白垩/古近纪生物大绝灭后海洋浮游植物复苏过程与机制

Investigation of post-extinction biotic recovery dynamics can lead to identification of the controlling factors during the stepwise restoration of damaged ecosystem, and therefore may provide an important analog for understanding and coping with the ecological crises and diversity loss facing the Earth today. This project is targeted on the evolution of global surface marine ecosystem shortly before and after the Cretaceous/Paleogene (K/Pg) mass extinction, and based on existing high-resolution cyclostratigraphy. We propose to reconstruct with high resolution the population evolution of primary producers and the restoration process of surface oceanic environment through quantitative analyses of nannofossil assemblage and sediment geochemistry. By comparing the temporal and spatial relationship between population evolution and environmental restoration, we will further examine the role that trace elements played in the mass extinction and subsequent biotic recovery, and explore the controlling factor(s) in ecosystem restructuring. Accordingly, the proposed research will illustrate the dynamics and driving mechanism of post-extinction biotic recovery, thereby providing important scientific insight into the restoration of damaged ecosystems from environmental catastrophe.

研究大绝灭后生物复苏的动力学过程，把握生态系统灾后逐步重建的主要影响因素，可为理解和应对当前地球面临的生态和多样性危机提供依据。本项目拟以白垩/古近纪（K/Pg）生物大绝灭前后的全球海洋表层生态系统的演变为对象，在高分辨率旋回地层年代学基础上，通过定量分析钙质超微化石组合和沉积物元素地球化学特征，高精度重建大洋表层初级生产者的群落演变和生态环境的恢复过程；通过对比群落演变和环境恢复在时空上的关系，检验微量元素在绝灭和复苏中的作用，探讨生态系统重建过程中的主要因素。据此，阐明生物大绝灭后生物复苏的动力学过程及驱动机制，为受损生态系统的修复和重建提供借鉴和科学基础。

白垩-古近纪（K-Pg）生物大绝灭是地球历史上第二大集群绝灭事件，其保存良好的化石记录是研究地球生态系统的灾变响应及其劫后复苏过程的理想材料。本项目主要研究内容是高精度重建K/Pg大绝灭前后海洋钙质超微植物群落演变，追朔海洋表层生态环境的灾变与恢复过程，并揭示其主要控制因素。首先研究K-Pg大绝灭后钙质超微植物新种在全球大洋出现时间的空间差异，发现大多数古近纪新属种最早起源于北太平洋，直到几十万年以后才在其它大洋出现，而幸存属种在K-Pg事件后迅速扩散到南半球大洋，形成优势群落；此外，幸存属种的优势于K-Pg事件后30～40万年结束，正好对应着生物泵的恢复和表层海水营养盐降低，随后古近纪新属种在全球大洋获得优势。这说明，K-Pg大绝灭后幸存属种的区域优势群落对古近纪新属种形成竞争压力，限制后者的发展和扩散，是控制K-Pg大绝灭后钙质超微植物复苏的重要因素。其次研究特提斯洋6个纬度相当的K-Pg界线剖面组成、由陆架到深海的环境梯度剖面，定量比较分析钙质超微化石组合特征，厘定环境要素对K-Pg事件的响应。结果表明，陆架、半深海和深海在K-Pg事件之前即存在差异，事件之后它们均出现环境压力增加的现象。特别是，陆架的环境压力增加幅度最大，而且其后的生物恢复最慢，其后依次是半深海和深海，导致陆架-深海的环境压力梯度增加。这说明，由于初级生产力和生物群落组成的不同，陆架、半深海和深海生态系统存在天然的差异。但是，当K-Pg事件发生后，陆架由于环境容量和缓冲能力小，因此受到的影响程度最大、时间最长。这个发现更倾向于支持小行星撞击学说，撞击事件带来的大量金属及其后陆地径流搬运使得大量重金属在陆架区域富集，从而对生物造成毒害作用，延缓生态系统的灾后恢复。通过分析评价广东近海表层沉积物和沉降颗粒物中重金属对水域生态系统的长期和短期效应，确定重金属对生物产生毒性的概率达21%。此外还研究藏南定日地区遮普热山坡剖面的钙质超微化石，发现早古新世的属种，正在进行的后续工作将确定该剖面是否为东特提斯地区第一个完整的K/Pg界线剖面。