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南京大学：沈树忠院士-深时重大生物和气候事件与全球变化: 进展与挑战
地球自5.4亿年前现代生态系统形成至今, 发生了多次与碳循环扰动有关的重大气候事件。这些事件的触发机制、发展过程、环境变化及其伴随的生物响应型式为科学评估当今全球变化背景下生物多样性现状提供重要借鉴。然而, 古-今生态系统变化时间尺度大不相同, 高分辨率关键环境因子(温度、CO2、降雨量、海洋氧化还原条件等)在深时记录中亦难以获取, 深时海陆生物多样性模式尚缺乏高分辨率记录。因此, 当今全球变化与深时记录对比存在巨大鸿沟。

地球5.4亿年以来大部分时间处于两极无冰的温室状态, 期间伴随多次极冷和极热气候事件, 但地球深时重大生物演化和气候事件的关系复杂。生物多样性在变冷的奥陶纪早期、晚古生代大冰期、晚新生代大冰期以及中-晚三叠世和白垩纪热室期均呈现稳定增加, 而在奥陶纪末冰期快速降温期间和二叠纪末、三叠纪末、白垩纪末火山排气作用导致的快速升温过程中急剧下降。地质时期生物多样性对气候变化的不同响应型式表明, 生物多样性变化的根本驱动因素可能不是简单的温度、大气CO2浓度等环境因子的背景值高或低, 而是环境因子的变化速率(环境变率)。变率较小, 环境相对稳定, 生物有足够的时间适应环境变化, 生物多样性不会丧失, 甚至繁盛。反之, 若环境因子变率过大, 超出了生态系统的承受力, 生物来不及适应, 生物多样性就会显著降低, 甚至引发大灭绝。已有模拟和计算表明, 当今地球碳排放的速度有可能超过了地质历史时期任何一次生物大灭绝事件。因此, 避免环境突变事件和生物大灭绝的再次发生成为政界、科学界和普通民众关注的焦点. 打通地球多圈层界限, 开展古-今地质记录、冷-热极端气候、海-陆生态系统和长-短时间尺度的综合对比研究, 并通过建立适用于深时的地球系统模型, 模拟重大生物和环境事件的背景与发生过程, 是地球系统科学未来发展的重要方向。

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结 语

深时一系列重大生物和地质事件的研究指示, 地球内外物质和能量循环控制了地球系统整体发展趋势和一系列重大事件的发生、发展. 深时记录表明, 在相对稳定的高或低背景温度下, 地球生物多样性均可以逐步达到高度繁盛, 地球表面背景温度的高与低并非生态系统发生灾变的决定性因素, 大气CO2浓度与地表温度在地质尺度上也并非完全耦合关系, 而与火山作用相关的地球表面温度、CO2、海洋酸碱度、干湿度等快速变化会导致地球生态系统发生灾变。因此, 环境变率是触发一系列重大事件发生的原因, 如果环境相对稳定, 变率较小, 生物多样性就不会丧失; 如果环境要素变率过大, 超过了生态系统的承受力, 生物来不及适应, 生物多样性就会显著降低, 甚至引发生物大灭绝. 已有模拟估算表明, 当今地球的碳排放速度可能已经超过地质历史时期五大生物灭绝事件发生期间的碳排放速度, 值得警示, 人类应当更加注重避免全球性、突发性环境事件和生物大灭绝事件的发生。

当今全球变化与深时重大生物-地质事件的比较研究目前还存在巨大的鸿沟。以人类时间尺度为基础的全球变化研究由于时间太短, 难于预测地球未来长期发展趋势, 重建地球几十亿年以来生物与环境的演变历程, 将为判断当今地球现状和预测未来提供重要启示。打通古-今(时间)和层圈(空间)界限, 开展古-今、冷-热、海-陆、长-短尺度的对比研究, 建立深时地球系统模型技术方法, 模拟地质历史时期发生的重大生物和环境事件, 揭示背景和过程, 是地球系统科学和全球变化未来研究发展的重要方向与目标。中国科学家应承担重任, 为开拓新的学科增长点, 服务宜居地球重大科学目标不断努力。

文献来源

沈树忠,张飞飞,王文倩,等.深时重大生物和气候事件与全球变化:进展与挑战.科学通报,2024,69:268–285.

Shen S Z, Zhang F F, Wang W Q, et al. Deep-time major biological and climatic events versus global changes: Progresses and challenges (in Chinese). Chin Sci Bull, 2024, 69: 268–285.