提問(wèn)：在顯生宙最大的生物滅絕事件之后，湖泊和森林生態(tài)系統(tǒng)需要多久才能明顯恢復(fù)？

回答：1000萬(wàn)年！

提問(wèn)：科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)多久得到答案？

回答：10年！

近日，中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所科研團(tuán)隊(duì)最新的研究發(fā)現(xiàn)，在顯生宙最大的生物滅絕事件——二疊紀(jì)末生物大滅絕事件之后，湖泊和森林生態(tài)系統(tǒng)可能都需要長(zhǎng)達(dá)1000萬(wàn)年的時(shí)間，才能得到明顯恢復(fù)，相關(guān)研究論文發(fā)表在《地質(zhì)學(xué)》（Geology）上（戳“閱讀原文”看論文~）。

論文截圖（圖片來(lái)源：作者提供）

國(guó)產(chǎn)科幻大片《流浪地球》，這部電影講述了未來(lái)太陽(yáng)急速衰老膨脹，地球上到處都是冰封。

電影《流浪地球》劇照

其實(shí)，在我們?nèi)祟?lèi)出現(xiàn)之前，類(lèi)似的極端氣候事件（如極冷或極熱的氣候事件）在地球歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)多次，最著名的便是五次生物大滅絕事件（包括：6600萬(wàn)年前恐龍的滅絕）。

顯生宙以來(lái)，地球上發(fā)生過(guò)的這五次生物大滅絕事件中，發(fā)生在2.52億年前的二疊紀(jì)末生物大滅絕事件，被譽(yù)為是顯生宙最大的生物滅絕事件。

顯生宙五次大滅絕，改自Sepkoski, 1996

那時(shí)，地球上是極度炎熱。學(xué)界普遍認(rèn)為這次大滅絕事件是由西伯利亞大火成巖省的爆發(fā)，造成連鎖反應(yīng)導(dǎo)致的。

隨著大量的二氧化碳被注入到空氣中，導(dǎo)致全球變暖和酸雨的產(chǎn)生，酸雨殺死了陸地上的植物，使得陸地上發(fā)生了大規(guī)模的侵蝕作用。這次大滅絕造成約80%的海洋生物，和約75%的陸地生物在數(shù)萬(wàn)年內(nèi)迅速滅亡。此后，地球上演化發(fā)展出了一直持續(xù)至今的現(xiàn)代生物群。

在大滅絕后，全球氣候逐漸回歸正常，地球上的生態(tài)系統(tǒng)也逐漸復(fù)蘇到繁盛的狀態(tài)。那么生態(tài)系統(tǒng)復(fù)蘇用了多久呢？

目前關(guān)于二疊紀(jì)末生物大滅絕后生態(tài)系統(tǒng)復(fù)蘇的研究，主要集中于海相地層（當(dāng)時(shí)海洋中沉積的地層），綜合所有門(mén)類(lèi)，海洋生態(tài)系統(tǒng)在二疊紀(jì)末生物大滅絕之后的800萬(wàn)年至1000萬(wàn)年，才取得了明顯的恢復(fù)，并且在三疊紀(jì)晚期仍在繼續(xù)進(jìn)行恢復(fù)。

由于三疊紀(jì)早期全球性的高溫和高蒸發(fā)率，陸相沉積物主要以河流相的砂礫巖為主。造成了當(dāng)時(shí)淡水化石記錄和泥頁(yè)巖記錄十分缺少，因此關(guān)于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間和模式的研究較少。

直到近日，由中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所“現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)起源與早期演化研究團(tuán)隊(duì)”的研究生趙向東和鄭大燃博士在王博研究員和張海春研究員的指導(dǎo)下，與長(zhǎng)慶油田解古巍工程師等合作，基于科研團(tuán)隊(duì)十年來(lái)的野外積累和室內(nèi)分析工作，提出二疊紀(jì)末大滅絕之后湖泊以及森林生態(tài)系統(tǒng)最多用時(shí)1000萬(wàn)年就完成了恢復(fù)。

團(tuán)隊(duì)所研究的對(duì)象是鄂爾多斯盆地南緣三條富含油頁(yè)巖和凝灰?guī)r的剖面（霸王莊、馬莊和衣食村），位于陜西銅川，這十年以來(lái)，該科研團(tuán)隊(duì)每年都會(huì)在此進(jìn)行野外工作，挖掘化石，本次研究也是根據(jù)十年以來(lái)科研人員的野外積累所得出的結(jié)論。

銅川地區(qū)野外照片（圖片來(lái)源：作者提供）

此次科研人員通過(guò)高精度的地層學(xué)、沉積學(xué)和古生物學(xué)研究，對(duì)剖面中采集的火山源的樣品（凝灰?guī)r、火山灰、凝灰質(zhì)砂巖）進(jìn)行了鋯石鈾-鉛（U-Pb）定年。最終，科研人員將湖相油頁(yè)巖底部年齡卡定在2.42億年左右，歸于中三疊統(tǒng)銅川組。

研究區(qū)域代表巖性和定年層位照片（圖片來(lái)源：作者提供）

這樣的一個(gè)結(jié)論也確定了這套油頁(yè)巖是二疊紀(jì)末生物大滅絕之后已知最早的深湖相沉積，比之前的記錄向前推進(jìn)了500萬(wàn)年。

科研人員還發(fā)現(xiàn)，在三疊紀(jì)中期，海洋生態(tài)系統(tǒng)中存在健全的、正金字塔形（從低營(yíng)養(yǎng)級(jí)到高營(yíng)養(yǎng)級(jí)逐步恢復(fù)）的生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)。

正金字塔形生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)（開(kāi)源圖片）

研究團(tuán)隊(duì)在銅川組油頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)了較豐富的植物、介形蟲(chóng)、葉肢介、鱟蟲(chóng)、昆蟲(chóng)、魚(yú)和魚(yú)糞等化石。其中，最大的螺旋狀魚(yú)糞化石長(zhǎng)達(dá)77毫米，表明當(dāng)時(shí)湖泊中已存在體型較大的捕食性魚(yú)類(lèi)?？蒲腥藛T通過(guò)對(duì)部分魚(yú)糞化石進(jìn)行切片（你沒(méi)看錯(cuò)，就是對(duì)便便化石進(jìn)行切片），就在這個(gè)“便便化石”中，科研人員發(fā)現(xiàn)了雙翅目昆蟲(chóng)的大顎。大顎的發(fā)現(xiàn)，是鄂爾多斯古湖泊中，魚(yú)類(lèi)取食昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)的直接證據(jù)。

剖面產(chǎn)出的各類(lèi)代表性化石。A-C, 魚(yú)糞；D-E，魚(yú)糞切片；F和G，甲蟲(chóng)；H，魚(yú)；I，介形蟲(chóng)；J，鱟蟲(chóng)。（圖片來(lái)源：作者提供）

這些化石研究表明，當(dāng)時(shí)的湖泊中已經(jīng)出現(xiàn)了復(fù)雜的食物網(wǎng)，其中，初級(jí)生產(chǎn)者為各種藻類(lèi)；初級(jí)消費(fèi)者主要是以藻類(lèi)為食的介形蟲(chóng)和昆蟲(chóng)等動(dòng)物；二級(jí)消費(fèi)者包括各類(lèi)水生肉食性昆蟲(chóng)以及魚(yú)類(lèi)等；頂級(jí)消費(fèi)者則為大型的捕食性魚(yú)類(lèi)。

這種生態(tài)類(lèi)型與古生代湖泊中雙翅目幼蟲(chóng)普遍缺失和水生甲蟲(chóng)稀少的情況明顯不同，代表了一個(gè)典型的中生代湖泊生態(tài)系統(tǒng)。

在三疊紀(jì)最初的1000萬(wàn)年內(nèi)，由于世界各地的陸相地層中普遍缺失煤層，因此這段時(shí)期也被稱(chēng)為“煤層缺失期”（Coal Gap）。通常認(rèn)為，中三疊世煤層的再次出現(xiàn)代表了大滅絕后森林生態(tài)系統(tǒng)的明顯恢復(fù)。

依據(jù)油頁(yè)巖的出現(xiàn)時(shí)間建立了與海相生態(tài)系統(tǒng)復(fù)蘇相對(duì)應(yīng)的“油頁(yè)巖缺失帶”，與陸地上“煤層缺失帶”的時(shí)間相吻合（圖片來(lái)源：作者提供）

在鄂爾多斯盆地，已知最古老的三疊系煤層產(chǎn)出自二馬營(yíng)組的最上部，其年齡略老于銅川組油頁(yè)巖的年齡。

這樣的研究結(jié)果表明，復(fù)雜湖泊生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)蘇與“煤層缺失期”的結(jié)束時(shí)間相吻合，表明湖泊和森林生態(tài)系統(tǒng)可能通過(guò)生物、物理和化學(xué)等作用緊密聯(lián)系在一起。

因此，科研人員推測(cè)，湖泊和森林生態(tài)系統(tǒng)可能都需要長(zhǎng)達(dá)1000萬(wàn)年的時(shí)間才能明顯恢復(fù)。

研究者推測(cè)，早三疊世炎熱的氣候會(huì)限制湖泊中的溶解氧含量，從而阻礙了生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)蘇。然而，在安尼期海洋中，碳埋藏的大量增加則可能會(huì)導(dǎo)致大氣CO₂含量下降和全球降溫，從而改善了湖泊的生態(tài)條件。

此外，火山灰給湖泊帶入豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可能顯著提高了鄂爾多斯盆地古湖泊的初級(jí)生產(chǎn)力。因此，全球溫度降低和火山灰養(yǎng)分輸入可能共同促進(jìn)了鄂爾多斯盆地古湖泊生態(tài)系統(tǒng)的繁盛。

最后，我們?cè)俅慰偨Y(jié)一下，本次科研成果的科學(xué)意義：

1. 這套位于鄂爾多斯盆地銅川組油頁(yè)巖，是三疊紀(jì)最早的湖相油頁(yè)巖沉積，距今2.42 億年，比之前的記錄早了500萬(wàn)年。

    

2. 此次發(fā)現(xiàn)的多門(mén)類(lèi)生物化石展現(xiàn)出了三疊紀(jì)最早的復(fù)雜湖泊生態(tài)系統(tǒng)，且該生態(tài)系統(tǒng)是典型的中生代生態(tài)類(lèi)型。

    

3. 同位素年代學(xué)和地層學(xué)的研究結(jié)果，為精時(shí)地層對(duì)比和油氣資源勘探提供了新的定年和化石證據(jù)。

    

4. 由于湖泊、森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)蘇可能具有耦合聯(lián)系，因而，湖泊生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)最多用時(shí)1000萬(wàn)年。

    

5. 科研人員推測(cè)，全球溫度降低和火山灰養(yǎng)分輸入，可能共同促進(jìn)了鄂爾多斯盆地古湖泊生態(tài)系統(tǒng)的繁盛。

相關(guān)成果于2020年3月31日在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際知名期刊《地質(zhì)學(xué)》（Geology），相關(guān)研究工作由中國(guó)科學(xué)院和國(guó)家自然科學(xué)基金委共同資助。

本文由中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)）“關(guān)鍵地史時(shí)期生物與環(huán)境演變過(guò)程及其機(jī)制”項(xiàng)目支持。