青藏高原的隆升导致地表形变与大地貌形成，驱动了亚洲季风-干旱气候和高山生物多样性的演变，地表古高度变化历史是这一过程的最直接表达。但是定量重建高原地表古高度一直是难题，不同的方法常得出不同的结论，产生诸多争议。近日，中国科学院西北生态环境资源研究院苗运法研究员（同时也是中科院青藏高原地球科学卓越中心骨干成员）和中国科学院青藏高原研究所方小敏研究员带领的新生代环境团队，联合国内外多家单位学者协同攻关，创新性地构建了一种定量刻画过去海拔的植物孢粉新指标，重建了青藏高原东北部古海拔演化历史，揭示该地区主要在距今约1100-700万年前隆起，并产生了强烈的环境效应，该成果于2022年12月9日发表在《Science》上。
“高原地表如何隆起对于检验高原隆升的动力学模型、理解季风-干旱环境格局形成、亚洲地形与大江大河形成演化、风化剥蚀与全球变化等一系列重大科学问题至关重要，目前尚未形成统一定论，高原东北部古高度研究更是相对薄弱。”方小敏研究员说，“寻找一种行之有效的，有别于现有基于同位素和叶相分析两大方面定量重建古高度的第三方方法，可为解决诸多地区古高度争议历史提供重要的独立判别证据。”
研究团队利用3088个表层孢粉样品数据库，从与海拔关系密切的山地针叶树类群入手，发现适宜生长在山地中低海拔的铁杉属(Tsuga，300-3300米)、罗汉松属 (Podocarpus，600–2000米)和偏爱中高海拔的冷杉属 (Abies，500–4700米) 和云杉属 (Picea，300–4700米)四类植物可以作为良好的海拔指示计，在剔除了纬度效应等的影响后，发现 (铁杉属%+罗汉松属%) /(上述四类针叶树总和%) (简称TP/TPAP) 比值与样点海拔呈现显著相关性，建立了现代海拔计算方程Y=-7170*R-228*W+12200 (其中Y为海拔，R为TP/TPAP比值，W为纬度) (图1）。此为基础，研究团队选取第四纪以来青藏高原地区的孢粉记录进行验证，发现Y可较好地指示流域尺度上的中值海拔 (即盆地和山体的中间海拔)，从生物指标角度建立起反演古海拔高度的新方法。
图1. (1) 现代大空间3088个表层样品孢粉中四类孢粉与母体植物(铁杉属、罗汉松属、冷杉属和云杉属) 的空间分布；(2)TP/TPAP (铁杉属%+罗汉松属%) /(四类针叶树总和%) 比值的空间分布；(3) 四类孢粉与母体植物海拔矫正示意图；(4) 以海拔200米为间隔的TP/TPAP比值平均结果与中值海拔的定量关系。
研究团队还利用青藏高原东北部柴达木盆地四条年代准确的剖面/钻孔——柴东的怀头塔拉（15600-400万年）、鸭湖剖面（530-180万年），柴西的KC-1孔（1800-500万年）、SG1-SG1b孔（700-40万年）孢粉数据，结合剖面上发现的植物化石，利用上述建立的海拔公式，以及当时温度差值和数值模拟得到的湿球温度垂直递减率进行矫正，分别获得了柴东段和柴西段两侧山体1600万年来连续的古高度变化记录，揭示柴达木盆地在中新世 (~1500万年前) 东、西部的古海拔分别为1332±189米和433±189米，其后东段在晚中新世 (~1100万年前) 迅速抬升至3685±87米，西段则在~700万年前迅速增加至3589±62米，已接近现代高度（图2）。
图2. 青藏高原东北部基于孢粉方法的古海拔重建及其气候效应。(a) 以100万年为时间间隔的平均古海拔连续演化历史（蓝色和绿色点与线）及其与青藏高原北部地区构造事件发生数目 (CCTE) (紫色线)的对比；(b)-(c) 1600-1400万年前和1200-1000万年前柴达木盆地及毗邻山体古海拔和植被-孢粉分布场景恢复示意图; (d) RegCM4.6模型数值模拟结果显示高原东北部古海拔下降导致的高原南北和周边降水异常，其中高原东北部、亚洲内陆变干，周边山地变湿，高原东南部、南部变湿。紫红线表示青藏高原轮廓，虚线表示青藏高原东北部 (NTP)、喜马拉雅山 (HY) 和横断山脉 (HD) 边界。
“我们的研究表明，青藏高原东北部在新生代晚期，即约1100-700万年前发生了强烈隆升，这个隆升不容小觑，它对区域气候环境和生态演化产生了重要影响。”方小敏研究员如是说。
研究团队通过运行高分辨率（格点30公里）区域气候模型RegCM4.6，发现如果青藏高原东北部海拔降低2/3，高原东北部年降水量将减少50%以上，而高原南部和东南部的喜马拉雅山和横断山地区，降水量则分别增加了50%和150% (图2)。经过分析得知，主要原因是由于山脉雨影效应增强和区域环流变化共同影响所致。这一认识与柴达木盆地西部荒漠植物类群逐渐增多以及钙化粗骨架鱼的出现相吻合；而在喜马拉雅山和横断山脉，由于降水量显著增加，增强了当地植被和爬行动物的多样性，表明青藏高原东北部隆升引起的降水变化影响了整个青藏高原区域的气候和生物演化。
该项研究从生物指标方面创立了一种重建古高度的新方法，由于上述四类针叶树花粉在晚新生代地层中广泛分布，保存良好，易于鉴定，可以获得连续的古高度历史记录，在使用条件上优于地层中偶然发现的古土壤钙结核同位素高度计和植物化石的叶相高度计。因此，论文评审人认为，该方法为更系统深入地揭示青藏高原古高度历史，深化认识新生代造山作用及其导致的气候和生物多样性演化提供了重要的新途径，有利于推动学科进步。
该成果以“新的生物古高度计指示晚中新世青藏高原东北部快速隆升（A new biologic paleoaltimetry indicating Late Miocene rapid uplift of northern Tibet Plateau）”为题，以研究论文（Research article）的形式发表在《科学》（Science）杂志上。中国科学院西北生态环境资源研究院苗运法研究员为第一作者，我所方小敏研究员为共同通讯作者，吴福莉研究员和张伟林副研究员为共同作者。该研究得到第二次青藏高原综合科学考察研究（2019QZKK0707）、国家基金委基础科学中心项目（41988101、41888101）和中科院A类战略性先导科技专项“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设”（XDA20070202）等联合资助。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2475
