封面简介：水是维持地球生物多样性和生态系统健康的根本保障, 更是地球表层系统机体运作的“血液”. 作为地球系统的基本过程之一, 水循环与碳循环密切关联. 为突出水循环的地质演变主题, 专辑封面以水的3种相态(固态-液态-气态)构成的水循“环”为框架, 中间图示现代水循环的基本过程, 下方以4个不同时期的地球卡通图(参考NASA网站)示意不同海陆分布和气候状态下水循环的地质演变.
特邀编辑：朱茂炎
中国科学院南京地质古生物研究所研究员, 所学术委员会主任, 国际地层委员会成冰系分会主席. 主要从事早期复杂生命和地球-生命系统演化等方面的研究.
特邀编辑：郭正堂
中国科学院地质与地球物理研究所研究员, 中国科学院院士, 发展中国家科学院院士, 国家自然科学基金委员会地球科学部主任, 国际第四纪研究联合会副主席. 主要从事新生代地质、古气候学、古土壤学与全球变化的研究.
特邀编辑：汪品先
同济大学教授, 中国科学院院士, 发展中国家科学院院士. 主要从事气候演变和南海地质研究, 致力于推进我国深海科学研究和地球系统科学的发展. 主持了中国海首次大洋钻探和国家自然科学基金“南海深海过程演变”重大研究计划, 提出了气候演变低纬驱动等新观点.
水是维持地球生物多样性和生态系统健康的根本保障, 更是地球表层系统机体运作的“血液”. 当今全球变暖背景下, 与水循环变化密切相关的干旱、森林大火和洪涝等极端灾害天气频发, 以及海平面上升、海洋热浪与酸化等全球性生态危机问题日益突出, 深刻影响了全球生态系统健康和人类社会的可持续发展. 政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第6次评估报告中, 特别突出了系统性评估气候变化对全球水循环影响的重要性[1]. 毋容置疑, 水循环是地球系统中的基本过程之一. 为此, 由汪品先、郭正堂、焦念志、金之钧、王成善等先生负责、2019年年底立项的国家自然科学基金委员会-中国科学院前沿领域发展战略研究项目“地球系统科学(能源、环境和气候)发展战略研究(2021~2035年)”和中国科学院地学部学科发展战略研究项目“地球科学的转型——向系统科学发展”, 也将“水循环”与“碳循环”、“西太-东亚构造衔接”一起, 作为系列战略研讨的三大主题之一. 其中, 以地球系统演化理论为指导, 探索地质时期不同时空尺度和气候背景下的水循环过程和规律, 即“水循环的地质演变”成为“水循环”主题研讨中的专题之一. 因为水文循环作为地球系统运作的基本环节, 在前第四纪古气候学研究中未得到应有的重视.
相比现代气候学以蒸发降水的水文循环为主题, 古气候学则以第四纪冰期旋回起家. 尽管自20世纪80年代起, 季风被引入第四纪气候研究作为冰期的补充, 却未能撼动冰期旋回在古气候学领域的主导地位. 世纪之交, 冰芯气泡和石笋同位素揭示低纬区水文循环不受冰盖调控, 推动了近年来晚第四纪水文循环气候学(hydro-climatology)的快速发展, 但尚未影响深时地质过程与古气候变化的研究, 而且第四纪冰期研究开创的定量古气候学也忽视了低纬过程[2]. 事实上, 冰室气候(Ice-House)期占地质历史总时间不超过1/6, 显生宙以来, 冰室气候期的时间占比仅1/3左右. 也就是说, 地球历史上以暖室气候(Hot-House)为主, 低纬为主的水文循环才是气候演变的主体. 因而, 古气候学不能只关注冷暖和冰盖, 同样应当重视干湿和降水的研究, 更要从整个地球历史的宽度, 而不只是从晚第四纪以来的几十万年来理解水循环. 古气候学不仅应当研究地质时期不同海陆分布和冰盖发育条件下, 轨道周期调控低纬水文循环有何不同, 同时还要研究地球过程本身驱动水文循环的调控机制. 由此可见, 聚焦水循环的地质演变, 探讨地球不同历史时期古气候演变和水循环过程及其调控机制, 是地球系统演变的基本科学问题之一, 不仅对揭示地球系统演变规律至关重要, 也为科学认识和应对当今全球升温下的水文气候灾害和生态危机提供理论支撑.
在这个共识下, 根据战略研讨专家组的要求, 经多方组织和筹备, “水循环的地质演变”专题研讨会于2021年10月11日在上海同济大学成功举办, 来自国内外13个单位50余人参加了研讨. 会议共包括19个主题报告, 涉及地质学、海洋科学、地球化学、古生物学、地层学、古气候学等学科. 研讨会从现代与晚第四纪水文循环的地质解读、地质历史时期水循环、古气候与水循环的示踪标志和模型等主题切入, 围绕地质历史时期水循环过程和机制、古气候与水循环示踪标志、古气候与水循环模拟方法等进行了热烈研讨. 鉴于会议讨论的内容和成果丰富, 作为地球系统科学发展战略项目的成果之一, 我们组织了《科学通报》“水循环的地质演变”专辑, 包括12篇文章, 涉及今后需要重视与加强的主要科学问题和研究方法.
特别指出的是, 由于水循环地质演变涉及整个地球演化历史, 当前有关早期地球演化和水循环的研究还非常有限, 本专辑并未太多涉及前寒武纪水循环研究问题. 同时, 受邀参加专题研讨和专辑的作者以活跃在相关研究前沿方向的中青年学术骨干为主, 还有众多水循环地质演变中的科学问题和研究方法并未涉及. 本专辑旨在抛砖引玉, 不足和错误之处, 欢迎读者不吝批评指正. 最后, 感谢参与专题研讨的所有同仁和参与专辑写作的全体作者, 期望本专辑的出版对我国“水循环地质演变”领域的发展起到推动作用.
参考文献
[1] Douville H, Raghavan K, Renwick J, et al. Water cycle changes. In: Masson-Delmotte V P, Zhai P, Pirani A, et al., eds. Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Cambridge: Cambridge University Press, 2021
[2] Wang P X, Tian J, Huang E Q, et al. Earth System and Evolution (in Chinese). Beijing: Science Press, 2018. 565 [汪品先, 田军, 黄恩清, 等. 地球系统与演变. 北京: 科学出版社, 2018. 565]
评述
水循环的地质演变: 研究现状与关键问题
朱茂炎, 郭正堂, 汪品先
由大陆-海洋-大气之间水的三种相态(固态-液态-气态)相互转换和位移构成的水循环是地球气候系统的主要过程之一, 揭示水循环地质演变过程可为了解当今水文气候变化提供宝贵启示. 在回顾研究现状基础上, 本文分析了未来水循环地质演变研究中的重大科学问题和亟需加强的研究方向.
轨道驱动对高低纬水循环的影响特征: 海冰和降水
吴志鹏, 尹秋珍, 梁明强, 郭正堂, 史锋, 陆浩, 苏倩倩, 吕安琪
探讨轨道尺度上的水循环, 对深入理解“水循环的地质演变”和预测未来全球水循环变化具有重要意义. 海冰和降水作为水循环的两个重要组成部分, 长期以来一直备受关注. 本文系统梳理了海冰和降水轨道尺度上的变化, 重点讨论了海冰和降水对外部驱动(轨道三要素、温室气体和冰盖)的响应机制和内部过程以及轨道驱动引起的降水亚轨道尺度变化.
早期维管植物辐射演化与长时间尺度水循环的耦合关系
薛进庄, 李炳鑫, 王嘉树, 刘乐, 黄璞, 熊聪慧, 沈冰
志留纪-泥盆纪期间, 维管植物的辐射演化促进形成全新的土壤-植物-大气连续体系统, 极大扩展了地球关键带的空间范围, 使得水分在陆地生境的滞留时间增长、循环路径复杂化. 在早期植被的作用下, 陆地表面产生稳定河道和洪泛平原, 低地生境面积增大且多样化, 陆地生态系统净初级生产力和有机碳、无机碳储量显著增加.
晚泥盆世-密西西比亚纪植物水循环与生物礁耦合演化
要乐, 黄璞, 陈波
晚泥盆世–密西西比亚纪期间, 陆地植物的组成、多样性、丰度、分布等发生了显著变化, 尤其是种子植物的出现和繁盛, 加强了陆地水文循环过程和硅酸盐风化作用. 伴随营养物质向海洋输入增加, 导致海水温度降低和缺氧加剧, 进而导致海洋后生动物礁崩溃. 识别出3个植物水循环与生物礁耦合演化阶段：晚泥盆世弗拉期–法门期, 泥盆纪–石炭纪转折期, 和密西西比亚纪中–晚期.
被子植物演化和水循环
史恭乐
陆地植物通过蒸腾作用将部分降水再循环到大气中, 在水循环中发挥着至关重要的作用. 现代陆地生态系统中占优势的被子植物早期演化过程中, 单穿孔板导管的出现和叶片叶脉密度的增加显著提高了其水分运输效率、蒸腾作用能力和光合能力, 进而增加了被子植物在晚白垩世陆地生态系统中的竞争优势, 并很有可能同时增加了水循环的活跃程度.
古生代-中生代之交的水循环演变及驱动机制
宋汉宸, 宋海军, 张仲石, 吴玉样, 楚道亮, 舒文超
古生代-中生代之交的水循环与古气候和古环境演变有关. 沉积学数据和气候模拟的结果表明, 该时期全球气候带、降水、热带辐合带(ITCZ)均发生显著变化, 例如降水量下降、干旱带和ITCZ扩张、超级季风盛行等. 这些与泛大陆聚合、造山运动、火山活动和植被演变密切相关.
天文驱动的温室时期地下水储库与海平面变化
李明松, 张皓天, 王蒙, 金之钧
温室时期全球海平面频繁地发生了大规模的变化, 可能与气候变化和大陆地下水活动有关. 本文评述了地下水活动导致海平面变化这一机制, 提出了海绵大陆新假说, 认为天文因素驱动的气候变化使大陆含水层像海绵一样储水和排水, 可能是引起温室时期海平面和内陆湖平面大规模变化的关键原因之一.
氧同位素在古温度重建及水循环研究中的应用
陈波, 朱茂炎
本文在回顾深时氧同位素古温度计基本原理的基础上, 详细评估了成岩蚀变、生命效应、区域性海水同位素组成等不确定性因素对精确重建深时古温度的制约以及可能的解决方法, 并探讨了利用氧同位素指标开展深时地表和深部水循环研究中的进展和存在的问题.
晚古生代大冰期碳-水循环回顾与展望
仲钰天, 陈吉涛, 高彪, 杨文莉, 岳超盛, 王向东, 沈树忠
晚古生代大冰期(360~260 Ma)是地球上在动植物繁盛以来持续时间最长的冰期事件, 记录了陆地自有高等植被和复杂陆地生态系统以来, 唯一的一次从“冰室气候”向“温室气候”的转变. 对晚古生代大冰期开展系统的、包括碳-水循环在内的地球表层系统的综合研究, 将为新生代冰室气候演化及当前全球暖提供深时地质类比与借鉴.
新生代温室和冰室气候背景下动物区系的演变
邓涛, 侯素宽, 吴飞翔
新生代冰室-温室气候频繁转换, 但整体是一个降温的趋势. 古新世/始新世极热事件代表了哺乳动物进化的一个重要时期, 许多哺乳动物的目, 包括灵长目、奇蹄目和偶蹄目等在此事件之后很快出现. 第四纪初全球气温第一次下降到低于现今的水平, 海水结冰导致海平面大幅度下降, 白令陆桥形成并促进了北美和欧亚大陆之间动物甚至人类的交流.
新生代青藏高原生长对东亚水循环及生态系统的影响
李树峰, 赵佳港, Alex Farnsworth, Paul J. Valdes, 刘佳, 黄健, 周浙昆, 苏涛
本文聚焦近年来模型模拟研究进展、地质学和古植物学研究成果, 对新生代青藏高原生长如何影响东亚气候、水文循环和生态系统进行评述. 数值模拟表明青藏高原生长导致东亚降水显著增加, 地表径流及土壤含水量也随之增加, 塑造了现今东亚植被和植物多样性面貌.
显生宙长时间尺度碳循环演变的模拟: 现状与展望
张莹刚, Benjamin J. W. Mills, 何天辰, 杨涛, 朱茂炎
地球系统箱式模型被广泛应用于研究长时间尺度碳循环演变和大气CO2含量变化. 本文回顾了地球系统箱式模型的发展历史, 报道了最新的地球系统箱式模型(SCION 1.1.5版)对显生宙大气CO2含量的预测结果. 此外, 本文提出了地球系统箱式模型未来的重点发展方向, 有望推动显生宙长时间尺度碳循环模拟的进一步发展.