地球系統(tǒng)演化研究中，一個關(guān)鍵問題在于明確早期植物何時在陸地大規(guī)模擴張并開始影響地球系統(tǒng)。近日，一項重要研究成果為這一問題的解答提供了新的線索。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的研究團隊，通過深入探究，發(fā)現(xiàn)了新的地球化學(xué)證據(jù)，表明陸地植物對地球表層環(huán)境的塑造時間比此前認知更早。

陸地植物與海洋初級生產(chǎn)者所生成的有機質(zhì)存在明顯區(qū)別。陸地植物形成的有機質(zhì)，其有機碳與磷的比值相對更高。當陸地植物在大陸上不斷擴張，陸地光合作用隨之增強，陸地有機質(zhì)的生產(chǎn)量也相應(yīng)增加。這些來自陸地的有機質(zhì)經(jīng)由河流被輸送到海洋，最終進入海洋沉積物，使得海洋沉積物中的有機碳/磷比值上升。由于陸源有機碳的產(chǎn)生和其在海洋中的埋藏過程緊密相連，海洋碎屑沉積物里的有機碳/磷比值就成為追蹤陸源有機碳輸入、反映陸地凈初級生產(chǎn)力變化的關(guān)鍵指標。

研究團隊對不同氧化還原條件下的海相碎屑沉積記錄展開系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，大約4.55億年前，有機碳/磷比值出現(xiàn)顯著升高。經(jīng)過對多種可能影響這一變化的因素進行評估，研究人員確定這一變化反映出與早期陸地植物擴張相關(guān)的陸地凈初級生產(chǎn)力大幅增強。通過混合模型估算，自晚奧陶世（約4.55億年前）起，陸源有機碳在海洋沉積物中總有機碳埋藏量里的占比約為42±15%，這一比例已接近現(xiàn)代水平（30% - 57%）。從古大陸尺度的分析來看，陸地植物的擴張或許最早起始于勞倫古陸，也就是現(xiàn)今北美洲等主要區(qū)域。

該研究還發(fā)現(xiàn)，在晚奧陶世，有機碳/磷比值出現(xiàn)了兩次明顯的升高，這與該時期發(fā)生的兩次重要碳同位素異常事件相呼應(yīng)。這表明，富碳、貧磷的陸源有機質(zhì)輸入海洋沉積物，推動了全球有機碳的埋藏，進而促使大氣氧含量增加，同時降低了二氧化碳濃度。陸地植物的快速擴張引發(fā)硅酸鹽和磷風化作用增強，可能進一步放大了這些環(huán)境效應(yīng)。綜合各方面情況，早期陸地植物在大約4.55億年前的興起，可能顯著推動了地球表層環(huán)境的氧化進程，甚至可能促成了晚奧陶世冰期和大規(guī)模滅絕事件的發(fā)生。