□文/中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所 王冠群 陳吉濤 潘浩晨

來自3 億年前的環(huán)保警示

在地質(zhì)史上， 發(fā)生過多次天翻地覆式的氣候波動(dòng)，其中最著名的一次就發(fā)生在號(hào)稱“顯生宙持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)冰期”的晚古生代大冰期中。當(dāng)時(shí)，地球上發(fā)生了一次“不講武德”的巨量碳排放事件，幾乎讓當(dāng)時(shí)的二氧化碳濃度翻倍，也讓當(dāng)時(shí)（石炭紀(jì)）的巨型昆蟲走向末路。

那次碳排放事件和現(xiàn)代的碳排放相比，不論是二氧化碳的濃度數(shù)值還是所處的大環(huán)境都有相似性，因此對(duì)我們預(yù)測(cè)未來氣候變化的情況有著極強(qiáng)的借鑒作用。

凜冬將至，在劫難逃

在地球生物的演化史上，石炭紀(jì)可謂是群雄并起、英才輩出的時(shí)期。得益于石炭紀(jì)早期種子植物的輻射和大發(fā)展，再加上趁著“植物收割機(jī)”——脊椎動(dòng)物還在水陸間徘徊，成片的森林迅速占領(lǐng)了地球上每一寸適合生存的地方，這極大地改變了地球的環(huán)境。

首先，森林本身的光合作用會(huì)吸收大量的二氧化碳，二氧化碳會(huì)轉(zhuǎn)化為植物體內(nèi)的有機(jī)物。一旦植物死亡、變成煤層，碳也就隨之被固定在地層中。

右側(cè)地層中的墜石和較為平均整齊的地層格格不入，代表了冰川現(xiàn)象圖片來源/陳吉濤拍攝于阿根廷

其次，大量的根系讓原本堅(jiān)固的地面變得松動(dòng)和脆弱，導(dǎo)致硅酸鹽巖風(fēng)化加劇。硅酸鹽在風(fēng)化中會(huì)與二氧化碳反應(yīng)，形成碳酸鹽巖和二氧化硅，這也是一個(gè)固碳的過程。

最后，風(fēng)化使得磷等陸源營養(yǎng)物質(zhì)大規(guī)模灌入海洋，這對(duì)海洋中各種浮游藻類來說就是“大補(bǔ)丸”，它們迅速繁衍，讓全球海洋生產(chǎn)力暴漲（今天人們稱之為“藻華”“赤潮”等）。與陸地上的植物相似，浮游藻類死亡后，其體內(nèi)的有機(jī)物也會(huì)被埋藏而變成地層的一部分。

這三管齊下的結(jié)果，就是大氣中的二氧化碳含量快速降低。眾所周知，二氧化碳是重要的溫室氣體，失去了二氧化碳這床“大棉被”，地球的溫度便開始頭也不回地往下“俯沖”。更雪上加霜的是，極地冰蓋出現(xiàn)后，由于冰層反照率高，會(huì)將更多的陽光反射回大氣中，造成地球接收到的熱量降低，而且這個(gè)過程隨著冰蓋向低緯度擴(kuò)張而越來越嚴(yán)重，成為一個(gè)惡性循環(huán)。持續(xù)千萬年之久的凜冬，終于不可避免地來了。

在石炭紀(jì)初期的地層中就開始出現(xiàn)此次冰期的證據(jù)，而在石炭紀(jì)晚期-二疊紀(jì)初期的地層中則達(dá)到高峰，巨大冰川的痕跡比比皆是。一種叫作“墜石”的地層現(xiàn)象也在這一時(shí)期較為常見，這是一種在規(guī)則沉積的地層中非常突兀地出現(xiàn)一塊礫石的地層現(xiàn)象。這種看上去如同鑲嵌在地層中的石頭，其實(shí)就和冰川有關(guān)。

在大型冰川崩解后，帶著一部分碎屑礫石的小冰山就開始了四處漂浮流浪的生活。而隨著這些“孤兒”日益消融，其夾帶的碎屑礫石便散落在原本正常沉積的地層之中，從而顯得極為扎眼。如今，兩極冰川也已在崩解中，現(xiàn)代的“孤兒”已經(jīng)帶著礫石開始了流浪，在未來的某一天也會(huì)形成類似的墜石現(xiàn)象。

巨蟲當(dāng)?shù)溃鹇怪性?/h2>

和如今“四分五裂”的大陸形態(tài)不同，那會(huì)兒的地球有個(gè)無比龐大的超大陸（Pangaea），而無數(shù)的“英雄好漢”也在這片“中原大地”上樂此不疲地你爭(zhēng)我奪，節(jié)肢動(dòng)物無疑是其中最引人注目的一群。

由于野蠻生長(zhǎng)的植物拼命排放著氧氣，當(dāng)時(shí)大氣中的氧氣含量高得驚人，于是陸生節(jié)肢動(dòng)物在石炭紀(jì)幾乎達(dá)到了身體尺寸的極限。翼展達(dá)到75 厘米的巨脈蜻蜓在遮天蔽日的樹冠下振翅飛翔，地面不時(shí)爬過2米長(zhǎng)的巨型馬陸，幽暗的樹蔭深處還有70 厘米長(zhǎng)的肺蝎靜靜等待著獵物上門……當(dāng)時(shí)密布全球的雨林給了這些巨蟲得天獨(dú)厚的棲息地，使得石炭紀(jì)有了“巨蟲時(shí)代”的美譽(yù)。

從左至右依次為巨型馬陸、巨脈蜻蜓、肺蝎圖片來源/walking with monsters 紀(jì)錄片及prehistoric-wildlife.com

剛剛進(jìn)化出羊膜卵的爬行動(dòng)物們則正開始遠(yuǎn)離河流，朝內(nèi)陸廣袤的森林小心謹(jǐn)慎地進(jìn)行著探索，它們?cè)谌蘸髮?huì)繼續(xù)演化成為合弓綱和蜥形綱的巨獸。但至少在石炭紀(jì)，它們還都是像蜥蜴一般的原始爬行動(dòng)物，體形不大，往往會(huì)淪為巨蟲的口糧。但是，就在這些動(dòng)物在森林中殺得你來我往時(shí)，巨變來了！

久旱逢火，雨林崩潰

石炭紀(jì)龐大的雨林體系雖然潮濕，但是依然有著致命的隱患——森林大火。

由于當(dāng)時(shí)空氣中的氧氣含量很高，且隨著氣候逐漸變冷，冰川規(guī)模日益龐大，這些龐然大物帶走了大量水分，讓海平面下降，改變了洋流和季風(fēng)，同時(shí)讓空氣變得異常干燥。

3.2 億年前的超大陸，可以看到南邊岡瓦納大陸上的超大范圍冰川圖片來源/http://www.earthbyte.org/paleomap-paleoatlas-for-gplates/

只要有一丁點(diǎn)的引火物——比如閃電、局部陽光暴曬、火山爆發(fā)等，就會(huì)讓大片森林陷入熊熊大火中，頃刻間灰飛煙滅。到了石炭紀(jì)末期，這種森林大火頻繁發(fā)生，讓森林以及林中的生物一次次遭受滅頂之災(zāi)。

在火與旱的洗禮下，曾經(jīng)浪漫而蓬勃的雨林體系終于支撐不住而全面崩潰。這一事件被稱為“石炭紀(jì)雨林崩潰事件”。

巨蟲謝幕，改朝換代

與此同時(shí)，地球積攢了上千萬年的二氧化碳也瘋狂地噴涌而出?？茖W(xué)家對(duì)中國貴州石炭紀(jì)晚期的卡西莫夫期和格舍爾期界線（簡(jiǎn)稱“KGB”）地層做了碳同位素測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)在距今3.04 億年的這一時(shí)期，地球在“短短”30 萬年的時(shí)間內(nèi)向大氣中拋出了大約9 萬億噸的碳，讓當(dāng)時(shí)地球大氣的二氧化碳濃度從350ppm 飆到了接近700ppm（ppm，即百萬分比），幾乎翻了一倍。而現(xiàn)今的二氧化碳濃度，大約是420ppm。

從碳的同位素比值來看，這巨量的碳的來源是有機(jī)碳。造成這個(gè)結(jié)果，可能有兩方面的原因。

一是火山。從熾熱的熔巖接觸到有機(jī)沉積物（例如煤層）的那一刻起，碳就回歸空氣大家庭了，更別說熔巖本身就攜帶不少的碳。不過，這還需要更精細(xì)的研究才能確定。

二是永久凍土層的融化。這個(gè)可謂是惡性循環(huán)的大殺器，在變暖的驅(qū)動(dòng)下，這些常年冰封的凍土開始融化，其中的有機(jī)碳因此被釋放出來，從而讓氣候快速變暖。

不過無論誰是兇手，這次全球變暖都讓不少無辜的生物遭了殃，因?yàn)樗俗寽囟燃眲∩?，還有個(gè)要命的結(jié)果就是海洋缺氧?？茖W(xué)家對(duì)KGB 的碳酸鹽巖做了鈾同位素測(cè)定，發(fā)現(xiàn)這一時(shí)期的巨量碳排放使得海水的缺氧面積由之前的4%擴(kuò)張到了22%左右。這對(duì)當(dāng)時(shí)相對(duì)比較單純的海洋環(huán)境可就不那么友好了，行動(dòng)不便的底棲有孔蟲以及腕足動(dòng)物、珊瑚，都因?yàn)槿狈\(yùn)動(dòng)能力而在“窒息”中大規(guī)模死亡。

而陸地上的巨蟲們?cè)谏执蠡鸷陀炅直罎淼臈⒌丶眲】s水的雙重摧殘下，又遭受到全球變暖和氧氣含量下降的致命一擊，再也沒法延續(xù)曾經(jīng)的輝煌，從此讓出了霸權(quán)，走上了小型化的道路。巨蟲時(shí)代從此畫上了句號(hào)，卻開啟了另一場(chǎng)“權(quán)力的游戲”。從此，地球正式進(jìn)入巨獸和巨龍時(shí)代。

火山噴發(fā)過程中釋放了煤層中儲(chǔ)存的碳圖片來源/HOWARD LEE 修改重繪于 Fristad et al Palaeo3 2015, with input

凍土里藏著海量的有機(jī)碳圖片來源/USGS

趁你冰，要你命

巨蟲的時(shí)代雖然落幕了，但是這個(gè)3 億年前的巨量碳排放事件對(duì)我們現(xiàn)代人的警示遠(yuǎn)沒有結(jié)束。

冰室氣候中冰川的正反饋過程增強(qiáng)氣候敏感性，也導(dǎo)致二氧化碳增加引起的溫度變化更大圖片來源/environmental science for a changing world 2nd edition

其實(shí)，碳排放增加在地質(zhì)史上的次數(shù)多到數(shù)不清，而這次KGB 尤為不尋常的地方在于——同等碳排放程度下造成了最大的海洋缺氧面積。

地球的氣候可以籠統(tǒng)地分為兩大類型，即冰室氣候和溫室氣候，兩者的區(qū)別就在于兩極是否有冰蓋。而前文說過，KGB 發(fā)生時(shí)，地球正處于顯生宙以來最長(zhǎng)的冰室氣候，極地的冰蓋又厚又大，其他事件卻都是處在溫室氣候的大環(huán)境下，所以從數(shù)據(jù)上看，其實(shí)是冰室氣候下的碳排放比溫室氣候下的碳排放可能更要命。

地球本身是具備自我調(diào)節(jié)功能的，就像有機(jī)體一樣。一旦碳排放過多，溫度上升的同時(shí)，降雨也會(huì)跟著增多，從而造成化學(xué)風(fēng)化進(jìn)一步加強(qiáng)，使得碳被更多地封進(jìn)巖石中，從而減緩溫度上升；反之，溫度下降會(huì)減少降雨，讓風(fēng)化減弱，從而減緩溫度下降。這個(gè)系統(tǒng)在原理上是沒問題的。

但是，問題就在于，一旦碳排放過快，有無冰蓋在短期內(nèi)的影響是截然不同的：有冰蓋的情況下，會(huì)存在大量的凍土層，這些凍土的融化會(huì)進(jìn)一步加劇碳排放；而冰蓋的反照率也較高，冰蓋快速消融的后果就是反射回太空的太陽光大大減少，這意味著保留在地球上的熱量大大增加。

這兩點(diǎn)就讓冰室期的碳排放有著火上澆油的效果。而且，冰川的消融還讓原本被覆蓋的巖石有機(jī)會(huì)被風(fēng)化溶解，從而流入海洋，其中的營養(yǎng)物質(zhì)又造成了海洋中的赤潮——與赤潮隨之而來的就是水體缺氧和毒素富集，導(dǎo)致其他生物大量死亡。

昔蟲已逝，警鐘長(zhǎng)鳴

不幸的是，我們現(xiàn)在正處于冰室氣候中。工業(yè)革命以來，我們向大氣中排放的二氧化碳逐年增加——其中很大一部分的二氧化碳都來自石炭紀(jì)被埋藏于地下的有機(jī)碳所形成的各種化石燃料。

我們目前面臨的困境，是兩極冰川已經(jīng)開始大面積崩塌，而且地球上的凍土也正處于崩潰邊緣，各地頻發(fā)的森林大火以及層出不窮的極端天氣也已經(jīng)向我們敲響了警鐘。

我們雖然已經(jīng)認(rèn)識(shí)到情況的緊迫，但是各自為政的各國政府步調(diào)并不一致，而且現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展也正是建立在化石燃料的基礎(chǔ)之上的。那么，如何平衡發(fā)展與環(huán)境、如何達(dá)成全球的一致行動(dòng)，這些問題在日益緊迫的氣候變化下對(duì)所有人都是巨大的挑戰(zhàn)。