24小时的地球史, 人类只占4秒! 如何翻开大地之书?

近百年来，由于人为排放温室气体等原因，地球表面升温，形成了巨大的生态和环境压力。在不同的二氧化碳背景下，地球生态系统将走向何方？在全球变暖趋势下，生态系统的韧性有多强？

现在人类短时间尺度的观察记录很难回答以上问题，而漫长的地质历史中已经发生多次类似事件。“现代陆地生态系统是如何起源的”，是中国科协评出的年度十大前沿问题之一。了解陆地生态系统的起源和演化，将帮助我们更好地理解、保护地球生态系统，促进可持续发展。

大气圈、水圈、岩石圈示意图(资料图片)

不同类型的陆地生态系统示意图

(中国科学院南京地质古生物研究所供图)

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你真的了解地球上的“陆地”吗？

地球宜居，得益于其独特的宇宙环境和自身条件。首先，地球与太阳距离适中，接收的太阳辐射能够维持适宜的温度并保证液态水的稳定存在；角度适宜，保证了规律的四季更替。其次，诸如板块构造运动等强烈的地质活动有效促进了地球的物质循环，能够长期调节气候并维持元素平衡，保证了大气圈、水圈和岩石圈的动态平衡。

从高空俯视，地球表面大部分被水所覆盖，陆地总面积仅占地表面积的29%，但陆地生物构成了全球生物多样性的主要部分——其种类约占地球生物总量的85%。

陆地生态系统，即陆地生物与其所处环境共同构成的多样复杂的整体系统。它是人类赖以生存和发展的基础。探究它的起源过程和驱动机制，不但可以为被子植物起源、脊椎动物演化等重要问题提供答案，还能为理解“宜居地球”的演变提供直接证据。

从长时间尺度上看，陆地生态系统深刻地参与塑造了地球的演变。

例如，参与塑造大气圈的演变。泥盆纪陆地植物的大规模生态扩张，推动了森林生态系统的出现与复杂化。这一方面引起了大气氧含量的急剧升高，不但促进了石炭纪节肢动物的巨型化，也侧面削弱了紫外线的辐射并促进臭氧层的形成。另一方面，通过固定二氧化碳参与了碳循环，石炭纪森林的埋藏还为人类提供了重要的煤炭资源。

又比如，参与塑造水圈的演变。陆地植物的蒸腾作用将大量的水循环至大气之中，植物强大的根系有效提升河流系统的稳定性。

再比如，参与塑造地表岩石圈的演变。陆地植物与微生物通过生物风化作用可以快速破坏地表的基岩，加速土壤层的形成。地下生活的动物也可以通过掘土等方式扰动地表的土壤层，参与各类地貌的形成。

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哪些因素影响了“陆地”的演化？

陆地生态系统的变化并不是和缓的，而是经历过崩溃与复苏。

学术界提出了“白垩纪陆地革命”等理论，并认为贯穿“白垩纪陆地革命”的五大标志性事件，即“被子植物起源”“昆虫的生态辐射”“脊椎动物的兴衰演替”“陆地生态系统的崩溃”以及“陆地生态系统的复苏”，是探究现代陆地生态系统起源与演化的关键。

白垩纪被子植物的崛起，重塑了全球陆地植被和生态系统格局，也为昆虫、两栖爬行类、鸟类和哺乳动物的辐射演化提供了栖息地和能量来源；昆虫的生态辐射使得森林生态系统、湖泊生态系统等各类型的陆地生态系统更加复杂，在维持生物多样性、调节碳循环等方面深度地参与了现代陆地生态系统的形成；恐龙类等陆生脊椎动物，通过拓展生态位、重塑食物网、改造栖息环境等极大地影响了现代陆地生态系统的形成。同时，一系列的地质环境事件也对现代陆地生态系统的形成产生了不可忽视的影响。

在侏罗纪和白垩纪，恐龙时代的陆地生态系统与现代截然不同。首先是地理格局与气候环境的巨大差异。在侏罗纪早期，大陆的聚合程度较高，之后不断裂解，直到白垩纪晚期才初步形成现代地理格局的原始状态。

板块活动改变了当时的气候条件，造成了当时的极端温室效应。据测算，白垩纪中期的大气二氧化碳浓度是现在的4—10倍；热带地区年平均温度高达35摄氏度，两极地区的年平均温度也能达到14摄氏度左右；当时的海平面比现在高100—200米，在过去250Ma（百万年）的历史中处于最高位时期。

如今，人类活动已成为影响陆地生态系统变化的首要驱动力，影响速率与规模远超自然过程。

耕地的扩张、畜牧业的发展、矿产资源的开采等，都会改变地球的表层系统。人类活动还会极大地影响地球的气候条件。我们生活的地球目前正处于冰室气候阶段，两极的冰盖便是显著特征。如今，大气中吸热温室气体的含量已创有史以来的最高纪录。由于破坏生物的栖息环境、排放污染物、过度开发生物资源等，人类活动极大地加速了陆地生物物种多样性的下降。

然而，人类活动的影响并非全然消极。生态恢复和污染治理有效修复了退化的陆地生态系统，我国的“三北”工程就是其中的经典案例。同时，可持续发展的绿色农业和林业活动可以在保证土地利用率的同时，提高土地的植被覆盖率和生态健康。多年来大规模的物种保护活动也卓见成效，濒危物种的人工繁殖与再引入、栖息地保护和生态廊道建设等活动，不但有效避免了濒危物种的灭绝，还进一步恢复了陆地生态系统的生态平衡，促进了人与自然和谐共生。

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未来，我们如何编撰“大地之书”？

探究现代陆地生态系统的起源和演化，像编撰一部陆地生态系统的“史书”，内容越丰富、时间越精细，史书也就越真实。

加强化石系统分类和高精度综合地层研究是基础。埋藏于地底的一枚枚化石是我们了解地球生命史诗的主要窗口。基于这些化石，我们得以窥见远古生命演化的波澜壮阔。

除了化石，我们还可以通过化学（地球化学）和物理（地球物理）方法研究地球。地球化学以地层中的元素为主要研究对象，主要通过分析岩石、矿物等的化学组成和同位素特征，揭示地球内部和表层的物质循环、能量交换及演化规律。地球物理学旨在通过观测地球物理场的时空变化，推演地球的内部结构、物质状态以及动力学过程。

过去百年积累了海量的地质资料，如何利用这些数据重建地球的演化史，成为目前地球系统科学的热点问题之一。构建全新的地学知识图谱并开展综合大数据分析工作，也为研究提供了新的突破点。

在数字时代，基于大数据的多学科交叉研究带来了研究新范式。未来，古生物地层学大数据统计、演化生物学和计算机数值模拟等多学科交叉，将为认识当今全球气候变化对生物多样性和生态系统的影响提供重要参考。

中国科学院南京地质古生物研究所许春鹏、王博