新生代青藏高原生长对东亚水循环及生态系统的影响_李树峰.pdf

新生代青藏高原生长对东亚水循环及生态系统的影响李树峰1*,赵佳港1,2,Alex Farnsworth3,Paul J.Valdes3,刘佳1,黄健1,周浙昆1,4,苏涛1*1.中国科学院西双版纳热带植物园,中国科学院热带森林生态学重点实验室,勐腊 666303;2.中国科学院大学,北京 100049;3.School of Geographical Sciences,University of Bristol,Bristol BS8 1SS,UK;4.中国科学院昆明植物研究所,中国科学院东亚植物多样性与生物地理学重点实验室,昆明 650201*联系人,E-mail:;2022-07-14 收稿,2023-03-29 修回,2023-04-03 接受,2023-04-04 网络版发表国家重点研发计划(2022YFF0800800)、云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目(202305AC160051)、中国科学院第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0705)、青藏高原地球系统基础科学中心项目(41988101)、中国科学院青年创新促进会(Y2021105)和云南省万人计划青年拔尖人才专项(YNWR-QNBJ-2019-086)资助摘要新生代青藏高原生长和全球温度变化驱动东亚气候和生态系统发生了剧烈变化.本文综述了前人的相关研究成果,基于前期的数值模拟工作,进一步探讨了青藏高原地形地貌演变对东亚水循环及生态系统的影响.目前,关于青藏高原新生代以来地形地貌的演化还存在争议,但近年来不同学科的证据一致认为,青藏高原生长过程具有区域差异性.最新的古气候数值模拟表明,青藏高原北部抬升显著改变了亚洲气候系统,促使东亚降水显著增加,尤其是中国南方冬季降水增加更为明显,地表径流也相应增加,对东亚水系格局产生了重要影响;土壤含水量也随之增加,冬季深层土壤含水量增加尤为显著,导致中国东部植被从干旱、半干旱转变为湿润、半湿润植被类型,造就了现今东亚植被和生物多样性格局.目前,关于青藏高原生长对东亚降水的影响,科学界已有深入认识,但是还有若干关键问题亟待解决,包括:对青藏高原地形地貌演化的进一步限定、对气候转型期高精度的古气候数值模拟,以及进一步解析新生代东亚水循环和生态系统的耦合关系.理解这些关键问题对预测未来全球气候急剧变化背景下的生态系统响应及其演变趋势具有重要的参考意义.关键词青藏高原,数值模拟,水文,地表径流,土壤水分,植被新生代(Cenozoic,66 Ma至今)地球经历了强烈的造山运动和海陆变迁,从温室气候逐渐转变为冰室气候1,驱动了全球生态系统和生物多样性演化2,3.青藏高原生长是新生代最为波澜壮阔的造山运动,对东亚乃至全球的气候和生态系统都具有深刻影响4,5.大量研究表明,青藏高原隆升驱动了东亚气候系统从行星风系转变为季风气候系统,增强了东亚降水,驱动东亚植被从干旱、半干旱植被类型转变为湿润、半湿润植被类型,促进了植物分化和植物多样性增加69.青藏高原的生长还导致亚洲中纬度地区干旱化10,使得中亚植被和生物多样性发生剧烈变化11.过去几十年,关于高原生长及其对东亚气候系统、水汽循环和生态系统的影响取得了一系列的进展35,915,数值模拟、地球化学、地质学、古生物学以及分子系统发育等学科,从不同角度对其进行了深入研究,加深了我们关于新生代青藏高原生长对东亚乃至全球气候和生态系统影响的了解.然而,关于青藏高原如何形成,地形地貌如何演化,进而如何影响东亚引用格式:李树峰,赵佳港,Farnsworth A,等.新生代青藏高原生长对东亚水循环及生态系统的影响.科学通报,2023,68:15671579Li S F,Zhao J G,Farnsworth A,et al.The growth of the Tibetan Plateau shaped hydrologic cycle and ecosystem in eastern Asia:Progress and perspectives(inChinese).Chin Sci Bul,2023,68:15671579,doi:10.1360/TB-2022-0761 2023中国科学杂志社2023 年第 68 卷第 12 期:1567 1579水循环的地质演变专辑评 述水循环和生态系统等科学问题还有诸多争议,有待进一步研究.为此,本文综述前人的研究成果,结合模型模拟深入探讨新生代青藏高原地形地貌演化对东亚水循环及生态系统的影响,并展望未来的研究方向.1新生代青藏高原地形地貌演化新生代青藏高原生长对亚洲气候系统及生态环境都产生了巨大影响,要探讨东亚新生代生态系统及生物多样性的演化就必然要研究青藏高原生长的过程.关于新生代青藏高原不同区域的地形地貌演化已开展了大量研究,但还存在不少争议.首先是关于青藏高原中部如何抬升,何时达到现在的高度,不同代用指标和方法得出的结论不尽相同.早期,国外学者通过古土壤钙结核氧同位素进行古海拔重建,认为在晚始新世(约35 Ma)青藏高原中部的伦坡拉盆地已经超过4000 m16,支持了青藏高原从西南部向东北部逐渐隆升的模型17.然而同位素重建青藏高原古海拔具有一定的局限性,因为大气水分中的同位素从海洋到高原内陆跨越山体时会发生反复分馏,同位素结果可能推测出水汽经过最高山体的海拔高度,但不一定是其所处位置的山体高度18,19.Wang等人20综合高原及周边地区沉积学、低温热年代学等研究结果,认为青藏高原中部的拉萨、羌塘地块在大约40 Ma达到现今高度,形成“原西藏高原”.此时,青藏高原南北两侧还比较低.中新世之后,高原逐渐向南北两侧及东面继续生长,最终形成现在的高原地貌特征20.近年来的化石证据则表明:青藏高原中部在古近纪沿着班公湖-怒江缝合带存在高山谷地的地貌格局,在中央谷地分布着湿润的亚热带森林2123;渐新世至中新世之交,随着青藏高原的进一步生长,这些低海拔的区域才逐渐消失21,2426.最新的一项综述对青藏高原地表隆升的时空演化进行了详细阐述,研究认为:冈底斯造山带大致从早始新世到中始新世(5545Ma)隆升到4500 m;北部的中央分水岭山脉可能在4540 Ma隆升到5000 m;高原中部存在海拔低于2000 m的中央谷地,形成“两山夹一盆”的地貌特征12.目前,关于青藏高原中部地形地貌演化过程的争议可能还需要进一步论证,尤其是来自青藏高原北部羌塘地块的证据还相对比较薄弱.虽然不同代用指标重建的古高程结果不尽相同,但是越来越多的证据表明,青藏高原的隆升具有多阶段、多幕次、非均一的特点.在青藏高原东南部,地球化学及植物化石证据表明,贡觉盆地在中始新世(约44Ma)就抬升至与现今相似的海拔高度27.邻近的芒康盆地化石植物群则表明,青藏高原东南缘在始新世-渐新世转折期(Eocene-Oligocene transition,EOT)大约抬升至现代高度14.团簇同位素和植物化石证据则表明:藏东热鲁盆地在始新世晚期上升到3.5 km,接近现今平均海拔28.青藏高原北部黑虎岭的氧同位素表明,羌塘地块可能在古近纪就已经达到5000 m12,29,但如前所述,同位素分馏受山体阻挡的影响可能在高原内陆存在较大的不确定性18,19.目前大多数研究认为,青藏高原东北部在古近纪时海拔较低,直到中新世以后才抬升至现代高度13,30,31.也有植物化石证据表明,柴达木盆地部分区域在渐新世可能已经抬升到现在的高度32,但是该植物群的地质年代还存在争议33.晚中新世以来,青藏高原东北部的西宁盆地、临夏盆地、循化盆地及共和盆地等经历了剧烈的地质构造活动,快速隆升,逐渐形成与现今相似的地形地貌3436.最近的一项综合孢粉化石记录研究也表明:青藏高原东北部东西两侧从中中新世(1210 Ma)开始迅速抬升,并在晚中新世(87 Ma)同时抬升至与现今接近的海拔高度13.可以看出,目前青藏高原不同区域的抬升历史较为复杂,关于青藏高原各地区的古海拔研究还存在争议,使得在古气候模拟中地形地貌这一边界条件难以确定,从而导致模拟结果存在偏差.因此,从地质学、地球化学、古生物学等多学科交叉验证,提供更可靠的古高程边界条件,是未来进一步通过数值模拟探讨青藏高原生长对东亚气候影响的关键所在.2新生代青藏高原生长对东亚降水的影响新生代青藏高原的生长是驱动亚洲气候系统演变的重要因素5.近几十年来,关于东亚季风气候的演化取得了一系列研究进展.虽然关于东亚季风的形成与演化还有不少争议,但是越来越多的证据表明,季风气候的形成和演化具有时空差异性.Wu等人37综合了不同的地质学证据认为,亚洲季风在晚始新世之前主要是热带季风气候类型,从晚始新世(约41 Ma)推进至亚热带南部,晚渐新世季风快速向西北方向推进至温带区域,形成类似现代季风气候系统的格局,说明东亚季风气候的演化与新生代青藏高原的不断生长密切相关.基于地质学等研究证据,数值模拟在探讨青藏高原生长对亚洲季风演化的驱动机制上也取得重要进展,主要在构造尺度上阐述了亚洲气候系统对高原生长的响2023 年 4 月第 68 卷第 12 期1568应,揭示了气候系统对地球环境变化响应的敏感性38.相关研究形成了一些基本共识:青藏高原生长导致东亚夏季风和印度夏季风显著增强,季风区降水显著增加,但是非季风区降水减少,中亚内陆不断干旱化5,3841,因而可能深刻影响亚洲生物多样性的演化过程69,42.利用各种气候模型,可通过设置不同的边界条件进行敏感性试验.早期,Kutzbach等人43通过对比设置有、无或者一半高度的青藏高原,利用美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)开发的通用气候模式(Community Climate Mod-el,CCM)进行敏感性试验.研究表明,青藏高原的抬升大大加强了亚洲季风,导致亚洲东部降水显著增加.夏季,由于高原抬升形成强烈的气旋作用,东亚地区的降水显著增加;冬季则相反,高原抬升加强了反气旋作用,导致中国西北和中亚等内陆地区降水显著减少43.后续更多研究则对高原抬升的敏感性试验进行细化,也就是通过设置更多地形地貌边界条件进行数值模拟.例如,Liu和Yin39基于美国国家气象中心开发的COLA模型设计了11种不同的高原抬升模型.研究发现,随着新近纪青藏高原抬升,东亚夏季风随着高原生长逐渐加强,但是并非线性关系,而冬季风则在高原达到现今高原平均海拔50%的时期形成.Jiang等人44基于上新世中期边界条件进行了青藏高原抬升的敏感性试验,表明青藏高原抬升到现今高度的60%时,则会形成与现代相似的东亚季风格局,降水显著增加.新生代除了青藏高原抬升,新特提斯海退却、大气CO2浓度变化等对东亚气候也有显著影响,后续有不少相关研究对此进行了更多对比试验.Ramstein等人45以及Zhang等人46分别通过不同的模型进行敏感性试验.结果表明,青藏高原抬升和副特提斯海退却同时加强了亚洲季风系统,导致中国东部降水增加,西北内陆降水减少.Zhang等人47基于早中新世的模拟表明,副特提斯海退却和全球变冷会导致中国东部地区降水减少.另外,Farns-worth等人15基于英国Getech公司的一系列古地理数据,采用HadCM3模型对新生代东亚季风区的降水进行了模拟.该研究结果也认为,相对于CO2等其他边界条件的改变,青藏高原地形地貌的改变是亚洲季风的主要驱动因素.这些不同的模型总体上都表明,随着高原抬升,东亚夏季风不断增强,夏季降水显著增加.吴国雄等人48基于等熵位涡理论对高原抬升导致的夏季风增强进一步做了阐释:由于高原加热产生的位涡在地面造成了环绕高原的强烈气旋式环流,在海陆热力学差异基础上叠加了高原热力强迫,东南沿海夏季暖湿气流输入,大大增加了东亚季风气候系统,形成强烈的降水,揭示了青藏高原热力强迫对东亚夏季风的重要作用.近年来,随着对青藏高原差异化抬升的认识逐步深入,通过设置不同区域差异化抬升的模拟试验也逐渐开展.An等人5在Kutzbach等人43前期工作的基础上