中國科學家揭秘發掘：由一根直立莖幹到一座「植物樸茨茅夫城」

2.98億年前，烏達大地氣候溫暖濕潤，森林植被茂密豐富、生機盎然。但突如其來的火山噴發打破了這個美好的畫面，傾斜而下的火山灰飄來，將這片熱帶森林瞬間定格。上世紀以來，大規模的露天採礦掘開了內蒙古烏達煤田封存已久的地層，精美沼澤森林的壯麗景觀以化石的形式露出真容。

這片烏達二疊紀植被化石產地的保存方式，與古羅馬樸茨茅夫城遺址如出一轍。公元79年，維蘇威火山爆發，樸茨茅夫古城被洶湧的火山灰和熔岩淹沒，直到19世紀才重見天日，考古學家挖掘時發現，古城的神殿、街道、房舍面貌原封不動地保存下來。正因如此，通過細緻的研究，中國科學院南京地質古生物研究所研究員王軍團隊將烏達二疊紀植被化石產地命名為「植物樸茨茅夫城」，這一研究成果2012年在《美國科學院院報》發表後，驚動了國際地質古生物學界。

近日，在南韓釜山召開的第37屆國際地質大會上，國際地質科學聯合會（以下簡稱「國際地科聯」）公佈了全球第二批100個地質遺產地名錄，中國3地入選第二批國際地科聯地質遺產地，其中之一就是位於內蒙古烏海的《植物樸茨茅夫城——烏達二疊紀植被化石產地》。

在接受新京報記者專訪時，中國科學院南京地質古生物研究所所長王軍表示，「植物樸茨茅夫城」將成為古植物學聖地，也是煤炭資源形成過程的最佳科普資料。目前，煤田中賸餘的「植物樸茨茅夫城」亟須得到科學保護。

由直立莖幹發現「化石寶庫」

新京報：你通過什麼契機來到烏海進行研究的？「植物樸茨茅夫城」是如何被發現的？

王軍：30多年前，我在中國科學院南京地質古生物研究所博士後流動站做瓢葉目植物的研究，我的老師送了我一塊精美的瓢葉目植物化石標本。標本只有兩釐米大小，當時的技術無法像現在做CT一樣掃瞄其內部結構。做切片的話，兩刀下去，標本的一大半就損失掉了。所以，我必須重回化石產地去尋找更多的標本進行研究。

根據老師回憶的考察位置，我來到寧夏回族自治區與內蒙古自治區交界處的賀蘭山脈進行尋找。走到烏達煤田時，我發現，風化後裸露出來的岩石層中有非常完整和豐富的植被化石。後來我查詢文獻瞭解到，中國地質大學也有老師發現了這一岩石層，併發表了化石標本的論文。但當時的文獻認為，這些植物生長在湖泊周圍，是被河流衝走沉到湖底保存下來的。

後來為了收集更多精美的化石，我又多次來到烏達煤田，2003年竟然有了意外發現。從切面上看，6號煤層與7號煤層是黑色的，兩個煤層之間夾著一層醒目的灰白色岩層，就像三明治一樣，中間的岩層就是含化石層，有66釐米厚，我驚訝地發現了一根「站」著的莖幹埋藏其中。我們順著岩層繼續找，每隔3到5米就有一根，這是以往沒有發現的。

這麼多的密集標本提醒我們，這些植物並非被狂風暴雨衝進湖底並埋藏，而是原地被火山灰掩埋，和樸茨茅夫古城消亡的方式一樣，這是非常值得重視的。經過切片分析，我們發現保存化石的灰白色岩層是典型的火山凝灰岩。

通過火山灰內高精度鋯石定年表明為距今約2.98億年，與石炭-二疊紀之間的界線年齡十分接近，是最早的二疊紀成煤森林。於是，我們還原了2.98億年前的這一幕——火山噴發使大量火山灰落到烏達大地，把遠古森林「封」住了。

新京報：這些植被化石保存得如此完整，科研人員推測火山灰是多快將森林掩埋的？它們和其他植被化石有何不同？

王軍：火山灰的降落可能是數天甚至數月，可以考證的是，火山進行了一次連續的噴發，森林是被一次性掩埋的。中間不存在火山噴發停止後，又有樹木新生長的情況。火山灰埋下來的厚度當時約為1.2米-1.5米，現在壓縮到只有66釐米了。遠古森林中的樹木高達數十米，除了保留在火山凝灰岩中的直立莖幹，植物上面的部分最終都倒下了。

異地保存的植被化石中無法看到直立莖幹。一棵樹被水衝走，肯定是倒下並以平躺的姿態被水流運送到另一個地方，大多數樹葉已經散落。所以，迄今為止，被找到的植被化石中，有99%是植物的碎片。但「植物樸茨茅夫城」的化石標本完整性很高，有完整的枝條，甚至有長著果實的樹冠，它們經絡分明，栩栩如生，這是和其他化石產地最重大的區別。

複原近3億年前的森林

新京報：從航拍圖上可以看到，科研人員在一大片岩石層表面畫了密密麻麻的白色小格子，你們是如何通過這樣的方法完成植物重建的？這樣的森林複原圖有什麼意義？

王軍：「植物樸茨茅夫城」保存了遠古時期森林的群落結構。如果想複原某一個個體植物，未必使用樣的方法，這個方法主要是為了複原森林，確定每一個植物生長的位置。

我們先將岩石層上面的煤層去掉，再在岩石層上打樣方後會定坐標，橫坐標和縱坐標分別由26個字母和數字組成，每一個格子都有一個位置信息，比如5B或者7D，在這些格子中發現的植物化石被一一記錄，由此，我們實際就複原了整片森林。

在此之前，沒有進行過大規模的遠古森林實際複原。大家想瞭解成煤森林長什麼樣，以往一些博物館和科普書中有大量的複原圖，但它們只能叫做概念性複原圖，有巨大的時間和空間誤差。

在時間誤差上，一個物種可以延續百萬年，但概念性複原圖會把跨越幾千萬年的不同植物壓縮在一張圖上，好比關公戰秦瓊。空間誤差上，不同區域的植被也可能出現在同一幅複原圖上，實際上它們從來沒有這麼鄰近過。

「植物樸茨茅夫城」是遠古森林一次性被火山灰掩埋的，這些植物是同時期在地球上真實存在過的，這樣的實際複原圖更能真實地反映遠古森林的樣貌。我們目前累計已獲得近萬平方米的實際複原數據。

新京報：億萬年前，大量植物殘骸經過複雜的生物化學、地球化學、物理化學作用後轉變成煤。通過研究可以發現，形成煤的遠古森林景觀是什麼樣子的？和現在的森林有什麼不同？

王軍：從宏觀上看，近3億年前的這片森林和現在的熱帶雨林在結構上已經非常相似了，植被長勢茂密，有高有低、錯落有致，其中包括攀援植物、地面上的小草。但是物種完全不一樣，很多高達數十米的樹木已經在地球上滅絕了，但有一些相同譜系的樹木通過不斷進化保留至今。

我們研究發現，「植物樸茨茅夫城」的植物群由七大類植物構成，包括石鬆類、有節類、蕨類、前裸子植物、種子蕨類、早期鬆柏植物和蘇鐵類植物，具備了現代植被類群中除被子植物以外的各大類群。許多化石還記錄了昆蟲與植物之間的相互作用，比如被昆蟲咬食的葉片。

研究證明，「植物樸茨茅夫城」囊括了5項世界之最：最大面積的遠古森林複原、最豐富的成煤植物群化石標本收藏、最古老的蘇鐵植物、最豐富的瓢葉目植物群落以及最多的化石植物整體重建。

地下冒火、地上揚塵的發掘現場

新京報：烏海煤礦的環境是什麼樣的？科研人員在現場勘探有哪些難點？發掘現場有哪些事情令你印象深刻？

王軍：我擔任所長後，管理職責比較重，去現場的次數少了，在此之前，我一年去五六趟烏達煤田是很正常的事。我從小在農村長大，所以覺得還好，但對於團隊的年青人來說，當地環境確實比較艱苦。

「植物樸茨茅夫城」處於邊生產邊保護的狀態。之所以說是搶救性發掘，是因為去那裡工作的時間不是由我們決定的，而是生產現場挖到了含化石層，我們就要趕緊過去，不然現場可能就被破壞了。

我印象比較深的是2015年夏天去煤田，當地氣候本身就炎熱，地下10多米深處煤層還有自燃現象，有時我們勘查時可以從岩縫中看到火苗，順著縫隙冒出地面的那股熱氣是不得了的。內蒙古乾燥風大，我們每天的工作現場旁邊都是挖掘機和鏟車，他們將煤裝到車上時，只要有一點點風，灰塵嘩地就飄出來了。我戴著口罩呼吸不暢，乾脆摘了它。一天下來，我們臉上除了煤灰就是汗。

儘管戴著安全帽，回到駐地洗澡時，頭髮至少得打三遍洗髮水，才能洗乾淨。嘴裡和鼻子裡也吸進很多煤灰。

我和同學們喜歡精美的化石，有時候發現一個好的，兩眼放光，興奮得很，也不怎麼知道累。但是工作一停下來的時候，渾身的疲倦就湧上來了。有一天中午，山上要進行開採前的爆破，我們就來到遠處的薩克達休息處休息，啃完饅頭麵包後，我看孩子們累得直接躺在地上睡著了。為了研究這些化石，年青人確實吃了不少苦頭。

「植物樸茨茅夫城」助力氣候變化研究

新京報：「植物樸茨茅夫城」有哪些研究價值，尤其對應對氣候變化將有什麼助益？

王軍：「植物樸茨茅夫城」化石標本保存完整且精美，是古植物系統分類學研究的最佳材料，其中已經完成整體複原重建的物種有9個，另有30餘種保存良好，具備深入研究的潛力。「植物樸茨茅夫城」將成為全球實現化石植物整體重建複原種屬最多的古植物學聖地，為古生物演化生命樹增添了最多的新物種。

「植物樸茨茅夫城」所處地球自然環境的歷史演變階段十分特殊，它經歷的冰室-溫室氣候轉換，為探索現代冰室-溫室氣候轉換背景下植物與氣候環境的協同演化提供了參考，對於探索和預測地球的宜居性演變規律也極具價值。

這片遠古森林所處的歷史時期是2.98億年以前，當時地球正經歷冰室氣候向溫室氣候轉換。現在全球氣候變暖引起了廣泛關注，地球正在從第四紀以來的冰室氣候過渡到溫室氣候。如果地球兩極的冰蓋逐步融化，生態環境和氣候將發生變化。植物也會為了適應氣候變化進行調整，有的轉移，有的演化進化，無法適應的會滅絕。這些變化的規律是什麼？「植物樸茨茅夫城」所處的地質歷史時期也經歷著這樣的環境，為研究現代植被適應冰室過渡到溫室的變化提供了重要參考。我們的糧食都是植物，所以研究過去對預測未來有重要的價值。

新京報：目前，對於「植物樸茨茅夫城」的研究處於什麼階段？未來還可能有哪些發現？

王軍：一個化石點的研究是無窮無盡的。國際上也有一些經典的化石點，比如蘇格蘭的萊尼燧石層中的化石是熱泉和火山熔岩將植物礦化後形成的。那裡的化石保存沒有「植物樸茨茅夫城」完整，但已經供好幾代古植物學家開展了研究，而且現在還在研究，並產出重要成果。

和我一起合作的科學家有40多位，其中包含國際上的20多人，我們在《美國科學院院報》等國際知名期刊上累計發表論文60餘篇。每一代人的認知水平是有歷史局限性的，我們這代科學家可以把「植物樸茨茅夫城」的總體面貌揭露出來，可能把大部分的物種弄清楚，但科學研究是沒有天花板的，隨著技術和思路的突破，將不斷有新的發現。

所以我不遺餘力地呼籲，讓「植物樸茨茅夫城」在原址留下來一定的範圍。一旦挪走了，其科學發展的高度會受影響。

保護化石的緊迫性

新京報：「植物樸茨茅夫城」的整體面積有多大？目前有多少受到了保護？含化石層上方的6號煤層也需要同步保護嗎？

王軍：煤田的原始面積約為35平方公里，根據我掌握的地質資料，大部分範圍都有「植物樸茨茅夫城」。但當地確實也面臨經濟壓力，目前原始煤田開採基本接近尾聲了。由於烏達煤田長期的露天開採、滅火工程及回填複墾等，想在剩下的煤田中找出一片完整的1平方公里的「植物樸茨茅夫城」分佈，肯定是做不到了。

我們預計有幾個百餘平方米的零星分佈，究竟還有多少需要詳細摸「家底」調查。我很早就向當地政府呼籲，今年6月中上旬，內蒙古自治區自然資源廳組織對烏達煤田等地區開展了「植物樸茨茅夫城」埋藏普查工作，已有初步成果。

如果6號煤層挖掉了，含化石層露在那裡，久而久之風化後，也不利於化石保存，所以最好也能同步保護。

新京報：去年10-12月和今年7-8月，團隊開展了化石異地保護工作，具體是如何進行的？

王軍：我們2017年一共平移了70平方米的「植物樸茨茅夫城」，是很小的一部分，去年和今年則是先原地修出植物化石的完整形態，然後將這些樹完整打包回市內博物館庫房，即當地一個現成的空間，未來有望建立「植物樸茨茅夫城」博物館。但化石最終還是應該原地保護，都做成異地保護，科學發展絕對受損失。

新京報：未來應該如何平衡地方經濟發展和化石保護？

王軍：我可以理解當地的經濟壓力，如果全面停止，可能會面臨較大的經濟損失。但是為了當地政府和老百姓的可持續發展，必須有個科學的判斷。隨著煤田一點一點減少，煤挖完了就不可再生了，隨之消失的還有珍貴的化石寶庫。如果留下「植物樸茨茅夫城」，未來有機會建設世界地質公園，哪一種方式更有利於當地可持續發展需要論證。

「植物樸茨茅夫城」確實在煤田里已經所剩無幾，作為建設世界地質公園的最關鍵元素，加以保護是非常緊迫的。

新京報記者 張璐 

編輯 張磊 校對 趙琳