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北半球的盛夏，在高溫和大風影響下，希臘、義大利、美國加州等地區相繼燃起熊熊山火。這種難以控制的野火是生態體系中的重要環節，但其強度到達一定程度後會造成嚴重的後果，從地球演化的漫長曆史上來看，甚至間接導致過二疊紀－三疊紀的生物大滅絕！
也許你會驚訝，這一結論是如何得出的？畢竟那個時候連恐龍都還沒有呢！其實，野火燒過的痕跡就算是埋了幾億年，科學家們還是能扒出些蛛絲馬跡。
野火的角色，不完全是反派
野火（wildfire），又稱山火、林火，是指發生在荒原、山地、森林等地區的以植被為主要燃料的自然大火。自志留紀陸地上出現植物以來，野火就一直存在並伴生於陸地生態系統中。現今地球每年約有3%的陸表面積正在經歷大火，它代表了陸地和大氣的物質能量交換非常重要的一環。
圖片來源：veer相簿
野火的存在受控於諸多自然條件（地表植被、空氣氧含量、乾溼季節等），但是反過來它也是陸地生態系統乃至整個地球系統的重要擾動力，是自然環境非常重要的組成部分。
大規模的野火事件不僅以高溫和烈焰直接殺死大量生物，還產生多種有毒物質對生物產生間接影響。同時，野火活動排放出大量CO2、SO2等氣體及氣溶膠，使得大氣成分發生改變，在一定程度上影響整個區域的溫度和氣候條件。
野火活動還會破壞地表植被，影響地表徑流甚至導致水土流失。這些野火活動產生的各方面影響極大地促進了地球系統的物質迴圈和元素迴圈，而這與生物的演化程序有密不可分的關聯。
野火活動對地球物理程序和生物程序的影響，引自（Archibald等，2018）
兩億多年前的一把火，熊熊火光照亮了我
讓我們回到2.514億年以前。自寒武紀生命大爆發以來，二疊紀－三疊紀（P-T）之交的生物滅絕是地質歷史中最大的一次生物滅絕事件，這一事件使得海洋裡95%的物種、陸地上約75%的脊椎動物和大部分的陸生植物快速滅亡。舊的海陸生態系統幾乎崩潰，全球生物組成和生態結構發生了永久性的變化。
這場生物滅絕事件也吸引了無數學者的目光。長期以來，全球眾多學者從多學科角度出發，對各地二疊－三疊紀界線附近的地層開展綜合深入的研究。總的來說，此次史上最大規模的滅絕事件應是在多種因素耦合或先後迸發、全球生態系統幾乎崩潰時發生的，至於各因素間的關聯性，尚有待探索。
野火是陸地生態系統的重要擾動力（來源：veer相簿）
近年來關於陸地生態系統對該事件響應的研究逐步成為焦點，已有越來越多的證據表明晚二疊世全球範圍內曾頻繁發生重大的野火事件。
如何判斷遙遠的晚二疊紀發生過野火呢？其實，野火會留下自己的足跡。古代野火在地層中的殘留物和識別標誌主要有炭屑、碳黑、燃燒源多環芳烴以及木化石年輪中的火焰疤痕等，其中炭屑最為普遍也最為重要。炭屑是生物材料（包括動物和植物體）在缺氧條件下不完全燃燒形成的產物。研究炭屑可以為陸地生態系統和大氣圈的演化提供佐證。
首先，炭屑在沉積物中的發現是曾經發生過野火的最直接證據。在沉積環境不變的情況下，炭屑含量越高可以對應地認為野火強度越大。
其次，炭屑的反射率統計能夠反映當時的燃燒溫度和野火型別（地表火、林冠火和地下火），進而對之前植被覆蓋等情況提供一些證據。
同時，炭屑儲存的解剖結構也能提供植物系統分類的相關資訊，這對補充當時生態系統的植物組成資訊具有重大潛力。
此外，炭屑含量在某一沉積序列中的變化亦能夠反映出氣候環境和生態系統的整體變化趨勢。
來新疆貴州看看遠古野火的足跡
當前已發表的關於晚古生代野火事件的證據遍佈全球，涵蓋範圍包括澳大利亞、歐洲、加拿大、巴西、印度，甚至南極洲。
我國關於這方面的報道亦不在少數，華北、西南和西北地區都有記錄。然而，以往的研究均較籠統，針對晚二疊世野火事件詳細的機制變化及其背後的原因，以及對二疊紀末陸地生態系統具體的影響過程等系統研究略顯不足。
近期，中國科學院南京地質古生物研究所晚古生代團隊與南京大學、雲南大學的合作者，就深入探索該時期野火事件對植被的演替過程和陸地生態系統崩潰的影響，對中國新疆維吾爾自治區大龍口剖面和貴州省西部冷清溝剖面二疊系-三疊系之交的炭屑化石及有機碳同位素等開展了詳細研究，進一步證明了野火事件與二疊紀-三疊紀生物大滅絕的關聯。
1.新疆維吾爾自治區大龍口剖面
大龍口剖面具不同解剖結構的炭屑化石掃描電鏡影象（來源：南京古生物所）
研究團隊發現，大龍口剖面鍋底坑組（編者注：該沉積序列主體屬晚二疊世晚期，分佈於新疆烏魯木齊附近）中下部具有豐富的炭屑層位，且由底至頂炭屑丰度增加，證明野火事件在該地區晚二疊世頻繁發生並有愈演愈烈的趨勢。
在鍋底坑組上部，野火機制發生了顯著變化，表現為炭屑最高反射率的驟然下降和林冠火的缺失。這一現象反映出當時陸地植被系統的崩潰狀態，對野火而言則代表了植物燃料在該階段的極度匱乏。
鍋底坑組中上部角質層富集層的研究成果，證明了在晚二疊世，大龍口地區存在大量松柏類植物，這極大地豐富了這一區域晚二疊世植物組成資訊。
而到了韭菜園組（編者注：屬早三疊世早期）下部，角質層證據顯示植物組成明顯變少，植物種類也發生了變化。
不同種類的炭屑在地層中的分佈、植物角質層型別的變化，以及前人的孢粉證據均支援了研究人員的猜測，即在鍋底坑組上部植被系統曾發生去森林化現象，而野火事件可能是導致該現象發生的直接原因。
有機碳同位素組成的變化、指示火山活動的汞元素含量與炭屑丰度三者之間的耦合表明：火山活動可能是碳同位素組成變化和野火事件發生的深層驅動力，同時野火事件導致的同位素分餾（編者注：某元素的同位素在物理、化學、生物等反應過程中以不同比例分配於不同物質之中的現象）和埋藏也可能進一步影響有機碳同位素組成的變化。
大龍口剖面有機碳同位素、Hg/TOC值、孢粉型別和豐度、炭屑丰度、反射率和不同種類炭屑在地層中的變化（來源：南京古生物所）
2.貴州省西部冷清溝剖面
在冷清溝剖面地層中，炭屑在宣威組上部（編者注：屬晚二疊世）頻繁出現，且反射率高、種類多樣；而在之上的卡以頭組，炭屑的反射率顯著降低，同時伴隨著種類的減少。這些現象表明兩組野火燃料存在差異，野火型別亦由高溫的林冠火轉變為低溫的地表火。這一結果支援了前人關於植被系統從宣威組的熱帶雨林到卡以頭組濱海草地演替的觀點。
冷清溝剖面具不同解剖結構的炭屑化石掃描電鏡影象（來源：南京古生物所）
此外，宣威組頂部的煤層中存在一層顯著的火山灰。研究人員透過進一步詳細取樣分析，發現有機碳同位素組成和炭屑丰度在該火山灰層前後發生了急劇的變化，表現為碳同位素組成出現4.08‰的負漂，並伴隨炭屑丰度驟減。
這一研究結果也進一步證明火山活動驅使了野火事件強度的增加。野火在該時期對植被的干擾和影響到達頂峰，並在短時間內快速摧毀了原有的陸地植被系統，促進了西南地區植被系統在二疊紀-三疊紀之交從熱帶雨林到濱海草地的演替。
冷清溝剖面的有機碳同位素、炭屑丰度和不同種類炭屑在地層中的變化（來源：南京古生物所）
透過對比新疆大龍口剖面和貴州冷清溝剖面的野火事件變化，研究團隊發現兩者存在高度相似性，即剖面從下至上野火強度先增強，隨後發生顯著的機制變化——即從林冠火到極度貧乏的地表火。同時，剖面火山活動的證據均與這一野火的變化相對應。表明野火活動和陸地生態系統在二疊紀末的協同變化模式可能是全球性的。
所以總的來說，在晚二疊世全球乾旱的趨勢下，高強度頻發的野火事件直接加重了陸地生態系統的負擔，導致植被系統逐漸衰退或結構改變。而後某一突發性災難（在華南可能為近距離劇烈的火山活動直接點燃植被，在新疆可能是全球火山活動間接影響）使得氣候在短時間內急劇乾旱，最終導致野火強度陡然增加，徹底擊垮了原有的植被系統，使得陸地生態系統徹底崩潰。之後野火活動便因失去燃料進入了貧乏期，直到植被系統的逐漸復甦。
結語
從這項關於野火的研究中我們可以看到，掩埋在地底的炭屑，能夠還原早在人類出現前的地球面貌，今天的我們似乎能夠感受到乾熱的風正從那個浩渺的過去吹來，靠的就是學者們一絲不苟地探索與發現。
如今，地球的氣候同樣在進行著悄無聲息的演變，人類的力量在大自然面前終究是渺小微弱的，但盡吾所能去維護人類社會與地球環境的和諧關係，才有可能改寫全球變暖的軌跡，讓人類與自然早日達成和解。
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作者： 蔡垚峰 劉芸
單位：中國科學院南京地質古生物研究所
文章首發於科學大院，僅代表作者觀點，不代表科學大院立場。
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來源: 科學大院
