大型火山活动与三叠纪末生物大灭绝（ETME, ~2.01亿年前）之间的联系已被广泛接受，然而火山活动导致生态系统崩溃的机制及其长期影响仍有争议。极端气候变化、臭氧层破坏，以及有毒污染物的排放，都被视为灭绝因素。其中汞作为最有毒的重金属元素之一，能以气态形式从火山中释放并扩散至全球，因此能对生态系统造成广泛影响。
2024年4月27日，我院同位素前沿科学中心郑旺教授与荷兰乌得勒支大学Bas van de Schootbrugge教授以及来自丹麦、英国和捷克的国际团队合作，在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表最新研究成果，揭示了火山导致的气候变化和汞污染的叠加效应在火山活动停止后上百万年内仍持续威胁沿海生态系统，也为现代环境的汞循环带来重要启示：人类活动排放到环境中的汞也正处于二次释放阶段，将长期持续对生态系统造成毒害，这是未来汞污染防治的一大挑战。
团队对德国北部的潟湖相Schandelah-1岩芯开展了孢粉微体化石和汞同位素地球化学研究。在三叠-侏罗纪之交和早侏罗世赫塘-辛涅缪尔期发现了大量不同类型的蕨类植物畸形孢子（图1）。合作者Sofie Lindström（哥本哈根大学）、Hamed Sanei（奥胡斯大学）和Bas van de Schootbrugge（乌得勒支大学）在丹麦和瑞典的同时期样品中也发现了类似的畸形孢子，其数量在侏罗纪早期中大西洋大火成岩省活动结束后仍出现多次峰值，与碳同位素正漂移一致，这表明沿海植被在ETME灭绝期间和之后遭受了长期反复的扰动。畸形孢子数量的峰值与汞浓度的峰值几乎完全对应，而两者的周期性出现与地球轨道偏心率长周期（40.5万年）密切相关（图2），表明ETME之后的沿海生态系统很可能受到地球轨道驱动的气候变化和环境中高浓度汞的周期性胁迫。
图1. 蕨类植物畸形孢子
汞同位素进一步揭示了周期性汞峰值的来源。汞同位素质量分馏（δ202Hg）和非质量分馏（Δ199Hg）值均呈现出与畸形孢子数量和汞浓度峰值同步的周期性变化（图2）。汞浓度背景值区间对应偏负的δ202Hg和Δ199Hg值，代表汞的来源以植被输入为主。而汞浓度峰值对应δ202Hg和Δ199Hg的正向漂移，代表汞的来源转换到以土壤侵蚀或地表汞光还原再释放为主。
图2. 畸形孢子数量、汞浓度与汞同位素的同步周期性变化
汞同位素地球化学和微体化石数据共同刻画了一个复杂和长期的事件序列（图3）：ETME期间大规模火山活动释放出大量温室气体和汞，而汞沉降到地表后则随轨道驱动的气候变化发生了周期性再释放。地球轨道偏心率最大时，气候变暖，野火频率增加，森林植被退化，土壤侵蚀增强，同时由于植被减少导致地表光照增强，这些因素都加剧了陆地汞的迁移和再释放。森林减少后，更为坚韧的蕨类植物取代了原有的植被类型。尽管没有灭绝，这些蕨类植物也受到气候变化和环境高浓度汞的叠加胁迫，导致孢子突变。这种扰动自三叠纪末期持续了上百万年，直到早侏罗世辛涅缪尔期，陆地植被才趋于稳定。
图3. 火山引起的气候变化和汞污染叠加效应对沿海生态系统造成长期胁迫示意图
研究成果以“Climate-forced Hg-remobilization associated with fern mutagenesis in the aftermath of the end-Triassic extinction”为题，于2024年4月27日在线发表于《自然通讯》（Nature Communications）。我院郑旺教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（41973009）资助。
论文信息：Bos R.*, Zheng W.*, Lindström S., Sanei H., Waajen I., Fendley I. M., Mather T. A., Wang Y., Rohovec J., Navrátil T., Sluijs A. and van de Schootbrugge B. (2024) Climate-forced Hg-remobilization associated with fern mutagenesis in the aftermath of the end-Triassic extinction. Nat Commun 15, 3596.
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47922-0
