二叠纪末大灭绝之后湖泊和森林生态系统需要1000万年时间才能明显恢复

铜川地区野外照片

研究区域代表岩性和定年层位照片

研究剖面柱状图、末大灭绝明显定年和化石层位图

剖面产出的湖泊和森恢复各类代表性化石。A-C,林生 鱼粪；D-E，鱼粪切片；F和G，态系统需甲虫；H，时间鱼；I，叠纪介形虫；J，末大灭绝明显鲎虫
（神秘的湖泊和森恢复地球uux.cn报道）据中国科学院南京地质古生物研究所：二叠纪末期（2.52亿年前）发生了显生宙最大的生物灭绝事件，引发了严重的海洋和陆地生态系统危机，约75％的陆地生物物种消失。大灭绝之后陆地生态系统需要多长时间才能恢复？近日，中国科学院南京地质古生物研究所科研团队最新的研究发现，二叠纪末大灭绝之后湖泊和森林生态系统可能都需要长达1000万年的时间才能明显恢复，相关成果于2020年3月30日在线发表于国际知名期刊《地质学》（Geology）。
三叠纪早期极端的气候环境，导致海洋生态系统在二叠纪末大灭绝事件之后的约800-1000万年才得到明显恢复。由于三叠纪早、中期深湖相沉积地层和化石记录较为缺乏，我们对于湖泊生态系统的复苏模式和时间了解较少。
近日，中国科学院南京地质古生物研究所“现代陆地生态系统起源与早期演化研究团队”的研究生赵向东和郑大燃博士在王博研究员和张海春研究员的指导下，与长庆油田解古巍工程师等合作，对鄂尔多斯盆地的中三叠统湖相沉积地层进行了系统研究，提出湖泊生态系统在中三叠世中期就显示了明显的恢复。同时，研究层位也是长庆油田的重要产油层，同位素年代学和地层学的研究结果也为精时地层对比和油气资源勘探提供了新的定年和化石证据。
研究团队在鄂尔多斯盆地南缘三条富含油页岩和凝灰岩的剖面（霸王庄、马庄和衣食村）进行了高精度的地层学、沉积学和古生物学研究，并对剖面中的火山灰、凝灰岩和凝灰质砂岩进行了锆石铀-铅（U-Pb）定年，最终将湖相油页岩底部年龄卡定在242Ma左右，归于中三叠统铜川组。这套油页岩是二叠纪末大灭绝之后已知最早的深湖相沉积，比之前的记录向前推进了500万年。
研究团队在铜川组油页岩中发现了较丰富的植物、介形虫、叶肢介、鲎虫、昆虫、鱼和鱼粪等化石。其中最大的螺旋状鱼粪化石长达77毫米，表明当时湖泊中已存在体型较大的捕食性鱼类。通过对部分鱼粪化石进行切片，研究团队在其中发现了双翅目昆虫的大颚。化石研究表明，当时的湖泊中已经出现了复杂的多层营养级的关系：其中的初级生产者为各种藻类；初级消费者主要是以藻类为食的介形虫和昆虫等动物；二级消费者包括各类水生肉食性昆虫以及鱼类等；顶级消费者为大型的捕食性鱼类。这种生态类型与古生代湖泊中双翅目幼虫普遍缺失和水生甲虫稀少的情况明显不同，代表了一个典型的中生代湖泊生态系统。
在三叠纪最初的1000万年内，世界各地的陆相地层中普遍缺失煤层，因此这段时期也被称为“煤层缺失期”（Coal Gap）。通常认为中三叠世煤层的再次出现代表了大灭绝后森林生态系统的明显恢复。在鄂尔多斯盆地，已知最古老的三叠系煤层产出自二马营组的最上部，其年龄略老于铜川组油页岩的年龄。研究结果表明复杂湖泊生态系统的复苏与“煤层缺失期”的结束时间相吻合，表明湖泊和森林生态系统可能通过生物、物理和化学等作用紧密联系在一起。总之，湖泊和森林生态系统可能都需要长达1000万年的时间才能明显恢复，比孢粉学数据推断出的植物群落的恢复时间要长得多。
早三叠世炎热的气候会限制湖泊中的溶解氧含量，从而阻碍了生态系统的复苏。然而，在安尼期海洋中碳埋藏的大量增加可能会导致大气CO2含量下降和全球降温，从而改善了湖泊的生态条件。此外，火山灰给湖泊带入丰富的营养物质，可能显著提高了鄂尔多斯盆地古湖泊的初级生产力。因此，全球温度降低和火山灰养分输入可能共同促进了鄂尔多斯盆地古湖泊生态系统的繁盛。
相关研究工作由中国科学院和国家自然科学基金委共同资助。
论文信息：Zhao Xiangdong, Zheng Daran, Xie Guwei, Jenkyns H.C., Guan Chengguo, Fang Yanan, He Jing, Yuan Xiaoqi, Xue Naihua, Wang He, Li Sha, Jarzembowski E.A., Zhang Haichun, Wang Bo* (2020) Recovery of lacustrine ecosystems after the end-Permian mass extinction. Geology, doi:10.1130/G47502.1.
相关报道：地球用一千万年“抚平伤痛”
（神秘的地球uux.cn报道）据新华日报（吴红梅 谢诗涵）：在科幻电影《流浪地球》所描绘的未来世界中，太阳急速衰老膨胀，即将吞噬整个太阳系，而地球陷入极寒天气，如同寒冰炼狱。实际上，这样的想象并非没有依据。人类出现之前，类似的极端气候事件曾多次出现，漫长的岁月里，地球一次次承受着灾变环境所带来的生物灭绝重创。
生物大灭绝事件后地球陆地生态系统需要多长时间才能恢复？这个课题一直困扰着科学界。近期，中国科学院南京地质古生物研究所科研团队最新的研究发现，二叠纪末大灭绝之后湖泊和森林生态系统可能需要长达一千万年的时间才能明显恢复，相关成果于3月31日在线发表于国际知名期刊《地质学》（Geology）。
极端天气导致大灭绝 生物复苏“道阻且长”
显生宙（指“看得见生物的年代”）以来，地球上发生过五次生物大灭绝事件，例如，人们所熟知的恐龙灭绝发生于约6600万年前的白垩纪生物大灭绝事件。而二叠纪末期生物大灭绝事件则被认为是显生宙最大的生物灭绝事件。
“我们的这项研究正是聚焦于这场发生在2.52亿年前的显生宙规模最大的灭绝事件。”中国科学院南京地质古生物研究所现代陆地生态系统起源与早期演化研究团队研究员王博解释道，“这次大灭绝事件引发了严重的海洋和陆地生态系统危机，约80%的海洋生物和约75％的陆地生物物种消失，此后，地球上演化发展出了一直持续至今的现代生物群。”
为何会发生此次大灭绝？学界普遍认为是由西伯利亚大火成岩省的爆发，造成连锁反应导致的。随着大量的二氧化碳被注入到空气中，导致全球变暖和酸雨的产生，酸雨杀死了陆地上的植物，使得陆地上发生了大规模的侵蚀作用。
“三叠纪早期极端的气候环境，导致海洋生态系统在二叠纪末大灭绝事件之后的约八百万到一千万年才得到明显恢复。”王博介绍说，由于三叠纪早、中期深湖相沉积地层和化石记录较为缺乏，我们对于湖泊生态系统的复苏模式和时间了解较少。
缺少化石记录，就难以构成完整生物链，从而无法得出确切的恢复时间。为此，中国科学院南京地质古生物研究所现代陆地生态系统起源与早期演化研究团队的研究生赵向东和郑大燃博士在王博研究员和张海春研究员的指导下，与长庆油田解古巍工程师等合作，对鄂尔多斯盆地的中三叠统湖相沉积地层进行了系统研究。“十年来，在科研团队不间断的野外积累和室内分析工作之下，我们终于揭开了生物复苏的一层神秘面纱。”
记录向前推进五百万年
湖泊中复杂食物网出现
三叠系地层构造简单，层序清楚，蕴藏丰富矿产资源和化石资源，因此，鄂尔多斯盆地成为研究陆相三叠系层序地层和恢复古环境的关键地区。
“我们对鄂尔多斯盆地南缘三条富含油页岩和凝灰岩的剖面（霸王庄、马庄和衣食村）进行了高精度的地层学、沉积学和古生物学研究，并对剖面中的火山灰、凝灰岩和凝灰质砂岩进行了锆石铀-铅（U-Pb）定年，最终将湖相油页岩底部年龄卡定在242Ma左右，归于中三叠统铜川组。”王博介绍，这套油页岩是二叠纪末大灭绝之后已知最早的深湖相沉积，比之前的记录向前推进了五百万年。
在铜川组油页岩中，研究团队发现了较丰富的植物、介形虫、叶肢介、鲎虫、昆虫、鱼和鱼粪等化石。有趣的是，团队发现的最大的螺旋状鱼粪化石长达77毫米，表明当时湖泊中已存在体型较大的捕食性鱼类。但根据目前发现的最大鱼化石碎片推测出其体长仅250毫米，与鱼粪化石所展现的鱼的体型不相符。对此，赵向东表示：“这可能是由于大型鱼类在沉积物中不易于保存成化石的缘故。”
通过对部分鱼粪化石进行切片，研究团队在其中发现了双翅目昆虫的大颚。“大颚的发现，是鄂尔多斯古湖泊中，鱼类取食昆虫幼虫的直接证据。”王博说。
化石研究表明，当时的湖泊中已经出现了复杂的多层营养级的关系：其中的初级生产者为各种藻类；初级消费者主要是以藻类为食的介形虫和昆虫等动物；二级消费者包括各类水生肉食性昆虫以及鱼类等；顶级消费者为大型的捕食性鱼类。这种生态类型与古生代湖泊中双翅目幼虫普遍缺失和水生甲虫稀少的情况明显不同，代表了一个典型的中生代湖泊生态系统。
为油气勘探提供依据
古湖泊生态系统复苏模式或揭晓
在三叠纪最初的一千万年内，世界各地的陆相地层中普遍缺失煤层，因此这段时期也被称为“煤层缺失期”。通常认为中三叠世煤层的再次出现代表了大灭绝后森林生态系统的明显恢复。在鄂尔多斯盆地，已知最古老的三叠系煤层产出自二马营组的最上部，其年龄略老于铜川组油页岩的年龄。
依据油页岩的出现时间，研究团队建立了与海相生态系统复苏相对应的“油页岩缺失带”，它与陆地上“煤层缺失带”的时间相吻合，表明湖泊和森林生态系统可能通过生物、物理和化学等作用紧密联系在一起，这也为油气资源勘探提供了化石证据。
“总之，湖泊和森林生态系统可能都需要长达一千万年的时间才能明显恢复，比孢粉学数据推断出的植物群落的恢复时间要长得多。”王博表示。
早三叠世炎热的气候会限制湖泊中的溶解氧含量，从而阻碍了生态系统的复苏。然而，在安尼期海洋中碳埋藏的大量增加可能会导致大气CO_2含量下降和全球降温，从而改善了湖泊的生态条件。此外，火山灰给湖泊带入丰富的营养物质，可能显著提高了鄂尔多斯盆地古湖泊的初级生产力。因此，全球温度降低和火山灰养分输入可能共同促进了鄂尔多斯盆地古湖泊生态系统的繁盛。
生物大灭绝带来的“伤痛”，地球需要一千万年才能够抚平。这项研究发现给我们人类敲响了警钟。王博认为，环境恶化，气候多变，灾害频发，这些现象与人类的行为密切相关。人类对于自然的过度索取，不仅导致一些物种濒临灭绝，更破坏了人类自身的可持续发展。以史为鉴，我们要约束自身贪婪习性，与大自然和平相处，同时提高防灾意识，共同保护好这个我们赖以生存的星球。
相关报道：生物大灭绝后，湖泊生态恢复需要多少年？
（神秘的地球uux.cn报道）据科技日报（张晔）：假如地球上演生物大灭绝，湖泊和陆地生态系统需要多久才能恢复？假如这个问题让人难以回答，不妨把目光回溯到2.52亿年前。那时，二叠纪末期的地球发生了显生宙最大的生物灭绝事件，引发了严重的海洋和陆地生态系统危机，约75％的陆地生物物种消失。
中国科学院南京地质古生物研究所科研团队最新的研究发现，二叠纪末大灭绝之后，湖泊和森林生态系统可能需要1000万年才能明显恢复，相关成果近日在线发表于《地质学》。
鄂尔多斯盆地下埋藏远古湖泊
中国科学院南京地质古生物研究所现代陆地生态系统起源与早期演化课题组的研究生赵向东和郑大燃博士在王博研究员和张海春研究员的指导下，与长庆油田解古巍工程师等合作，对鄂尔多斯盆地的中三叠统湖相沉积地层进行了系统研究。
他们在鄂尔多斯盆地南缘三条富含油页岩和凝灰岩的剖面（霸王庄、马庄和衣食村）进行了高精度的地层学、沉积学和古生物学研究，并对剖面中的火山灰、凝灰岩和凝灰质砂岩进行了锆石铀-铅定年，最终将湖相油页岩底部年龄卡定在242百万年左右，归于中三叠统铜川组。这套油页岩是二叠纪末大灭绝之后已知最早的深湖相沉积，比之前的记录向前推进了500万年。
研究团队在铜川组油页岩中发现了较丰富的植物、介形虫、叶肢介、鲎虫、昆虫、鱼和鱼粪等化石。其中最大的螺旋状鱼粪化石长达77毫米，表明当时湖泊中已存在体型较大的捕食性鱼类。通过对部分鱼粪化石进行切片，研究团队在其中发现了双翅目昆虫的大颚。
化石研究表明，当时的湖泊中已经出现了复杂的多层营养级关系：其中的初级生产者为各种藻类；初级消费者主要是以藻类为食的介形虫和昆虫等动物；二级消费者包括各类水生肉食性昆虫以及鱼类等；顶级消费者为大型的捕食性鱼类。
这种生态类型与古生代湖泊中双翅目幼虫普遍缺失和水生甲虫稀少的情况明显不同，代表了一个典型的中生代湖泊生态系统。
对三叠纪早中期湖泊生态复苏模式还知之甚少
在三叠纪早期，地球仍处于极端的气候中，陆地和湖泊生态系统不得不缓慢恢复。
王博研究员介绍，不同物种复苏的时间不同，其中最快的是有孔虫、菊石和牙形石，经历1至2个百万年就恢复至大灭绝前的水平，而海洋造礁生物和陆地森林大约需要长达1000万年才能完成恢复，比孢粉学数据推断出的植物群落的恢复时间要长得多。
由于三叠纪早、中期深湖相沉积地层和化石记录较为缺乏，科学家对于湖泊生态系统的复苏模式和时间了解较少。
从目前的地质勘探资料来看，在三叠纪最初的1000万年内，世界各地的陆相地层中普遍缺失煤层，因此这段时期也被称为“煤层缺失期”。
“通常认为，中三叠世煤层的再次出现代表了大灭绝后森林生态系统的明显恢复。”王博研究员说。
在鄂尔多斯盆地，已知最古老的三叠世煤层产出自二马营组的最上部，其年龄略老于铜川组油页岩的年龄。研究结果表明复杂湖泊生态系统的复苏与“煤层缺失期”的结束时间相吻合，表明湖泊和森林生态系统可能通过生物、物理和化学等作用紧密联系在一起。
研究人员认为，早三叠世炎热的气候会限制湖泊中的溶解氧含量，从而阻碍了生态系统的复苏。然而，在安尼期海洋中碳埋藏的大量增加可能会导致大气二氧化碳含量下降和全球降温，从而改善了湖泊的生态条件。此外，火山灰给湖泊带入丰富的营养物质，可能显著提高了鄂尔多斯盆地古湖泊的初级生产力。因此，全球温度降低和火山灰养分输入可能共同促进了鄂尔多斯盆地古湖泊生态系统的繁盛。
同时，该研究层位也是长庆油田的重要产油层，同位素年代学和地层学的研究结果也为精时地层对比和油气资源勘探提供了新的定年和化石证据。