由一根直立茎干到一座“植物庞贝城”

  内蒙古乌达二叠纪植被化石产地入选世界地质遗产地名录中国科学院南京地质古生物研究所所长王军揭秘发掘背后的故事

  2.98亿年前，乌达大地气候温暖湿润，森林植被茂密丰富、生机盎然。但突如其来的火山喷发打破了这个美好的画面，倾斜而下的火山灰飘来，将这片热带森林瞬间定格。上世纪以来，大规模的露天采矿掘开了内蒙古乌达煤田封存已久的地层，精美沼泽森林的壮丽景观以化石的形式露出真容。

  这片乌达二叠纪植被化石产地的保存方式，与古罗马庞贝城遗址如出一辙。公元79年，维苏威火山爆发，庞贝古城被汹涌的火山灰和熔岩淹没，直到19世纪才重见天日，考古学家挖掘时发现，古城的神殿、街道、房舍面貌原封不动地存下来。正因如此，通过细致的研究，中国科学院南京地质古生物研究所研究员王军团队将乌达二叠纪植被化石产地命名为“植物庞贝城”，这一研究成果2012年在《美国科学院院报》发表后，惊动了国际地质古生物学界。

  近日，在韩国釜山召开的第37届国际地质大会上，国际地质科学联合会（以下简称“国际地科联”）公布了第二批100个世界地质遗产地名录，中国3地入选第二批国际地科联地质遗产地名录，其中之一就是位于内蒙古自治区乌海市的“植物庞贝城——乌达二叠纪植被化石产地”。

  在接受新京报记者专访时，中国科学院南京地质古生物研究所所长王军表示，“植物庞贝城”将成为古植物学圣地，也是煤炭资源形成过程的最佳科普资料。目前，煤田中剩余的“植物庞贝城”亟须得到科学保护。

  新京报：你通过什么契机来到乌海进行研究的？“植物庞贝城”是如何被发现的？

  王军：30多年前，我在中国科学院南京地质古生物研究所博士后流动站做瓢叶目植物的研究，我的老师送了我一块精美的瓢叶目植物化石标本。标本只有两厘米大小，当时的技术没办法像现在做CT一样扫描其内部结构。做切片的话，两刀下去，标本的一大半就损失掉了。所以，我必须重回化石产地去寻找更多的标本进行研究。

  根据老师回忆的考察位置，我来到宁夏回族自治区与内蒙古自治区交界处的贺兰山脉进行寻找。走到乌达煤田时，我发现，风化后出来的岩石层中有非常完整和丰富的植被化石。后来我查询文献了解到，中国地质大学也有老师发现了这一岩石层，并发表了化石标本的论文。但当时的文献认为，这些植物生长在湖泊周围，是被河流冲走沉到湖底存下来的。

  后来为了收集更多精美的化石，我又多次来到乌达煤田，2003年竟然有了意外发现。从切面上看，6号煤层与7号煤层是黑色的，两个煤层之间夹着一层醒目的灰白色岩层，就像三明治一样，中间的岩层就是含化石层，有66厘米厚，我惊讶地发现了一根“站”着的茎干埋藏其中。我们顺着岩层继续找，每隔3到5米就有一根，这是以往未曾发现的。

  这么多的密集标本提醒我们，这些植物并非被冲进湖底并埋藏，而是原地被火山灰掩埋，和庞贝古城消亡的方式一样，这是很值得重视的。经过切片分析，我们得知保存化石的灰白色岩层是典型的火山凝灰岩。

  通过火山灰内高精度锆石定年（锆石定年是同位素地质年代学中最重要、应用最广泛的方法，它为地质演化提供了时间坐标）表明为距今约2.98亿年，与石炭-二叠纪之间的界线年龄十分接近，是最早的二叠纪成煤森林。于是，我们还原了2.98亿年前的这一幕——火山喷发使大量火山灰落到乌达大地，把远古森林“封”住了。

  新京报：这些植被化石保存得如此完整，科研人员推测火山灰是多快将森林掩埋的？它们和其他植被化石有何不同？

  王军：火山灰的降落可能是数天甚至数月，可以考证的是，火山进行了一次连续的喷发，森林是被一次性掩埋的。中间不存在火山喷发停止后，又有树木新生长的情况。火山灰埋下来的厚度当时约为1.2米-1.5米，现在压缩到只有66厘米了。远古森林中的树木高达数十米，除了保留在火山凝灰岩中的直立茎干，植物上面的部分最终都倒下了。

  异地保存的植被化石中无法看到直立茎干。一棵树被水冲走，肯定是倒下并以平躺的姿态被水流运送到另一个地方，大多数树叶已经散落。所以，迄今为止，被找到的植被化石中，有99%是植物的碎片。但“植物庞贝城”的化石标本完整性很高，有完整的枝条，甚至有长着果实的树冠，它们经络分明，栩栩如生，这是和其他化石产地最重大的区别。

  新京报：从航拍图上能够正常的看到，科研人员在一大片岩石层表面画了密密麻麻的白色小格子，你们是如何通过样方法完成植物重建的？这样的森林复原图有什么意义？

  王军：“植物庞贝城”保存了远古时期森林的群落结构。如果想复原某一个个体植物，未必使用样方法（一种调查取样方法），这样的解决方法主要是为了复原森林，确定每一个植物生长的位置。

  我们先将岩石层上面的煤层去掉，再在岩石层上打样方后会定坐标，横坐标和纵坐标分别由26个字母和数字组成，每一个格子都有一个位置信息，比如5B或者7D，在这些格子中发现的植物化石被一一记录，由此，我们实际就复原了整片森林。

  在此之前，不进行过大规模的远古森林实际复原。大家想了解成煤森林长什么样，以往一些博物馆和科普书中有大量的复原图，但它们只能叫概念性复原图，有巨大的时间和空间误差。

  在时间误差上，一个物种可以延续百万年，但概念性复原图会把跨越几千万年的不同植物压缩在一张图上，好比关公战秦琼。空间误差上，不一样的区域的植被也也许会出现在同一幅复原图上，实际上它们从来就没这么邻近过。

  “植物庞贝城”是远古森林一次性被火山灰掩埋的，这些植物是同时期在地球上真实存在过的，这样的实际复原图更能真实地反映远古森林的样貌。我们目前累计已获得近万平方米的实际复原数据。

  新京报：亿万年前，大量植物残骸经过复杂的生物化学、地球化学、物理化学作用后转变成煤。通过研究不难发现，形成煤的远古森林景观是啥样子的？和现在的森林有什么不同？

  王军：从宏观上看，近3亿年前的这片森林和现在的热带雨林在结构上已经很相似了，植被长势茂密，有高有低、错落有致，这中间还包括攀援植物、地面上的小草。但是物种完全不一样，很多高达数十米的树木已经在地球上灭绝了，但有一些相同谱系的树木通过不断进化保留至今。

  我们研究之后发现，“植物庞贝城”的植物群由七大类植物构成，包括石松类、有节类、蕨类、前裸子植物、种子蕨类、早期松柏植物和苏铁类植物，具备了现代植被类群中除被子植物以外的各大类群。许多化石还记录了昆虫与植物之间的相互作用，比如被昆虫咬食的叶片。

  研究证明，“植物庞贝城”囊括了5项世界之最：最大面积的远古森林复原、最丰富的成煤植物群化石标本收藏、最古老的苏铁植物、最丰富的瓢叶目植物群落以及最多的化石植物整体重建。

  新京报：当地煤矿的环境是怎样的？科研人员在现场勘探有哪些难点？发掘现场有哪些事情令你印象深刻？

  王军：我担任所长后，管理职责比较重，去现场的次数少了，在此之前，我一年去五六趟乌达煤田是很正常的事。我从小在农村长大，所以觉得还好，但对于团队的年轻人来说，当地环境确实比较艰苦。

  “植物庞贝城”处于边生产边保护的状态。之所以说是抢救性发掘，是因为去那里工作的时间不是由我们决定的，而是生产现场挖到了含化石层，我们要赶紧过去，不然现场可能就被破坏了。

  我印象比较深的是2015年夏天去煤田，当地气候本身就炎热，地下10多米深处煤层还有自燃现象，有时我们勘查时可以从岩缝中看到火苗，顺着缝隙冒出地面的那股热气是不得了的。内蒙古干燥风大，我们每天的工作现场旁边都是挖掘机和铲车，他们将煤装到车上时，只要有一点点风，灰尘哗地就飘出来了。我戴着口罩呼吸不畅，干脆摘了它。一天下来，我们脸上除了煤灰就是汗。

  尽管戴着安全帽，回到驻地洗澡时，头发至少得打三遍洗发水，才能洗干净。嘴里和鼻子里也吸进很多煤灰。

  我和同学们喜欢精美的化石，有时候发现一个好的，两眼放光，兴奋得很，也不怎么知道累。但是工作一停下来的时候，浑身的疲倦就涌上来了。有一天中午，山上要进行开采前的爆破，我们就来到远处的矿工休息处休息，啃完馒头、面包后，我看孩子们累得直接躺在地上睡着了。为了研究这些化石，年轻人确实吃了不少苦头。

  王军：“植物庞贝城”化石标本保存完整且精美，是古植物系统分类学研究的最佳材料，其中已完成整体复原重建的物种有9个，另有30余种保存良好，具备深入研究的潜力。“植物庞贝城”将成为全世界实现化石植物整体重建复原种属最多的古植物学圣地，为古生物演化生命树增添了最多的新物种。

  “植物庞贝城”所处地球自然环境的历史演变阶段十分特殊，它经历的冰室-温室气候转换，为探索现代冰室-温室气候转换背景下植物与气候环境的协同演化提供了参考，对于探索和预测地球的宜居性演变规律也极具价值。

  这片远古森林所处的历史时期是2.98亿年以前，当时地球正经历冰室气候向温室气候转换。现在全球气候变暖引起了广泛关注，地球正在从第四纪以来的冰室气候过渡到温室气候。如果地球两极的冰盖逐步融化，生态环境和气候将发生明显的变化。植物也会为了适应气候平均状态随时间的变化做调整，有的转移，有的演化进化，无法适应的会灭绝。这些变化的规律是什么？“植物庞贝城”所处的地质历史时期也经历着这样的环境，为研究现代植被适应冰室过渡到温室的变化提供了重要参考。我们的粮食都是植物，所以研究过去对预测未来有重要的价值。

  新京报：目前，对于“植物庞贝城”的研究处于什么阶段？未来还可能有哪些发现？

  王军：一个化石点的研究是无穷无尽的。国际上也有一些经典的化石点，比如苏格兰的莱尼燧石层中的化石是热泉和火山熔岩将植物矿化后形成的。那里的化石保存没有“植物庞贝城”完整，但已经供好几代古植物学家开展了研究，而且现在还在研究，并产出重要成果。

  和我共同合作的科学家有40多位，其中包含国际上的20多人，我们在《美国科学院院报》等国际知名期刊上累计发表论文60余篇。每一代人的认知水平是有历史局限性的，我们这代科学家可以把“植物庞贝城”的总体面貌揭露出来，可能把大部分的物种弄清楚，但科学研究是没有天花板的，随技术和思路的突破，将不断有新的发现。

  所以我不遗余力地呼吁，让“植物庞贝城”在原址留下来一定的范围。一旦挪走了，其科学发展的高度会受影响。

  新京报：“植物庞贝城”的整体面积有多大？目前有多少受到了保护？含化石层上方的6号煤层也需要同步保护吗？

  王军：煤田的原始面积约为35平方公里，根据我掌握的地质资料，大部分范围都有“植物庞贝城”。但当地确实也面临经济压力，目前原始煤田开采基本接近尾声了。由于乌达煤田长期的露天开采、灭火工程及回填复垦等，想在剩下的煤田中找出一片完整的1平方公里的“植物庞贝城”分布，肯定是做不到了。

  我们预计有几个百余平方米的零星分布，究竟还有多少需要详细摸“家底”调查。我很早就向当地政府呼吁。今年6月中上旬，内蒙古自治区自然资源厅组织对乌达煤田等地区开展了“植物庞贝城”埋藏普查工作，已有初步成果。

  如果6号煤层挖掉了，含化石层露在那里，久而久之风化后，也不利于化石保存，所以最好也能同步保护。

  新京报：去年10-12月和今年7-8月，团队开展了化石异地保护工作，具体是怎么样做的？

  王军：我们2017年一共平移了70平方米的“植物庞贝城”，是很小的一部分，去年和今年则是先原地修出植物化石的完整形态，然后将这些树完整打包回市内博物馆库房，即当地一个现成的空间，未来有望建立“植物庞贝城”博物馆。但化石终究是应该原地保护，都做成异地保护，科学发展绝对受损失。

  王军：我能够理解当地的经济压力，如果全面停止，可能会面临较大的经济损失。但是为了当地政府和老百姓的可持续发展，必须有个科学的判断。随着煤田一点一点减少，煤挖完了就不可再生了，随之消失的还有珍贵的化石宝库。如果留下“植物庞贝城”，未来有机会建设世界地质公园，哪一种方式更加有助于当地可持续发展需要论证。

  “植物庞贝城”确实在煤田里已经所剩无几，作为建设世界地质公园的最关键元素，加以保护是非常紧迫的。