基于中国西北部发现的银杏叶（Ginkgoites）和切卡诺夫斯基叶（Czekanowskia）的化石角质层，重建了阿伦期（中侏罗世）大气二氧化碳（CO?）浓度的变化情况

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Reconstruction of atmospheric CO 2 concentration changes during the Aalenian (Middle Jurassic) based on fossil cuticles of Ginkgoites and Czekanowskia from northwestern China

古气候重建；二氧化碳浓度；气孔指数；碳同位素分析；银杏叶化石

　　

余江|娄瑞琦|梁一帆|苟博进|黄婉玉|吴静宇|丁素婷

教育部西部环境系统重点实验室，兰州大学地球与环境科学学院，中国兰州730000

摘要

侏罗纪作为地质历史上的一个关键温室气候时期，见证了重大的全球地质和气候事件。重建这一时期的古大气二氧化碳浓度对于解码古环境变化机制以及预测未来气候趋势至关重要。古植物学研究经常利用化石植物的气孔参数来实现这一目标，其中银杏类植物因其丰富的化石记录和对二氧化碳敏感的气孔形态而成为出色的替代指标。在来自中国西北部侏罗纪中期延安组的岩芯样本中，我们发现了保存完好的银杏属（Ginkgoites）和Czekanowskia属（Czekanowskia）的宏观化石以及大量的植物化石碎片。通过应用气孔比率方法、修订后的SI-pCO?响应曲线和碳同位素模型，我们重建了中国甘肃省华亭地区侏罗纪中期（Aalenian）的古二氧化碳浓度变化趋势。基于银杏属化石的气孔指数，估计值在1098至1554 ppmv之间；而基于校正后的Czekanowskia属化石数据集的估计值则在1100至1563 ppmv之间。应用修订后的SI-pCO?响应曲线得出的银杏属化石的二氧化碳浓度范围为660–1108 ppmv。相比之下，碳同位素模型得出的银杏属化石的二氧化碳浓度为985–1184 ppmv，Czekanowskia属为901–1104 ppmv。所有替代指标均显示出一个先上升后下降的趋势，这表明华亭地区在侏罗纪中期二氧化碳水平先增加后减少。进一步的古二氧化碳浓度重建结果显示，该地区的年平均温度为13.1–14.5°C，古海拔高度为232–448米。总体而言，这些结果表明华亭地区在侏罗纪中期主要是一个温暖且二氧化碳浓度较高的环境，地形低缓，符合盆地或低山地区的特征。

引言

侏罗纪是中国煤炭积聚的关键时期，以广阔的大陆地层和丰富的植物化石为特征。作为过去生态系统的遗迹，这些化石保存了宝贵的古环境和古气候信息，因此成为研究古二氧化碳浓度及其变化模式的关键资源。在中生代环境重建研究中，银杏类植物在古二氧化碳重建方面特别有价值。它们独特的进化历史、丰富的化石记录以及气孔参数（如密度、指数）对大气二氧化碳变化的敏感性使它们成为理想的替代指标（Chen等人，2001；Zhou和Zheng，2003）。因此，对银杏类植物角质层的分析，特别是气孔参数和碳同位素组成（δ¹³C）的研究，已被越来越多地用于定量重建中生代的古二氧化碳水平和古气候。这种方法取得了显著进展（Beerling等人，1998；Beerling等人，2002a；Beerling等人，2002b；Chen等人，2001；Chen等人，2017；McElwain和Chaloner，1995；McElwain和Chaloner，1996；Passalia，2009；Retallack，2001；Retallack和Conde，2020；Sun等人，2007；Sun等人，2008；Sun等人，2009a；Xiao等人，2014）。

目前关于侏罗纪中期古植物的研究主要集中在三个领域：植物群落组成、植物化石的宏观和微观形态特征，以及利用保存完好的宏观化石进行定量古二氧化碳重建（Badihagh等人，2024；Chen等人，2001；Ding等人，2010；Jin等人，2017；McElwain和Chaloner，1996；McElwain，1998；Sun等人，2007；Sun等人，2018；Wu等人，2016；Yan等人，2009；Zhou等人，2020）。然而，方法上的限制仍然存在。由于完整宏观化石的稀缺，目前还无法系统地评估侏罗纪中期的长期二氧化碳趋势，这限制了重建的范围，只能局限于连续地层中的离散层位。这种碎片化现象阻碍了对连续大气变化的考察，从而限制了古环境和古气候的准确推断。相比之下，碎片化的植物化石在地层中更为丰富且易于获取。在连续地层中使用这些化石可以实现对二氧化碳波动的更高分辨率重建。此外，当前的多替代指标古二氧化碳重建结果存在显著差异。通过比较分析解决这些不一致性对于提高古大气研究的方法准确性和可靠性至关重要。

华亭市位于侏罗纪中期的鄂尔多斯盆地西南边缘，保存了完整的大陆地层和丰富的植物化石（Li，1995）。化石组合以银杏类植物和单子叶植物为主，针叶植物次之，还有少量的苏铁类植物（Li等人，2017）。每个植物群都具有独特的叶表皮特征，易于区分。同时，银杏类植物内部不同属之间的表皮形态差异为利用银杏类化石重建华亭地区侏罗纪中期的古二氧化碳浓度变化提供了基础。通过整合多位学者对华亭地区银杏类植物表皮特征的系统和详细描述（Ding等人，2010；Li，2018；Li等人，2017；Li，2017；Wu等人，2016），并比较地层剖面中的宏观植物化石的表皮结构，统计分析显示华亭矿区采集的岩芯中含有丰富的银杏属和Czekanowskia属化石，其表皮特征清晰可见。因此，我们通过应用气孔比率方法、修订后的SI-pCO?响应曲线和碳同位素模型，系统地重建了华亭地区侏罗纪中期的古二氧化碳变化。基于这些二氧化碳重建结果，进一步推导出了古温度和古海拔高度。这种高分辨率的方法为侏罗纪中期的植被-气候耦合提供了直接证据，同时也加深了对鄂尔多斯盆地古气候演变的理解，展示了古替代指标研究在阐释现代气候变化动态中的关键作用。

地质背景

华亭市位于甘肃省东部，隶属于平凉市管辖。它处于陇东黄土高原的核心区域，靠近陕西、甘肃和宁夏三省的交界处。其地理坐标为东经106°21′-106°53′，北纬35°01′-35°24′，东西最长距离为44.31公里，南北宽度为39.5公里，总面积为1183平方公里。华亭市位于鄂尔多斯盆地的西南边缘，该盆地是一个大型稳定的沉积盆地。

材料与方法

所有化石材料均来自甘肃省华亭矿区HT001钻孔中的侏罗纪中期延安组。采样目标是延安组中富含植物化石的第二层（J?y²），采样范围为100.12米（深度451.38–551.50米），分为100个层位，层位间距为1米。根据地层叠置关系，这些层位被编号为HT-01（底部）到HT-100（顶部）。我们从10个层位中收集了银杏属化石，从12个层位中收集了Czekanowskia属化石。

气孔比率方法的恢复结果

通过对银杏属和Czekanowskia属化石角质层的SI进行统计分析（附录2），并根据既定公式计算，华亭地区侏罗纪中期银杏属的RCO?值范围为3.66至5.18；Czekanowskia属的RCO?值则在3.23至4.55之间（表2和表3）。银杏属重建的RCO?值总体上高于Czekanowskia属。

为了解决这个问题，我们对这两种属的RCO?值进行了相关性分析。

讨论

我们选择了来自甘肃省华亭地区侏罗纪中期Aalenian阶段的连续层位的银杏属和Czekanowskia属化石，并使用气孔比率方法、修订后的SI-pCO?响应曲线和碳同位素模型重建了该地区的古二氧化碳浓度变化特征。

修订后的SI-pCO?响应曲线方法得出的华亭地区侏罗纪中期古二氧化碳浓度估计值低于传统的气孔比率方法。两者之间的估计差异...

结论

我们在甘肃省华亭市HT001钻孔的侏罗纪中期延安组第二层中选取了连续层位的银杏属和Czekanowskia属化石。根据化石角质层的气孔参数和碳同位素组成，我们重建了华亭地区侏罗纪中期的二氧化碳浓度及相关古气候条件。

气孔比率方法...

作者贡献声明

余江：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，软件，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。娄瑞琦：撰写 – 审稿与编辑。梁一帆：撰写 – 审稿与编辑。苟博进：撰写 – 审稿与编辑。黄婉玉：撰写 – 审稿与编辑。吴静宇：撰写 – 审稿与编辑，资源获取，项目管理。丁素婷：撰写 – 审稿与编辑，监督。

未引用的参考文献

Sun等人，2009b

利益冲突声明

无。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号32170222、42272002和42362003）的支持。