陆地植物在维持全球气候环境和陆地生态系统稳定方面发挥着关键作用。植物起源与早期演化是生物进化历程的关键转折，促进了地球表层生物地球化学循环的变革，对陆地和海洋生态宜居性产生了深远的影响，植物登陆及其资源环境效应日趋成为国内外研究的热点问题。然而，由于早期陆地植物化石记录稀缺，早期陆地植物扩张，及其带来的陆地净初级生产力增强的具体时间仍不清楚。这限制了我们对陆地生态系统演化及其对地球表生环境影响的深入理解。

现代陆地植物和海洋浮游生物在有机碳磷比值(C_org/P_org）上存在显著差异——陆地植物通常较高（～1000–2000），而海洋浮游生物则较低（～106–250）。早期陆地植物的扩张促使更多陆源有机质进入海洋沉积物，使海洋沉积物的有机碳总磷比值升高。所以海洋沉积物的有机碳总磷比值（C_org/P_total）可以作为追踪陆源有机碳向海洋输入情况、进而反映陆地净初级生产力变化的重要指标。

为了探究陆生植物何时开始扩张并对地球系统产生显著影响，中国科学院地质与地球物理研究所博士后蔡家琛、赵明宇研究员、博士研究生邱若原、徐志方研究员、张卉研究员，以及国内外合作者通过整合新元古代至今海相碎屑岩的C_org/P_total数据，分析了过去10亿年来C_org/P_total演化趋势（图1）。

图1 显生宙海洋碎屑沉积物C_org/P_total演化趋势

分析结果表明，在4.55至4.45亿年前，海相碎屑沉积物中的C_org/P_total出现显著升高，并且这一变化在不同氧化还原环境下均一致存在（图2）。自助法重采样分析显示，455 Ma之后的C_org/P_total均值几乎为此前的三倍（图3），分别为207.11±1.60 mol·mol⁻¹ 和 75.66±1.84 mol·mol⁻¹（1 SD）。

图2. 4.55亿年前后不同氧化还原环境下的海相碎屑沉积物C_org/P_total对比

图3 4.55亿年前后海相碎屑沉积物中C_org/P_total均值变化与不同生物类群(C/P)_org对比

海相碎屑沉积物中的C_org/P_total可能受到多种因素的影响，包括海洋氧化还原条件、构造背景、成岩作用、浮游植物群落组成、大气pCO₂、海水温度、海水中磷酸盐浓度以及海洋硫酸盐浓度等。但分析结果表明，上述地球系统条件变化均不能合理解释自晚奥陶世以来C_org/P_total的显著升高。

驱动4.55至4.45亿年前C_org/P_total显著升高的最合理机制是陆地净初级生产力的提升。陆地植物的扩张增强了陆源有机碳向海洋的输送与埋藏，进而提高了海洋沉积物中的C_org/P_total。与此一致的是，海洋碎屑沉积物中的有机碳含量在这一时期也显著升高，从2.17±2.57 wt% 增至3.15±2.95 wt%（1 SD; 非配对Student’s t检验P < 0.001）。

基于两端元混合模型的估算结果显示，在4.60到4.45亿年前，海洋沉积物中陆源有机碳的占比可能由接近0%增至42±15%（455–445 Ma的均值±1 SD），已达到现代大陆边缘沉积物的水平（30–57%）。这一结果表明，若当时陆地植物有机质的输送和埋藏效率与现代相近，则陆地净初级生产力可能在～4.45亿年前已达到现代水平。

按古陆对数据进行分组分析发现，相较于华南、冈瓦纳和波罗的海古陆，劳伦古陆的C_org/P_total升高更早，其上升发生在～4.6亿年前（图4）。这一差异反映早期陆地植物的扩张可能起始于劳伦古陆。

图4 不同古陆的海相碎屑沉积物C_org/P_total演化趋势

进一步分析4 .7到4.3亿年前的C_org/P_total变化趋势，发现C_org/P_total在此期间出现了两次明显升高，分别与古登堡碳同位素偏移（GICE）和赫南特碳同位素偏移事件（HICE）相吻合。这表明，富碳、贫磷的陆源有机质向海洋沉积物的输入促进了全球有机碳的埋藏，从而推动了大气氧含量的累积，并降低了二氧化碳浓度。此外，陆地植物快速扩张所引发的硅酸盐和磷风化的增强，可能进一步放大了这些环境效应。综合来看，早期陆地植物的兴起可能在驱动地球表层环境的氧化进程和气候变化中发挥了关键作用，可能促成了晚奥陶世冰期和大规模灭绝事件的发生。

研究成果发表于国际学术期刊 NEE（蔡家琛, Lidya G. Tarhan, Timothy M. Lenton, 邱若原, Caroline L. Peacock, Noah J. Planavsky, 鞠鹏程, 赵文金, 徐志方, 张卉, 赵明宇*. Carbon/phosphorus burial ratio reveals a rapid spread of land plants during the Late Ordovician [J]. Nature Ecology & Evolution, 2026. DOI: 10.1038/s41559-026-02995-6.）。研究受中国科学院战略性先导科技专项（XDA0430202），国家重点研发计划（2023YFF0806200, 2020YFA0607700）和国家自然科学基金（92479106）项目共同资助。

蔡家琛（博士后）