5600萬年前,地球的森林跨越了一個臨界點。在地球最劇烈的溫室暖化時期之一,曾經繁茂濃密的樹冠層開始變得稀疏。隨著全球氣溫上升幅度高達華氏11度(攝氏6度),高溫與乾旱使森林承受壓力,導致大量樹木死亡。樹冠層的開裂使更多陽光得以照射地面,並改變了水分在地表流動的方式。

在懷俄明州南部,蕨類一度佔據了榆樹、胡桃樹、水杉與酪梨樹近緣物種曾經繁盛的土地。隨後,棕櫚及其他喜溫植物向北擴散。

在一篇發表於《科學》期刊的新研究中,研究人員指出,這些懷俄明森林在該時期——稱為古新世—始新世極熱事件(PETM)——失去了60%的樹冠層,並需要遠超過10萬年的時間才能恢復。PETM的特徵是大量碳釋放到海洋—大氣系統中,其暖化與恢復過程合計橫跨約20萬年。這是地球與現今全球正在經歷的暖化最接近的天然類比,儘管人類目前釋放二氧化碳的速度約比當時地球自然過程快10倍。了解這些森林當時的遭遇,可能有助於人類在地球再次跨越類似臨界點之前辨識出它們。

從化石葉片解讀森林

古植物學家通常利用植物化石來辨識哪些物種曾棲息於某地。該研究的作者們則試圖回答一個更艱難的問題:森林本身究竟是什麼樣貌,又如何變化?森林的結構——尤其是樹冠層——控制著到達林地的光量,以及溫度、水域棲地與森林可儲存的碳量,使其成為生態系功能最清晰的指標之一。

但你要如何測量一座5600萬年前消失的森林的密度?生態學家利用所謂的葉面積指數來測量樹冠層密度。具有多層葉片攔截陽光的茂密森林得分較高,而允許更多光線到達林地的開放森林得分較低。由於樹冠層影響遮蔭、溫度、水分散失與光合作用,該指數提供了衡量森林功能的強大工具。如今衛星經常測量此指數以追蹤全球森林狀況,但對於數千萬年前生長的森林,並不存在這樣的紀錄。

數百萬年前樹冠層密度的線索來自微觀的植物角質層——葉片薄薄的蠟質外皮,可在富含有机物的沉積物中存留數百萬年。這些化石葉片碎片中仍可見表皮細胞的形狀,而這一點至關重要:細胞形狀反映了葉片生長期間所接受的陽光量。在遮蔭處發育的葉片會產生較長、較細長的細胞,因為它們向著陽光伸展;暴露在較多陽光下的葉片則發育出較短、較圓的細胞。

研究人員將這種關係轉化為重建古代森林的工具。為了校準此工具,他們從中美洲與南美洲各種樹冠層密度差異極大的森林中採集土壤。每一把土壤都含有樹冠層中多種不同植物脫落的角質層,反映了森林整體的結構——而化石紀錄保存的正是同樣破碎的落葉層。

透過比較數千個表皮細胞的形狀與他們測得的葉面積指數,研究人員發現了極為強烈的相關性:細胞越細長,其上方的森林樹冠層越茂密。這一相關性使研究團隊得以重建數百萬年前懷俄明森林的結構,並追溯其隨時間的變化。

當森林達到極限

最令人驚訝的發現之一是,這些森林並非在衰退中進入古新世—始新世極熱事件。就在快速暖化開始之前,樹冠層達到了數十萬年來最茂密的狀態,可能反映了大氣二氧化碳開始增加時的有利生長條件。關於該二氧化碳來源的主要理論涉及火山噴發。

然而,這樣的繁盛並未持續。隨著氣溫攀升,高溫與乾旱壓過了較高二氧化碳 levels 帶來的益處。樹木死亡導致樹冠層迅速變薄,並在超過10萬年的時間裡維持著稀疏狀態。

森林在這種衰減狀態下的運作方式大不相同,周圍環境也感受到了影響。古老土壤讓位於較粗粒的河流沉積物,顯示樹冠層的喪失改變了水與沉積物在盆地中流動的方式。氣候改變了森林,森林也改變了地貌。

對今日的啟示

這一系列事件對當下帶來重要啟示。如今世界正在經歷的較高二氧化碳濃度——濃度已從工業化前約280 ppm攀升至今日超過420 ppm——能夠促進植物生長,但前提是溫度與水分必須維持在樹木可容忍的範圍內。一旦超出這些極限,高溫、乾旱、昆蟲、病原體與野火便可能壓過任何有助推升生長的施肥效應。

在世界各地,許多森林已隨著氣溫上升而出現衰退跡象——研究人員在近數十年間已記錄到每個有森林覆蓋的大陸都發生過高溫與乾旱導致的樹木死亡事件——此外,為取得木材、農作物與牧場而進行的森林砍伐,進一步削弱了森林的復原力。

森林最終恢復了,但耗時超過10萬年

5600萬年前古代森林的故事並未以崩潰告終。隨著時間推移,較暖氣候下岩石加速分解的過程——稱為風化作用——逐漸從空氣中吸收碳,並將其儲存於海洋沉積物中。這使氣候得以冷卻,水源也變得更加充足。樹冠層逐漸恢復,最終甚至變得比暖化開始前更加茂密。

隨著森林擴張,它們很可能恢復了穩定土壤、調節水循環以及從大氣中吸收碳的能力,有助於減弱溫室效應並支持地球的長期復原。

該研究顯示,二氧化碳排放過去曾將森林推向其生理極限之外,引發了從植被到河流、乃至整個地貌的連鎖變化。研究也顯示,森林若有時間復原,其韌性極為驚人——但所需的時間遠遠超過人類壽命,橫跨數千個世代。

如今,人為碳排放與暖化的發展速度遠快於PETM時期。化石紀錄提醒我們,森林可以復原,但前提是人類必須避免將其推向需要數萬年才能恢復的臨界點。

Regan E. Dunn為拉布雷亞瀝青坑與博物館副策展人,以及南加州大學Dornsife文理學院地球科學兼任教授。

本文根據創用CC授權條款轉載自The Conversation,原刊於Fortune.com。