摘要
C3、C4植物是全球陆地生态系统的关键组成部分，对于全球气候环境变化响应极为敏感，并且C4光合作用途径的植物在全球粮食生产中具有重要地位。自本世纪以来，全球变暖带来的气候环境问题频发，如冰川退缩、海平面上升、生物灭绝、生态环境破坏、极端气候事件日益增加等，这对人类和社会的发展造成了巨大威胁。据IPCC第六次最新评估报告显示，即使在严格控制CO2等温室气体减排的措施下，到本世纪末全球平均温度仍会增加1-2℃。温度的变化将会进一步改变季风环流的模式和强度等，这可能对我国气候、生态环境、农业生产格局、经济发展以及全球碳循环产生重要影响。然而，温度升高背景下生态格局的演变方向和变化程度仍存在不确定性。地质时期的气候-植被演化特征对于预测未来气候-植被变化趋势提供了可靠的依据。同时，重建C3、C4植物生物量的演化历史对认识区域陆地生态系统转变、全球植被演化、地球气候变化和未来气候变化条件下粮食安全等问题有着重要的意义，一方面可以增加对现代植被演替过程和驱动机制的认识，另一方面能为未来植被演化趋势提供重要参照，进一步可为政府相关决策机构提供科学依据。 青藏高原地区海拔高、温度低，河流、湖泊、冰川分布广泛，对于气候变化响应敏感，并且人类活动相对较少，是开展气候变化研究的理想实验室。目前，青藏高原古气候研究记录较多，但对末次冰消期以来的气候演化特征尚未形成统一的认识，比如对全新世大暖期出现的时间及升温幅度还有较大争议、对晚全新世气候的干湿演化方向还存在不同观点。植被是陆地生态系统的主体，然而目前对于青藏高原生态系统组成至关重要的C3、C4植物分布特征及演化历史的相关研究寥寥无几，这严重阻碍了我们对青藏高原地区植被生长条件和分布特征的认知以及在未来气候变化背景下，对可能出现的生态系统演变方向的预知。 可鲁克湖位于青藏高原东北部，柴达木盆地东北缘，属于典型的大陆荒漠气候，目前主要受西风环流控制，地质历史时期受季风和西风的共同影响，对气候变化响应敏感。本文以可鲁克湖HL18-3沉秋岩芯为研究对象，基于AMS14C和地磁相对古强度两种方法的结合，构建了可靠的年代框架，通过无机和有机元素指标、湖泊自生碳酸盐δ13Ccarb和δ18Ocarb、有机碳同位素和正构烷烃等指标重建了末次冰消期16.1 cal kyr BP以来的古气候环境演化历史。同时利用正构烷烃单体碳同位素δ13C31，重建了末次冰消期16.1 cal kyr BP以来C3、 C4植物演化特征，通过对比分析C3、C4植物演化与气候变化历史之间的关系，追踪了青藏高原东北部地区末次冰消期以来C3、C4植物演化历史与气候变化之间的耦合机制。此外，利用青藏高原表土有机碳同位素重建了青藏高原现代C3、C4植物分布特征，并通过与其气象数据（温度、降水）之间的关系分析，揭示了影响现代C3、C4植物分布的因素。本次研究主要获得以下认识: 1.基于湖泊沉积物中有机-无机地化指标相结合的方法，利用无机地球化学指标（包括风化强度指标CIA，盐度指标Sr/Ba、Al2O3/MgO，湿度指标Rb/Sr、Sr/Cu，湖泊自生碳酸盐δ13Ccarb和δ18Ocarb）和有机地球化学指标（包括δ13Corg、C/N、Paq、和∑n-C21-/∑n-C22+值），重建了青藏高原东北部可鲁克湖地区末次冰消期以来的古气候环境演化特征。结果显示，可鲁克湖地区末次冰消期以来的气候演化历史可以划分为四个阶段:(1)末次冰消期(16.1～11.1 calkyrBP)，气候条件以暖湿为主，伴有逐渐干旱的趋势，西风和季风交替控制水汽来源，二者呈反相位变化;(2)早全新世(11.1～7.2 cal kyr BP)，气候条件短暂改善，较为暖湿，后期逐渐干冷，水汽来源主要受控于东亚季风;(3)中全新世(7.2～4.8 cal kyr BP)，气候以暖湿为主，对应于全新世大暖期，水汽来源以东亚季风为主;(4)晚全新世(4.8～0.2 cal kyr BP)，在中晚全新世过渡时期，气候条件波动较大，以冷干为主，后期约3.0 cal kyr BP开始，气候条件稳定，以冷湿为主，水汽主要来源于西风。 2.利用湖泊沉积物中长链正构烷烃单体碳δ13C31值，基于二端元法估算了末次冰消期以来C3、C4植物相对丰度，结果显示:(1) 16.1～11.1calkyrBP期间，C4植物相对丰度呈上升趋势，从24.8％上升到59.1％; (2) 11.1～7.2 cal kyr BP期间，C4植物整体呈下降趋势，相对丰度最多下降了约61.36％; (3) 7.2～4.8cal kyr BP期间，C4植物相对丰度再次上升，最高达60.4％; (4) 4.8～0.2 cal kyr BP期间，C4植物相对丰度降至最低值O％，平均值为10.9％。 3.通过青藏高原东北部末次冰消期以来气候变化与C4植物演化历史对比分析，探讨了末次冰消期以来青藏高原东北部C4植物与气候之间的响应机制。研究结果显示:末次冰消期16.1 cal kyr BP以来，日照辐射、季节性气候条件差异和暖湿且逐渐变干的气候有助于C4植物的扩张。在季风控制青藏高原东北部水汽来源的时期，季风强度的变化是控制C4植物生长的主要因素。总体来看，CO2浓度的变化对C4植物相对丰度的变化影响较小。 4.青藏高原122个表土有机碳同位素测试结果显示，表土有机碳δ13C值分布范围为-25.29‰～-22.59‰，平均值为-24.41‰。C4植物相对丰度估算结果显示，青藏高原地区现代C4植物相对丰度为0％～19.50％，平均相对丰度为6.41％，总体结果显示青藏高原C4植物生物量较小。C4植物、温度和降水等值线对比结果显示，在青藏高原西部地区，C4植物具有自西北向东南方向增加的趋势，与年均降水等值线趋势较为一致，推测这种分布特征主要受控于西风带来的水汽。在青藏高原东部地区，C4植物同样具有西北至东南方向增加的趋势，这一结果与年均温度和年均降水的变化趋势较为一致，推测在青藏高原东部地区C4植物的分布可能受控于东亚季风强度变化。 结合地质时期及现代C4植物生物量变化的影响因素，目前日照辐射处于周期性变化的极低值，未来日照辐射会逐渐增强，这可能造成东亚季风强度的增大。此外，根据IPCC预测，到本世纪末全球气温至少将上升1-2℃，青藏高原地区相比于地球上大多数地区，其增温幅度更大。综合以上因素，推测在青藏高原地区C4植物相对丰度在未来一段时期会显著上升。
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