研究揭示大陸風化作用增強誘發泥盆紀末生態危機

　　中、晚泥盆世，隨著森林系統和種子植物的出現，復雜陸地生態系統得以建立，形成了地球生命演化史中繼生命起源、寒武紀海洋生物大爆發之后的一次重要生物演化事件，并對地球表層系統產生重要影響。

　　陸地植物通過增強巖石與礦物的物理與化學風化，增加有機碳儲庫和促進水循環，逐漸改變大陸地形地貌、地表元素循環過程和海洋沉積物類型，最終引發一系列的氣候與海洋環境變化，如氣候變冷、海水富營養化和死亡地帶增加等。然而，早期陸地植物演化是否曾導致大陸風化作用的顯著增強，以及能否對地球表層實現快速而大幅度地改造，引發爭論。

　　泥盆紀-石炭紀之交是地質歷史演化關鍵轉折期之一。隨著種子植物起源與多樣化，大氣二氧化碳分壓（pCO2）急劇下降，全球氣候變冷，海洋碳-氮循環異常，海水發生大范圍缺氧，同時發生顯生宙以來最大的生物滅絕事件之一，即泥盆紀末Hangenberg生物滅絕事件。

　　這次集群滅絕事件具有“瞬時性”和多幕式特點，持續時間為10-30萬年，以短時間內極高的生物滅絕率為特征，最終導致海洋生物屬一級的滅絕率達50%，層孔蟲后生動物生物礁徹底消亡和盾皮魚類滅絕。同時，這次事件對應晚古生代最早的冰川記錄和“溫室地球”向“冰室地球”的關鍵轉折，為探索地史時期極端氣候環境條件下的陸地-海洋、生物-環境相互作用提供了重要研究實例。

　　關于該事件的誘因和機制，前人曾提出多種假說，如海洋缺氧、氣候變冷、海平面快速升降、火山噴發以及多種環境因素綜合作用等。部分學者則提出“泥盆紀植物假說”，即泥盆紀晚期陸地森林的大量出現和植物根系的發育，促進陸表風化作用和成土作用，改變地表徑流及元素循環，大量營養元素的涌入導致海洋表層菌藻類繁盛、海水缺氧，最終導致海洋生態系統的崩潰。然而，這一復雜的海-陸-氣相互作用目前停留在假說階段。究其原因，該假說缺失大陸硅酸鹽風化增強、營養鹽供應增大這一關鍵一環的實質證據。

　　近日，中國科學院南京地質古生物研究所研究員郄文昆、助理研究員張俊鵬等，與中國地質大學（武漢）、南京大學、美國辛辛那提大學和英國倫敦大學學院等合作，對我國四川龍門山泥盆系-石炭系界線剖面開展系統的地層學、沉積學和地球化學綜合研究。研究重建了這一時期大陸風化作用、古海洋溶解磷酸鹽含量與碳循環的動態變化，并為“泥盆紀植物假說”提供關鍵的地質證據和模型結果支撐。相關研究成果發表在《地球物理研究通訊》（Geophysical Research Letters）上。

　　四川龍門山剖面保存了全球為數不多的、完整且連續的淺海相泥盆系-石炭系界線碳酸鹽巖序列。研究人員應用Pearson相關性分析，依次排除巖性變化、陸源粘土礦物輸入與成巖作用的影響，證實碳酸鹽巖鋰同位素δ7Li在事件層位呈現~8‰的負向漂移，同時碳酸鹽結合態磷酸鹽（Carbonate-Associated Phosphate，CAP）、δ13Ccarb和δ13Corg記錄亦同步呈現出相應的變化特征，表明海洋鋰循環發生異常、海洋溶解磷酸鹽含量快速上升和陸源輕碳的大量輸入（圖1）。

　　海洋鋰-碳循環耦合模型進一步表明：單一的熱液和河流輸入通量變化無法引起δ7Li這一顯著變化，而前者的通量發生明顯變化的時間尺度通常在5-10個百萬年，因此河流輸入通量和河水同位素組成必須同時發生變化（圖2）；δ7Li和碳酸鹽結合態磷酸鹽記錄揭示泥盆紀-石炭紀之交大陸風化作用顯著增強，且表現出兩幕式變化特征，即事件發生前的10萬年，河流鋰通量初步增加，海洋磷酸鹽含量逐步升高，而Lower Hangenberg事件期間，河流鋰通量大幅度增加，海洋磷酸鹽含量大幅度上升，鋰循環模型顯示方案III（δ7Liriv=6‰，τ=0.25×present, F=2×Friv+4×Friv）更符合現有的地質記錄（圖2）；δ13Ccarb在Hangenberg事件之前與Lower Hangenberg事件層位表現為負向偏移特征，在Upper Hangenberg事件層位則表現出約4.5‰的正向偏移，代表顯生宙以來最大碳同位素偏移事件之一（圖3）。碳循環模型顯示隨著河流陸源輸入增強，碳同位素表現出負向偏移，其后隨著營養元素水平提高，初級生產力提高和海洋有機碳的大量埋藏，δ13Ccarb最終在Upper Hangenberg事件層位表現出顯著的正向偏移特征。

　　研究表明，早在人類活動誕生之前的3.58億年前，地球生命（植物）演化已在十萬年時間尺度上對地球表層系統產生了重大的、不可逆的影響（“移天換地”，改變大氣圈組成，促進土壤圈成型，形成現代意義上的地球關鍵帶）。作為顯生宙以來海洋中最大生物集群滅絕事件之一的Hangenberg事件，不過是泥盆紀晚期種子植物向大陸內部快速“入侵”過程中產生的附帶傷害，體現了陸地植物登陸后地球表層復雜的陸-海-氣相互作用。

　　研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院、國家留學基金管理委員會及歐洲研究理事會的支持。