种子植物的辐射可能是触发晚古生代冰期直接原因

近年来气候问题颇受人们关注，其中全球变暖已成为最受人们关注的气候问题之一。但我们生活的这个时代还不是地球最热的时候，你会不会觉得很意外?自工业革命之后，大气中二氧化碳浓度迅速上升，全球正发生着显著的变暖现象。可是，对于有着46亿年"球龄"的这颗我们居住的蓝色星球来说，冷暖交替是再正常不过的事了!

事实上，近十亿年来，地球都是以温室气候为主，冰期只占据不到四分之一的时间。而晚古生代大冰期发生了显生宙以来持续时间最长、规模最大的成冰事件，这次冰期使得全球古海洋、古气候、古生态发生显著变化，是地球气候环境演化历史上的关键转折期。

此次冰期的序幕可以追溯到石炭纪最早期(距今3.55亿年左右)，当时全球气候急剧变冷并伴随显著的碳循环波动，即所谓的 “杜内中期碳同位素正漂移事件”，该事件是晚古生代全球气候由“温室”到“冰室”转换的重要标志性事件。

一直以来，维管植物特别是种子植物的登陆和大规模繁盛被认为是触发晚古生代冰期的重要原因之一，但一直缺乏直接的证据揭示它们之间的因果联系。针对这个问题，中国科学院南京地质古生物研究所青年科学家陈波、陈吉涛、郄文昆、黄璞等人与国内外同行合作开展了系统的研究，通过对华南和越南等地5条早石炭亚纪剖面开展详细的碳、锶、氧同位素分析(分别指示碳循环、大陆风化和古温度变化)，并系统梳理晚泥盆世-早石炭亚纪早期全球种子植物属一级多样性和地理分布变化。

研究发现海水的锶同位素比值在杜内期中期(距今3.55亿年左右)开始下降，并伴随着碳酸盐碳同位素值和牙形刺氧同位素值的增加(图1)，碳、氧、锶这三个同位素体系的耦合变化正巧与种子植物早期演化阶段中一次重要的辐射事件相对应。

图1 早石炭亚纪杜内期碳、氧、锶同位素变化与种子植物演化之间的关系

在这次辐射事件中，种子植物的多样性快速增加、分布范围显著扩张，很可能迅速占领了先前植被稀疏或完全没有植被覆盖的干旱和高纬度地区(图2)。这一时间上的巧合在一定程度上说明了种子植物在杜内期的辐射和扩张很可能导致大陆硅酸盐尤其是玄武质硅酸盐风化强度的增加(87Sr/86Sr值下降)，从而为海洋带来磷等大量的陆源营养物质，后者促进全球海洋原始生产力的提升和有机碳埋藏量增加(δ13Ccarb值升高);而硅酸盐风化和有机碳的埋藏会大量消耗大气中的二氧化碳，最终导致气候的变冷(δ18Oapatite值升高)和全球气候由“温室”向“冰室”期转换。

图2 晚泥盆世-早石炭亚纪种子植物属级多样性和分布范围变化

这项研究为植物辐射和扩张触发晚古生代冰期的假说提供了直接证据，对我们理解陆地生态系统的兴起及其在塑造全球气候中所扮演的角色有重要意义。

相关研究成果在线发表于期刊《地球与行星科学通讯》(Earth and Planetary Science Letters)。该项研究受中国科学院先导战略专项B类项目和国家自然科学基金委项目共同资助。