探秘中国“植物庞贝城”

近日，在韩国举办的第37届国际地质大会上，国际地质科学联合会（以下简称“国际地科联”）公布了第二批100个世界地质遗产地名录，中国有3处入选，“乌达二叠纪植被化石产地”是其中之一。 乌达二叠纪植被化石产地为何被称为“植物庞贝城”？有怎样的科学价值？目前的研究情况如何？ 全球唯一的二叠纪“植物庞贝城” 乌达二叠纪植被化石产地指的是内蒙古自治区乌海市乌达煤田内埋藏保存的二叠纪化石森林。 2.98亿年前，整个华北地区还是沉浸在汪洋中的一个大岛屿，乌达地区处于北回归线以南的低纬度热带区域，是一片生机盎然的热带雨林，这里温暖湿润，长满石松类、有节类、瓢叶类、蕨类、种子蕨类、原始松柏类、苏铁类等植物，高低错落，郁郁葱葱。然而，一场规模空前的火山突然喷发，厚厚的火山灰飘到了这片森林，整片森林被就地掩埋。 乌达二叠纪植被化石产地的保存方式与庞贝古城遗址如出一辙。公元79年，维苏威火山爆发，庞贝被掩埋在数米深的火山灰下，直到1748年被发掘，这里原封不动地保留了神庙、街道、民居等。基于此，负责乌达二叠纪植被化石产地发掘的中国科学院南京地质古生物研究所所长王军带领的研究团队将该产地命名为“植物庞贝城”，这一研究成果2012年在《美国科学院院报》发表后，引发了国际地质古生物学界的关注。 国际地科联在对今年获评的遗产地进行介绍时这样写道：乌达化石遗址是世界上重建植物化石数量最多的地方，也是世界上精确重建煤田植被实际景观规模最大的地方，为了解植物群落生态提供了一个独特的窗口，超过50个物种分类说明了该区域高度的生物多样性。乌达化石代表了一个被称为二叠纪“植物庞贝城”的远古森林的特殊记录。 “目前，不完全统计显示，全球发现的动物化石埋藏点可能不少于50万，植物化石埋藏点可能有10余万，但是公认的保存方式与‘植物庞贝城’基本相同的只有5个。这里是唯一一个处于二叠纪最早期的，准确地说是处于石炭纪与二叠纪之交。”王军告诉记者。 据了解，其他的类似于“植物庞贝城”保存的植物群位于美国、西班牙、捷克、德国，但受制于自然环境等因素的影响，种群丰富程度与科研进展不及乌达植被化石产地。 “植物庞贝城”研究团队目前的研究进展表明，乌达“植物庞贝城”囊括5项世界之最：最大面积的远古森林实际复原、最丰富的同期成煤植物群化石标本收藏、最古老的苏铁植物、最丰富的瓢叶目植物群落以及最多的化石植物整体重建。 稀有的原位埋藏化石森林 原位埋藏是王军当初发现乌达化石的线索，也是乌达化石产地之所以具有重大科学价值的重要原因。 1997年，王军在中国科学院南京地质古生物研究所博士后流动站做瓢叶目植物的研究，所里的吴秀元老师送给他一小块产自贺兰山脉的瓢叶类植物矿化标本。吴秀元20世纪60年代初来到中国科学院南京地质古生物研究所，一直跟随李星学院士从事地层古植物学研究，对贺兰山华夏植物群等非常熟悉，尤其擅长石炭纪植物和地层的研究。20世纪80年代，吴老师在贺兰山野外考察期间，偶然发现一块已矿化的瓢叶目植物化石，虽然这个球果化石的直径仅有2厘米，但结构保存完整，十分罕见。 王军对这个化石进行了仔细的修理和技术分析，鉴定后确认这是瓢叶目中的一个新种，后来在他的博士后出站报告《瓢叶目一种孢子叶球盘穗的形态及解剖学研究》中将其命名为“中华盘穗”。这是当时发现的第一块保存了内部解剖结构的瓢叶目植物化石，它为解决瓢叶目植物的系统归属提供了重要线索。但它的体积太小，当时的实验条件无法展开更深入研究，王军觉得有必要重返贺兰山去找更多化石材料。 之后，王军多次到贺兰山进行野外科考。2003年，王军与美国宾夕法尼亚大学费弗科恩教授一同前往贺兰山脉，后者主要从事石炭-二叠纪地层和植物研究，在埋藏学和古环境学等领域成就斐然。这一次，他们虽没有找到“中华盘穗”，但在乌达煤田红旗煤矿6号和7号煤层之间，发现了一层约66厘米厚的植物化石层，绵延三十多米，包括一些直立的茎干，每隔三五米就有一根，这是之前没有发现过的。经辨认，他们认为很可能是树蕨、科达和瓢叶目拟齿叶属。 这样的发现令两位科学家振奋，后来经过研究，发现这并非以往文献中认为的湖相粘土岩，而是火山凝灰岩，表明其为火山灰特异埋藏。 王军告诉记者，火山进行了一次连续喷发，森林是被一次性掩埋的，中间不存在火山喷发停止后，又有树木新生长的情况。火山灰的飘落可能持续了数天甚至数月，当时埋下来的厚度约为1.2米—1.5米，由于上面又形成了煤层、岩石等，后经近3亿年以来的地质作用，现在保存的厚度约为66厘米。 “一般化石中的植物都是躺着的、破碎的，但这里的植物化石是站着的、完整的。展开的树冠、倒伏的树干，甚至还有缠绕的藤蔓、树间的小草以及被昆虫咬食的植物叶片。”王军介绍，乌达植被化石包括了石松类、有节类、蕨类、种子蕨类、前裸子植物、早期松柏植物和苏铁类植物共7大类50余种，具备了现代植被类群中除被子植物以外的各大类群。有着非常清晰的分层结构，包括高层乔木、低层乔木、层间植物、灌木层、地被层。团队还曾发现了一棵完整的封印木，树桩在岩石中，树干倒伏，树冠折断但跟树干还保存在一起，复原后高达二十几米。 乌达化石标本目前发现的就超过了50种，多数都能够进行整体重建研究，因此这里将可能成为全球实现化石植物整体重建复原属种最多的古植物学圣地，有望为古生物演化生命树增添最多的化石植物新物种。 丰富古生物演化生命树 据王军介绍，这片化石遗产地处在煤层之间，目前为止，科研人员在35平方公里的煤田区域陆续发掘了1万平方米。 发掘过程中，许多发现在打破既有的认知。比如按照教科书，在中国的热带雨林，发掘2500平方米就可以覆盖区域内的所有物种，但是当团队发掘到8000平方米的时候，仍然有新物种出现。 “目前已经复原并完整重建了9种古植物。”王军介绍，特别是在瓢叶目研究方面取得了突破性成果。 在二叠纪末大灭绝事件中，瓢叶目植物随之消失，它是华夏植物群的特色和代表类群之一，在石炭-二叠纪植物群中最常见，但也是研究最薄弱的一组植物。其植物系统分类位置从1931年该目建立以来始终是个谜团。 2015年，王军团队在乌达找到了内部结构保存完好的拟齿叶，随后数年中，团队又多次发现具有相同内部解剖结构的拟齿叶，大量数据不仅证明果与叶同源，同时也显示了这类植物的主干发育具有密木型的松柏类木材特征，至此终于确认瓢叶目属于前裸子植物，彻底解决了瓢叶目在生命演化树中的位置，即系统分类属性及其亲缘关系。 除了树木，王军更想了解整个森林的奥秘。 乌达化石产地一块3000平方米的发掘现场被画满了白色方格，这些就是定位点，每个点位是一棵植物，如果植物都被复原出来，就能真正做到“既见树木，又见森林”，不仅可以了解单个植物的信息，更能了解到群落的生态。 在这里，有最古老可靠的苏铁，以往发现的苏铁由于信息内容不完整，仅见叶片而缺乏繁殖器官，无法确认属于苏铁。而乌达的苏铁则既有叶片又有繁殖器官，可以确定。 王军告诉记者，从目前研究来看，这片森林里最多的是树蕨，其次是瓢叶目，而且发现有科达树生长的地方，一定没有封印木，反之亦然，两者呈割据状态。森林一年中有8个月，地表有浅层水体覆盖，其余4个月，陆地会露出，这些都是成煤的条件。而到底是哪些植物能够变成煤炭，长期以来缺乏直观而清晰的证据，乌达化石产地展现出的成煤植物群落组成，成为研究的一条重要线索。 他还介绍，石炭-二叠纪之交的地球气候环境与当前十分相似，南北两极覆冰，当时地球正经历冰室气候向温室气候转换，现在也正在从第四纪以来的冰室气候过渡到温室气候，气温逐渐升高，极端天气频发，植物为了适应气候也要发生变化，或迁移或进化或灭绝等，乌达化石产地所处的地质历史时期为研究现代植被适应冰室过渡到温室的变化提供了重要参考，对粮食生产有重要意义。 “植物庞贝城”的研究虽然已经进行了20多年，但仍有许多未解之谜，比如在如此丰茂的热带雨林，仅发现蝎子等10块左右的动物化石，为什么数量和种类都那么少？ 王军告诉记者，一个化石点的研究是无穷无尽的。“技术一直向前发展，每一代人的认识有一定的局限，相信这些未解之谜在未来会一一揭开。” 延伸阅读 内蒙古乌达二叠纪植被化石专题展开展 日前，“内蒙古乌达二叠纪植被化石专题展”在内蒙古自然博物馆开展。 此次展览分为3个单元，“乌达二叠纪植被化石产地”单元通过图文展板的方式介绍了乌达二叠纪植被化石产地的形成过程，揭开了深藏地下约3亿年的古植物化石的神秘面纱；“植被化石宝库”单元展示了石松类、有节类、瓢叶类、蕨类、种子蕨类、原始松柏类、苏铁类等乌达二叠纪时期沼泽森林植物类群，其中包括已经灭绝的孢子植物——瓢叶类拟齿叶的完整树冠标本、世界上最古老的苏铁等珍贵的植被化石标本；“研究与保护”单元介绍了乌达二叠纪植被化石产地植物化石的发现过程以及相关研究成果。展览充分利用内蒙古自然博物馆馆藏标本，通过图文、互动、实物等多种形式开展科普宣传，让公众更加深入了解乌达二叠纪植被化石产地的成因、植物类群及其重要价值，进一步推动古植被化石的研究与保护。 据了解，目前，内蒙古已出台《“内蒙古乌达二叠纪植被化石产地”保护工作方案》，组织科研机构和地方力量，全力做好乌达二叠纪植被化石产地保护工作。