地大新闻网讯 （记者 孙彦钦）近日，中国地质大学（武汉）地质微生物与环境全国重点实验室陈中强教授团队，在国际著名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表题为《地球系统的不稳定态放大了二叠纪末大灭绝后生物地球化学循环的震荡》（Earth system instability amplified biogeochemical oscillations following the end-Permian mass extinction）的研究成果。文章第一作者为李子珩博士；陈中强教授为唯一通讯作者；埃克塞特大学蒂姆·伦顿( Tim Lenton) 教授，斯图尔特·戴恩斯（Stuart Daines）教授与南京大学张飞飞教授参与了本项研究工作。
这项研究在传统生物地球化学模型的基础上加入了非线性分析模块，开发出新的“自持振荡”（self-sustaining oscillation）模型，模拟二叠纪末大灭绝及其后持续约600万年的温室、碳循环和海洋氧化还原环境波动的内在联系和驱动机制。结果表明发生在早三叠世温室时期一系列生物地球化学剧烈波动，是大灭绝时地球系统遭受严重破坏后出现的内部连锁反应，是表生地球系统的“不稳定系统性行为”，不受更多外部驱动力的叠加或反复出现。
显生宙以来，地球生命遭受至少五次大灭绝的洗礼，其中，发生在2.52 亿年前二叠纪末大灭绝为最惨烈，导致生物多样性剧减，并伴随多种环境因子的剧烈波动。后者一直延续到大灭绝后600万年（图1），其诱因和驱动机制长期悬而未决。
图1.二叠纪大灭绝后显著的生物地球化学循环波动与延迟的生物复苏，图为由同位素地球化学指标（比如无机碳同位素、牙形石氧同位素，碳酸盐岩铀同位素等）表达的多种环境因子出现长达600万年剧烈震荡时期。
近半个多世纪以来，全球学者对此次事件的关注从未减弱，提出了诸多假设来解释期间发生的多种极端生态环境现象。2002年，美国学者鲍勃·伯纳（Bob Berner）首次利用生物地球化学模型模拟此次重大气候—环境—生态转折事件，他的主要结论和有预见性的推测在之后的二十年里不断地被科学家们反复验证。不过，受限于模型框架或数值求解手段的限制，前人完成的数值模拟都强调了“驱动与响应（forced-respond）”的观点，即磷—碳—氧（P-O-C）循环的波动需要多期次外部动力驱动。比如，利用轻碳输入来拟合早三叠世地球化学指标的异常。具体来讲，外部驱动力的强度直接控制了模型输出的环境因子异常的幅度，即简单的线性相关。但这种观点忽略了复杂非线性过程在长时间尺度生物地球化学循环中所扮演的重要角色，以及大气—海洋—陆地系统稳定性在这些过程中所起的重要作用。
因此，本文提出了“forced-stability-respond（驱动—稳定性—响应）”观点。通俗地说，面对同样的外部驱动力，不同稳定性的地球系统会有完全不同的响应；同样稳定性的地球系统，在面对同类型的外部驱动力时，存在触发波动的临界阈值。为此，我们引入非线性动力学的概念与研究方法，在传统的碳—氧—磷—硫—生物演化模型（COPSE 模型）基础上，开发出新的“自持振荡”模型，模拟早三叠世极端环境因子的剧烈波动过程，揭示地球系统中不同环境因子在面对同样外部压力时的不同响应（图2）。
图2.二叠纪大灭绝后环境波动与模拟结果的对比（时间序列模式）。
模拟结果显示，在地球系统稳定性较高时，单一期次的外部驱动力的输入无法模拟出与我们实际数据中观测相一致的波动模式。不过，当地球系统稳定性较低时，输入同样的外部驱动力，拟合出环境因子周期性波动模式，与实际地质记录展现的模式一致。
研究认为，二叠纪末大灭绝后多种环境因子的波动是地球系统遭受打击后出现的周期性、系统性的响应行为，而不是多种类型、多期次的独立环境事件。这与“打水漂”的动力模式类似，并且这些环境因子在大灭绝后至少打了三次“水漂”。
从生物地球化学循环视角来看，受海洋氧化还原状态控制的磷埋藏过程主导了大气—海洋—陆地系统的磷—碳—氧循环，随着大灭绝时发生的西伯利亚大火成岩省火山喷发，陆地、海洋生态系统的快速崩溃导致磷—碳—氧循环稳定性发生巨变。地球系统从晚二叠世稳定磷—碳—氧循环，转变为了早三叠世不稳定磷—碳—氧循环，并最终导致了剧烈波动（如图1）。从数学角度来看，磷—碳—氧循环，即一个三维微分方程组的解，发生了本质上的改变（图3），二叠纪时微分方程组的解是一个吸引子，二叠纪—三叠纪之交微分方程组的解转变为一个排斥子，这个排斥子的雅各比矩阵（Jacobian）至少有一个为正的特征值。
图3. 三叠纪早期磷-氧-碳循环波动（三维相图分析）。a：二叠纪稳定系统，b-d：三叠纪稳定系统，e-g：三叠纪不稳定系统
值得注意的是，本研究开发的新模型是地球科学与非线性动力学学科交叉的产物，属于中等复杂程度的地球系统模型，可以同时模拟3种因子的变化和内在联系，也可用于模拟其他地史时期重大环境因子波动行为。该模型也是是蒂姆·伦顿( Tim Lenton) 教授提出的现代地球系统临界阈值（tipping points）在二叠纪—三叠纪之交极端环境波动的应用。
上述研究得到了国家自然科学基金委、国家留学基金委、英国自然环境研究理事会的共同资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59038-0.
（审稿 陈华文）
