5600万年前,地球的森林越过了一个临界点。在地球最剧烈的温室变暖期之一,曾经繁茂浓密的树冠开始变得稀疏。随着全球气温上升高达11华氏度(6摄氏度),高温和干旱使森林承受重压,导致大量树木死亡。树冠的空隙让更多阳光照射到地面,并改变了水在陆地上的流动方式。

在怀俄明州南部,蕨类植物一度占据了曾经生长着榆树、核桃、水杉和鳄梨树近亲的土地。随后,棕榈和其他喜温植物向北扩散。

在发表于《科学》(Science)期刊的一项新研究中,研究人员表明,这些怀俄明森林在该时期——即古新世-始新世极热事件(PETM)——失去了60%的树冠,并且需要远超10万年的时间才能恢复。PETM的标志是大量碳被释放到海洋-大气系统中,其变暖与恢复过程合计持续了约20万年。它是地球历史上与当今世界正在经历的变暖最接近的天然类似事件,尽管人类目前释放二氧化碳的速度约为当时地球自然过程的10倍。了解这些森林的遭遇,或许能帮助人类在地球再次越过类似临界点之前识别它们。

从化石叶片中解读森林

古植物学家通常利用植物化石来确定哪些物种曾生活在某个地方。这项研究的作者试图回答一个更难的问题:森林本身是什么样子,又发生了怎样的变化?森林的结构——尤其是树冠——控制着到达林地的光照量,以及温度、水分栖息环境和森林能够储存的碳量,因此是生态系统功能最清晰的指标之一。

但是,如何测量一座在5600万年前消失的森林的密度?生态学家使用所谓的叶面积指数来测量树冠密度。拥有多层叶片截留阳光的茂密森林得分较高,而让更多光线到达林地的开阔森林得分较低。由于树冠影响遮阴、温度、水分流失和光合作用,该指数为森林功能提供了有力的衡量标准。如今,卫星经常对其测量以追踪全球森林状况,但对于数千万年前生长的森林,并不存在这样的记录。

数百万年前树冠密度的线索来自微小的植物角质层——叶片薄薄的蜡质外皮,它可以在富含有机物的沉积物中保存数百万年。在这些化石叶片碎片中,表皮细胞的形状仍然清晰可见,而这一点很重要:细胞形状反映了叶片生长期间所接受的阳光量。在遮阴环境中发育的叶片会产生更长、更细长的细胞,因为它们会朝着阳光伸展;而暴露在更多阳光下的叶片则发育出更短、更圆的细胞。

研究人员将这种关系转化为重建古代森林的工具。为了进行校准,他们从中美洲和南美洲树冠密度范围广泛的各类森林中采集了土壤。每一捧土壤都含有树冠各层许多不同植物脱落的角质层,反映出整片森林的结构——而化石记录保存的正是这种同样的碎裂落叶层。

将数千个表皮细胞的形状与他们测得的叶面积指数进行比较,揭示出极为显著的相关性:细胞越细长,其上方的森林树冠就越茂密。这一相关性使研究团队能够重建数百万年前怀俄明森林的结构,并追溯其随时间的变化。

当森林达到极限

最令人惊讶的发现之一是,这些森林并非在衰退中进入古新世-始新世极热事件。就在快速变暖开始之前,树冠达到了数十万年来最茂密的程度,这很可能反映了大气二氧化碳开始增加时有利生长的条件。关于这些二氧化碳来源的一个主流理论涉及火山喷发。

然而,这种繁茂并未持续。随着气温攀升,高温和干旱压倒了二氧化碳浓度升高带来的益处。树冠随着树木死亡而迅速变稀,并在超过10万年的时间里一直保持远为稀疏的状态。

在这种衰减状态下,森林的运作方式大不相同,周围环境也受到了影响。古老土壤让位于更粗糙的河流沉积物,这表明树冠的消失改变了水和沉积物在盆地中的移动方式。气候的改变改变了森林,而森林又改变了地貌。

对今天的启示

这一过程对当下有着重要启示。较高的二氧化碳浓度——已从工业化时代前的约280ppm攀升至今天的420ppm以上——可以刺激植物生长,但前提是温度和水分保持在树木能够承受的范围内。超出这些极限后,高温、干旱、昆虫、病原体和野火可能压倒任何促进生长的施肥效应。

在世界各地,随着气温上升,许多森林已经显露出衰退迹象——近几十年来,研究人员在每个有森林覆盖的大陆上都记录到了由高温和干旱导致的树木死亡事件——此外,为获取木材、农田和牧场而进行的毁林也在进一步削弱森林的恢复力。

森林恢复了,但耗时超过10万年

5600万年前古代森林的故事并没有以崩溃告终。随着时间的推移,温暖气候下岩石分解的增强——即所谓的风化作用——逐渐从空气中清除碳,并将其储存在海洋沉积物中。这使得气候得以冷却,水分也变得更加充足。森林树冠得到恢复,最终甚至变得比变暖开始前更加茂密。

随着森林扩张,它们很可能恢复了固定土壤、调节水循环和从大气中吸收碳的能力,帮助减弱温室效应,并支持地球的长期恢复。

这项研究表明,二氧化碳排放曾将森林推至其生理极限之外,引发了从植被蔓延到河流乃至整个地貌的连锁变化。研究还表明,森林在被给予恢复时间时具有非凡的韧性——但所需时间远远超过人类的寿命,跨越数千个世代。

今天,人为碳排放和变暖的展开速度远快于PETM时期。化石记录提醒我们,森林可以恢复,但前提是人类避免将其推过一旦越过便需数万年才能恢复的临界点。

Regan E. Dunn是拉布雷亚沥青坑博物馆(La Brea Tar Pits and Museum)副策展人,以及南加州大学多恩西夫文学、艺术与科学学院(USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences)地球科学兼职教授。

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