“植物庞贝城”之谜（上）

意外：3亿年前的突变

　　大约3亿年前的地质时期，整个华北地区是浸在汪洋中的一个大岛屿，内蒙古的乌达位于当时的赤道附近，属于热带雨林气候。

　　在乌达大地上生长着一片生机盎然的成煤沼泽森林，这里气候温暖湿润，林木高低错落茂密，林中最高大的有数十米高，最矮的还不及人的脚踝；还有像爬山虎一样不断攀援的植物，它们专门依附在其他植物上。

　　这些古老的植物，丰富而复杂，有的叫不出具体的名字，它们在蓝天下自由地舒展着枝叶，有的已经开始孕育下一代……

　　突然间，“轰”的一声巨响，贺兰山西北角这片森林不复往日的静谧。200多千米外的一座巨大火山突然喷发了。瞬息之间，灼热的岩浆喷向天空，遮天蔽日，四处飞溅，浓浓的黑烟夹杂着滚烫的火山灰，铺天盖地而来，空气中弥漫着令人窒息的硫磺味。这场灾难性的火山喷发扬起的火山灰飘在高空中一直到了数百千米以外。很快，灼热而厚重的火山灰落到了森林里，黑暗降临了，原本鲜活的植物群落永远被定格在了瞬间，世界陷入一片寂静之中。

　　2012年底，在中国科学院南京地质古生物研究所办公楼前，一大群人忙碌着，他们从各式木箱中挑拣出大小不一的石块，细细一看，石块上还标注有由英文及数字组成的编码。大家熟练地按照号码将其分门别类。王军骄傲地指着这些石头说，它们都是宝贝。这些石头就来自于乌达，来自于那场火山喷发之后。

　　这是一个什么样的故事？3亿年前的火山灰所封存的植物怎么会变成了化石？它们又是怎样重见天日的？通过这些化石，我们能了解到什么样的远古信息？这些信息对今天的我们有怎样的启示？

　　在堆满了标本化石和书籍的办公室里，王军娓娓道来，引领记者开始了一场跨越3亿年的时空之旅。随着这片原始森林的神奇“复原”，许多鲜为人知的故事也渐渐明朗。

　　发现：另外一座“庞贝城”？

　　公元79年8月24日，又一座巨大火山——意大利维苏威火山喷发，一座叫庞贝的小城瞬间被火山埋葬。大约1000年后，当考古学家找到它时，城中的一切竟然使人惊诧地完整地呈现在眼前：建筑、生活用品完整地保留着，死去的人们有的趴在地上一脸恐惧，有的缩在墙角，还有孩子被妈妈抱在怀里……这就是著名的意大利庞贝城。乌达也有一个绰号，那就是“植物庞贝城”。

　　《百科知识》：为什么人们会将乌达称为“植物庞贝城”？

　　答：很多老百姓都知道庞贝古城。关于庞贝的故事，英国BBC拍了《庞贝的最后一天（Pompeii.——the last day）》这部影片。电影再现了维苏威火山喷发那天，庞贝城居民们惊恐、慌乱的逃生状况。

　　植物界也有一个庞贝城，我们在内蒙古的乌达找到了。这个遗址可以说是地球上的一个“植物庞贝城”。之所以将乌达的发现称为“植物庞贝城”，那是因为保存方式上的类似。

　　《百科知识》：乌达的植物是一种怎样的保存方式？以化石形式？

　　答：通常地质历史上遗留的生命遗体或痕迹都是原来的生物体经过冲刷、搬运、沉积，保存为化石，最终被人们发现的。庞贝城之所以保存得那么完整，靠的是火山喷发，乌达的“植物庞贝城”也经历了同样的命运。一场灾难性的火山喷发让原始森林瞬间“封存”。不可否认，火山喷发的确是灾难，但它可以特定保存下景观、生态的完整。这对古生物学研究来讲是很难得的，不像被洪水一下子冲到别处，然后留在某个地方。在古植物学领域，绝大多数的保存方式都是这种被水流冲刷带走的方式。

　　通常情况下，活着的植被大部分自然死亡后被空气氧化并最终消失，剩下的一小部分因为种种“机缘巧合”与空气隔绝，经过埋藏成岩，最终形成了化石。

　　《百科知识》：这是否意味着，乌达的“植物庞贝城”在植物学研究中有着很重要的意义？

　　答：为什么庞贝城会这样特殊？因为庞贝可以告诉人们，在古罗马时代，作为商业文化中心的这座城市到底是一座怎样的城市。由于被原位保留下来，人们能复原当时的生活场景和情景，所以，它才特殊。

　　引用庞贝，就是想从保存方式来说，我们有这样一座植物之城。在这里，森林被天上落下的火山灰原地保存。植物的树干、枝叶被火山灰打落下来后，就围在主干旁边，而主干的下部就直接站立在原地固化。在植物化石现场，你能看到倒在地上的植物枝干。通过对这些植物的复原，我们最终会对这片森林有一个非常清楚全面的了解。这在其他情况下是根本不可想象的。

　　《百科知识》：当时火山的喷发规模其实应该是很大的。要不然，不会把植物的枝干全都打下来。是这样吗？

　　答：对。我们有一个课题小组专门探讨火山背景，比如火山口大概在哪里，火山喷发的规模有多大等。我们认为，现在人类所认识和记录的火山喷发，比如一些很著名的超级火山，没有一个可以和当时的这座火山相比，远远不及它喷发时的规模。

　　《百科知识》：课题组是依据什么推测出它的规模能有那么大？

　　答：我们现在看到的压实的火山灰是66厘米，初步调查表明，这层火山灰未被压缩时大概能有1米多厚。之所以推测它的规模很大，是因为在20平方千米范围内，火山灰的厚度基本找不到变化，也就是说，火山灰均匀分布在20平方千米范围内。因为火山灰是从火山口随气流飘出来的，所以火山口的距离大概是在20平方千米以外。喷发中，质量大的物质会先落下来，轻的东西会往远处飘，火山灰厚度在大范围内未见变化，说明火山口的距离有足够的远，现在推测至少100千米外。当然，我们也找到些地质背景，可能是当时的华北板块北缘和其他板块在接触和碰撞过程中导致地壳不稳定，最终造成火山喷发。如果是这样，那么那时的火山口大概是在乌达北侧200多千米以外了。另一方面，我们没有看到火山弹、火山球，如果看到这些，就说明距离火山口不会太远。

　　不过，也有可能我们永远也找不到火山口的位置。经过3亿年的风化剥蚀，火山口的痕迹或许早就消失了。但如果火山口还存在，那我们肯定也能发现它的蛛丝马迹。造就“植物庞贝城”的火山的喷发，可能就是一天或几天的时间，而且是一次连续事件，不是喷发后停下来然后又喷发。但是，这个地区的火山不是一次喷发后就不再喷发了。我们从地质剖面中能辨别出的喷发先后有大约8次。

　　《百科知识》：火山灰应该是非常炙热的，它们不会把植物烧死吗？怎么还可能有化石留下来？

　　答：火山灰确实是烫的，植物的枝干会被烧成炭，枝干的上半部分也会倒下来，散落在主干边。树干的基部就被埋到滚烫的火山灰中了。这些火山灰慢慢会把树木烫焦，所以，我们在现场看到，有些植物的主干站立不住就倒下去了。这种证据在乌达非常常见。如果是比较低矮的植物如小草等，就直接被埋起来了。这些植物被烧死后，遗体、遗迹被埋在了火山灰内保存下来，也就成为化石。

　　追寻：遗失的天堂

　　20世纪80年代，研究所里的吴秀元老师去贺兰山地区进行野外考察。一天中午在野外吃饭时，他随手在身边捡起一块石头，仔细一看，竟是块精美的瓢叶目植物化石。1997年，化石被赠送给了还在从事博士后研究工作的王军，因为他的研究方向就是瓢叶目植物。这个标本成了他的博士后出站论文的基础材料。

　　标本大小不过2厘米，是矿化立体保存的瓢叶目的球果。如果真的把它的解剖做透了，就能解决瓢叶目的分类问题，让人们清楚地认识这种植物。但标本实在太小了，在当时的技术水平下根本没有办法开展深入研究。王军意识到，他必须返回贺兰山寻找更多的化石标本。

　　于是，一场与乌达的结缘之旅就此展开，一座在地下沉睡了3亿年的植物世界也渐渐显露出真容。

　　《百科知识》：乌达是怎样被发现的？

　　答：当时为了找瓢叶目的化石，我们几乎走遍了整个贺兰山，乌达只是其中一个地方。但只有乌达的标本又多又好。就这样，从1999年到2003年，每年我都去乌达一个月左右，这些年找到的化石都堆不下了。不过当时并未意识到它和火山喷发有什么关系。直到2003年，我同一位美国专家又去了乌达，才意识到应该是火山喷发造成的：因为煤田被挖开后，我第一次见到了植物直立茎干的化石，而且每隔3～5米就能发现一个，非常密集，在茎干化石的周围还散落着很多枝叶化石，我们很容易就能辨别出它们的种类。通常情况下，化石中的植物都是躺着的，乌达的化石却是“站着”的。我们开始怀疑，这里很可能像庞贝城一样瞬间被埋藏，凝固起来。

　　随后经过切片检查，证明确实是火山凝灰岩，这时才意识到里面大有文章可做。也算是从瓢叶目引出的一个宝藏，而且里面的确有很多瓢叶目植物化石。

　　《百科知识》：乌达的“植物庞贝城”处在地层的什么位置？周围构造是怎样的？

　　答：通过这些挖掘现场照片，你可以看到，化石是在两层煤的中间，火山凝灰岩的上面是煤，下面还是煤。我国华北地区大量的煤都要“归功”于与这个“植物庞贝城”类似的成煤沼泽森林。为揭开它的真实面貌，我们把压在火山凝灰岩上面的泥土、石头等一一掀掉。当山顶全部揭掉后，就露出了底下的化石层。

　　《百科知识》：地球上还有类似乌达的“植物庞贝城”吗？

　　答：如果不计地质时代，类似火山这种保存的，已经发现的有五六个，但这是跨不同地质时期的，比如美国的一个是白垩纪时期的。

　　石炭-二叠纪时，乌达的火山凝灰岩植物群（植物庞贝城）这种类似的保存方式，最典型的有两个：其中一个位于德国萨克森州。但那里的植物化石被深埋在数百米的地下，所以尽管它的面积不小，但没有办法开展群落调查，只能是矿工拣到什么，人们就研究什么。所以，德国萨克森的研究侧重植物分类方面，即：了解群落中有哪些植物，但人们不清楚这些植物是如何组合分布的，也不知道其生态关系如何。

　　另外一个在捷克，是在晚石炭世，尽管比乌达早了几百万年，也还算是比较接近的。但捷克的那处研究规模偏小，他们累计进行的复原研究不过200多平方米。根据现代生态学的研究规律，研究现代生态群落规模至少要有250～500平方米以上面积。捷克的研究这十多年来只是比较零星在做，没有进行整合。实际上，他们的学术价值和乌达是一样的。

　　除了这些，还有一些保存是依靠火山熔岩流。植物中有一部分会被烧掉，另有一部分被埋藏后，与岩石互相交代形成矿化材料，那也是很好的标本。但因为被熔岩流裹挟，多少有些移动、冲刷，位置发生了改变。

　　真正依靠火山灰把其覆盖保存的，和乌达很相近的就是德国萨克森州的那处。

　　《百科知识》：乌达这里的地质定年最后是多少？是依据什么技术手段确定的？

　　答：通过对火山凝灰岩内锆石的同位素定年，最终确定这里的准确时间是在2.98亿年，很接近石炭纪和二叠纪的界线。锆石定年是目前最精确的定年方法，但也有一定的误差，这个误差是10万年。而这样的误差对于地质年龄来说已经很小了。

　　复原：让3亿年前的森林站起来

　　乌达煤田，位于黄河几字形以西50千米，南北长10千米，东西2千米。这个方圆20平方千米的范围内就是“植物庞贝城”的所在。在现场，王军和他的研究团队成员小心地把化石标本敲打出来。每敲出一块，是什么种类的植物、具体方位在哪里等等，都要做好标记。根据标记，他们可以准确定位化石的位置，知道化石周围都有些什么植物。这种类似于现代考古的埋藏学方法被借用过来。1000多平方米面积的森林面貌由此被三维重建，完整的森林结构包括群落组成、密度分布、分层结构等等，一一呈现出来。经过几年的努力，这个约3亿年前的植物森林得以“复活”，世界上第一张大面积远古森林实际复原图诞生了。

　　《百科知识》：什么是复原？

　　答：迄今，人们所看到的地球远古复原图都是人们想象出来的，就是所谓的概念性复原，存在着巨大的时间和空间误差。

　　绝大多数情况下，植物化石虽然在A地被发现，但并不是说，它原来就生长在A地，而是被从它原来生长的地方经过冲刷、搬运过来埋藏在A地的。这样就在空间上造成了极大的误差。另外，在时间上，比如2.99亿年前至2.51亿年前是古生代的二叠纪，此时是蕨类植物唱主角的时期，这个时间跨度近5000万年。那么，在同一个地质剖面上的不同层位上如果发现了相同种类的植物化石，我们说不准它们是否生长在同一时期，因为层位跨度较大的植物化石有可能相差百万年甚至千万年。这就给我们研究植物生长的时期、地域、群落关系等造成了很大困难。所谓的复原也有着较大的模糊性。

　　我们在乌达所作的与此不同，是实际复原。

　　《百科知识》：实际复原是怎么回事？目前的复原进展如何？

　　答：由于乌达的这种火山凝灰岩形式非常有利于保存植物，各植物没有被搬运、冲刷，留在原地。所以我们能够采用一些方法恢复它们原始的状态。

　　通过绘制复原图，我们可以看到约3亿年前生长在这里的森林的场景。这就是实际复原。根据复原图，人们可以了解到这里有些什么植物类型，群落中植物生长的具体位置、树间间隔、分层结构等，告诉人们在当时的群落中，什么植物占统治地位，什么植物是次要的。

　　从2005年到2012年阶段性成果发布，我们做了1137平方米面积的复原。论文去年在《美国科学院院刊》上发表以后，我们借用现代考古方法，采用高精度技术，新复原了270平方米左右。这种精度也是目前古植物复原的最高精度。加上原来所做的，复原总面积是1400平方米左右。这种大面积的陆地植被景观实际复原在世界上也是第一次。

　　本文配图见中插

　　【责任编辑】赵 菲

　　专家简介

　　王军博士，中国科学院南京地质古生物研究所研究员，博士生导师，古植物学与孢粉学研究室主任，国际古植物学会常委，国际地层委员会石炭纪分会通讯委员，中国古生物学会理事，中国古生物学会古植物学分会理事、秘书长。主要从事石炭纪、二叠纪古植物和陆相地层研究。近年来开展了古植物埋藏学、生态学和系统古生物尤其是瓢叶目植物的系统分类学研究。