鉆進(jìn)地下，深“扒”野火和生物滅絕間千絲萬(wàn)縷的關(guān)系

北半球的盛夏，在高溫和大風(fēng)影響下，希臘、意大利、美國(guó)加州等地區(qū)相繼燃起熊熊山火。這種難以控制的野火是生態(tài)體系中的重要環(huán)節(jié)，但其強(qiáng)度到達(dá)一定程度后會(huì)造成嚴(yán)重的后果，從地球演化的漫長(zhǎng)歷史上來(lái)看，甚至間接導(dǎo)致過(guò)二疊紀(jì)－三疊紀(jì)的生物大滅絕！

也許你會(huì)驚訝，這一結(jié)論是如何得出的？畢竟那個(gè)時(shí)候連恐龍都還沒(méi)有呢！其實(shí)，野火燒過(guò)的痕跡就算是埋了幾億年，科學(xué)家們還是能扒出些蛛絲馬跡。

野火的角色，不完全是反派

野火（wildfire），又稱山火、林火，是指發(fā)生在荒原、山地、森林等地區(qū)的以植被為主要燃料的自然大火。自志留紀(jì)陸地上出現(xiàn)植物以來(lái)，野火就一直存在并伴生于陸地生態(tài)系統(tǒng)中?，F(xiàn)今地球每年約有3%的陸表面積正在經(jīng)歷大火，它代表了陸地和大氣的物質(zhì)能量交換非常重要的一環(huán)。

圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)

野火的存在受控于諸多自然條件（地表植被、空氣氧含量、干濕季節(jié)等），但是反過(guò)來(lái)它也是陸地生態(tài)系統(tǒng)乃至整個(gè)地球系統(tǒng)的重要擾動(dòng)力，是自然環(huán)境非常重要的組成部分。

大規(guī)模的野火事件不僅以高溫和烈焰直接殺死大量生物，還產(chǎn)生多種有毒物質(zhì)對(duì)生物產(chǎn)生間接影響。同時(shí)，野火活動(dòng)排放出大量CO2、SO2等氣體及氣溶膠，使得大氣成分發(fā)生改變，在一定程度上影響整個(gè)區(qū)域的溫度和氣候條件。

野火活動(dòng)還會(huì)破壞地表植被，影響地表徑流甚至導(dǎo)致水土流失。這些野火活動(dòng)產(chǎn)生的各方面影響極大地促進(jìn)了地球系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和元素循環(huán)，而這與生物的演化進(jìn)程有密不可分的關(guān)聯(lián)。

野火活動(dòng)對(duì)地球物理進(jìn)程和生物進(jìn)程的影響，引自（Archibald等，2018）

兩億多年前的一把火，熊熊火光照亮了我

讓我們回到2.514億年以前。自寒武紀(jì)生命大爆發(fā)以來(lái)，二疊紀(jì)－三疊紀(jì)（P-T）之交的生物滅絕是地質(zhì)歷史中最大的一次生物滅絕事件，這一事件使得海洋里95%的物種、陸地上約75%的脊椎動(dòng)物和大部分的陸生植物快速滅亡。舊的海陸生態(tài)系統(tǒng)幾乎崩潰，全球生物組成和生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了永久性的變化。

這場(chǎng)生物滅絕事件也吸引了無(wú)數(shù)學(xué)者的目光。長(zhǎng)期以來(lái)，全球眾多學(xué)者從多學(xué)科角度出發(fā)，對(duì)各地二疊－三疊紀(jì)界線附近的地層開展綜合深入的研究?？偟膩?lái)說(shuō)，此次史上最大規(guī)模的滅絕事件應(yīng)是在多種因素耦合或先后迸發(fā)、全球生態(tài)系統(tǒng)幾乎崩潰時(shí)發(fā)生的，至于各因素間的關(guān)聯(lián)性，尚有待探索。

野火是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要擾動(dòng)力（來(lái)源：veer圖庫(kù)）

近年來(lái)關(guān)于陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)該事件響應(yīng)的研究逐步成為焦點(diǎn)，已有越來(lái)越多的證據(jù)表明晚二疊世全球范圍內(nèi)曾頻繁發(fā)生重大的野火事件。

如何判斷遙遠(yuǎn)的晚二疊紀(jì)發(fā)生過(guò)野火呢？其實(shí)，野火會(huì)留下自己的足跡。古代野火在地層中的殘留物和識(shí)別標(biāo)志主要有炭屑、碳黑、燃燒源多環(huán)芳烴以及木化石年輪中的火焰疤痕等，其中炭屑最為普遍也最為重要。炭屑是生物材料（包括動(dòng)物和植物體）在缺氧條件下不完全燃燒形成的產(chǎn)物。研究炭屑可以為陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣圈的演化提供佐證。

首先，炭屑在沉積物中的發(fā)現(xiàn)是曾經(jīng)發(fā)生過(guò)野火的最直接證據(jù)。在沉積環(huán)境不變的情況下，炭屑含量越高可以對(duì)應(yīng)地認(rèn)為野火強(qiáng)度越大。

其次，炭屑的反射率統(tǒng)計(jì)能夠反映當(dāng)時(shí)的燃燒溫度和野火類型（地表火、林冠火和地下火），進(jìn)而對(duì)之前植被覆蓋等情況提供一些證據(jù)。

同時(shí)，炭屑保存的解剖結(jié)構(gòu)也能提供植物系統(tǒng)分類的相關(guān)信息，這對(duì)補(bǔ)充當(dāng)時(shí)生態(tài)系統(tǒng)的植物組成信息具有重大潛力。

此外，炭屑含量在某一沉積序列中的變化亦能夠反映出氣候環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的整體變化趨勢(shì)。

來(lái)新疆貴州看看遠(yuǎn)古野火的足跡

當(dāng)前已發(fā)表的關(guān)于晚古生代野火事件的證據(jù)遍布全球，涵蓋范圍包括澳大利亞、歐洲、加拿大、巴西、印度，甚至南極洲。

我國(guó)關(guān)于這方面的報(bào)道亦不在少數(shù)，華北、西南和西北地區(qū)都有記錄。然而，以往的研究均較籠統(tǒng)，針對(duì)晚二疊世野火事件詳細(xì)的機(jī)制變化及其背后的原因，以及對(duì)二疊紀(jì)末陸地生態(tài)系統(tǒng)具體的影響過(guò)程等系統(tǒng)研究略顯不足。

近期，中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所晚古生代團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)、云南大學(xué)的合作者，就深入探索該時(shí)期野火事件對(duì)植被的演替過(guò)程和陸地生態(tài)系統(tǒng)崩潰的影響，對(duì)中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū)大龍口剖面和貴州省西部冷清溝剖面二疊系-三疊系之交的炭屑化石及有機(jī)碳同位素等開展了詳細(xì)研究，進(jìn)一步證明了野火事件與二疊紀(jì)-三疊紀(jì)生物大滅絕的關(guān)聯(lián)。

1.新疆維吾爾自治區(qū)大龍口剖面

大龍口剖面具不同解剖結(jié)構(gòu)的炭屑化石掃描電鏡圖像（來(lái)源：南京古生物所）

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，大龍口剖面鍋底坑組（編者注：該沉積序列主體屬晚二疊世晚期，分布于新疆烏魯木齊附近）中下部具有豐富的炭屑層位，且由底至頂炭屑豐度增加，證明野火事件在該地區(qū)晚二疊世頻繁發(fā)生并有愈演愈烈的趨勢(shì)。

在鍋底坑組上部，野火機(jī)制發(fā)生了顯著變化，表現(xiàn)為炭屑最高反射率的驟然下降和林冠火的缺失。這一現(xiàn)象反映出當(dāng)時(shí)陸地植被系統(tǒng)的崩潰狀態(tài)，對(duì)野火而言則代表了植物燃料在該階段的極度匱乏。

鍋底坑組中上部角質(zhì)層富集層的研究成果，證明了在晚二疊世，大龍口地區(qū)存在大量松柏類植物，這極大地豐富了這一區(qū)域晚二疊世植物組成信息。

而到了韭菜園組（編者注：屬早三疊世早期）下部，角質(zhì)層證據(jù)顯示植物組成明顯變少，植物種類也發(fā)生了變化。

不同種類的炭屑在地層中的分布、植物角質(zhì)層類型的變化，以及前人的孢粉證據(jù)均支持了研究人員的猜測(cè)，即在鍋底坑組上部植被系統(tǒng)曾發(fā)生去森林化現(xiàn)象，而野火事件可能是導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生的直接原因。

有機(jī)碳同位素組成的變化、指示火山活動(dòng)的汞元素含量與炭屑豐度三者之間的耦合表明：火山活動(dòng)可能是碳同位素組成變化和野火事件發(fā)生的深層驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)野火事件導(dǎo)致的同位素分餾（編者注：某元素的同位素在物理、化學(xué)、生物等反應(yīng)過(guò)程中以不同比例分配于不同物質(zhì)之中的現(xiàn)象）和埋藏也可能進(jìn)一步影響有機(jī)碳同位素組成的變化。

大龍口剖面有機(jī)碳同位素、Hg/TOC值、孢粉類型和豐度、炭屑豐度、反射率和不同種類炭屑在地層中的變化（來(lái)源：南京古生物所）

2.貴州省西部冷清溝剖面

在冷清溝剖面地層中，炭屑在宣威組上部（編者注：屬晚二疊世）頻繁出現(xiàn)，且反射率高、種類多樣；而在之上的卡以頭組，炭屑的反射率顯著降低，同時(shí)伴隨著種類的減少。這些現(xiàn)象表明兩組野火燃料存在差異，野火類型亦由高溫的林冠火轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐牡乇砘稹＿@一結(jié)果支持了前人關(guān)于植被系統(tǒng)從宣威組的熱帶雨林到卡以頭組濱海草地演替的觀點(diǎn)。

冷清溝剖面具不同解剖結(jié)構(gòu)的炭屑化石掃描電鏡圖像（來(lái)源：南京古生物所）

此外，宣威組頂部的煤層中存在一層顯著的火山灰。研究人員通過(guò)進(jìn)一步詳細(xì)采樣分析，發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳同位素組成和炭屑豐度在該火山灰層前后發(fā)生了急劇的變化，表現(xiàn)為碳同位素組成出現(xiàn)4.08‰的負(fù)漂，并伴隨炭屑豐度驟減。

這一研究結(jié)果也進(jìn)一步證明火山活動(dòng)驅(qū)使了野火事件強(qiáng)度的增加。野火在該時(shí)期對(duì)植被的干擾和影響到達(dá)頂峰，并在短時(shí)間內(nèi)快速摧毀了原有的陸地植被系統(tǒng)，促進(jìn)了西南地區(qū)植被系統(tǒng)在二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交從熱帶雨林到濱海草地的演替。

冷清溝剖面的有機(jī)碳同位素、炭屑豐度和不同種類炭屑在地層中的變化（來(lái)源：南京古生物所）

通過(guò)對(duì)比新疆大龍口剖面和貴州冷清溝剖面的野火事件變化，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)兩者存在高度相似性，即剖面從下至上野火強(qiáng)度先增強(qiáng)，隨后發(fā)生顯著的機(jī)制變化——即從林冠火到極度貧乏的地表火。同時(shí)，剖面火山活動(dòng)的證據(jù)均與這一野火的變化相對(duì)應(yīng)。表明野火活動(dòng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)在二疊紀(jì)末的協(xié)同變化模式可能是全球性的。

所以總的來(lái)說(shuō)，在晚二疊世全球干旱的趨勢(shì)下，高強(qiáng)度頻發(fā)的野火事件直接加重了陸地生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致植被系統(tǒng)逐漸衰退或結(jié)構(gòu)改變。而后某一突發(fā)性災(zāi)難（在華南可能為近距離劇烈的火山活動(dòng)直接點(diǎn)燃植被，在新疆可能是全球火山活動(dòng)間接影響）使得氣候在短時(shí)間內(nèi)急劇干旱，最終導(dǎo)致野火強(qiáng)度陡然增加，徹底擊垮了原有的植被系統(tǒng)，使得陸地生態(tài)系統(tǒng)徹底崩潰。之后野火活動(dòng)便因失去燃料進(jìn)入了貧乏期，直到植被系統(tǒng)的逐漸復(fù)蘇。

結(jié)語(yǔ)

從這項(xiàng)關(guān)于野火的研究中我們可以看到，掩埋在地底的炭屑，能夠還原早在人類出現(xiàn)前的地球面貌，今天的我們似乎能夠感受到干熱的風(fēng)正從那個(gè)浩渺的過(guò)去吹來(lái)，靠的就是學(xué)者們一絲不茍地探索與發(fā)現(xiàn)。

如今，地球的氣候同樣在進(jìn)行著悄無(wú)聲息的演變，人類的力量在大自然面前終究是渺小微弱的，但盡吾所能去維護(hù)人類社會(huì)與地球環(huán)境的和諧關(guān)系，才有可能改寫全球變暖的軌跡，讓人類與自然早日達(dá)成和解。

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作者： 蔡垚峰 劉蕓

單位：中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所

文章首發(fā)于科學(xué)大院，僅代表作者觀點(diǎn)，不代表科學(xué)大院立場(chǎng)。

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