王永棟，孫柏年，黃成敏，全成

①中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所，南京 210008；②中國科學(xué)院資源地層學(xué)與古地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；③蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院，蘭州 730000；④四川大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，成都610065；⑤吉林大學(xué)古生物地層學(xué)研究中心，長春 130026

地史時(shí)期古大氣二氧化碳變化趨勢(shì)與溫室氣候
——以中生代白堊紀(jì)為例*

王永棟①②?，孫柏年③，黃成敏④，全成⑤

①中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所，南京 210008；②中國科學(xué)院資源地層學(xué)與古地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；③蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院，蘭州 730000；④四川大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，成都610065；⑤吉林大學(xué)古生物地層學(xué)研究中心，長春 130026

中生代不僅是地球發(fā)展和生命演化的重要階段，同時(shí)也是距離現(xiàn)代最近的典型溫室氣候期。其中，白堊紀(jì)被視為地球歷史時(shí)期溫室氣候的最佳范例之一。通過古植物氣孔參數(shù)、古土壤同位素以及地球化學(xué)模型等途徑的研究，可以勾勒出白堊紀(jì)這一典型溫室氣候環(huán)境下古大氣二氧化碳濃度變化的大致輪廓。在整個(gè)白堊紀(jì)時(shí)期大氣二氧化碳水平相對(duì)較高，但在白堊紀(jì)早期較低，白堊紀(jì)中期達(dá)到最高，而白堊紀(jì)晚期逐漸降低。更重要的是，借助于這些地質(zhì)參數(shù)還更精確地識(shí)別出在白堊紀(jì)關(guān)鍵時(shí)期出現(xiàn)了幾次顯著的古大氣二氧化碳的短期快速波動(dòng)變化，表明白堊紀(jì)的溫室氣候狀態(tài)并非之前所想象的那么穩(wěn)定，而是發(fā)生了幾次大規(guī)?？焖贇夂驍_動(dòng)事件，并伴隨著二氧化碳濃度的短期波動(dòng)變化。這項(xiàng)研究質(zhì)疑了整個(gè)白堊紀(jì)期間氣候溫度均勻分布且呈現(xiàn)單一穩(wěn)定溫室狀態(tài)的觀點(diǎn)。

古大氣二氧化碳；白堊紀(jì)；氣孔指數(shù)；古土壤；溫室氣候

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB822003)，中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新重要方向性項(xiàng)目(KZCX-2-YW-154)，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272010)和中國科學(xué)院科技創(chuàng)新交叉與合作團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助

?通信作者，E-mail：ydwang@nigpas.ac.cn

大氣中的二氧化碳是重要的溫室氣體之一，會(huì)影響地球表面的溫度，并且被認(rèn)為是全球變暖的一個(gè)主要因素。自工業(yè)革命以來，大氣CO2濃度的增高己引起科學(xué)界的普遍關(guān)注。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)評(píng)估報(bào)告表明，大氣CO2與氣候變化有著密切的關(guān)系，是影響全球氣候變化的重要因素。因此，研究大氣CO2濃度變化的歷史過程和規(guī)律，對(duì)于認(rèn)識(shí)今天大氣CO2濃度的變化、更有效地預(yù)測(cè)氣候的未來變化具有重要指導(dǎo)意義。

眾所周知，地質(zhì)記錄中蘊(yùn)含著珍貴的反映地球系統(tǒng)與氣候變化的各種信息。利用地質(zhì)參數(shù)來恢復(fù)古大氣CO2的變化，也是地質(zhì)工作者的重要任務(wù)之一。在過去4.5億年漫長地質(zhì)歷史中，古大氣CO2與全球氣溫同步變化，它被認(rèn)為是顯生宙氣候變化的主要驅(qū)動(dòng)力[1]。因此，了解地球歷史溫室時(shí)期的古大氣CO2變化對(duì)預(yù)測(cè)氣候及未來大氣CO2濃度升高的響應(yīng)無疑具有重要的借鑒意義。

地質(zhì)學(xué)研究表明，在地質(zhì)歷史時(shí)期的中生代(距今2.5億年～6500萬年)，地球上曾經(jīng)發(fā)育有距離人類時(shí)代最近的完整溫室氣候旋回；不僅如此，中生代也是顯生宙溫度最高的時(shí)期，地質(zhì)記錄保存最為完整，地球上具有活躍的火山活動(dòng)，并且當(dāng)時(shí)古地理格局也發(fā)生了重大變化。其中的白堊紀(jì)(距今1.45億年～6500萬年)，被視為地球歷史時(shí)期溫室氣候的最佳范例之一。科學(xué)家的研究表明，白堊紀(jì)中期的時(shí)候，溫室氣候達(dá)到了頂峰，當(dāng)時(shí)地球上溫度梯度平緩，兩極地區(qū)沒有永久性的極地冰蓋，年平均氣溫超過14 ℃，海平面也要比現(xiàn)在高出100～200 m。據(jù)估計(jì)，當(dāng)時(shí)大氣中的CO2濃度要比工業(yè)革命前高4至10倍[2]。這一時(shí)期，還伴隨著一系列諸如海平面上升、生物多樣性演化、恐龍的滅絕以及早期被子植物的興起、白堊紀(jì)大洋紅層全球廣布、大洋缺氧事件以及全球性的煤炭和油氣資源形成等生物和地質(zhì)事件。因此，學(xué)術(shù)界尤其關(guān)注中生代，特別是典型溫室氣候的白堊紀(jì)時(shí)期，它的古大氣CO2是否為均一的？表現(xiàn)出何種變化趨勢(shì)？在關(guān)鍵時(shí)期有無較大的波動(dòng)？以及與重大地質(zhì)和氣候事件之間的關(guān)系如何？

為此，地質(zhì)學(xué)家也一直在不斷探索和研究各種來自陸地和海洋的地質(zhì)記錄，以便精確地勾勒出白堊紀(jì)這一典型溫室氣候環(huán)境下古大氣CO2濃度變化的大致輪廓。在過去的十多年中，全球已經(jīng)有越來越多的白堊紀(jì)古CO2數(shù)據(jù)被報(bào)道。最近，Wang等[3]在概述古大氣CO2重建方法的基礎(chǔ)上，描繪并分析了世界各地白堊紀(jì)各個(gè)時(shí)期古大氣CO2研究所取得的進(jìn)展。

1 重建古大氣CO2濃度的主要方法

那么，如何來獲取遠(yuǎn)古時(shí)期的古大氣CO2變化信息呢？簡(jiǎn)而言之，古大氣CO2可以使用地質(zhì)參數(shù)和地球化學(xué)模型模擬等方法實(shí)現(xiàn)。過去二十多年來，已經(jīng)發(fā)展出了不同的地質(zhì)參數(shù)來重建過去的大氣CO2變化，比如：植物化石氣孔、古土壤穩(wěn)定碳同位素、苔蘚化石穩(wěn)定碳同位素、海洋碳酸鹽巖微體化石硼同位素等等。另外，Berner[4]于1994年首次建立了GEOCARB碳循環(huán)模型，來評(píng)估地球歷史時(shí)期大氣CO2長周期的變化情況。目前這種地球化學(xué)模型已經(jīng)有了進(jìn)一步的完善并出現(xiàn)不同的版本。從研究方法的使用廣度和有效性來看，目前恢復(fù)古大氣CO2的主要方法可以歸納為三種，即植物化石氣孔參數(shù)/指數(shù)、古土壤碳同位素以及地球化學(xué)模型等方法。

1.1 植物化石氣孔參數(shù)與古大氣CO2濃度

在植物葉片表面存在著一層薄膜，即角質(zhì)層(cuticle)，它是連接植物體與大氣環(huán)境并進(jìn)行光合作用的重要界面。對(duì)于現(xiàn)生植物而言，角質(zhì)層的構(gòu)造(包括表層蠟、角質(zhì)膜、角質(zhì)蠟、纖維素和果膠等)對(duì)于分析角質(zhì)膜與植物水分利用的關(guān)系與功能等具有重要意義。對(duì)于化石植物來講，角質(zhì)層的研究有助于確定化石系統(tǒng)分類，探究與古氣候環(huán)境的關(guān)系(圖1)。角質(zhì)層表面具有氣孔構(gòu)造，是植物體呼吸作用和氣體交換不可或缺的組織。氣孔作為陸生植物與大氣交換水分和CO2的通道，它的分布、數(shù)目和密度等與當(dāng)時(shí)的大氣CO2等環(huán)境信息密切相關(guān)(圖2)。研究表明，大氣CO2濃度的變化會(huì)影響氣孔的發(fā)育過程，CO2濃度升高會(huì)造成氣孔器的關(guān)閉和密度的改變。

圖1 中生代的銀杏類植物化石及其表面的暗色角質(zhì)層膜

植物葉化石的氣孔密度、氣孔指數(shù)等參數(shù)與古大氣CO2之間的關(guān)系已被廣泛作為重建過去大氣CO2水平的有效工具。美國植物學(xué)家Woodward[5]于1987年經(jīng)過研究，首次發(fā)現(xiàn)了植物葉片氣孔數(shù)量與大氣CO2含量之間存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即氣孔密度越高，當(dāng)時(shí)的大氣CO2年度值越低，反之亦然。這一重要的發(fā)現(xiàn)成為利用化石和現(xiàn)今植物葉片氣孔方法研究古大氣CO2變化的基本原理。實(shí)踐證明，氣孔方法是地質(zhì)記錄中最為有效的可以反映較高時(shí)間分辨率古大氣CO2的方法(可以精確到100年)，因此也被認(rèn)為是探測(cè)地史時(shí)期百萬年級(jí)別大氣CO2波動(dòng)的最有效的技術(shù)方法。

圖2 現(xiàn)生和化石銀杏植物表皮細(xì)胞和氣孔分布: (a、b) 現(xiàn)生銀杏植物Ginkgo biloba[6]; (c、d)中生代的銀杏植物化石Ginkgoites obrutschewii[6]; (e、f)中生代銀杏植物化石Sphenobaiera huangii (標(biāo)尺均為100 μm)

在利用氣孔方法恢復(fù)古大氣CO2濃度時(shí)，通常使用四種參數(shù)，即：①表皮密度(epidermal density，ED)，是指定單位葉片面積表皮細(xì)胞的數(shù)目；②氣孔密度(stomatal density，SD)，指單位葉片面積內(nèi)氣孔的數(shù)目(圖2)；③氣孔指數(shù)(stomatal index，SI)，是指氣孔密度與表皮密度和氣孔密度之和的比率，即SI=[SD/(ED+SD)]×100；④氣孔比率(stomatal ratio，SR)，是指化石植物氣孔指數(shù)與其現(xiàn)生對(duì)應(yīng)種氣孔指數(shù)的比率。

由于表皮密度和氣孔密度會(huì)受到植物生長、光照和水分等各種條件的影響，在反映大氣CO2含量方面會(huì)有誤差，因此在實(shí)際操作中，多使用氣孔指數(shù)和氣孔比率這兩個(gè)參數(shù)。利用氣孔比率方法可以追溯早中生代乃至古生代時(shí)期的古大氣CO2的半定量數(shù)值，而且與利用GEOCARB 地球化學(xué)模型反演的地史時(shí)期長周期碳循環(huán)模式很相似[7]。根據(jù)測(cè)算，利用氣孔比率法恢復(fù)古大氣CO2有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即：現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)(1 SR=1RCO2，即300 ppm)和石炭紀(jì)標(biāo)準(zhǔn) (1 SR=2RCO2，600 ppm)[8]。(編輯注：1 ppm=10-6。) 現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)和石炭紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)分別代表估算的古大氣CO2的最小和最大變化區(qū)間。

另外，基于地史時(shí)期植物氣孔特征對(duì)CO2變化的響應(yīng)與現(xiàn)代類型是一致的這一假設(shè)，可以通過溫室模擬實(shí)驗(yàn)獲得相關(guān)現(xiàn)代植物屬種的回歸函數(shù)(regression function，RF)來推算古大氣CO2濃度。盡管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要與第四紀(jì)前的化石相比較，但事實(shí)證明，在許多情況下，溫室生長條件產(chǎn)生的模擬結(jié)果可能不同于那些在開放環(huán)境中生長的植物的結(jié)果。因此需要進(jìn)行必要的交叉校準(zhǔn)。目前，已經(jīng)報(bào)道了十余種來自不同植物類群的回歸函數(shù)。不過需要指出的是，回歸函數(shù)的方法很大程度上僅局限應(yīng)用于新生代，因?yàn)樗笏婕暗幕参镄枰乾F(xiàn)代植物的直接祖先。

迄今為止，利用植物化石氣孔參數(shù)方法，進(jìn)行白堊紀(jì)時(shí)期的古大氣CO2濃度變化重建的主要化石類群包括銀杏類以及松柏類的掌鱗杉科和柏科等。

1.2 古土壤同位素方法

在年降水量不足800 mm的干旱、半干旱以及半濕潤等地區(qū)，土壤中常有成土過程形成的成壤性碳酸鹽(如方解石、白云石等)積累(圖3)。土壤碳酸鹽中的碳酸根離子除了來自成土母質(zhì)外，主要來源于大氣二氧化碳擴(kuò)散到土壤中，以及生物呼吸作用和有機(jī)物分解產(chǎn)生的二氧化碳。

Cerling (1999)提出利用土壤成壤碳酸鹽估算古代大氣CO2分壓的公式表示如下[10-11]：

其中Pa代表古大氣CO2濃度 (ppm)，Pr代表土壤呼吸空氣CO2濃度 (ppm)，δ13Cs、δ13Cr和 δ13Ca分別代表土壤的CO2、土壤呼吸CO2以及古大氣CO2的穩(wěn)定碳同位素組成。

圖3 白堊紀(jì)時(shí)期的古土壤碳酸鹽結(jié)核[9]: (a) 四川龍泉；(b、d) 四川梓潼；(c) 遼寧北票 (注：古土壤碳酸鹽具有淺灰色層(A)和紅色鈣質(zhì)層(Bk)兩個(gè)層位)

值得一提的是，在絕大多數(shù)的地質(zhì)時(shí)期，利用不同的方法來估算的古大氣CO2值大體上是一致的。但是一個(gè)例外是關(guān)于古土壤的同位素參數(shù)方法，利用該方法估算的CO2值有時(shí)候可以高達(dá)其他方法所測(cè)得的數(shù)值的兩倍左右。這一差異引起人們關(guān)于其他方法有效性的質(zhì)疑。Breeker等人(2010)[12]指出，利用古土壤氣壓計(jì)方法估算古大氣CO2往往由于兩個(gè)或更多的因素被過高地估計(jì)，因?yàn)橥寥繡O2濃度被任意地假設(shè)為5000～10 000 ppm而不是2500 ppm。這一過高的變化范圍主要是基于現(xiàn)代土壤的季節(jié)性CO2含量平均增加而導(dǎo)致的。

2 白堊紀(jì)時(shí)期的古大氣CO2變化

那么，作為地史時(shí)期溫室氣候的白堊紀(jì)，古大氣CO2是否為均一的？有沒有表現(xiàn)出變化的趨勢(shì)？尤其是在一些關(guān)鍵時(shí)期有無較大的波動(dòng)？而這些波動(dòng)與重大地質(zhì)和氣候事件之間的關(guān)系如何？根據(jù)目前的研究積累，已經(jīng)從北美、南美、歐洲和亞洲等多個(gè)地區(qū)，獲得了根據(jù)氣孔數(shù)據(jù)或同位素分析所估算的白堊紀(jì)古大氣CO2濃度數(shù)據(jù)(圖4)。

2.1 早白堊世的古大氣CO2濃度變化

目前對(duì)于早白堊世的古大氣CO2濃度了解主要來自于植物氣孔和古土壤方法兩種途徑。對(duì)中國東北地區(qū)早白堊世霍林河組的銀杏植物化石(Gingkocoriacea)的研究顯示，早白堊世早期階段(即貝里亞斯期Berriasian到凡蘭吟期Valanginian)古大氣CO2濃度為765～960 ppm或840 ppm[6,13]，并且在貝里亞斯期晚期表現(xiàn)出上升趨勢(shì)(可達(dá)1920 ppm)。這一結(jié)果與GEOCARB 碳循環(huán)模型獲得的趨勢(shì)基本一致。近年來中國古土壤的研究結(jié)果則顯示在早白堊世早期階段古大氣CO2水平較低，即貝里亞斯期古CO2濃度最高為389 ppm(平均值為360 ppm)，而到凡蘭吟期其平均值為241 ppm[9]。但是，與此形成鮮明對(duì)照的是，日本和韓國古土壤碳酸鹽估算的大氣CO2濃度數(shù)值則偏高，自凡蘭吟期到赫特立夫期(Hauterivian)變化幅度在1700～3200 ppm之間波動(dòng)[14-15]。

在早白堊世晚期，來自中國遼寧的古土壤資料表明巴列姆期(Barremian)CO2濃度較低(365～644 ppm，平均值為530 ppm)[9]。這與根據(jù)植物化石Ginkgo氣孔參數(shù)得到的巴列姆期-阿普替期(Barremian-Aptian)CO2濃度400 ppm較為相近。歐美學(xué)者根據(jù)對(duì)一種已絕滅白堊紀(jì)松柏類掌鱗杉科植物(Pseudofrenelopsis)的研究，提出赫特立夫期到阿爾必期(Albian)古大氣CO2濃度整體上為較低的水平，其中巴列姆早期較低(560～960 ppm)，阿爾必期濃度升高(620～1200 ppm)，并在赫特立夫期-阿爾必期之交出現(xiàn)輕微波動(dòng)變化。來自南半球阿根廷的銀杏類和松柏類植物化石氣孔參數(shù)的研究表明，大氣CO2含量與阿普替(Aptian)中期相似，但在阿爾必期晚期至賽諾曼期(Cenomanian)早期開始升高(為700～1400 ppm)[16]。

圖4 白堊紀(jì)時(shí)期的各種地質(zhì)參數(shù)和古大氣CO2濃度變化示意圖[3]

顯而易見，早白堊世古土壤的大氣CO2水平在241 ppm 和3200 ppm之間，存在較大的變化幅度。這種差異主要是由于土壤CO2分壓不同的假設(shè)值而引起的。中國古土壤數(shù)據(jù)得到的早白堊世CO2濃度很低[9]，表明并不是整個(gè)白堊紀(jì)時(shí)期都是溫室氣候的狀態(tài)。這個(gè)結(jié)果得到基于英格蘭巴列姆期(Barremian)土壤成壤性碳酸鹽以及植物化石氣孔指數(shù)獲得的古CO2數(shù)據(jù)的支持。由此看來，先前認(rèn)為的早白堊世期間大氣CO2濃度要比晚白堊世和早始新世還要高的觀點(diǎn)與地質(zhì)歷史時(shí)期的氣候數(shù)據(jù)并不一致，很顯然，當(dāng)時(shí)的大氣CO2濃度被高估了。

2.2 晚白堊世的古大氣CO2波動(dòng)變化

晚白堊世古大氣CO2濃度的研究主要依據(jù)美國、阿根廷和中國的植物化石氣孔數(shù)據(jù)以及地球化學(xué)模型分析。根據(jù)對(duì)美國樟科化石氣孔參數(shù)的研究，晚白堊世早期的賽諾曼期-土倫期(Cenomanian-Turonian)平均CO2濃度為370 ppm，并出現(xiàn)一升一降的顯著波動(dòng)變化(即賽諾曼期上升約20%，土倫期下降達(dá)26%)[17]。此外，利用松柏類和銀杏植物化石校準(zhǔn)后的氣孔數(shù)據(jù)也印證了上述結(jié)果，即賽諾曼期的CO2濃度在700～1400 ppm之間[16]。這與南極地區(qū)苔類植物化石同位素分析結(jié)果(即賽諾曼早期古CO2濃度為1000～1400 ppm)十分一致[18]。

最近，根據(jù)對(duì)銀杏植物化石氣孔參數(shù)的校正研究，顯示在晚白堊世早期的塞諾曼期-康尼亞克期(Cenomanian-Coniacian)CO2濃度發(fā)生了一系列顯著變化 (圖4)[19]。從賽諾曼期到康尼亞克期整體上CO2濃度呈總體下降趨勢(shì)(～680 ppm 到～520 ppm)，但是出現(xiàn)了從～680 ppm 降到～630 ppm、之后又上升到970 ppm的波動(dòng)變化。之后從土倫期到康尼亞克期中期， CO2濃度在一個(gè)百萬年周期內(nèi)從～970 ppm急劇下降至～520 ppm。在晚白堊世晚期(三冬期到坎潘期)(Santonian-Campanian)，古植物氣孔參數(shù)的研究結(jié)果表明，大氣CO2濃度在整個(gè)三冬期略有降低(即三冬期早期為～503 ppm，中期降到最低～478 ppm)，之后到了晚期又略有上升(～486 ppm)[19]。這一CO2濃度數(shù)據(jù)與Berner (1994)[4]利用GEOCARB II得到的結(jié)果一致。此外，中國銀杏植物化石氣孔數(shù)據(jù)指示在三冬期中期到坎潘期早期，顯示出CO2濃度的快速上升趨勢(shì)(～531到～620 ppm)[20]。在此之后，CO2濃度長時(shí)間逐漸降低(～590到550 ppm)，僅在坎潘期出現(xiàn)一次短暫波動(dòng)(上升到～690 ppm)。經(jīng)歷這次CO2濃度高峰之后又快速回到592 ppm的平均值中(圖4)，代表了一次短暫快速CO2波動(dòng)。需要說明的是，類似的快速波動(dòng)在地球歷史的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換期也有發(fā)現(xiàn)，比如三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)界線、白堊紀(jì)-第三紀(jì)界線、古新世-始新世界線以及中新世早-中期轉(zhuǎn)換期等，從而顯示出大氣CO2濃度與同時(shí)期地質(zhì)事件之間具有一定的耦合關(guān)系。在白堊紀(jì)末期，經(jīng)歷了坎潘晚期CO2波動(dòng)之后，到馬斯特里赫特期(Maastrichtian)大氣CO2濃度似沒有突然變化；到白堊紀(jì)和古近紀(jì)之交， CO2水平逐漸降到530 ppm(圖4)。需要指出的是，依據(jù)地球化學(xué)模型結(jié)果，盡管晚白堊世期間大氣CO2水平長時(shí)期處于逐漸降低趨勢(shì)(從約1975 ppm 降到450 ppm) ，但是地球化學(xué)模型并沒有識(shí)別出在此期間出現(xiàn)的幾次CO2濃度快速波動(dòng)變化(圖4)，而這些波動(dòng)變化只有依靠植物氣孔參數(shù)和古土壤等地質(zhì)參數(shù)才能識(shí)別到。

3 白堊紀(jì)溫室氣候與古大氣CO2變化

白堊紀(jì)代表了地球歷史上一次經(jīng)典的溫室氣候時(shí)期。在此期間地球氣候總體較為溫暖，沒有極地冰蓋，喜溫植物和動(dòng)物蔓延到高緯度地區(qū)。然而，大氣CO2濃度長期變化趨勢(shì)和短期波動(dòng)表明，白堊紀(jì)的氣候遠(yuǎn)不是之前我們所想象的那么穩(wěn)定。這種“溫室氣候”期間也發(fā)生了幾次大規(guī)?？焖贇夂虿▌?dòng)事件，并伴隨著短時(shí)間的CO2濃度變化。這也指示出溫室氣候狀態(tài)或許是短暫的而不是持續(xù)性的，因此整個(gè)白堊紀(jì)期間為溫度均勻分布的溫室氣候的觀點(diǎn)，開始受到質(zhì)疑。

古大氣CO2被廣泛認(rèn)為是顯生宙氣候變化的主要驅(qū)動(dòng)力?？v觀地質(zhì)歷史時(shí)期氣候演化及CO2變化，顯示出氣候變暖的趨勢(shì)總伴隨著CO2水平的升高，而變冷時(shí)期總伴隨著大氣CO2的降低[21]。白堊紀(jì)大氣CO2總體上的高含量曾被認(rèn)為導(dǎo)致了溫暖氣候的形成。然而，目前已知，白堊紀(jì)古大氣CO2含量是變化的而非一成不變，并出現(xiàn)短期的快速波動(dòng)變化(圖4)。

那么，白堊紀(jì)時(shí)期的氣候與CO2變化有何直接的聯(lián)系呢？海相化石氧同位素分析指示出白堊紀(jì)早期氣候較為寒冷，中期炎熱，晚期溫暖[22]。我們所分析的結(jié)果顯示：在早白堊世古大氣CO2總體上較低，這一時(shí)期的氣候總體也以變冷趨勢(shì)為主；隨后在白堊紀(jì)中期溫度達(dá)到最高。古溫度的這種變化正好與古大氣CO2水平從貝利阿斯期到凡蘭吟期的下降趨勢(shì)以及巴列姆晚期的上升趨勢(shì)相一致。在白堊紀(jì)中期，古CO2水平表現(xiàn)出明顯上升，伴隨幾次短期波動(dòng)，表明白堊紀(jì)中期總體炎熱的氣候狀態(tài)。這些變化與白堊紀(jì)中期發(fā)生的三次大洋缺氧事件(OAEs)、賽諾曼-土倫期極熱事件、超靜磁帶以及大型火成巖噴發(fā)等重大事件存在密切的耦合與因果關(guān)系。晚白堊世開始后CO2大幅降低，反映為出現(xiàn)了短期的氣候變冷事件，并可由白堊紀(jì)溫室時(shí)期可能存在短期冰期相對(duì)應(yīng)起來。晚白堊世的大多數(shù)時(shí)期，表現(xiàn)為較溫暖的氣候，僅在賽諾曼中期和土倫中期以及馬斯特里赫特期有幾次短期變冷時(shí)期?？茖W(xué)家利用碳、氧同位素記錄揭示出晚白堊世期間全球平均地表溫度的演化趨勢(shì)有所變化，即在賽諾曼晚期為～3 ℃，到土倫期中期上升為～4.7 ℃，之后在康尼亞克中期顯著下降為～2.2 ℃。從三冬期起，開始逐漸下降，伴隨著一些波動(dòng)[19]。這個(gè)變化趨勢(shì)與古大氣CO2濃度的變化具有很高的一致性。

4 結(jié)論

我們的分析表明，白堊紀(jì)在整體上CO2水平相對(duì)較高，但并非均一不變，而是呈現(xiàn)出白堊紀(jì)早期較低、中期達(dá)到最高、到白堊紀(jì)晚期逐漸降低的變化趨勢(shì)。這一結(jié)果不僅支持地球化學(xué)模型指示的整體CO2變化趨勢(shì)，更為重要的是，還進(jìn)一步識(shí)別出在白堊紀(jì)巴列姆-阿普替期、賽諾曼-土倫期, 以及康尼阿克-坎潘期出現(xiàn)了幾次顯著的CO2短期快速波動(dòng)記錄。同時(shí)，大氣CO2長期變化趨勢(shì)和短期波動(dòng)表明，白堊紀(jì)溫室氣候狀態(tài)表現(xiàn)出短暫的不持續(xù)性，古氣候并非之前所想象的那么穩(wěn)定，而是發(fā)生了幾次大規(guī)?？焖贇夂驍_動(dòng)事件，并伴隨著CO2濃度的短期波動(dòng)變化。這些變化與白堊紀(jì)中期發(fā)生的三次大洋缺氧事件(OAEs)、賽諾曼-土倫期極熱事件、白堊紀(jì)-古近紀(jì)界限事件、超靜磁帶，以及大型火成巖噴發(fā)等重大事件存在密切的耦合與因果關(guān)系。這項(xiàng)研究成果質(zhì)疑了整個(gè)白堊紀(jì)期間氣候溫度均勻分布且呈現(xiàn)單一穩(wěn)定溫室狀態(tài)的觀點(diǎn)。

(2015年3月18日收稿)

[1]ROYER D L. Fossil soils constrain ancient climate sensitivity [J].Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010, 107(2): 517-518.

[2]BERNER R A, KOTHAVALA Z. GEOCARB III: A revised model of atmospheric CO2over Phanerozoic time [J]. American Journal of Science, 2001, 301(2): 182-204.

[3]WANG Y D, HUANG C M, SUN B N, et al. Palaeo-CO2variation trends and the Cretaceous greenhouse climate [J]. Earth-Sciences Review, 2014, 129: 136-147.

[4]BERNER R A. GEOCARB II: a revised model of atmospheric CO2over Phanerozoic time [J]. American Journal of Science, 1994, 294(1):56-91.

[5]WOODWARD F I. Stomatal numbers are sensitive to increases in CO2from pre-industrial levels [J]. Nature, 1987, 327: 617-618.

[6]CHEN L Q, LI C S, CHALONER W G, et al. Assessing the potential for the stomatal characters of extant and fossilGinkgoleaves to signal atmospheric CO2change [J]. American Journal of Botany, 2001, 88(7):1309-1315.

[7]ROYER D L, BERNER R A, BEERLING D J. Phanerozoic atmospheric CO2change: Evaluating geochemical and palaeobiological approaches [J]. Earth-Science Reviews, 2001, 54(4): 349-392.

[8]MCELWAIN J C, CHALONER W G. Stomatal density and index of fossil plants track atmospheric carbon dioxide in the Palaeozoic [J].Annals of Botany, 1995, 76: 389-395.

[9]HUANG C M, RETALLACK G J, WANG C S. Early Cretaceous atmospheric pCO2levels recorded from pedogenic carbonates in China[J]. Cretaceous Research, 2012, 33: 42-49.

[10]CERLING T E. Stable carbon isotopes in palaeosol carbonates [M]//THIRTY M, COINCON R (eds). Palaeoweathering, Palaeosurfaces,and Related Continental Deposits. Oxford: The International Association of Sedimentologist Special Publication, 1999, 27: 43- 60.

[11]EKART D D, CERLING T E, MONTA?EZ I P, et al. A 400 million year carbon isotope record of pedogenic carbonate: implications for palaeoatmospheric carbon dioxide [J]. American Journal of Science,1999, 299(10): 805-827.

[12]BREECKER D O, SHARP Z D, MCFADDEN L D. Atmospheric CO2concentrations during ancient greenhouse climates were similar to those predicted for A.D. 2100 [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010, 107(2):576-580.

[13]SUN B N, XIAO L, XIE S P, et al. Quantitative analysis of palaeoatmospheric CO2level based on stomatal characters of fossilGinkgofrom Jurassic to Cretaceous in China [J]. Acta Geologica Sinica-English Edition, 2007, 81(6): 931-939.

[14]LEE Y I. Stable isotopic composition of calcic palaeosols of the Early Cretaceous Hasandong Formation, southeastern Korea [J].Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 1999, 150(1/2):123-133.

[15]LEE Y I, HISADA K I. Stable isotopic composition of pedogenic carbonates of the Early Cretaceous Shimonoseki Subgroup,western Honshu, Japan [J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology,Palaeoecology, 1999, 153: 127-138.

[16]PASSALIA M G. Cretaceous pCO2estimation from stomatal frequency analysis of gymnosperm leaves of Patagonia, Argentina [J].Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2009, 273(1/2):17-24.

[17]BARCLAY R S, MCELWAIN J C, SAGEMAN B B. Carbon sequestration activated by a volcanic CO2pulse during Ocean Anoxic Event 2 [J]. Nature Geoscience, 2010, 3: 205-208.

[18]FLETCHER B J, BRENTNALL S J, QUICK W P, et al. BRYOCARB:A process-based model of thallose liverwort carbon isotope fractionation in response to CO2, O2, light and temperature [J].Geochimica et Cosmochimica Acta, 2006, 70(23): 5676-5691.

[19]WAN C B, WANG D H, ZHU Z P, et al. Trend of Santonian(Late Cretaceous) atmospheric CO2and global mean land surface temperature: Evidence from plant fossils [J]. Science China Earth Sciences, 2011, 54(9): 1338-1345.

[20]QUAN C, SUN C L, SUN Y W, et al. High resolution estimates of palaeo-CO2levels through the Campanian (Late Cretaceous) based onGinkgocuticles [J]. Cretaceous Research, 2009, 30(2): 424-428.

[21]RETALLACK G J. A 300-million-year record of atmospheric carbon dioxide from fossil plant cuticles [J]. Nature, 2001, 411: 287-290.

[22]HUBER B T, NORRIS R D, MACLEOD K G. Deep-sea palaeotemperature record of extreme warmth during the Cretaceous[J]. Geology, 2002, 30: 123-126.

Variation of paleo-CO2and greenhouse climate in the geological history: A case study from the Cretaceous of the Mesozoic

WANG Yong-dong①②, SUN Bai-nian③, HUANG Cheng-min④, QUAN Cheng⑤
①Nanjing Institute of Geology and Palaeontology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; ②Key Laboratory of Economic Stratigraphy and Palaeogeography, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; ③School of Earth Sciences,Lanzhou University, Lanzhou 730000, China; ④School of Environmental Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China; ⑤Research Center of Paleontology and Stratigraphy, Jilin University, Changchun 130026, China

Mesozoic era is a crucial stage for the Earth development and life evolution, and is particularly significant for bearing typical greenhouse climate that is the closest to today. Among them, the Cretaceous is considered as one of the best example of the greenhouse climate in Earth history. Recent progresses including fossil plant stomata parameters, paleosol isotope and geochemical model, made it possible to synthesize the CO2variations throughout the Cretaceous. The results showed that atmospheric CO2levels remained relatively high throughout the Cretaceous, but they were lower in the early Cretaceous, highest in the mid-Cretaceous and gradually declined during the late Cretaceous. However, this overall trend was interrupted by several rapid changes of paleo-CO2associated with some geological events. It thus showed that the Cretaceous greenhouse climate condition is not as stable as we thought before, but instead with some short-term fluctuations related to the brief episodes of climate change.

paleo-CO2, Cretaceous, stomata index, paleosol, greenhouse climate

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.02.005

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(編輯：沈美芳)