近日，由童金南教授领导的“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4月9日在《Nature Communications》上在线发表。文章的第一作者为中国地质大学（武汉）地球科学学院博士生吴玉样，通讯作者为中国地质大学（武汉）地球科学学院和生物地质与环境地质国家重点实验室楚道亮博士和蒙特克莱尔州立大学崔莹博士。

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。

图1. 二叠纪-三叠纪之交大气CO₂浓度重建以及生物与环境事件综合图

A. 全球海相碳酸盐岩无机碳同位素；B. 黔西滇东地区C₃植物有机碳同位素；C. 牙形石氧同位素计算的表层海水温度；D. C₃植物有机碳同位素指标重建的pCO₂变化曲线以及已报道的pCO₂数据；E. 海相生物丰度变化呈现的两幕式灭绝。

结果显示晚二叠世晚期的pCO2为~430 ppmv，随后逐渐上升，直到二叠纪-三叠纪之交达到峰值~2500 ppmv（图1）。在早三叠世早期，pCO2一直维持在较高的水平(1500 ppmv到2500 ppmmv)。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我们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地球气候敏感性有着重要意义。

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%）。这种耦合关系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。该成果于2月5日在《Geology》上在线发表。文章的第一作者和通讯作者为中国地质大学（武汉）地球科学学院和生物地质与环境地质国家重点实验室楚道亮博士。

图2. 岩芯ZK4703重金属富集与石松类孢子四分体含量分布图

A. 全岩有机碳同位素；B. 总有机碳含量；C. 重金属Hg含量以及Hg/Al和Hg/TOC；D. 重金属Cu含量以及Cu/Al和Cu/TOC；E. 石松类孢子四分体含量

上述研究得到国家自然科学基金、英国自然环境研究委员会以及美国国家科学基金会的共同资助。

论文信息：

Wu, Y.Y., Chu, D.L.*, Tong, J., Song, H.J., Dal Corso, J., Wignall, P.B., Song, H.Y., Du, Y. and Cui, Y.*, 2021. Six-fold increase of atmospheric pCO2 during the Permian–Triassic mass extinction. Nature Communications 12: 2137, doi: 10.1038/s41467-021-22298-7

Chu, D.L.*, Dal Corso, J., Shu, W.C., Song, H.J., Wignall, P.B., Grasby, S.E., van de Schootbrugge, B., Zong, K.Q., Wu, Y.Y. and Tong, J.N., 2021. Metal-induced stress in survivor plants following the end-Permian collapse of land ecosystems. Geology. doi: 10.1130/G48333.1