特提斯海岸阿拉伯段石炭纪-二叠纪冰期陡峭气候梯度对孢粉组合的影响及其古气候指示意义

本研究针对晚古生代冰期(LPIA)期间阿拉伯半岛北部 Gondwana 冰盖边缘的陡峭气候梯度，通过两个时间切片（Serpukhovian-Bashkirian 和 Gzhelian-early Sakmarian）的孢粉学分析结合古气候模拟，揭示了纬度控制的古温度梯度如何显著影响孢粉组合分布：寒冷气候区以唇状三缝孢(cheilocardioid spores)为主，而年均温>19°C区域则出现欧美煤带孢型(Vestispora fenestrata)。该研究为古气候重建提供了重要孢粉学指标。

　　

在地球漫长的地质历史中，晚古生代冰期（Late Palaeozoic Ice Age, LPIA）是持续时间最长、影响范围最广的冰川事件之一，距今约3.5亿至2.6亿年前。这一时期，超级大陆潘吉亚（Pangaea）逐渐形成，其南部的冈瓦纳大陆（Gondwana）漂移至南极区域，成为冰川活动的中心。位于冈瓦纳北缘的阿拉伯半岛，记录了从冰川到非冰川环境转变的关键证据，成为研究古气候变化的天然实验室。然而，长期以来，科学家们对这一时期阿拉伯半岛北部特提斯海岸地区是否存在陡峭的气候梯度，以及这种梯度如何影响陆地植被分布，缺乏系统认识。

早期研究通过古生物地理数据推测，特提斯洋存在显著的冷暖洋流分异：南纬0°至30°存在温暖的亚热带表面环流，而30°至50°则被寒冷的洋流所控制。这种洋流分异可能导致沿岸地区形成尖锐的气候梯度，进而影响生物分布。Angiolini等人曾简要指出，伊朗西北部的陆相孢粉组合与特提斯海岸更南部的同期组合存在明显差异，但受限于当时的技术手段，无法进行精确的古气候定量分析。近年来，随着Deep-time Digital Earth（DDE）平台Earth Explorer工具的应用，结合古地理重建和古气候模拟，使得研究人员能够更精细地分析纬度变化对孢粉组合的影响。

为了揭示气候梯度对孢粉组合的控制机制，由Michael H. Stephenson领衔的研究团队开展了此项研究。他们选取了石炭纪的Serpukhovian至Bashkirian期（约3.31亿至3.15亿年前）和二叠纪的Gzhelian至早Sakmarian期（约3.03亿至2.90亿年前）两个时间切片，沿着冈瓦纳至特提斯边缘约2000公里的古地理 transect（剖面），系统分析了来自伊拉克、伊朗、沙特阿拉伯和阿曼的岩心样品和露头样本。通过孢粉学分析结合Li等人（2022）基于CESM1.2.2模型生成的古气候模拟数据，研究人员成功重建了不同纬度带的古温度和古降水格局，并揭示了孢粉组合对气候梯度的响应规律。

本研究发表于《Resources, Conservation and Recycling》，不仅深化了对晚古生代冰期古气候演变的理解，也为利用孢粉指标进行古气候重建提供了重要依据。

在技术方法层面，研究人员主要采用了以下关键技术：1）孢粉样品处理与鉴定：从伊拉克KH-5/1井、伊朗Dorud剖面、沙特阿拉伯战略探井及阿曼多个油田井中采集岩心样品，通过盐酸和氢氟酸处理有机残骸，利用Schulze's Solution和稀硝酸氧化，制备孢粉载片（样本来源包括伊拉克西部、伊朗西部、沙特阿拉伯北部及阿曼多个油田井）；2）古气候模拟：应用DDE平台的Earth Explorer工具，整合Li等人（2022）基于CESM1.2.2模型生成的55个古气候模拟快照数据，获取全球月表温度和降水分布（分辨率0.9°×1.25°）；3）古地理重建：基于Scotese和Wright（2018）的PaleoDEM数据，进行古纬度校正和古地理制图；4）孢粉地层学定年：利用标志性孢粉物种（如 monosaccate pollen、Spelaeotriletes triangulus、Converrucosisporites confluens）的首现和共存关系进行地层年代约束。

3.1. Serpukhovian to Bashkirian

该时期孢粉组合显示出明显的纬度分异：在古纬度约48°S的阿曼地区，组合以单囊花粉（monosaccate pollen）、Punctatisporites类简单孢子和具环瘤面孢子（cingulicamerate spores）（如Lundbladispora spp.、Densoisporites spp.）为主，常见Horriditriletes spp.、Cycadopites cymbatus和Microbaculispora spp.，反映寒冷气候条件。而在古纬度约34-38°S的沙特战略探井和伊拉克KH-5/1井，组合中出现了欧美煤带特征的孢型，如Vestispora fenestrata和Reticulatisporites polygonalis，表明年均温可能高于19°C。岩相证据支持这一分异：阿曼地区广泛发育冰碛岩、冰水沉积和坠石构造，而北部地区未见冰川沉积记录。

3.2. Comparison of assemblages across the NW-SE Serpukhovian/Bashkirian transect

沿西北-东南向 transect，孢粉组合差异显著：阿曼组合以单囊花粉和具环瘤面孢子为特征，而北部的战略探井和KH-5/1井组合则更相似，均含丰富的双囊花粉（bisaccate pollen）和Lundbladispora，且出现暖温带孢型。这种分异主要受古温度控制，而非古降水。

3.3. Gzhelian to early Sakmarian

该时期孢粉组合同样呈现纬度梯度：阿曼地区（古纬度46°S）以Converrucosisporites confluens、taeniate bisaccate pollen（具肋双囊花粉）、Microbaculispora spp.和Horriditriletes为主，具环瘤面孢子几乎消失，反映持续寒冷气候。沙特Jufarah-1井（古纬度41°S）仍含丰富的Lundbladispora和Densoisporites等具环瘤面孢子，表明相对较暖。伊朗Dorud组（古纬度30°S）则以单囊花粉（主要为Potonieisporites spp.）为主，并含海相疑源类（acritarchs），其浅海环境导致孢子含量低。

3.4. Comparison of assemblages across the Gzhelian to early Sakmarian transect

Jufarah-1井与阿曼组合在Microbaculispora、Horriditriletes和Converrucosisporites confluens方面相似，但具环瘤面孢子含量差异显著。Dorud组组合因海相环境而截然不同，以单囊花粉优势为特征。

4.1. Serpukhovian to Bashkirian

古气候模拟显示，阿曼地区年均温约5°C，而北部战略探井和KH-5/1井分别达19.5°C和20.5°C。寒冷气候标志分子——唇状三缝孢（cheilocardioid spores，包括Horriditriletes和Microbaculispora）和Cycadopites cymbatus仅分布于南部，其北界可能标示了冰川影响植被的边界。暖温带孢型（如Vestispora fenestrata）仅出现于年均温>19°C区域。

4.2. Gzhelian to early Sakmarian

模拟温度梯度更陡峭：阿曼地区年均温低至-3.6°C，Jufarah-1井为7.5°C，Dorud地区达20.7°C。具环瘤面孢子在Jufarah-1井丰富而在阿曼罕见，表明其母体植物虽耐寒但不耐受低于0°C的严寒。Dorud组合以单囊花粉为主，可能与海相环境导致的孢子传播效率低有关。

研究结论表明，阿拉伯半岛在晚石炭世至早二叠世处于冈瓦纳冰盖北缘，存在显著的陡峭气候梯度（南纬30°至50°）。两个时间切片均识别出寒冷的气候组合（以唇状三缝孢为主）和温暖的气候组合（含欧美煤带孢型）。具环瘤面孢子（如Lundbladispora）的母体植物虽具一定耐寒性，但可能无法耐受低于0°C的极端寒冷。古降水梯度较小，并非孢粉分异的主控因素。

该研究的重要意义在于：首次通过高分辨率古气候模拟与孢粉学证据结合，定量揭示了阿拉伯半岛北部的古温度梯度对植被分布的控制作用；明确了多个孢粉类型（如cheilocardioid spores、Vestispora fenestrata、cingulicamerate spores）的气候指示意义，为全球其他地区古气候重建提供了可靠指标；深化了对冰期-间冰期过渡阶段陆地生态系统响应模式的理解，为预测未来气候变化下的生物响应提供了深时类比。