晚泥盆世-密西西比亚纪植物水循环与生物礁耦合演化

摘要

古生代陆地植物的起源和繁盛,导致地表水文循环发生了显著变化,对地球表层系统产生了深远的影响.陆地植物一方面通过蒸腾作用增加地表降雨量,加剧了大陆硅酸盐风化作用和有机碳埋藏量;另一方面,通过地表径流将陆源营养元素带入海洋,导致海洋初级生产力提高、海水缺氧程度和有机碳埋藏量增加.在晚泥盆世–密西西比亚纪期间,陆地植物和海洋生物礁系统均发生了显著变化,可识别出3个耦合演化阶段:(1)晚泥盆世弗拉期–法门期(Frasnian–Famennian/F–F)转折期植物多样性和覆盖面积明显增加并向高纬度扩张,伴随Kellwasser生物灭绝事件和显生宙最大的层孔海绵-珊瑚礁系统崩溃;(2)泥盆纪–石炭纪(Devonian–Carboniferous/D–C)转折期种子植物多样性显著增加,伴随Hangenberg生物灭绝事件、层孔海绵-珊瑚礁消失以及密西西比亚纪早期后生动物礁缺失;(3)密西西比亚纪中–晚期(Middle–Late Mississippian/M–LM)种子植物科达类树木的丰度显著增加,伴随M–LM生物灭绝事件和珊瑚礁系统崩溃.种子植物不仅具有较深的根系,还可以克服对水分的依赖,从近岸湿润低地向内陆干旱高地扩张,进而加强陆地水文循环过程.泥盆纪–石炭纪陆地植物(尤其是种子植物)繁盛引发水文循环和硅酸盐风化作用增强,进而导致气候变冷、海水温度降低和缺氧程度加剧可能是控制海洋后生动物礁系统崩溃或消失的主要因素之一;此外,构造运动伴随的陆壳抬升和火山作用可以促进硅酸盐风化,进一步导致海洋环境恶化和生态系统崩溃.