兩岸的山坡分布著殼斗科為優勢樹種的亞熱帶常綠闊葉林,山頂是針葉林。隨著印度板塊地繼續擠壓,當最后一株棕櫚樹倒下的時候,峽谷被填平,高原緩緩升起,巍峨的青藏高原主體最終形成(圖11)


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圖11. 青藏高原不同階段抬升的示意圖(引子Su et al., 2019)

參考文獻

Deng, T., Wang, S.Q., Xie, G.P., Li, Q., Hou, S.K., Sun, B.Y., 2012. A mammalian fossil from the Dingqing Formation in the Lunpola Basin, northern Tibet, and its relevance to age and paleo-altimetry. Chinese Science Bulletin 57, 261-269.

Reichgelt, T. C. K. West, D. R. Greenwood, 2018.The relation between global palm distribution and climate. Sci. Rep. 8, 4721.

Rowley, D.B., Currie, B.S., 2006. Palaeo-altimetry of the late Eocene to Miocene Lunpola basin, central Tibet. Nature 439, 677-681.

Su, T., Farnsworth, A., Spicer, R.A., Huang, J., Wu, F.X., Liu, J., Li, S.F., Xing, Y.W., Huang, Y.J., Deng, W.Y.D., Tang, H., Xu, C.L., Zhao, F., Srivastava, G., Valdes, P.J., Deng, T., Zhou, Z.K., 2019. No high Tibetan Plateau until the Neogene. Science Advances 5, eaav2189.

Sun, J.M., Xu, Q.H., Liu, W.M., Zhang, Z.Q., Xue, L., Zhao, P., 2014. Palynological evidence for the latest Oligocene−early Miocene paleoelevation estimate in the Lunpola Basin, central Tibet. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 399, 21-30.

Wu, F.X., Miao, D., Chang, M.-m., Shi, G., Wang, N., 2017. Fossil climbing perch and associated plant megafossils indicate a warm and wet central Tibet during the late Oligocene. Scientific reports 7, 878.




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