大氣圈、水圈、巖石圈示意圖。

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不同類型的陸地生態(tài)系統(tǒng)示意圖。

中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所供圖

近百年來(lái)，由于人為排放溫室氣體等原因，地球表面升溫，形成了巨大的生態(tài)和環(huán)境壓力。在不同的二氧化碳背景下，地球生態(tài)系統(tǒng)將走向何方？在全球變暖趨勢(shì)下，生態(tài)系統(tǒng)的韌性有多強(qiáng)？

現(xiàn)在人類短時(shí)間尺度的觀察記錄很難回答以上問(wèn)題，而漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中已經(jīng)發(fā)生多次類似事件。“現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)是如何起源的”，是中國(guó)科協(xié)評(píng)出的年度十大前沿問(wèn)題之一。了解陸地生態(tài)系統(tǒng)的起源和演化，將幫助我們更好地理解、保護(hù)地球生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

——編  者

你真的了解地球上的“陸地”嗎？

地球宜居，得益于其獨(dú)特的宇宙環(huán)境和自身?xiàng)l件。首先，地球與太陽(yáng)距離適中，接收的太陽(yáng)輻射能夠維持適宜的溫度并保證液態(tài)水的穩(wěn)定存在；角度適宜，保證了規(guī)律的四季更替。其次，諸如板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等強(qiáng)烈的地質(zhì)活動(dòng)有效促進(jìn)了地球的物質(zhì)循環(huán)，能夠長(zhǎng)期調(diào)節(jié)氣候并維持元素平衡，保證了大氣圈、水圈和巖石圈的動(dòng)態(tài)平衡。

從高空俯視，地球表面大部分被水所覆蓋，陸地總面積僅占地表面積的29%，但陸地生物構(gòu)成了全球生物多樣性的主要部分——其種類約占地球生物總量的85%。

陸地生態(tài)系統(tǒng)，即陸地生物與其所處環(huán)境共同構(gòu)成的多樣復(fù)雜的整體系統(tǒng)。它是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。探究它的起源過(guò)程和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，不但可以為被子植物起源、脊椎動(dòng)物演化等重要問(wèn)題提供答案，還能為理解“宜居地球”的演變提供直接證據(jù)。

從長(zhǎng)時(shí)間尺度上看，陸地生態(tài)系統(tǒng)深刻地參與塑造了地球的演變。

例如，參與塑造大氣圈的演變。泥盆紀(jì)陸地植物的大規(guī)模生態(tài)擴(kuò)張，推動(dòng)了森林生態(tài)系統(tǒng)的出現(xiàn)與復(fù)雜化。這一方面引起了大氣氧含量的急劇升高，不但促進(jìn)了石炭紀(jì)節(jié)肢動(dòng)物的巨型化，也側(cè)面削弱了紫外線的輻射并促進(jìn)臭氧層的形成。另一方面，通過(guò)固定二氧化碳參與了碳循環(huán)，石炭紀(jì)森林的埋藏還為人類提供了重要的煤炭資源。

又比如，參與塑造水圈的演變。陸地植物的蒸騰作用將大量的水循環(huán)至大氣之中，植物強(qiáng)大的根系有效提升河流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

再比如，參與塑造地表巖石圈的演變。陸地植物與微生物通過(guò)生物風(fēng)化作用可以快速破壞地表的基巖，加速土壤層的形成。地下生活的動(dòng)物也可以通過(guò)掘土等方式擾動(dòng)地表的土壤層，參與各類地貌的形成。

哪些因素影響了“陸地”的演化？

陸地生態(tài)系統(tǒng)的變化并不是和緩的，而是經(jīng)歷過(guò)崩潰與復(fù)蘇。

學(xué)術(shù)界提出了“白堊紀(jì)陸地革命”等理論，并認(rèn)為貫穿“白堊紀(jì)陸地革命”的五大標(biāo)志性事件，即“被子植物起源”“昆蟲(chóng)的生態(tài)輻射”“脊椎動(dòng)物的興衰演替”“陸地生態(tài)系統(tǒng)的崩潰”以及“陸地生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)蘇”，是探究現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)起源與演化的關(guān)鍵。

白堊紀(jì)被子植物的崛起，重塑了全球陸地植被和生態(tài)系統(tǒng)格局，也為昆蟲(chóng)、兩棲爬行類、鳥(niǎo)類和哺乳動(dòng)物的輻射演化提供了棲息地和能量來(lái)源；昆蟲(chóng)的生態(tài)輻射使得森林生態(tài)系統(tǒng)、湖泊生態(tài)系統(tǒng)等各類型的陸地生態(tài)系統(tǒng)更加復(fù)雜，在維持生物多樣性、調(diào)節(jié)碳循環(huán)等方面深度地參與了現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)的形成；恐龍類等陸生脊椎動(dòng)物，通過(guò)拓展生態(tài)位、重塑食物網(wǎng)、改造棲息環(huán)境等極大地影響了現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)的形成。同時(shí)，一系列的地質(zhì)環(huán)境事件也對(duì)現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)的形成產(chǎn)生了不可忽視的影響。

在侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)，恐龍時(shí)代的陸地生態(tài)系統(tǒng)與現(xiàn)代截然不同。首先是地理格局與氣候環(huán)境的巨大差異。在侏羅紀(jì)早期，大陸的聚合程度較高，之后不斷裂解，直到白堊紀(jì)晚期才初步形成現(xiàn)代地理格局的原始狀態(tài)。

板塊活動(dòng)改變了當(dāng)時(shí)的氣候條件，造成了當(dāng)時(shí)的極端溫室效應(yīng)。據(jù)測(cè)算，白堊紀(jì)中期的大氣二氧化碳濃度是現(xiàn)在的4—10倍；熱帶地區(qū)年平均溫度高達(dá)35攝氏度，兩極地區(qū)的年平均溫度也能達(dá)到14攝氏度左右；當(dāng)時(shí)的海平面比現(xiàn)在高100—200米，在過(guò)去250Ma（百萬(wàn)年）的歷史中處于最高位時(shí)期。

如今，人類活動(dòng)已成為影響陸地生態(tài)系統(tǒng)變化的首要驅(qū)動(dòng)力，影響速率與規(guī)模遠(yuǎn)超自然過(guò)程。

耕地的擴(kuò)張、畜牧業(yè)的發(fā)展、礦產(chǎn)資源的開(kāi)采等，都會(huì)改變地球的表層系統(tǒng)。人類活動(dòng)還會(huì)極大地影響地球的氣候條件。我們生活的地球目前正處于冰室氣候階段，兩極的冰蓋便是顯著特征。如今，大氣中吸熱溫室氣體的含量已創(chuàng)有史以來(lái)的最高紀(jì)錄。由于破壞生物的棲息環(huán)境、排放污染物、過(guò)度開(kāi)發(fā)生物資源等，人類活動(dòng)極大地加速了陸地生物物種多樣性的下降。

然而，人類活動(dòng)的影響并非全然消極。生態(tài)恢復(fù)和污染治理有效修復(fù)了退化的陸地生態(tài)系統(tǒng)，我國(guó)的“三北”工程就是其中的經(jīng)典案例。同時(shí)，可持續(xù)發(fā)展的綠色農(nóng)業(yè)和林業(yè)活動(dòng)可以在保證土地利用率的同時(shí)，提高土地的植被覆蓋率和生態(tài)健康。多年來(lái)大規(guī)模的物種保護(hù)活動(dòng)也卓見(jiàn)成效，瀕危物種的人工繁殖與再引入、棲息地保護(hù)和生態(tài)廊道建設(shè)等活動(dòng)，不但有效避免了瀕危物種的滅絕，還進(jìn)一步恢復(fù)了陸地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)平衡，促進(jìn)了人與自然和諧共生。

未來(lái)，我們?nèi)绾尉幾?ldquo;大地之書(shū)”？

探究現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)的起源和演化，像編撰一部陸地生態(tài)系統(tǒng)的“史書(shū)”，內(nèi)容越豐富、時(shí)間越精細(xì)，史書(shū)也就越真實(shí)。

加強(qiáng)化石系統(tǒng)分類和高精度綜合地層研究是基礎(chǔ)。埋藏于地底的一枚枚化石是我們了解地球生命史詩(shī)的主要窗口?；谶@些化石，我們得以窺見(jiàn)遠(yuǎn)古生命演化的波瀾壯闊。

除了化石，我們還可以通過(guò)化學(xué)（地球化學(xué)）和物理（地球物理）方法研究地球。地球化學(xué)以地層中的元素為主要研究對(duì)象，主要通過(guò)分析巖石、礦物等的化學(xué)組成和同位素特征，揭示地球內(nèi)部和表層的物質(zhì)循環(huán)、能量交換及演化規(guī)律。地球物理學(xué)旨在通過(guò)觀測(cè)地球物理場(chǎng)的時(shí)空變化，推演地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)狀態(tài)以及動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

過(guò)去百年積累了海量的地質(zhì)資料，如何利用這些數(shù)據(jù)重建地球的演化史，成為目前地球系統(tǒng)科學(xué)的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。構(gòu)建全新的地學(xué)知識(shí)圖譜并開(kāi)展綜合大數(shù)據(jù)分析工作，也為研究提供了新的突破點(diǎn)。

在數(shù)字時(shí)代，基于大數(shù)據(jù)的多學(xué)科交叉研究帶來(lái)了研究新范式。未來(lái)，古生物地層學(xué)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、演化生物學(xué)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等多學(xué)科交叉，將為認(rèn)識(shí)當(dāng)今全球氣候變化對(duì)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的影響提供重要參考。

（作者單位：中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所）