《Journal of Palaeogeography》：Enhancement of terrestrial productivity by intense wildfires during the Permian–Triassic transition in North China
编辑推荐：
二叠纪—三叠纪（Permian–Triassic，P–T）过渡期是地球生命演化史上最具灾难性的生物事件发生时期，即二叠纪—三叠纪生物大灭绝（PTME，约252百万年前）。这一毁灭性事件导致了海洋和陆地生态系统的灾难性崩溃。从时间耦合关系来看，该崩溃的主要驱动因
二叠纪—三叠纪（Permian–Triassic，P–T）过渡期是地球生命演化史上最具灾难性的生物事件发生时期，即二叠纪—三叠纪生物大灭绝（PTME，约252百万年前）。这一毁灭性事件导致了海洋和陆地生态系统的灾难性崩溃。从时间耦合关系来看，该崩溃的主要驱动因素被认为是全球变暖，其由西伯利亚暗色岩大火成岩省（LIP）多期喷发阶段向大气中排放的大量温室气体所触发，同时伴随多个地区的同期火山活动。全球温度的快速上升促进了跨越不同纬度和气候区的强烈野火发生，由此产生的生物质燃烧向大气释放了大量贫13C的碳气体，进一步加剧了全球变暖，并最终在P–T过渡期驱动了海洋和陆地生态系统的崩溃。
自陆地植物生命建立以来，野火一直是塑造陆地环境和驱动植物演化的基本生态力量。在某些现代生态系统中，周期性火干扰被发现能促进养分循环和植被更新。P–T过渡期见证了野火发生频率和严重程度的急剧升级，产生了复杂的生态后果。一方面，野火造成植被丧失和土壤侵蚀；另一方面，野火释放的大量养分（如磷）通过地表径流被输送到湖泊系统，引发水体富营养化和缺氧。
本研究对位于东特提斯域华北板块（NCP）的宜阳煤田P–T过渡期陆地生产力变化进行了深入分析，聚焦陆地野火与生产力之间的耦合关系。为此，研究人员使用了更高分辨率的地球化学数据（P和P/Al比值），并结合已发表的有机碳同位素、沉积学、孢粉化石、丝炭含量、地球化学、矿物学、天文旋回以及Hg和Δ199Hg值等数据。
研究结果显示，P浓度介于2.82×10-2 mg/g至12.21×10-2 mg/g之间（平均值=6.54×10-2 mg/g）。在陆地生态系统崩溃（EPTC）开始时，观察到P含量显著增加，峰值达到背景值（平均值）的1.7倍。P/Al比值介于52.12×10-4至278.15×10-4之间（平均值=79.54×10-4），其峰值达到背景值的3.5倍。基于先前天文旋回分析，研究区P富集持续约40 kyr。
研究人员认为，陆地生产力的增加主要由野火驱动。频繁的野火烧毁陆地植被，由此增强的陆相化学风化进一步加速基岩分解，大量有机质（OM）和必需养分（如P）通过陆地径流被输送到湖泊，导致湖泊生产力显著增加，进而引发表层水体富营养化和快速藻类定殖，形成缺氧湖泊环境。研究区陆地生产力增加与植被灭绝的间隔重合，表明灾变后土壤侵蚀是研究区P积累的主要途径。随着植被的完全崩溃，先前存在的极端条件进一步恶化，使生态系统无法维持，野火驱动的陆地生产力增加代表了P–T过渡期极端环境条件下的短期扰动。
加速的地表径流增加了湖泊沉积物的P输入并促进了缺氧条件的发展。PTME开始时，岩石颜色从灰绿色向紫红色的转变以及钙质结核的存在表明在陆地生产力升高的间隔内地表温度有所增加。温暖的气候条件不仅增加了野火发生的可能性，还加速了陆地径流，促进了磷从源区向湖泊的输送，最终导致湖泊表层水体富营养化和缺氧环境的发展。华北中部襄垣煤田的湖泊沉积物为湖泊生产力升高和缺氧湖泊条件提供了证据，进一步支持了频繁野火通过地表径流向湖泊释放大量养分、导致湖泊富营养化和缺氧的驱动机制的可靠性。
所提出的PTME期间野火与陆地生产力之间的耦合关系为理解现代全球变化背景下陆地生态系统与频繁野火之间的相互作用机制提供了关键的深时参考。现代极端野火的一个关键区别在于扰动强度超过了恢复阈值。此外，人为温室气体排放可进一步放大野火与气候变暖之间的正反馈，加剧上述不平衡。因此，在未来气候变暖难以缓解的情景下，极端野火事件的频率将增加，其对陆地生态系统的影响将进一步加剧，从而对生态系统恢复力构成更大挑战。深入了解深时极端事件中野火—生态系统相互作用的机制和阈值效应，将有助于科学评估当前生态系统的脆弱性，并制定更具前瞻性的生态恢复和气候适应策略。
一、研究背景与科学问题
二叠纪—三叠纪（Permian–Triassic，P–T）过渡期是地球生命演化史上最具灾难性的生物事件发生时期，即二叠纪—三叠纪生物大灭绝（PTME，约252百万年前），该事件导致了海洋和陆地生态系统的灾难性崩溃。从时间耦合关系推断，这一崩溃的主要驱动因素为全球变暖，其由西伯利亚暗色岩大火成岩省（LIP）多期喷发阶段向大气中排放的大量温室气体所触发，并伴随多个地区的同期火山活动。全球温度的快速上升促进了跨越不同纬度和气候区的强烈野火发生，由此产生的生物质燃烧向大气释放了大量贫13C的碳气体，进一步加剧了全球变暖，最终驱动了P–T过渡期海洋和陆地生态系统的崩溃。
自陆地植物生命建立以来，野火一直是塑造陆地环境和驱动植物演化的基本生态力量。在某些现代生态系统中，周期性火干扰被发现能促进养分循环和植被更新，例如现代森林系统的土壤性质、生产力和植物功能可在野火后数十年内自然恢复至原始状态。P–T过渡期见证了野火发生频率和严重程度的急剧升级，产生复杂的生态后果。一方面，野火造成植被丧失和土壤侵蚀；另一方面，野火释放的大量养分（如磷）通过地表径流被输送到湖泊系统，引发水体富营养化和缺氧。然而，关于P–T过渡期野火与陆地生产力之间耦合关系的深入研究仍较为缺乏，特别是在华北板块（NCP）的陆地沉积记录中。
二、研究内容与意义
本研究对位于东特提斯域华北板块的宜阳煤田孙家沟组P–T过渡期陆地生产力变化进行了深入分析，聚焦陆地野火与生产力之间的耦合关系。研究目标地层为孙家沟组的土门段和全门段，土门段以细粒砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩为主，沉积环境主要为中型末端扇；全门段以粉砂岩、粉砂质泥岩、薄层泥岩和薄层灰岩为主，沉积环境主要为干旱洪泛平原和海岸平原。基于生物地层学、化学地层学和天文旋回地层学的综合证据，土门段记录了陆地生态系统崩溃（EPTC）的开始，而全门段记录了海洋PTME和P–T界线（PTB）的间隔。该研究不仅有助于理解P–T过渡期极端环境下与陆地生态系统相关的野火生态影响，还为现代全球变化背景下陆地生态系统对日益频繁的极端野火事件的响应机制提供了深入的深时视角。
三、主要技术方法
研究人员分析了来自宜阳煤田大禹岭地区孙家沟组露头的114个新鲜泥质岩样品。主要元素大部分在长安大学分析，少部分在北京铀矿地质研究院分析。采用X射线荧光光谱法（XRF-1800ASF和PW2404）测定主量元素，采用电感耦合等离子体质谱法（Element XR）进行微量元素定量。分析前使用中国国家认证参考物质土壤（GBW07427）进行校准，控制分析误差在5%以内。以磷（P）富集水平直接约束初级生产力，考虑到铝（Al）是相对稳定的元素且常用于P的归一化，根据P/Al比值评估古生产力变化，该比值可消除碎屑稀释效应。
四、研究结果
P含量与P/Al比值的显著增加： P浓度介于2.82×10-2 mg/g至12.21×10-2 mg/g之间（平均值=6.54×10-2 mg/g）。在EPTC开始时，观察到P含量显著增加，峰值达到背景值（平均值）的1.7倍。P/Al比值介于52.12×10-4至278.15×10-4之间（平均值=79.54×10-4），其峰值达到背景值的3.5倍。基于先前天文旋回分析，研究区P富集持续约40 kyr。P和P/Al比值的显著增加表明陆地生产力的增强，这一现象与华北板块和华南地区在P–T过渡期的观测结果一致。
野火驱动的生产力增强机制： 频繁野火烧毁陆地植被，由此增强的陆相化学风化进一步加速基岩分解，大量有机质和必需养分（如P）通过陆地径流被输送到湖泊，导致湖泊生产力显著增加，进而引发表层水体富营养化和快速藻类定殖，形成缺氧湖泊环境。研究区陆地生产力增加的间隔与植被灭绝的间隔重合，表明灾变后土壤侵蚀是研究区P积累的主要途径。频繁野火加剧了物理风化并加速基岩分解，进一步导致表层土壤P富集。随着植被的完全崩溃，野火频率迅速降低，陆相化学风化增强，陆地生产力同步快速下降并持续处于低位，表明野火驱动的陆地生产力增加代表了P–T过渡期极端环境条件下的短期扰动。
升温加速磷输送与湖泊缺氧： 加速的地表径流增加了湖泊沉积物的P输入并促进了缺氧条件的发展。PTME开始时，岩石颜色从灰绿色向紫红色的转变以及钙质结核的存在表明在陆地生产力升高的间隔内地表温度有所增加。PTME开始时全球变暖的发生进一步得到氧同位素数据和CESM（社区地球系统模型）模拟的支持。温暖的气候条件不仅增加了野火发生的可能性，还加速了陆地径流，促进了磷从源区向湖泊的输送，最终导致湖泊表层水体富营养化和缺氧环境的发展。华北中部襄垣煤田的湖泊沉积物为湖泊生产力升高（由P和P/Al峰值推断）和缺氧湖泊条件（由V/(V+Ni)、V/Cr和Ni/Co等比值的异常变化推断）提供了证据，进一步支持了频繁野火通过地表径流向湖泊释放大量养分、导致湖泊富营养化和缺氧的驱动机制的可靠性。
五、讨论与结论
所提出的PTME期间野火与陆地生产力之间的耦合关系为理解现代全球变化背景下陆地生态系统与频繁野火之间的相互作用机制提供了关键的深时参考。现代极端野火的一个关键区别在于扰动强度超过了恢复阈值，例如澳大利亚丛林大火和北美西部野火造成的破坏超过了现代陆地生态系统的自然恢复阈值。此外，温带森林中野火的频繁发生已超出其自然更新周期，导致生产力持续下降。人为温室气体排放可进一步放大野火与气候变暖之间的正反馈，加剧上述不平衡。因此，在未来气候变暖难以缓解的情景下，极端野火事件的频率将增加，其对陆地生态系统的影响将进一步加剧，从而对生态系统恢复力构成更大挑战。
研究结论如下：（1）宜阳煤田孙家沟组洪泛平原沉积记录了PTME期间陆地生产力的瞬时增加。在PTME开始时，P浓度和P/Al比值均表现出明显的短期峰值，分别达到背景水平的1.7倍和3.5倍，表明PTME开始时陆地生产力显著增强。（2）频繁野火是驱动P–T过渡期陆地生产力增加的关键因素之一。本研究中，陆地生产力增加的间隔与频繁野火的发生、物理风化增强、陆地植物消失、岩性从灰绿色向紫红色转变以及钙质结核的存在大致同步。在研究区，频繁野火加剧了土壤侵蚀和基岩破碎，导致物理风化增强和表层土壤P富集。随后，在更温暖气候驱动的加速陆地径流作用下，磷被输送到湖泊，导致水体富营养化和缺氧条件的形成。
