科研进展
大陆风化作用增强诱发泥盆纪末生态危机
2023-06-28
中、晚泥盆世，随着森林系统和种子植物的出现，复杂陆地生态系统得以建立，形成了地球生命演化史中继生命起源、寒武纪海洋生物大爆发之后的一次重要生物演化事件，并对地球表层系统产生重要影响。
陆地植物通过增强岩石与矿物的物理与化学风化，增加有机碳储库和促进水循环，逐渐改变大陆地形地貌、地表元素循环过程和海洋沉积物类型，最终引发一系列的气候与海洋环境变化，如气候变冷、海水富营养化和死亡地带增加等。但早期陆地植物演化是否曾导致大陆风化作用的显著增强，以及能否对地球表层实现快速而大幅度地改造，引发诸多争论。
泥盆纪-石炭纪之交是地质历史演化关键转折期之一，随着种子植物起源与多样化，大气二氧化碳分压（pCO2）急剧下降，全球气候变冷，海洋碳-氮循环异常，海水发生大范围缺氧，同时发生显生宙以来最大的生物灭绝事件之一，即泥盆纪末Hangenberg生物灭绝事件。
这次集群灭绝事件具有“瞬时性”和多幕式特点，持续时间为10-30万年，以短时间内极高的生物灭绝率为特征，最终导致海洋生物属一级的灭绝率达50%，层孔虫后生动物生物礁彻底消亡和盾皮鱼类灭绝。与此同时，这次事件还对应晚古生代最早的冰川记录和“温室地球”向“冰室地球”的关键转折，为研究地史时期极端气候环境条件下的陆地-海洋、生物-环境相互作用提供了重要研究实例。
关于该事件的诱因和机制，前人曾提出多种假说，如海洋缺氧、气候变冷、海平面快速升降、火山喷发以及多种环境因素综合作用等。部分学者则提出“泥盆纪植物假说”，即泥盆纪晚期陆地森林的大量出现和植物根系的发育，促进陆表风化作用和成土作用，改变地表径流及元素循环，大量营养元素的涌入导致海洋表层菌藻类繁盛、海水缺氧，最终导致海洋生态系统的崩溃。然而，这一复杂的海-陆-气相互作用目前还停留在假说阶段，究其原因，该假说缺失大陆硅酸盐风化增强、营养盐供应增大这关键一环的实质证据。
近日，中国科学院南京地质古生物研究所研究员郄文昆、助理研究员张俊鹏等与中国地质大学（武汉）、南京大学、美国辛辛那提大学以及英国伦敦大学学院等高校科研人员开展合作，对我国四川龙门山泥盆系-石炭系界线剖面开展系统的地层学、沉积学和地球化学综合研究。研究重建了这一时期大陆风化作用、古海洋溶解磷酸盐含量与碳循环的动态变化，并为“泥盆纪植物假说”提供关键的地质证据和模型结果支撑，相关成果于2023年6月发表在国际地学自然指数期刊《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters）上。
四川龙门山剖面保存了全球为数不多的、完整且连续的浅海相泥盆系-石炭系界线碳酸盐岩序列。研究人员应用Pearson相关性分析，依次排除岩性变化、陆源粘土矿物输入与成岩作用的影响，证实碳酸盐岩锂同位素δ7Li在事件层位呈现~8‰的负向漂移，碳酸盐结合态磷酸盐（Carbonate-Associated Phosphate，简称CAP）、δ13Ccarb和δ13Corg记录亦同步呈现出相应的变化特征，表明海洋锂循环发生异常、海洋溶解磷酸盐含量快速上升和陆源轻碳的大量输入（图1）。
海洋锂-碳循环耦合模型进一步表明：1）单一的热液和河流输入通量变化无法引起δ7Li这一显著变化，前者的通量发生明显变化的时间尺度通常在5-10个百万年，因此河流输入通量和河水同位素组成必须同时发生变化（图2）；2）δ7Li和碳酸盐结合态磷酸盐记录揭示泥盆纪-石炭纪之交大陆风化作用显著增强，且表现出两幕式变化特征，即事件发生前的10万年，河流锂通量初步增加，海洋磷酸盐含量逐步升高，而Lower Hangenberg事件期间，河流锂通量大幅度增加，海洋磷酸盐含量大幅度上升，锂循环模型显示方案III（δ7Liriv=6‰，τ=0.25×present, F=2×Friv+4×Friv）更符合现有的地质记录（图2）；3）δ13Ccarb在Hangenberg事件之前与Lower Hangenberg事件层位表现为负向偏移特征，在Upper Hangenberg事件层位则表现出约4.5‰的正向偏移，代表显生宙以来最大碳同位素偏移事件之一（图3）。碳循环模型显示随着河流陆源输入增强，碳同位素表现出负向偏移，其后随着营养元素水平提高，初级生产力提高和海洋有机碳的大量埋藏，δ13Ccarb最终在Upper Hangenberg事件层位表现出显著的正向偏移特征。
本研究表明，早在人类活动诞生之前的3.58亿年前，地球生命（植物）演化已经在十万年时间尺度上对地球表层系统产生了重大的、不可逆的影响（“移天换地”，改变大气圈组成，促进土壤圈成型，形成现代意义上的地球关键带）。作为显生宙以来海洋中最大生物集群灭绝事件之一的Hangenberg事件，不过是泥盆纪晚期种子植物向大陆内部快速“入侵”过程中产生的附带伤害，体现了陆地植物登陆后地球表层复杂的陆-海-气相互作用。
本项研究受国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、留学基金委以及欧洲研究理事会（ERC）项目资助。其中，锂同位素、无机碳同位素和主微量元素分析得到南京古生物所公共技术实验中心、英国伦敦城市学院（UCL）地学系LOGIC实验室的支持；碳酸盐岩CAP测试得到李超教授团队生物地球化学实验室的支持。
论文引文信息：Qie, W.K.*, Zhang, J.P.*, Luo, G., Algeo, T.J., Chen, B., Xiang, L., Liang, K., Liu, X.Y., Pogge von Strandmann, P.A.E., Chen, J.T., Wang, X.D., 2023. Enhanced Continental Weathering as a Trigger for the End‐Devonian Hangenberg Crisis. Geophysical Research Letters 50, e2022GL102640. https://doi.org/10.1029/2022gl102640.
图1 四川龙门山泥盆系-石炭系界线剖面δ13Ccarb和δ13Corg记录、CAP含量和δ7Li记录
图2 泥盆纪-石炭纪之交海洋碳-锂循环模拟结果
图3 中泥盆世-早石炭亚纪陆地种子植物丰富度、气候环境与地化指标综合对比图
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