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東亞季風加強導致云南遠古的水杉林消失

  水杉(Metasequoia glyptostroboides Hu et Cheng)為柏科水杉屬的落葉性喬木,以其現生種的發現晚于其化石的報道而成為著名的活化石。目前原生水杉僅有5300余株,孑遺于湖北、湖南和重慶交界處的濕潤山谷地區,屬瀕危物種。化石記錄表明,水杉屬最早出現于晚白堊世,之后迅速擴散到北半球的大部分地區,在古新世、始新世全球大暖期時甚至在北極圈內形成純林。隨著氣候逐漸變冷,水杉屬分布區的北界逐漸向南移動。最晚的化石發現于日本的更新世地層。雖然中國是水杉的原產地,但目前僅有少數可靠的化石記錄,主要見于東北和北方古近紀地層,少量散見于東部沿海新近紀地層,而晚中新世至更新世的化石記錄在中國幾乎缺失。由于水杉屬是一個典型的松柏類孑遺類群,對其化石的研究有助于理解松柏類的生物地理分布模式及其對氣候變化的響應機制。 

  近幾年,版納植物園標本館王力高級工程師和古生態學研究組蘇濤研究員、周浙昆研究員等與國內外研究團隊開展合作,在云南省鎮沅縣三章田中中新統(時間為15.97–11.63百萬年前)多個層位中發現了大量的水杉化石。通過與水杉屬其他化石種及現生種的宏形態和微形態對比,顯示該化石具有現生水杉的典型特征。但由于缺少雄球花、孢粉、種子和木材的化石標本,遂將該化石定為現生水杉近似種Metasequoia sp. (cf. Metasequoia glyptostroboides)。該化石表明水杉屬至少從中中新世以來即具有形態演化的遲滯性,并具有與現生水杉類似的生理生態特性和環境適應能力。 

  三章田水杉化石是水杉屬在中國西南地區的首次發現,也是迄今為止世界上分布最南的水杉化石記錄。通過對比化石產地云南省鎮沅縣和現生水杉最大的孑遺地湖北省利川市的氣候參數,發現鎮沅縣為典型的東亞季風性氣候,表現為全年的大量降雨集中在夏季,而冬、春季非常干旱;相反,利川市季風性氣候特征較弱,具有濕潤的春季。由于春季是水杉種子萌發、幼苗建成和樹木發芽的關鍵季節,而水杉具有不耐干旱的生理特性,據此推斷東亞季風在中中新世之后的多次加強導致的春季干旱造成了水杉在云南的消失。由于東亞季風的加強而在中國西南地區消失的化石植物還包括近幾年報道的雪松屬和北美紅杉屬。 

  該研究以The disappearance of Metasequoia (Cupressaceae) after the middle Miocene in Yunnan, Southwest China: Evidences for evolutionary stasis and intensification of the Asian monsoon為題,發表在國際古植物學與孢粉學領域的經典期刊Review of Palaeobotany and Palynology。該研究得到了國家自然科學基金(No. U1502231, No. 31300188, No. 41661134049)、西雙版納熱帶植物園博士后研究基金 (No. 119103KP07)、現代古生物學和地層學國家重點實驗室(中國科學院南京地質古生物研究所)開放基金(No. 123108)等項目經費的資助。

云南化石水杉和現生水杉的宏形態特征對比

云南鎮沅(ZY)和湖北利川(LC)的氣候參數對比圖,示鎮沅明顯的季風性氣候與利川較弱的季風性氣候

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