与会行走的火山有关论文参考文献

【前沿报道】Nature Geoscience：植被对早侏罗世全球变暖的响应

基于陆生植物孢粉及海洋浮游生物微体化石的研究显示，早侏罗世全球变暖事件（图阿尔期大洋缺氧事件）不仅破坏了海洋生态系统，也对陆地生态系统带来重大影响，且对陆地生态系统的影响明显早于海洋。

近期，瑞典自然 历史 博物馆古生物学系Slater等通过孢粉研究为回答上述问题提供了重要证据，成果发表于Nature Geoscience期刊（Slater et al., 2019）。孢粉是植物产生的孢子和花粉，因其数量大、抗腐蚀能力强，可以在古老地层中较好地保存下来。因此，沉积物中的孢粉组合已被广泛用于重建古植被演化及气候环境状况。Slater等在英国早侏罗世普林斯巴赫期及图阿尔期（Pliensbachian–Toarcian）浅海陆架沉积的页岩中获取了丰富的陆生植物孢粉和海洋浮游生物化石。结合沉积学及同位素研究，Slater与合作者重建了陆地生态系统对图阿尔期变暖事件的完整响应过程，发现此次变暖事件引发了陆地植物群的巨大转变。

在变暖事件初期，即普林斯巴赫期–图阿尔期界线至CIE之前（图1），陆地植物群即开始发生较大改变，由松柏类、种子蕨（产生双气囊花粉）及喜湿的蕨类和石松类为主的植物组合（图2a）转变为适应暖干环境的松柏类（主要为掌鳞杉科）和苏铁类（产生克拉梭粉及宽沟粉）为主的植物组合（图2b），孢粉丰度及多样性明显降低。相比而言，海洋中虽然发生了浮游生物组合的改变，但变化较小。

在变暖达到鼎盛的时候，即CIE期间，植物的丰度和多样性大幅度降低，植物组合以少量适应干热气候的松柏类（主要为掌鳞杉科）为主（图2c），并出现大量高温环境标志性花粉——脑形粉。同时，海洋生态系统也发生剧烈变化，鞭毛藻和多刺疑源类显著减少，球形亚类及青绿藻等藻类大量增加，并伴随着大量无定型有机物出现（图2c），指示了海水的富营养化。以上变化伴随着微球粒黄铁矿的出现，揭示了还原性的海洋环境。

变暖事件结束后，植物的丰度和多样性快速增加，恢复到事件之前的水平，但植物组合却发生了明显变化，掌鳞杉科、柏科及喜湿树种（产生周壁粉）占据主导地位（图2d、图2e）。海洋生态系统则基本恢复至事件前的面貌（图2e）。

图1 英国约克郡T-OAE期陆地植物和海洋生物记录。橘色条带为气候极热期；浅绿色及深绿色图谱分别为各类孢子和花粉丰度变化；蓝色及棕色图谱分别为各类海洋浮游生物及无定型有机物丰度变化； Mosses：苔藓；Club mosses：石松类；Ferns：蕨类；Bisaccate pollen：双气囊花粉；Classopollis：克拉梭粉；Cerebropollenites macroverrucosus：脑形粉；Perinopollenites：周壁粉；Chasmatosporites：宽沟粉；Cycadopites：苏铁粉；Dinoflagellate cysts：鞭毛藻囊泡；Sphaeromorphs：球形亚类；Tasmanites：一种青绿藻；Spiny acritarchs：多刺疑源类；Amorphous organic matter：无定型有机物

图2 T-OAE期海陆环境演变示意图，图例同图1。（a）普林斯巴赫期，气候湿润；（b）普林斯巴赫期/图阿尔期界线至CIE前，气候变暖具强季节性，陆地植被发生较大转变；（c）图阿尔期CIE时段，气候极暖具极端干/湿季，海陆生态系统发生剧烈变化；（d）图阿尔期CIE结束后藻类爆发阶段，陆地生态系统开始恢复，海洋生态系统恢复滞后；（e）图阿尔期藻类爆发后，海陆生态系统恢复，陆地植被组合已不同于事件前

该研究依据直观的孢粉证据重建的T-OAE时期气候暖干，并且具极端干/湿季（图2），与前人依据沉积特征推断的暖湿气候结论不同。海陆生态系统对比显示，全球变暖初期陆地植物群落即发生较大改变，而海洋生态系统变化较小；全球变暖鼎盛期海陆生态系统均发生剧烈变化。据此，作者认为由于海洋具有较高的热缓冲能力，全球变暖初期陆地生态系统受到的影响更为严重。该现象在地球更早的 历史 中也曾出现，如近期研究发现，由火山活动引发的二叠纪-三叠纪界线全球变暖使陆地植物先于海洋生物发生灭绝（Fielding et al., 2019）。

该论文作者接受了已有的“火山活动释放温室气体造成全球变暖进而引发生物灭绝”的观点，但亦有学者表示质疑。Nature Geoscience同时刊发针对该文章的评论，强调火山活动释放的汞对陆地植被的破坏不可忽视（Mander and McElwain, 2019）。目前，与二叠纪末生物灭绝（Wang et al., 2018）、白垩纪大洋缺氧事件（OAE 2）、白垩纪末生物灭绝（Percival et al., 2018）等事件相关的火山活动期均已获得汞同位素异常的证据。该研究虽获取了早侏罗世陆地生态系统演化的信息，但还需进一步研究全球范围内陆地生态系统演化过程及其机制。

参考文献：

1.Fielding C R, Frank T D, McLoughlin S, et al. Age and pattern of the southern high-latitude continental end-Permian extinction constrained by multiproxy analysis[J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 385.

2.Mander L, McElwain J C. Toarcian land vegetation loss[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 405-406.

3.Pálfy J, Smith P L. Synchrony between Early Jurassic extinction, oceanic anoxic event, and the Karoo-Ferrar flood basalt volcanism[J]. Geology, 2000, 28(8): 747-750.

4.Percival L M E, Jenkyns H C, Mather T A, et al. Does large igneous province volcanism always perturb the mercury cycle? Comparing the records of Oceanic Anoxic Event 2 and the end-Cretaceous to other Mesozoic events[J]. American Journal of Science, 2018, 318(8): 799-860.

5.Slater S M, Twitchett R J, Danise S, et al. Substantial vegetation response to Early Jurassic global warming with impacts on oceanic anoxia[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 462-467.

6.Wang X, Cawood P A, Zhao H, et al. Mercury anomalies across the end Permian mass extinction in South China from shallow and deep water depositional environments[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2018, 496: 159-167.

（撰稿：王永达，杨石岭/新生代室）

美编：徐海潮

校对：李玉钤

Science：气候系统的多年代际振荡可能是由火山活动引起的

气候系统最显著的多年代际振荡是北大西洋区域的海表温度变化，即大西洋多年代际振荡（AtlanticMultidecadal Oscillation，简称AMO）（Kerr,2000）。AMO周期较长，约为50~70年，这一现象究竟是地球气候系统内部变率，亦或只是响应外强迫的表现，一直以来是悬而未决的问题。

基于仪器观测气象数据的研究认为，AMO来源于地球气候系统内部变率。基于树轮和冰芯的气候重建研究也表明，过去千年北大西洋和全球平均气候存在多年代际变率，但仅依赖观测和重建数据很难找到真正的归因。基于模式模拟的归因研究也仍未有定论，有模拟研究表明AMO可能是海表温度对大气随机扰动的响应，也可能是大西洋经圈翻转环流的外在表现，又或是对外部辐射强迫的响应。

最近，美国宾夕法尼亚州立大学的MichaelE. Mann及其合作者在Science上发表论文（Mannet al., 2021），提出过去千年温度多年代际振荡是由火山活动引起的，气候系统本身并不存在多年代际的振荡。

作者认为内部变率与外强迫最大的区别在于：内部变率主要影响到全球能量的空间再分配，外强迫则影响全球能量的总收支，因此分析内部变率应从全球气候异常的空间入手。

作者采用了多锥度-奇异值分解方法（Multi-taper method singular value decomposition，简称MTM-SVD），该方法是针对变量场进行频域分析，可避免因模式之间的差异对信号提取的影响，从而获得变量场的分数局地方差谱（Local Fractional Variance，简称LFV）。该方法的优点是可以获得特定频率带宽较窄信号的空间特征（模态）。作者使用该方法分析了参与第五次国际耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，简称CMIP5）的所有模式的参照试验和过去千年模拟试验的全球温度场。

结果表明，与明显的厄尔尼诺-南方涛动年际信号不同，无外强迫参照试验模拟的全球温度中并不存在显著的年代际至多年代际的分量（图1A），而施加外强迫的结果则存在多个显著的年代际至多年代际振荡信号，其中包括以50~70年为周期的分量（图1B）。通过与多模式集合平均的全球平均温度（通常认为其代表对外强迫的响应）的功率谱（图1C）对比，发现过去千年模拟试验的多年代际振荡信号与集合平均的全球平均温度的多年代际变率的周期是一致的，即过去千年模拟试验中存在的多年代际气候变率模态极有可能是对外强迫的响应。

图1 CMIP5模式温度数据的谱分析结果；（A）CMIP5参照试验温度场的LFV谱，虚线表示蒙特卡洛方法计算的置信度，从下至上分别为p=0.5、0.1、0.05、0.01；每条彩线代表一个单成员（N=44），粗黑线为平均值；（B）同A，分析的是CMIP5过去千年模拟试验（N=16）；（C）CMIP5过去千年模拟试验集合平均（N=16）的全球平均温度的功率谱，蓝色竖虚线指示B与C共有的谱峰（Mann et al., 2021）

作者进一步使用能量平衡模式（一种根据能量平衡计算温度及其分布的简单气候模式，其不考虑内部变率），分析了在过去千年全球气候变化中最重要的两个外强迫因子（太阳辐射和火山活动）对全球温度的影响。在使用多条火山活动和太阳辐射重建序列作为外强迫组合或单一驱动模式后，发现只有火山活动可以导致全球平均温度的多年代际变化。说明火山活动是过去千年全球平均温度多年代际振荡的主因。

此外，作者使用相同的方法对观测数据与CMIP5 历史 气候模拟试验也进行过相同的分析（Mannet al., 2020），结果显示全强迫的 历史 气候模拟全球温度结果与观测数据一致，均具有约50年周期的多年代际变化特征（图2）。但是在仅加入人为强迫的 历史 气候模拟结果中，尽管也存在多年代际变率模态，但是其周期并不相同，约为60年（图3）。在对比观测数据和多个模式的结果后，发现这一多年代际振荡的相位在观测和不同模式中也较为一致，很明显这不符合内在变率的随机特性。考虑到参照试验中并不存在多年代际振荡，这表明这一多年代际振荡是对外强迫（人为强迫和自然强迫）的响应。

图2 CMIP5 历史 气候模拟试验（自然强迫+人为强迫）和观测数据的温度场LFV谱分析；灰色阴影代表集合成员的分布范围（深灰色区域为68%的集合成员的分布范围、灰色区域为95%），粗黑线为平均值，青线与紫线分别代表两个不同模式的结果，蓝线为观测结果（Mann et al., 2020）

图3 CMIP5 历史 气候模拟试验（人为强迫）和观测数据的温度场LFV谱分析；这里 历史 气候模拟试验是指不包括自然强迫的单一人为强迫试验，其余同图2（Mann et al., 2020）

总之，作者认为与气候系统年际尺度厄尔尼诺-南方涛动内部变率不同，气候系统很可能不存在多年代际的内在变率。工业革命以来，全球温度的多年代际变化是由人为强迫和自然强迫共同影响下产生的，而在人类影响较弱的过去千年，火山活动是全球温度多年代际振荡的驱动力。

由于作者的研究均是基于气候模式，其获得的结果主要是说明CMIP5模式中并没有多年代际内在变率，其结果的可靠性受当前模式对内在变率模拟能力的限制。尽管如此，这一结果也再次表明火山活动对过去千年多年代际气候变化的重要影响。这与过去千年的全球温度重建工作认为火山活动是多年代际气候变化的主要驱动力相符（PAGES2k Consortium, 2019）。这些研究启发我们，深入探究火山活动年代际至多年代际气候影响过程的物理机制，有利于对气候变化做出更为深入的科学解释。

【致谢：感谢新生代室徐德克副研究员的审阅及宝贵修改建议。】

主要参考文献

KerrR A. A North Atlantic climate pacemaker for the centuries[J]. Science, 2000, 288(5473): 1984-1985.

MannM E, Steinman B A, Miller S K. Absence of internal multidecadal andinterdecadal oscillations in climate model simulations[J]. Nature Communications, 2020, 11: 49.

MannM E, Steinman B A, Brouillette D J, et al. Multidecadal climate oscillationsduring the past millennium driven by volcanic forcing[J]. Science, 2021, 371(6533): 1014-1019.

PAGES2k Consortium. Consistent multi-decadal variability in global temperaturereconstructions and simulations over the Common Era[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(8): 643-649.