生命的歷程系列講座（十）森林形成與成煤作用

馮偉民

森林形成是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)一次革命性的事件，極大地完善了地球生態(tài)系統(tǒng)。自從有了森林，大陸自然環(huán)境煥然一新，不僅使大氣富含氧離子，營造了適合動植物大發(fā)展的生態(tài)，而且影響了全球大氣海洋環(huán)境，對全球氣候的演變也產生了深遠影響。不僅如此，遠古森林還造就了當今人類所依賴的煤礦形成，為我們人類近代工業(yè)發(fā)展留存了一份極為珍貴的能源財富。那么，森林是從什么時候開始形成，遠古森林是怎么一種狀況，我國是否也早已形成了遠古的森林呢？煤與遠古森林又有什么關系呢？

遠古森林的形成

距今4億年前，維管植物成功登陸，遍布巖石的陸地上隨之發(fā)生了一次微妙的變化，那就是土壤誕生了，植被變得越來越繁茂了。終于，大約距今3.5億年前的泥盆紀中晚期，地球上第一次出現(xiàn)了森林。

美國紐約州北部吉爾博泥盆紀樹樁化石

那么，科學家是如何來判斷泥盆紀時代有森林的形成呢？

森林是由高大喬木組成。構成森林的植物必須是喬本植物，高至少4m，胸徑至少7.62cm。只有這樣的植物才具備構成森林的基本條件。在植物化石埋藏中，整個植物體被完整地保存為化石是十分罕見的，絕大多數(shù)只保存了植物體的一部分。因此，通常利用植物的莖直徑來確定植物體高度。經統(tǒng)計學分析，莖直徑與高度有一定的相關性。中、晚泥盆世，在地球陸地上，一些植物莖直徑已經超過了界定樹的要求，達到了10cm以上，那么其高度至少5m以上，有些可以達到20m，甚至達到30m。

另外，從植物體形態(tài)特征上分析，從大氣中二氧化碳相對濃度變化幾乎呈直線下降的趨勢看，在中、晚泥盆世，地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)了早期森林。

但是，要確定早期森林，還需要特定的地質條件：生長時的森林植物被原位保存下來，使研究者能構建出森林面貌。原位保存就是保存了植物活著時候的位置，沒有經過后期的變動。原位保存的植物化石十分珍貴，它能提供植物分布、總體特征等重要信息。目前保存得最為理想并被廣泛認可的早期森林，其化石產自美國紐約州吉爾博阿河邊采石場。這是世界上最早的森林，時間為中泥盆世晚期。

原始的遠古森林是怎樣的一種景象呢？那是由木賊、羊齒、石松等蕨類植物組成了原始雨林。30米高的封印木像一朵朵長柄巨傘，只在頂端長著1米長的葉子。封印木的根部長著許多小根，鉆出泥土進行光合作用，長到27米高的時候，樹干才開始分杈，頂部的孢子被釋放出來，隨風飄散。一個孢子就是一個小小的遺傳基因包。只要環(huán)境濕潤就能發(fā)育成一個新的生命。潮濕多雨的沼澤正是這些孢子植物的天堂。

森林出現(xiàn)后又過了1000萬年，植物世界進入大繁盛時期，迎來了石炭紀這個造煤的時代。那時的氣候似乎格外溫暖濕潤，陸生植物從濱海地帶向大陸內部延伸，形成大規(guī)模的森林和沼澤，給煤炭的形成提供了有利條件。在這一時期的地層中，煤炭儲量約占全世界總儲量的一半以上，“石炭紀”的名字由此而來。幾千萬年中，森林不斷進行著光合作用，貢獻著氧氣，迎來了地球歷史上大氣氧含量最高峰的時代。高氧環(huán)境似乎對于動物界也產生了奇妙的作用，現(xiàn)代人習以為常的小型無脊椎動物，如蜻蜓、蜘蛛等在那個時代變得如此龐大，蜻蜓一個翅膀長可達70cm，蜘蛛大至一來米，想想都很恐怖啊！

石炭紀中、晚期，植物界中又演化出了一些新的類群，如蘇鐵類、種子蕨類的一個新類群華麗木目，以及與針葉植物具有關系的伏松脂杉目。裸子植物中的苛達樹也是一種高大的喬木，成為造煤的重要植物之一。

在植物種類組成發(fā)生變化的同時，植物群落的面貌也開始出現(xiàn)明顯的地理分化。從中、晚石炭世到二疊紀地球上的植被可劃分為以下4個植物地理區(qū)：分布于歐洲和北美洲大部分地區(qū)的歐美植物群、分布在亞洲東部的華夏植物群、分布在亞洲北部的安加拉植物群，以及分布于南半球各地和北半球南亞地區(qū)的岡瓦納植物群。其中隸屬于華夏植物群的中國和東南亞，在早期也屬于華夏植物群，后來隨著氣候的變化和植物種類的演變，形成了以大羽羊齒為代表的獨特植物群。華夏植物群所處的氣候條件為高溫潮濕，植被類型與現(xiàn)在的雨林、季雨林相似。代表植物除大羽羊齒外，還有華夏羊齒、織羊齒、瓣輪葉等。

種子蕨舌羊齒

成煤沼澤森林

以煤炭能源為支柱的工業(yè)革命，是人類歷史上一次重大的變革。煤炭作為化石能源的一種，是遠古時期的植物遺體在埋藏后受到地質作用，經過復雜的生物化學作用轉變而成的固體可燃礦產，是千百萬年來植物的枝葉和根莖，在地面上堆積而成的一層極厚的黑色的腐殖質，由于地殼的變動不斷地埋入地下，長期與空氣隔絕，并在高溫高壓下，經過一系列復雜的物理化學變化等因素，形成的黑色可燃沉積巖?？茖W家在煤層的頂板和底板巖石中經常能發(fā)現(xiàn)保存完整程度不同的植物化石，煤塊表面也?？梢钥吹接兄参锏娜~和根莖的痕跡，如果把煤切成薄片放到顯微鏡下觀察，就能發(fā)現(xiàn)非常清楚的植物組織和構造，而且有時在煤層里還保存著像樹干一類的東西，有的煤層里還包裹著完整的昆蟲化石。它們?yōu)槲覀冋J識成煤植物，以及當時的自然環(huán)境提供了寶貴的證據(jù)。

在漫長的地質歷史中，植物界幾經繁盛，出現(xiàn)了石炭紀、二疊紀、侏羅紀和第三紀等幾次重要的成煤時期，其中石炭紀就是地質歷史上最早的重要的世界性成煤時期。

植物化石常常與煤炭形成有關

鱗木和封印木

在石炭紀的成煤植物中，主要以石松類、科達類、種子蕨類和真蕨類等為主。早石炭世的植物面貌與晚泥盆世的比較相似，并且在全球范圍內植物的組成差別不是十分巨大，以有鱗木、擬鱗木、亞鱗木、窩木、古封印木、古蘆木、弱楔葉、擬鐵線蕨、芹羊齒、須羊齒、楔葉羊齒、鏟羊齒和三裂羊齒為主要代表。其中石松類和有節(jié)類最為突出，雖然現(xiàn)在這兩類的代表都是一些小小的草本植物，可在三億多年前，它們家族的成員可是存在高大的喬木。以蘆木為代表的木賊類的莖干可以長到20-40cm粗，廣泛分布在河流沿岸和湖泊沼澤地帶。而以鱗木和封印木為代表的喬木石松，最高的可達40m，它們挺拔雄偉，成片分布，是當時形成煤的主力軍。

地球上出現(xiàn)了大規(guī)模的森林，廣泛地分布于濱海低地的成煤沼澤中。此外，石炭紀中、晚期的地殼運動使許多地區(qū)出現(xiàn)大型拗陷盆地，為煤炭的大規(guī)模生成提供了有利的地理條件。而一個地區(qū)的地殼下降速度及植物遺骸堆積的多少又決定了一座煤礦的煤層厚薄。地殼下降的速度快，植物遺骸堆積得厚，這座煤礦的煤層就厚，反之，地殼下降的速度緩慢，植物遺骸堆積得薄，這座煤礦的煤層就薄。又由于地殼的構造運動使原來水平的煤層發(fā)生褶皺和斷裂，有一些煤層埋到地下更深的地方，有的則被排擠到地表，甚至露出地面，比較容易被人們發(fā)現(xiàn)。還有一些煤層相對比較薄，而且面積也不大，所以沒有開采價值。

我國形成過早期森林嗎？

我國具有形成早期森林的條件和可能嗎?在華南、新疆等地，在晚泥盆世，出現(xiàn)了形成早期森林的常見植物，如大型喬木石松植物，前裸子植物粗的莖干化石，類似枝蕨類植物的莖直徑可以達到80cm，推測這個植物的高度在10m以上，也就是說，我國具備了構成森林所需的植物體。

2012年，中美科學家在內蒙古烏達煤田發(fā)現(xiàn)了距今約三億年的原位埋藏化石森林，即成煤沼澤森林，它被火山噴發(fā)所埋藏。其保存方式與龐貝城頗為相似，可以說是地球生物界的一個“植物龐貝城”。植被由六大植物類群組成：石松類、有節(jié)類、瓢葉類、蕨類、原始松柏類、蘇鐵類等。中層植被樹蕨植物構成了森林的主體，高層植被由原始松柏類科達，或者石松植物封印木構成；底層植被包括有節(jié)類植物楔葉和星葉等。這是世界上迄今為止對地史時期陸地景觀的最大面積的植被實際復原。

在石炭紀，構成現(xiàn)在中國大陸的主要陸塊——華北板塊和華南板塊，正處在中低緯度地區(qū)，在溫暖潮濕的氣候條件下，繁盛的森林在濱海和內陸的盆地沼澤中形成大面積的煤層。因此，石炭紀也是中國地質歷史中第一次重要的成煤時期。例如，在具有煤海之稱的山西，其煤層大都形成于這一時期，當時山西大地歷經數(shù)次海陸交替，當海水退卻時，陸地上的植物便在溫暖潮濕的環(huán)境下迅速繁盛，大量的煤炭因此得以形成。