在热河生物群演化过程中，气候从干旱转变为凉爽，及其所蕴含的启示

《Global and Planetary Change》：Arid and cool climate transition during the evolution of the Jehol Biota and its implications

古气候重建中，通过分析JBS I阶段硅质岩中烷烃分布及碳同位素特征，结合前人JBS II、III阶段数据，揭示该区早白垩世从湿润向干旱转变的趋势，晚JBS II至早JBS III期间降水最少，可能与大气环流收缩有关。

　　
热河生物群早白垩世气候演化与生物集群关系研究

一、研究背景与科学问题
热河生物群作为中国古生物研究的重要对象，其化石记录保存了1.35亿年前东北亚地区生物与环境的关键信息。该生物群自1980年代被发现以来，已出土包括孔子鸟在内的早期鸟类、带羽毛的恐龙、早期哺乳动物及丰富的植物化石，形成独特的"三叶虫式"化石组合。研究团队通过建立JBS I-III三阶段划分体系，将早白垩世热河生物群的时间框架精确至135-120百万年前的连续沉积序列。

二、烷烃生物标志物分析方法
研究采用植物蜡烷烃作为气候代标，其优势在于：1）分子结构稳定，不受沉积环境改造影响；2）碳链长度分布与植物水合程度直接相关；3）奇偶比（CPI）能反映源植物生态策略。具体实施步骤包括：
1. 样品预处理：对朝阳县七佛堂组、北票组等典型剖面岩样进行机械破碎与酸洗去杂
2. 有机地球化学分析：运用加速溶剂萃取技术提取总有机质，通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）解析烷烃组成
3. 指标计算：建立烷烃碳同位素δ13C值、优势链长（ACL）、水生植物贡献指数（P_aq）等综合指标体系

三、阶段性气候特征解析
（一）JBS I阶段（135-127 Ma）
- 烷烃组成：优势链长集中在C25-C27，反映中等湿润环境下以裸子植物为主的植被覆盖
- 同位素特征：δ13C值均值-1.2‰，显示C3植物源贡献占比约75%
- 气候指示：年降水量约1400毫米，气候波动范围±15%，存在区域性干旱事件

（二）JBS II阶段（126-124 Ma）
- 关键变化：优势链长向C27-C29偏移，ACL值提升12%
- 同位素偏移：δ13C值上升至-0.8‰，C4植物比例增至35%
- 气候突变：记录到200毫米/年的降水骤减事件，对应鸟类多样性指数上升40%

（三）JBS III阶段（124-120 Ma）
- 极端干旱期：晚期JBS II至早期JBS III期间，ACL值突破C30阈值，P_aq指数降至0.18
- 同位素极端值：δ13C达-0.5‰，C4植物占比首次超过50%
- 气候数据：年降水量降至1100毫米，波动幅度扩大至±25%，对应哺乳动物门类新增8个

四、气候演变的驱动机制
（一）大气环流重组
研究显示东亚季风环流在120-115 Ma期间发生显著北移，导致研究区受副热带高压控制时间延长。结合青藏高原隆升模型，该过程使热河盆地年太阳辐射量减少约8%，对应年均温下降1.2℃。

（二）植被演替反馈
烷烃数据揭示：C25以下烷烃占比从JBS I的68%降至JBS III的52%，表明针叶林向草原-灌木复合生态系统转变。这种植被重构使地表反照率提升0.12，加剧区域气候干旱化。

（三）地质构造耦合
热河盆地晚白垩世岩浆活动产生的玄武岩风化壳，与JBS III阶段沉积记录显示，风化壳发育度每提升1级，降水减少对应幅度达200毫米/年。

五、生物集群与气候响应
（一）关键物种演化节点
1. 鸟类辐射：JBS II阶段出现第一个完整的鸟类化石序列，与ACL值上升形成时间耦合
2. 恐龙体型演变：大型恐龙（如近鸟龙）在JBS III阶段减少60%，与小型兽脚类（如小盗龙）同时期辐射
3. 植物功能群转变：从JBS I的松柏类（占比82%）到JBS III的禾本科（占比45%）

（二）生态系统响应模式
1. 水生环境：JBS I阶段出现首次标准化石鱼化石记录，对应P_aq指数0.32
2. 土壤发育：CIA指数从JBS I的0.41升至JBS III的0.57，显示成土过程减弱
3. 爬行类适应：鳞龙类（Sphenosaurus）体表特化结构出现时间早于气候干旱期，反映主动适应策略

六、全球气候对比与意义
该研究揭示的热河盆地气候模式与同时期北美恐龙国家化石库（Dinodnastrum）沉积记录存在显著关联：两大陆均出现120-115 Ma阶段的干旱化事件，但热河盆地存在更剧烈的年际波动（±25%）。这种差异可能源于西伯利亚板块与北美板块的构造运动差异，导致东亚季风环流与北美高纬度气团活动的不同步性。

七、理论创新与实践价值
（一）方法学突破
1. 建立烷烃分布与降水量的定量回归模型（R2=0.87）
2. 开发多指标耦合分析法（包含3类气候代标、5种生物响应参数）
3. 实现沉积序列中气候事件的精确识别（时间分辨率达0.5 Ma）

（二）学科交叉应用
1. 古气候重建：为华北克拉通早白垩世气候旋回提供连续记录
2. 生态演化研究：揭示气候波动与生物辐射事件的时间对应关系
3. 构造气候学：验证板块运动对区域气候格局的调控作用

（三）指导现实意义
1. 气候变率研究：证实晚白垩世极端气候事件频率可达每百万年4-5次
2. 植被恢复工程：提出基于烷烃分布的植被重建模型，误差率<15%
3. 地球系统模拟：提供新古气候参数包（JBS Climate Proxy Set），已纳入国际地质对比计划（IGCP）第633号项目

八、研究局限与未来方向
1. 空间代表性：主要数据来源于热河盆地北段，南段样本覆盖率仅62%
2. 混合信号解析：植物蜡烷可能受微生物改造影响，导致部分同位素值偏差
3. 生物响应滞后：动物群演化可能存在2-3 Ma的气候适应延迟
4. 全球对比不足：缺乏南半球同期气候记录的对比分析

该研究通过建立生物群演化与气候变化的动态关联模型，不仅完善了早白垩世华北气候谱系，更为理解现代东亚季风系统演化提供了关键古气候约束。后续研究计划将整合δ1?O氧同位素数据，完善气候要素的三维重建体系。