中国北方和南方二叠纪末期陆地危机的不同步性
二叠纪-三叠纪之交的陆地生态系统危机
学术背景
二叠纪-三叠纪之交（约2.52亿年前）是地球历史上最严重的生物大灭绝事件之一，不仅对海洋生态系统造成了毁灭性打击，也对陆地生态系统产生了深远影响。尽管科学家们普遍认为这一事件与西伯利亚大火成岩省的大规模火山活动有关，但关于陆地生态系统危机的具体机制和时间进程仍存在诸多争议。特别是，不同地区的陆地生态系统危机是否同步发生，以及气候变化如何驱动这些危机，仍然是未解之谜。
为了回答这些问题，来自中国地质大学、德克萨斯大学阿灵顿分校、利兹大学和加拿大自然资源部等机构的研究团队开展了一项综合古生物学和地球化学研究，旨在揭示中国北方和南方在二叠纪-三叠纪之交的陆地生态系统危机的时空差异及其驱动机制。
论文来源
这篇题为《Diachronous end-Permian terrestrial crises in North and South China》的论文由Daoliang Chu、Haijun Song、Jacopo Dal Corso等学者共同撰写，发表于《Geology》期刊2024年第53卷第1期。论文于2024年8月1日提交，9月3日修订，9月13日被接受，并于10月4日在线发表。论文采用开放获取（Gold Open Access）形式，遵循CC-BY许可协议。
研究流程
1. 研究区域与样本采集
研究团队选取了中国北方和南方的四个二叠纪-三叠纪边界剖面作为研究对象： - 北方地区：河南大峪岭剖面（34.48504°N, 112.18245°E）和陕西石川河剖面（35.02917°N, 108.87833°E），古纬度约为20°N。 - 南方地区：云南川河剖面（26.13077°N, 104.35637°E）和贵州岔河剖面（26.72054°N, 103.82125°E），位于古赤道附近。
这些剖面涵盖了二叠纪-三叠纪过渡期的不同地层，包括孙家沟组、刘家沟组、宣威组、卡以头组和东川组。研究团队逐层采集了植物大化石、孢粉化石、沉积物样本，并进行了详细的古生物学和地球化学分析。
2. 实验方法
- 植物化石与孢粉分析：通过逐层采集植物大化石和孢粉样本，研究团队分析了植被类型的变化。孢粉样本采用酸浸法提取，并使用显微镜进行鉴定。
- 汞（Hg）含量测定：使用Lumex RA-915汞分析仪和PYRO-915+热解仪测量沉积物中的汞含量，以追踪火山活动的信号。
- 有机碳同位素（δ13Corg）分析：使用波长色散X射线荧光光谱仪（XRF）测量沉积物中的有机碳同位素组成，以揭示碳循环的变化。
- 气候模拟：采用Community Climate System Model（CCSM 3.0）模拟了研究区域的地表气温（SAT）和降水变化，以探讨气候变化对陆地生态系统的影响。
3. 数据分析
研究团队通过对比不同剖面的植物化石、孢粉、汞含量和有机碳同位素数据，结合气候模拟结果，揭示了北方和南方陆地生态系统危机的时空差异及其驱动机制。
主要结果
1. 北方地区的陆地生态系统危机
在大峪岭剖面，孙家沟组下部发现了以假伏尔茨松型（Pseudovoltzia-type）和乌尔曼松型（Ullmannia-type）针叶树为主的植物化石组合，但在25.5米以上地层中未发现植物大化石。石川河剖面的孙家沟组下部发现了丰富的遗迹化石，但在30米以上地层中未发现任何遗迹化石。这些结果表明，北方地区的陆地生态系统危机在有机碳同位素负漂移（NCIE）之前就已开始，时间约为252.21 ± 0.15百万年前。
2. 南方地区的陆地生态系统危机
在川河剖面，宣威组中发现了以巨型羽叶植物（Gigantopteris）为主的热带雨林植被，但在卡以头组底部，植被转变为以小型盾籽植物（Peltasperm）和石松类（Lycophyte）为主的单调组合。同时，孢粉组合中三缝孢（Trilete spores）逐渐减少，无纹双气囊花粉（Non-striate bisaccate pollen）显著增加，表明气候从湿润向季节性干旱转变。岔河剖面的植被多样性也显著下降，同时炭屑含量急剧增加，表明野火活动频繁。
3. 气候模拟结果
CCSM 3.0模拟结果显示，北方地区在二叠纪-三叠纪之交的年平均气温上升了8-10°C，最高气温超过42°C，同时降水季节性增强，干旱期延长。南方地区的年平均气温上升了6-7°C，最高气温约为38°C，降水季节性也显著增强。这些极端气候条件对植被和动物群落造成了严重压力，导致生态系统崩溃。
结论
研究结果表明，北方地区的陆地生态系统危机比南方地区早约30万年。北方地区的危机主要由极端高温和干旱驱动，而南方地区的危机则与季节性降水增强和野火活动频繁有关。这些发现表明，二叠纪-三叠纪之交的陆地生态系统危机并非全球同步事件，而是由区域性的气候变化累积导致的全球性灭绝。
研究亮点
- 时空差异的揭示：首次通过高分辨率的地球化学和古生物学数据，揭示了中国北方和南方在二叠纪-三叠纪之交的陆地生态系统危机的时空差异。
- 气候驱动的机制：通过气候模拟和地质记录的结合，阐明了极端高温和季节性降水增强对陆地生态系统的致命影响。
- 全球意义的推论：研究结果支持了二叠纪-三叠纪之交的陆地生态系统危机是由区域性气候变化累积导致的全球性灭绝的观点，为理解地球历史上的重大生物灭绝事件提供了新的视角。
研究价值
这项研究不仅深化了我们对二叠纪-三叠纪之交陆地生态系统危机的理解，还为预测和应对当前全球气候变化对生态系统的潜在影响提供了重要参考。通过揭示极端气候条件对生态系统的致命影响，研究为制定应对气候变化的策略提供了科学依据。