碳從何處來？“撞臉巧克力脆筒”的古植物給出答案→

煤炭作為常見的化石能源，燃燒產(chǎn)生大量二氧化碳，是名副其實的高碳燃料。煤中的這些碳來自哪兒呢？

2024年5月，我國科研人員在山西省陽泉市的石炭系地層中發(fā)現(xiàn)了迄今為止我國古生物化石發(fā)掘中保存最完整的鱗木礦化標本，以及目前國內個體最大的科達木化石，這一謎底才被徹底解開。

山西陽泉發(fā)現(xiàn)的木化石（圖片來源：新華網(wǎng)）

01什么是鱗木和科達木？

鱗木屬于喬木狀石松類植物，主要出現(xiàn)于古生代石炭紀（距今約3.55～2.95億年）和二疊紀（距今約2.95～2.5億年）熱帶沼澤地區(qū)，是古生代聚煤期最有代表性的樹木之一。鱗木的莖直立，高可達40米，基部粗2～3米。樹干上部常為二歧式分枝，枝上布滿細而長的葉。葉基部膨大，因葉片脫落后在其莖干表面留下螺旋排列的菱形葉座痕跡，酷似魚鱗，故而得名。還有人調侃說它“撞臉巧克力脆筒”，真是十分形象！

鱗木（圖片來源：《地球科學大辭典》）

晚古生代時期，在北半球暖熱潮濕地區(qū)，濱海沼澤規(guī)模很大，首次在歐洲、北美洲、中國的華北地臺等地區(qū)出現(xiàn)熱帶叢林，形成地史上第一個大規(guī)模成煤期。此時的鱗木是歐洲、美洲和東亞地區(qū)沼澤森林的主要植物，是晚石炭世濱海沼澤相的主要成煤植物，因此也是造碳運動的主要原料來源。

科達木是科達屬植物的統(tǒng)稱，是已滅絕裸子植物的一個重要的類群。它屬于木本化石，樹干高大，最高可達50米，莖軸上葉呈條帶狀緊密螺旋狀分布，在石炭紀地層中廣泛部分。

02華北最古老的森林生態(tài)系統(tǒng)

陽泉植物化石群發(fā)現(xiàn)于該市礦區(qū)石卜咀村水泉溝及郊區(qū)蔭營鎮(zhèn)一帶，位于古生界石炭系本溪組地層。地質學家認為，這是近年來我國發(fā)現(xiàn)的最早層位的木化石，時間大概在距今3.1億年的晚石炭世聚煤期早期，也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的我國華北地區(qū)最古老的陸地森林生態(tài)系統(tǒng)。同時，這里還發(fā)現(xiàn)了距今約2.95億年的目前國內個體最大的科達類木化石，推測在當時大約有43.5米高，糾正了歐美古植物學者關于我國晚石炭世本溪組沉積時期的華夏植物群沒有高大樹木的錯誤認識。

科研人員對木化石進行實驗室鏡下解剖，發(fā)現(xiàn)鱗木化石橫切面中木質細胞結構排列得密密麻麻像蜂窩一樣，而科達木化石的橫切面整體從中心呈一個放射狀向四周放射。同時解剖還在樹木內部發(fā)現(xiàn)了數(shù)量可觀、結構精美的化石真菌和大量疑似甲螨糞便的化石，以及最早的“哺育木”現(xiàn)象，即植物扎根在另一種樹木內部的現(xiàn)象。根據(jù)發(fā)現(xiàn)的化石，科學家推測這株科達木樹干存活的時候最粗的地方大概是普通成年男子腰圍的4倍，而整個樹干高度竟然達到43.5米，大約15層樓那么高，是目前發(fā)現(xiàn)的國內個體最大的科達木化石，而以往這么高的樹木是在歐美植物區(qū)發(fā)現(xiàn)過。

而且，科學家發(fā)現(xiàn)大型科達類植物莖干組成的木化石均沒有年輪，但含化石的地層上、下都有煤層出露，這表明陽泉地區(qū)晚石炭世到早二疊世處于氣候濕潤的熱帶環(huán)境，沒有明顯季節(jié)性變化，為地質學家了解數(shù)億年前當?shù)氐墓诺乩砗凸艢夂颦h(huán)境提供了重要科學依據(jù)。

03與烏達“植物龐貝城”的異同

實際上，陽泉市境內多山地，地質巖層出露良好，是化石資源出露和保存的理想地區(qū)之一。這里的木化石分布廣泛、時代跨度大，在晚石炭世到二疊紀末沉積的14個巖層中均有發(fā)現(xiàn)。如今，在陽泉市博物館“晉地寶藏”展廳內，蘆木化石、輝木化石、科達木化石、鱗木化石等十余件植物化石標本正默默地向人們講述著它們的前世今生。

前不久，我國有3個地質遺產(chǎn)地入選“第二批100個世界地質遺產(chǎn)地名錄”，其中包括內蒙古自治區(qū)“烏達二疊紀植被化石產(chǎn)地”。這里也是以數(shù)量豐富的植物化石而著稱，因地下保存著近3億年前的熱帶雨林而被譽為“植物龐貝城”。陽泉植物化石群與它有什么區(qū)別呢？

表1：烏達“植物龐貝城”與陽泉植物化石群的區(qū)別（制表：馬志飛）

04結語

煤中碳從何處來？是個很古老卻又令人感到疑惑的話題。太陽作為第一動力，推動了植物吸收空氣中的二氧化碳形成養(yǎng)分儲存起來，形成木質層。植物死亡后在地層中埋藏起來，在高溫高壓作用下，經(jīng)過上億年的時間轉變?yōu)槊禾?。人類燃燒煤炭產(chǎn)生熱量，同時向大氣中釋放大量二氧化碳，由此形成一個跨越億年尺度的碳循環(huán)。這其中，太陽、植物、地層、煤炭、人類、大氣共同構成了這一循環(huán)，維護了生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)與動態(tài)平衡。

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但必須注意的是，不同植物的光合作用，固碳能力不同，而不同時代大氣中的二氧化碳含量又有所不同，大氣中二氧化碳促進了植物的生長發(fā)育和繁榮演化，同時植物的繁榮演化也會反過來推動大氣中二氧化碳濃度的變化，進而促進區(qū)域與全球氣候系統(tǒng)的演化，二者互為動力，互相促進。在一定時期內，植物的結構與大氣二氧化碳總是能達到一定的平衡，因此通過這一時期植物的結構形態(tài)就可以推斷出當時的大氣濃度，進入推斷出當時的氣候系統(tǒng)，預測未來的氣候演變趨勢，這也是我們學習和研究植物化石的意義。

作者：馬志飛 地質地理科普作家，北京科學技術普及創(chuàng)作協(xié)會會員

審核：劉漢斌 山西省煤炭地質局高級工程師

出品：科普中國

參考文獻：

[1]韓榮.山西發(fā)現(xiàn)華北最古老森林生態(tài)系統(tǒng)遺跡[N].科技日報.2023.12.01.

[2]張泉東,侯大旺.我國目前保存最完整的鱗木礦化標本出自陽泉[N].陽泉日報.2024.05.15.

[3]顧超.聆聽陽泉遠古森林的聲音[N].陽泉晚報.2024.05.22.

[4]地球科學大辭典編輯委員會，(專家委員會主任程裕琪、王鴻禎)，黃宗理，張良弼主編.地球科學大辭典(基礎學科卷)[M].北京:地質出版社，2006.01.

[5]曲躍,曹成潤,張武,等.遼寧東部晚古生代本溪組煤系地層鱗木的發(fā)現(xiàn)及其意義[J].地質通報.2015.03.