探秘地球演变历史——生物地质与环境地质国家重点实验室

聚焦关键地质时期

生物地质与环境地质国家重点实验室（BGEG）以中国地质大学（武汉）“生物地质与环境地质教育部重点实验室”为基础，整合了两个国家重点学科（古生物学与地层学、地球化学）和两个一级学科博士点（地质学、环境科学与工程）。实验室以地球系统科学的思想为指导，以探索地球生物学的核心科学问题为目标，立足于地球科学与生命科学和环境科学的交叉融合，以地球表层系统中重大的生物地质与环境地质事件和过程为研究重点，在多重时间尺度上探索地球环境与生命系统之间的相互关系、作用机理和演变规律。在这一总体框架下，实验室聚焦关键地质时期的生物事件与环境事件（包括当代异常事件），认识其规律、探索其机理，从而既能重塑地球发展历程，也能“以古示今”，为研究当代全球变化和生物多样性演变，探索环境修复和生物危机的缓解，提供对比史实、理论依据和技术方法支撑。

鉴于地球历史演变过程中重大生物和环境事件与过程所跨越的时间尺度多集中于106～104年、104～102年，以及102～100年范畴内，实验室的科学研究工作形成了与之对应的3个既有密切联系又各有特色的科学研究方向，包括关键地质时期生命与环境的协同演化（106～104年）、新生代以来气候环境事件的生态响应（104～102年）、与人类活动相关的生物-环境地质过程（102～100年）。

生物地质与环境地质国家重点实验室

其中，关键地质时期生命与环境的协同演化（106～104年），是以生命演化的早期阶段（元古代）、重大生物突变期（古、中代之交和晚泥盆世）和重大异常气候环境时期（白垩纪）的生物和环境事件记录及其动力学过程为重点，深入研究这些关键地质历史时期时间分辨率为106～104年的事件序列，旨在重塑早期生命演化、全球性生物危机及异常环境背景条件下地球环境和生命系统的演化历史，揭示地质历史时期的生命过程与地球环境演化之间的因果联系，为当代地球环境和生物圈协同演化规律提供必要的理论依据。新生代以来气候环境事件的生态响应（104～102年），是以长江流域和青藏高原的沉积记录为研究对象，深入挖掘104～102年时间分辨率的地质学、地球化学和生物学信息，揭示新生代以来我国大陆季风气候背景下某些重大的生物和环境事件特征，探索生物演化与环境变迁之间的激励、响应和反馈机制，为科学解决当前人类活动影响下的全球环境-生态危机（如环境恶化、生物多样性锐减等）提供直接启示。与人类活动相关的生物-环境地质过程（102～100年），则是以工业革命以来的生物和环境事件为主要对象，以102～100年乃至更高时间分辨率的湖泊沉积物、土壤和地下水等环境介质为载体，系统研究人类干预下的地球表层系统生态环境变迁和生物多样性变化，重点从生物地球化学和地质微生物角度剖析人类地质作用的水资源生态环境效应，借鉴第一、二方向的研究成果，运用“以古示今”的科学思想，融理论探索和工程实践于一体，为解决人类活动干预下的生态环境恶化问题提供理论与技术支撑。

取得突破性进展

近日，生物地质与环境地质国家重点实验室“二叠纪-三叠纪之交陆相生物与环境演化”研究团队，联合美国蒙特克莱尔州立大学崔莹博士和英国利兹大学Paul Wignall教授，利用华南陆相地层中高分辨率的C3植物有机碳同位素首次重建了二叠纪-三叠纪之交大气CO2浓度连续变化趋势。该成果于2021年4月9日在Nature Communications上在线发表。

长期以来，CO2是公认的温室气体，大气CO2浓度与气候变化之间存在紧密联系。重建古大气CO2浓度不仅能够反映地质时期的古环境和古气候情况，还能为未来的气候变化提供一定的参考依据。二叠纪-三叠纪之交发生了显生宙以来最大规模的生物灭绝事件，海洋和陆地生态系统均遭受重创。这次生物大灭绝事件伴随着显生宙最显著的一次升温事件，表层海水温度升高了近10℃。温室气体CO2很可能是二叠纪-三叠纪之交升温事件的主要原因，因此建立高分辨率且连续的古大气CO2浓度（pCO2）变化是揭示该时期全球升温机制的重要途径。近年来开发的pCO2新指标——植物有机碳同位素，已经成功应用到不同地质时代的pCO2重建中。该指标的材料可以通过提取细碎屑岩中微米级的植物化石碎屑获得，故其产出层位十分连续。因此，有望通过植物有机碳同位素恢复二叠纪-三叠纪之交pCO2连续的变化趋势。

研究结果显示晚二叠世晚期的pCO2为～430ppmv，随后逐渐上升，直到二叠纪-三叠纪之交达到峰值～2500ppmv。在早三叠世早期，pCO2一直维持在较高的水平（1500ppmv到2500ppmmv）。这一近6倍的pCO2升高事件与同时期海-陆相碳同位素负偏事件，以及表层海水温度升高事件相耦合。这反映了温室气体CO2很可能是导致二叠纪-三叠纪之交全球变暖的主要原因。恢复二叠纪-三叠纪之交大气CO2浓度连续变化有助于加深研究者对该时期全球变暖以及生物大灭绝机制的认识，同时对定量研究地质时期的地球气候敏感性有着重要意义。

同时，在如此高CO2浓度的背景下，位于低纬度的华南陆地生态系统遭到了重创，发生了一系列环境恶化事件。研究团队的前期工作发现伴随着碳同位素开始负偏，代表晚二叠世热带雨林生态系统的聚煤植物大羽羊齿植物群遭受灭绝，同时地层中的木炭丰度剧烈升高，反映了黔西滇东地区的野火强度和频率的显著提高，可能是高CO2浓度驱动的高温和强烈的季节性气候导致的。在陆地生态系统崩溃之后，黔西滇东地区的植物面貌发生了重大转变，大羽羊齿植物群被多样性十分单一的石松类所取代。研究团队的另一项工作发现这些残存的石松类孢子在重金属含量富集的层位出现了畸变现象，石松类孢子四分体的比例显著提高，甚至可达到孢子总数的19%，这大大超过了自然界中正常情况下的四分体含量（约3%～5%），而这种耦合关系也反映了石松类孢子的异常可能是高重金属含量对植物的毒化造成的。该研究得到了国家自然科学基金、英国自然环境研究委员会及美国国家科学基金会的共同资助。

立足未来发展

如今，生物地质与环境地质国家重点实验室已在国内地球生物学中的生物地质和地质微生物研究方面起到了引领作用，获得国家自然科学奖二等奖3项，承担多项重大国际合作项目、原“973”计划和“863”计划项目、国家自然科学基金重点项目等。研究成果在Nature、Science、PNAS、Geology、EPSL、ES&T等自然科学和地学高影响因子刊物上发表，在地球生物学研究方面产生了重要的国际影响。

今后，实验室将继续发挥中国地质大学（武汉）在以地球科学为核心的学科格局、扎实雄厚的研究基础、素质优良的人才队伍、开放流动的科研环境、宽松自由的学术氛围、先进的实验仪器设备等方面的综合优势，紧紧围绕地球生物学学科前沿和国家战略目标，保持实验室在相关领域的领先地位，将其建设成为开放流动的国家科技创新和高层次人才培养基地、生物地质与环境地质科学研究中心，对我国地球生物学的发展起辐射带动作用。