確定早期植物何時(shí)在陸地開(kāi)始擴(kuò)張并對(duì)地球系統(tǒng)產(chǎn)生影響，是地球系統(tǒng)演化研究中的核心問(wèn)題之一。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所趙明宇研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)了新的地球化學(xué)證據(jù)，表明陸地植物開(kāi)始塑造地球表層環(huán)境的時(shí)間早于以往的認(rèn)知。相關(guān)研究成果2月24日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·生態(tài)與演化》發(fā)表。

△早期植物在陸地的擴(kuò)張模擬圖

陸地植物與海洋初級(jí)生產(chǎn)者所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)存在顯著差異：陸地植物形成的有機(jī)質(zhì)具有更高的有機(jī)碳/磷比值。隨著陸地植物在大陸上擴(kuò)張，陸地光合作用不斷增強(qiáng)，陸地有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)相應(yīng)增加。這些陸地來(lái)源的有機(jī)質(zhì)通過(guò)河流被輸送至海洋，并最終進(jìn)入海洋沉積物，提高了海洋沉積物中的有機(jī)碳/磷比值。由于陸源有機(jī)碳的產(chǎn)生與其在海洋中的埋藏過(guò)程緊密耦合，海洋碎屑沉積物中的有機(jī)碳/磷比值就成為了追蹤陸源有機(jī)碳輸入、乃至反映陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力變化的重要指標(biāo)。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同氧化還原條件下的海相碎屑沉積記錄進(jìn)行了系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳/磷比值自約4.55億年前出現(xiàn)顯著升高。對(duì)多種可能控制因素的評(píng)估表明，這一變化反映的是與早期陸地植物擴(kuò)張相關(guān)的陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著增強(qiáng)?；旌夏Ｐ凸浪憬Y(jié)果進(jìn)一步顯示，自晚奧陶世（約4.55億年前）以來(lái)，陸源有機(jī)碳約占海洋沉積物中總有機(jī)碳埋藏量的42±15%，這一占比已接近現(xiàn)代水平（30%–57%）。古大陸尺度的分析還表明，陸地植物的擴(kuò)張可能最早發(fā)生在勞倫古陸（現(xiàn)今北美洲等主要地點(diǎn)）。

該研究還揭示，有機(jī)碳/磷比值在晚奧陶世出現(xiàn)了兩次明顯升高，與此時(shí)期發(fā)生的兩次重要碳同位素異常事件相對(duì)應(yīng)。這表明，富碳、貧磷的陸源有機(jī)質(zhì)向海洋沉積物的輸入，促進(jìn)了全球有機(jī)碳的埋藏，從而推動(dòng)了大氣氧含量的累積，并降低了二氧化碳濃度。此外，陸地植物快速擴(kuò)張所引發(fā)的硅酸鹽和磷風(fēng)化增強(qiáng)，可能進(jìn)一步放大了這些環(huán)境效應(yīng)。綜合來(lái)看，早期陸地植物的興起可能在約4.55億年前就顯著推動(dòng)了地球表層環(huán)境的氧化的進(jìn)程，并可能促成了晚奧陶世冰期和大規(guī)模滅絕事件的發(fā)生。