今天的人类为什么要感谢几亿年前的森林？

几亿年前的地球上，森林出现了。

在几亿年之后的人类，用电、取暖、工业发展……我们依旧要感谢远古森林。

远古森林不仅完善了地球生态系统，还造就了与我们生活息息相关的煤矿资源。

那么，森林是从什么时候开始形成？煤与远古森林又有什么关系呢？

远古森林长啥样？

距今4亿年前，维管植物成功登陆，遍布岩石的陆地上随之发生了一次微妙的变化，那就是土壤诞生了，植被变得越来越繁茂了。终于，大约距今3.5亿年前的泥盆纪中晚期，地球上第一次出现了森林。

那么，科学家是如何来判断泥盆纪时代有森林的形成呢？

森林是由高大乔木组成。构成森林的植物必须是乔本植物，高至少4m，胸径至少7.62cm。只有这样的植物才具备构成森林的基本条件。在植物化石埋藏中，整个植物体被完整地保存为化石是十分罕见的，绝大多数只保存了植物体的一部分。因此，通常利用植物的茎直径来确定植物体高度。经统计学分析，茎直径与高度有一定的相关性。中、晚泥盆世，在地球陆地上，一些植物茎直径已经超过了界定树的要求，在10cm以上，那么其高度至少5m，有些可以达到20m，甚至达到30m。

另外，从植物体形态特征上分析，从大气中二氧化碳相对浓度变化几乎呈直线下降的趋势看，在中、晚泥盆世，地球陆地生态系统中可能出现了早期森林。

但是，要确定早期森林，还需要特定的地质条件：生长时的森林植物被原位保存下来，使研究者能构建出森林面貌。原位保存就是保存了植物活着时候的位置，没有经过后期的变动。原位保存的植物化石十分珍贵，它能提供植物分布、总体特征等重要信息。目前保存得最为理想并被广泛认可的早期森林，其化石产自美国纽约州吉尔博阿河边采石场。这是世界上最早的森林，时间为中泥盆世晚期（图1）。

图1 美国纽约州北部吉尔博泥盆纪树桩化石

原始的远古森林是怎样的一种景象呢？那是由木贼，羊齿，石松等蕨类植物组成了原始雨林。30米高的封印木像一朵朵长柄巨伞，只在顶端长着1米长的叶子。封印木的根部长着许多小根，钻出泥土进行光合作用，长到27米高的时候，树干才开始分杈，顶部的孢子被释放出来，随风飘散。一个孢子就是一个小小的遗传基因包。只要环境湿润就能发育成一个新的生命。潮湿多雨的沼泽正是这些孢子植物的天堂。

图2 远古的森林复原图

森林出现1000万年后，植物世界进入大繁盛时期，迎来了石炭纪——一个造煤的时代。那时的气候似乎格外的温暖湿润，陆生植物从滨海地带向大陆内部延伸，形成大规模的森林和沼泽，给煤炭的形成提供了有利条件。在这一时期的地层中，煤炭储量约占全世界总储量的一半以上，“石炭纪”的名字由此而来。几千万年中，森林不断进行着光合作用，贡献着氧气，地球迎来了历史上大气氧含量最高峰的时代。高氧环境似乎对于动物界也产生了奇妙的作用，现代人习以为常的小型无脊椎动物，如蜻蜓、蜘蛛等在那个时代变得如此庞大，蜻蜓一个翅膀长可达70厘米，蜘蛛大至十来米，想想都很恐怖啊！

石炭纪中、晚期，植物界中又演化出了一些新的类群，如苏铁类、种子蕨类（图3）的一个新类群——华丽木目，以及与针叶植物具有关系的伏松脂杉目。裸子植物中的苛达树也是一种高大的乔木，成为造煤的重要植物之一。

图3 种子蕨舌羊齿

在植物种类组成发生变化的同时，植物群落的面貌也开始出现明显的地理分化。从中、晚石炭世到二叠纪地球上的植被可划分为以下4个植物地理区：分布于欧洲和北美洲大部分地区的欧美植物群、分布在亚洲东部的华夏植物群、分布在亚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亚地区的冈瓦纳植物群。其中隶属于华夏植物群的中国和东南亚，在早期也属于华夏植物群，后来随着气候的变化和植物种类的演变，形成了以大羽羊齿（图4）为代表的独特植物群。华夏植物群所处的气候条件为高温潮湿，植被类型与现在的雨林、季雨林相似。代表植物除大羽羊齿外，还有华夏羊齿、织羊齿、瓣轮叶等。

图4 大羽羊齿

植物遗体变能源

以煤炭能源为支柱的工业革命，是人类历史上一次重大的变革。煤炭作为化石能源的一种，是远古时期的植物遗体在埋藏后受到地质作用，经过复杂的生物化学作用转变而成的固体可燃矿产。科学家在煤层的顶板和底板岩石中经常能发现保存完整程度不同的植物化石（图5），煤块表面也常可以看到有植物的叶和根茎的痕迹，如果把煤切成薄片放到显微镜下观察，就能发现非常清楚的植物组织和构造，有时在煤层里还保存着像树干一类的东西，有的煤层里还包裹着完整的昆虫化石。它们为我们认识成煤植物和当时的自然环境提供了宝贵的证据。

图5 植物化石常常与煤炭形成有关

在漫长的地质历史中，植物界几经繁盛，出现了石炭纪、二叠纪、侏罗纪和第三纪等几次重要的成煤时期，其中石炭纪就是地质历史上最早的重要的世界性成煤时期。

石炭纪的成煤植物主要以石松类、科达类、种子蕨类和真蕨类等为主。早石炭世的植物面貌与晚泥盆世的比较相似，并且在全球范围内植物的组成差别不是十分巨大，以有鳞木、拟鳞木、亚鳞木、窝木、古封印木、古芦木、弱楔叶、拟铁线蕨、芹羊齿、须羊齿、楔叶羊齿、铲羊齿和三裂羊齿为主要代表。其中石松类和有节类最具代表性，虽然现在这两类植物的大部分都是小小的草本植物，可在三亿多年前，它们家族的成员可是高大的乔木，以芦木为代表的木贼类的茎干可以长到20-40厘米粗，广泛分布在河流沿岸和湖泊沼泽地带。以鳞木和封印木为代表的乔木石松(图6)，最高的可达40米，它们挺拔雄伟，成片分布，是当时形成煤的主力军。

图6 鳞木和封印木

地球上出现的大规模的森林，广泛地分布于滨海低地的成煤沼泽中。此外，石炭纪中、晚期的地壳运动使许多地区出现大型拗陷盆地，为煤炭的大规模生成提供了有利的地理条件。而一个地区的地壳下降速度及植物遗骸堆积的多少又决定了一座煤矿的煤层厚薄。地壳下降的速度快，植物遗骸堆积得厚，这座煤矿的煤层就厚，反之，地壳下降的速度缓慢，植物遗骸堆积的薄，这座煤矿的煤层就薄。又由于地壳的构造运动使原来水平的煤层发生褶皱和断裂，有一些煤层埋到地下更深的地方，有的则被排挤到地表，甚至露出地面，比较容易被人们发现。还有一些煤层相对比较薄，面积也不大，所以没有开采价值。

早期森林在中国

我国具有形成早期森林的条件和可能吗?在华南、新疆等地，在晚泥盆世，出现了形成早期森林的常见植物，如大型乔木石松植物、前裸子植物粗的茎干化石，类似枝蕨类植物的茎直径可以达到80cm，推测这个植物的高度在10m以上，也就是说，我国具备了构成森林所需的植物体。

2012年，中美科学家在内蒙古乌达煤田发现了距今约三亿年的原位埋藏化石森林，即成煤沼泽森林，它被火山喷发所埋藏。其保存方式与庞贝城颇为相似，可以说是地球生物界的一个“植物庞贝城”。植被由六大植物类群组成：石松类、有节类、瓢叶类、蕨类、原始松柏类、苏铁类。中层植被树蕨植物构成了森林的主体，高层植被由原始松柏类科达，或者石松植物封印木构成；底层植被包括有节类植物楔叶和星叶等。这是迄今为止，世界上对地史时期陆地景观的最大面积的植被实际复原。

在石炭纪，构成现在中国大陆的主要陆块——华北板块和华南板块，正处在中低纬度地区，在温暖潮湿的气候条件下，繁盛的森林在滨海和内陆的盆地沼泽中形成大面积的煤层。因此，石炭纪也是中国地质历史中第一次重要的成煤时期。例如，在具有煤海之称的山西，其煤层大都形成于这一时期，当时山西大地历经数次海陆交替，当海水退却时，陆地上的植物便在温暖潮湿的环境下迅速繁盛，大量的煤炭因此得以形成。

结语

森林形成是地球陆地生态系统一次革命性的事件，极大地完善了地球生态系统。自从有了森林，大陆自然环境焕然一新，不仅使大气富含氧离子，营造了适合动植物大发展的生态，而且影响了全球大气海洋环境，对全球气候的演变也产生了深远影响。

不仅如此，正是这些几亿年前的远古森林，为我们人类近代工业发展留存了一份极为珍贵的能源财富。

作者单位中国科学院南京地质古生物研究所/南京古生物博物馆

注意啦！微信又更新啦！用户可以设置常读订阅号，这些订阅号将以大卡片的形式展示，为了不错过大院每天的精彩文章，请按下列操作“星标”我们吧：

进入“科学大院”公众号——点击右上角的…菜单——选择“设为星标”

文章首发于科学大院，转载请联系[e-mail]

---

大院热门文章top榜

点击文章标题，可直接阅读哦~

科学大院是中科院官方科普微平台，由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营，致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声。

转载授权、合作、投稿事宜请联系[e-mail]

不分享一下吗？