早期維管植物的成土作用

　　2016年8月23日，地空學(xué)院薛進(jìn)莊等在PNAS雜志發(fā)表了題為Belowground rhizomes in paleosols: the hidden half of an Early Devonian vascular plant（古土壤中的地下根狀莖：早泥盆世維管植物隱藏的另一半）的封面文章，揭示了早期維管植物在促進(jìn)土壤圈形成以及增強地貌穩定性方面的顯著(zhù)作用。

　　維管植物在志留—泥盆紀時(shí)期成功占領(lǐng)陸地，奠定了后續陸地生物和生態(tài)系統演化的基礎，對地球系統產(chǎn)生了深遠的影響。植物的地下組織如根或根狀莖是它們與外部環(huán)境相互作用的直接媒介。然而，早期植物的根或根狀莖化石非常少見(jiàn)，這制約著(zhù)人們對早期陸地生態(tài)系統中植物與土壤相互作用的認識。薛進(jìn)莊團隊基于我國云南的一套形成于大約4.1億年前（泥盆紀早期）、地質(zhì)學(xué)上稱(chēng)為“徐家沖組”的地層，通過(guò)細致的沉積學(xué)研究，揭示出徐家沖組代表河流沉積物記錄了頻繁的洪泛事件；洪泛平原上發(fā)育最古老的是具根系紅層古土壤；徐家沖組體現出河道趨于穩定、洪泛平原厚度大、古土壤發(fā)育（累積厚度350余米）等沉積特征，這些特征在泥盆紀之前的時(shí)代（即維管植物主導陸地植被之前）是非常少見(jiàn)的。形態(tài)學(xué)觀(guān)察和地球化學(xué)分析表明，徐家沖組紅層古土壤形成于干濕交替的氣候背景下，可歸入初成土或鈣化土，其中普遍含鈣結核以及一類(lèi)原始石松植物——鐮蕨（Drepanophycus）的根狀莖。前人研究多關(guān)注化石植物的地上部分，鐮蕨被復原為數十厘米高的草本植物。但該團隊發(fā)現，鐮蕨可通過(guò)地下的根狀莖克隆生長(cháng)，形成龐大的長(cháng)壽克隆體，在每立方米古土壤中，根狀莖的總長(cháng)度可達800至1300米，它們重復多次K-型或H-型分枝，形成復雜的網(wǎng)狀結構。徐家沖組的單個(gè)紅層古土壤厚度可達20米，根狀莖貫穿其中，反映長(cháng)期穩定的洪泛平原堆積和植被發(fā)育，以及植物克隆體對沉積物頻繁埋藏的適應能力和頑強的擴展能力。作者們提出，龐大的根狀莖網(wǎng)狀系統可增進(jìn)河流沉積物的抗侵蝕能力，促進(jìn)成土作用，從而增強河流地貌的穩定性、提高早期土壤的固碳能力，因此在植物登陸初期，克隆生長(cháng)是原始的維管植物作用于地球系統的一種重要機制。4億年以來(lái)，根狀莖克隆生長(cháng)普遍存在于各類(lèi)植被和陸地環(huán)境中，但它們的地質(zhì)意義卻常被人們所忽視。在現代生態(tài)系統中，克隆植物仍起著(zhù)非常重要的作用，如沙丘上的沙鞭（Psammochloa villosa）和人們熟知的竹子。

PNAS封面圖片：4.1億年前的原始土壤及植物根狀莖化石

　　該項研究由北大地球與空間科學(xué)學(xué)院與國內外多家研究機構合作完成，研究生鄧珍珍、黃璞協(xié)助完成論文的野外和實(shí)驗室工作，其他合作者包括郝守剛、James F. Basinger、Michael J. Benton、王德明、劉建波、沈冰等諸位教授以及黃康俊、崔瑩博士。一位評審人表示，很少見(jiàn)到如此strong、complete和clean的稿件（“…rarely have I come across a manuscript as strong, complete, and clean as this”）；另一評審人認為，論文對研究早期植物對地球系統演化的影響提供了非常有價(jià)值的貢獻（“a very valuable contribution to the literature on the impact of early plant life on the evolution of the Earth System”）。該項研究被PNAS遴選為34期的封面和亮點(diǎn)論文。

泥盆紀早期的河流與洪泛平原植被景觀(guān)復原（徐家沖組鄧珍珍繪制）

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金、云南省古生物研究重點(diǎn)實(shí)驗室和中國科學(xué)院資源地層學(xué)與古地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室的支持。