火山喷发是地球上最剧烈、最具破坏性的自然扰动之一，它不仅对气候产生深远影响，还对生物地球化学循环和生态系统带来重大影响。尽管现代火山喷发事件的短期影响已有一定认识，但深时背景下火山灰沉积对海洋和湖泊生态系统的长期生态响应仍缺乏系统研究。尤其是在全球气候变化的背景下，火山灰输入可能在生态系统恢复和元素再分配过程中扮演关键但被低估的角色。然而，火山灰对深时海洋和湖泊生态系统的长期效应，尤其是在全球性气候扰动后的恢复过程，仍未得到充分研究。

本研究基于全球多个典型含火山灰沉积物的历史数据，选取了奥陶纪晚期四川盆地的五峰组（449.2~445.6 Ma）和三叠纪中期鄂尔多斯盆地的延长组（240.1~237.4 Ma）为研究对象（图1），开展了微区矿物成分（TIMA）、微区原位多元素（μ-XRF和LA-ICP-MS）、有机碳氮稳定同位素及脂类生物标志物（如正构烷烃、甾烷、藿烷）的高分辨率分析（图2和图3）。通过以上研究，重建了火山灰沉积引发的生态扰动及其生物地球化学反馈机制。研究得出，不同来源与矿物特征的火山灰对海洋与湖泊系统的氧化还原条件及养分循环产生了显著差异的调节作用。

在海洋系统中，火山灰的沉积加剧了缺氧环境，抑制了氮循环，并通过富集有毒元素延缓了生态系统的恢复。而在湖泊系统中，火山灰沉积促进了水体的氧化，减少了有毒应激，进而激发了氮固定作用与蓝藻生长，加速了生态系统的恢复（图4）。这一发现揭示了火山灰在不同生态系统中引发的生物地球化学反应差异，不仅为我们理解深时生态系统的韧性与恢复机制提供了新的视角，还为当今和未来环境扰动的生态后果提供了深远的类比。

该研究成果题为“Volcanic ash drives contrasting redox shifts and biogeochemical feedbacks in ancient marine and lacustrine systems”，已发表于《Communications Earth & Environment》期刊。张坤副教授为该论文的第一作者，白娥教授为通讯作者。常青副教授、刘自平高级工程师、圣安德鲁斯大学Eva E. Stüeken 副教授、勃艮第大学Christophe Thomazo教授、俄罗斯科学院远东分Pavel S. Minyuk研究员、中国石油勘探开发研究院赵子斌高级工程师、成都理工大学杨凯讲师及中科院广州地球化学研究所蔡士玺博士后为主要合作作者。该研究得到了国家自然科学基金项目、中央高校基本科研业务费专项以及吉林省教育厅科学研究项目的支持。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s43247-025-02821-0

图 1  全球火山灰沉积物的空间分布特征及本研究样品的现代地形图和沉积地层图

图 2 五峰组（海相）和延长组（湖相）的含火山灰沉积物（岩）的微区矿物学和元素分析

图 3  全球海洋和湖泊沉积物中火山灰层和页岩（富有机质）层中氧化还原敏感指标的变化

图4 五峰组（海相）和延长组（湖相）火山灰沉积物中的元素分布特征与生物地球化学信息