提問：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：1000萬年！

提問：科研團隊通過多久得到答案？

回答：10年！

近日，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所科研團隊最新的研究發(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)可能都需要長達(dá)1000萬年的時間，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（圖片來源：作者提供）

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

電影《流浪地球》劇照

其實，在我們?nèi)祟惓霈F(xiàn)之前，類似的極端氣候事件（如極冷或極熱的氣候事件）在地球歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過多次，最著名的便是五次生物大滅絕事件（包括：6600萬年前恐龍的滅絕）。

顯生宙以來，地球上發(fā)生過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，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)時海洋中沉積的地層），綜合所有門類，海洋生態(tài)系統(tǒng)在二疊紀(jì)末生物大滅絕之后的800萬年至1000萬年，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)時淡水化石記錄和泥頁巖記錄十分缺少，因此關(guān)于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)時間和模式的研究較少。

直到近日，由中國科學(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隊”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，與長慶油田解古巍工程師等合作，基于科研團隊十年來的野外積累和室內(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1000萬年就完成了恢復(fù)。

團隊所研究的對象是鄂爾多斯盆地南緣三條富含油頁巖和凝灰?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，該科研團隊每年都會在此進行野外工作，挖掘化石，本次研究也是根據(jù)十年以來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（圖片來源：作者提供）

此次科研人員通過高精度的地層學(xué)、沉積學(xué)和古生物學(xué)研究，對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）進行了鋯石鈾-鉛（U-Pb）定年。最終，科研人員將湖相油頁巖底部年齡卡定在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（圖片來源：作者提供）

這樣的一個結(jié)論也確定了這套油頁巖是二疊紀(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了500萬年。

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（從低營養(yǎng)級到高營養(yǎng)級逐步恢復(fù)）的生物營養(yǎng)級。

正金字塔形生物營養(yǎng)級（開源圖片）

研究團隊在銅川組油頁巖中發(fā)現(xiàn)了較豐富的植物、介形蟲、葉肢介、鱟蟲、昆蟲、魚和魚糞等化石。其中，最大的螺旋狀魚糞化石長達(dá)77毫米，表明當(dāng)時湖泊中已存在體型較大的捕食性魚類?？蒲腥藛T通過對部分魚糞化石進行切片（你沒看錯，就是對便便化石進行切片），就在這個“便便化石”中，科研人員發(fā)現(xiàn)了雙翅目昆蟲的大顎。大顎的發(fā)現(xiàn)，是鄂爾多斯古湖泊中，魚類取食昆蟲幼蟲的直接證據(jù)。

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

這些化石研究表明，當(dāng)時的湖泊中已經(jīng)出現(xiàn)了復(fù)雜的食物網(wǎng)，其中，初級生產(chǎn)者為各種藻類；初級消費者主要是以藻類為食的介形蟲和昆蟲等動物；二級消費者包括各類水生肉食性昆蟲以及魚類等；頂級消費者則為大型的捕食性魚類。

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

在三疊紀(jì)最初的1000萬年內(nèi)，由于世界各地的陸相地層中普遍缺失煤層，因此這段時期也被稱為“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)油頁巖的出現(xiàn)時間建立了與海相生態(tài)系統(tǒng)復(fù)蘇相對應(yīng)的“油頁巖缺失帶”，與陸地上“煤層缺失帶”的時間相吻合（圖片來源：作者提供）

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

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)束時間相吻合，表明湖泊和森林生態(tài)系統(tǒng)可能通過生物、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，湖泊和森林生態(tài)系統(tǒng)可能都需要長達(dá)1000萬年的時間才能明顯恢復(fù)。

研究者推測，早三疊世炎熱的氣候會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養(yǎng)物質(zhì)，可能顯著提高了鄂爾多斯盆地古湖泊的初級生產(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了鄂爾多斯盆地古湖泊生態(tài)系統(tǒng)的繁盛。

最后，我們再次總結(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巖，是三疊紀(jì)最早的湖相油頁巖沉積，距今2.42 億年，比之前的記錄早了500萬年。

    

2. 此次發(fā)現(xiàn)的多門類生物化石展現(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)類型。

    

3. 同位素年代學(xué)和地層學(xué)的研究結(jié)果，為精時地層對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1000萬年。

    

5. 科研人員推測，全球溫度降低和火山灰養(yǎng)分輸入，可能共同促進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日在線發(fā)表于國際知名期刊《地質(zhì)學(xué)》（Geology），相關(guān)研究工作由中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委共同資助。

本文由中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）“關(guān)鍵地史時期生物與環(huán)境演變過程及其機制”項目支持。