二叠纪—三叠纪(P-Tr)是地球生命演化的关键转折时期,期间地球上发生了数次大规模的生物灭绝和极端气候环境灾变事件,强烈重塑了生态系统的演化轨迹。对这些极端事件原因、后果以及彼此之间相互影响机制的探索是全球地球科学领域的研究热点之一。本论文以我国华南和新疆北部地区二叠系-三叠系实际地层记录和区域数据库为基础从生物与环境两个层次揭示生态系统在此重大关键转折期的演化模式与规律。其中,生物演化离不开其群落内部种间作用的驱动,古群落组成和结构的改变对其稳定性和灾后恢复力有重要影响,决定了群落对外界环境波动的抗灾能力,从而影响生物演化的方向。因此,本论文选择二叠纪-三叠纪古生物群落作为研究对象,引入功能群和古食物链网概念,通过利用目前国际最新的古食物网模拟分析方法—Cascading Extinction on Graphs(CEG)数学模型,揭示古群落内部的种间关系以及生物多样性和群落稳定之间关系,最终有效地模拟该时期海洋、陆地古群落的动力学过程以及他们的稳定性和灾后恢复力。在古环境研究方面,本论文重点关注草莓状黄铁矿分析在恢复古海洋氧化-还原状态方面的应用,重点对该方法的原理、实验过程进行了评估,在此基础上恢复了华南地区晚二叠世至中三叠世海洋氧化-还原状态的变化历史,最终,讨论了海洋极端环境变化对古群落稳定性的潜在影响机制。本论文在生物与环境研究中取得了以下五点新认识。(1)利用数学模拟方法对新疆北部地区中二叠世至早侏罗世14个陆地古群落进行了稳定性模拟分析。CEG模拟揭示这些古群落的崩塌阈值降低与该时期的三次大灭绝密切相关。古群落稳定性在瓜德鲁普世(中二叠世)末期大灭绝前明显降低,可能与本次渐进式生物灭绝相关,后者在其它地区同期的海、陆相生物大灭绝研究中得到证实。群落稳定性指标在P-Tr之交大灭绝后突然大幅下降,三个早三叠世古群落在组成上明显与其它群落不同,群落内若干二叠纪型功能群消失,也有新功能群诞生,且群落内的功能群丰度大幅降低。食肉动物和食草动物相反的体型变化造成了群落结构的失调,是造成早三叠世古群落不稳定的主要原因,P-Tr大灭绝严重扭曲了二叠纪古群落的演化方向,为现代型生态系统的发展奠定了基础。中三叠世古群落稳定性已经恢复到了二叠纪的水平,与海洋生态系统的完全复苏时间一致。与非洲南部P-Tr之交古群落稳定性变化趋势相比,新疆北部(泛大陆)古群落表现出相似的灭绝与复苏模式,指示一个全球性复苏模式。三叠纪-侏罗纪之交生物群落的稳定性在大灭绝之前明显降低,加剧了三叠纪末期环境事件对生态系统的破坏,这与中生代其它大灭绝时期的模式类似,随后群落稳定性又在侏罗纪早期迅速恢复并保持稳定。(2)重建了华南地区晚二叠世到中三叠世海洋古群落食物网,并利用数学模拟方法,分别对21个P-Tr大灭绝前后和9个早-中三叠世海洋无脊椎动物群落以及7个早-中三叠世海洋脊椎动物群落的稳定性进行了定量分析和评估。结果表明海洋无脊椎动物群落在P-Tr大灭绝的两幕中表现明显不一致。古群落内部功能群数量和丰度以及其稳定性的大幅降低发生在第二幕灭绝之后,第一幕灭绝并未对古群落结构和稳定性产生致命的打击,结合前人对P-Tr之交生物多样性变化的研究结果,进一步说明P-Tr之交大灭绝第一幕导致生物多样性急剧下降,第二幕才造成生态系统的全面崩溃。早-中三叠世海洋无脊椎动物为主的古群落稳定性在Spathian亚期达到较高的水平,说明该类古群落复苏较为迅速。这是因为此类古群落结构简单,以初级消费者为主,其稳定性主要与群落内部物种多样性相关,而非功能群之间的捕食关系。相反,尽管华南早三叠世已经出现较为复杂的海洋脊椎动物群落,并出现大型海洋顶级捕食动物—海生爬行类,但其群落稳定性仍然处于较低水平,直到中三叠世才达到高水平,说明海洋脊椎动物群落复苏缓慢,早三叠世古群落的功能群结构并不完整,脆弱的群落结构在面对环境波动时依然难以维持并持续发展,直到安尼期才全面复苏。(3)重点评价了草莓状黄铁矿指标在海洋氧化还原状态恢复时的可靠性以及古氧相分析的应用。相较于其它指示海洋氧化还原状态的地化指标,草莓状黄铁矿分析方法最大的优势就是风化样品仍然有效。深入研究发现风化样品中很多草莓状黄铁矿变成了铁的氧化物,不过,这种氧化作用只发生在草莓状黄铁矿的外表面,其内部依然由黄铁矿组成,因此,推荐面上填图方法取代点上测试方法来分析黄铁矿的物质成份,可以指示黄铁矿风化范围和程度。此外,黄铁矿的氧化作用是其体积减少的过程,但是表层部分氧化的草莓状黄铁矿在平均粒径上会比新鲜草莓状黄铁矿小2.17%,中位数粒径小1.82%,均在粒径统计的系统误差之内,因此,氧化作用对草莓状黄铁矿的粒径影响极小,不会影响其在古海洋氧化还原状态解释上的应用。在此基础上,利用草莓状黄铁矿分析方法恢复了华南浙江煤山剖面、印度北部克什米尔地区Guryul Ravine和Barus Spur剖面P-Tr之交高精度氧化还原条件的变化历史。结果表明P-Tr之交海洋出现了明显的两幕式缺氧现象,第一幕出现在牙形石Clarkina meishanensis带至C.taylorae带区间,但在其上的Hindeodus parvus带至Isarcicella staeschei带下部恢复为上贫氧至富氧状态,然后又在上覆的I.staeschei带至I.isarcica带变为缺氧状态。这种两幕式缺氧事件对应煤山剖面记录的两幕式生物灭绝、两次微生物的爆发、两次硫同位素的负偏以及两次碳总量(TOC)的正偏。第一幕缺氧事件对应海洋快速升温事件,并持续到第二幕缺氧。这种现象在意大利北部的Bulla剖面,华南地区的大峡口剖面、朝天剖面、肖家坝剖面和长滩河剖面都得到了证实,说明这种两幕式的缺氧模式不只局限于古特提斯洋地区,可能是一种全球性模式。(4)重建了全球不同沉积相区晚二叠世至中三叠世约1亿年的海洋氧化还原状态变化历史。对华南地区4个斜坡相剖面的草莓状黄铁矿研究显示,该相区晚二叠世到中三叠世出现了三个相对较长的以缺氧状态为主的时期,即长兴期末到Smithian亚期末,中晚Spathian亚期和早中安尼期。结合前人研究结果,本文认为海洋中氧含量最小带(OMZ)的扩张与收缩可能控制着海洋氧化还原状态的波动。在P-Tr大灭绝之前的Clarkina yini带,扬子地台边缘和斜坡相区已经变为贫氧状态,同期的远洋盆地为硫化的海洋环境。在P-Tr大灭绝的第一幕期间,从台地边缘、斜坡、陆棚盆地到远洋盆地出现明显的缺氧或硫化状态,说明此次缺氧事件规模十分巨大,几乎波及整个海洋。在三叠纪最早期(对应牙形石H.parvus带)不同相区的氧化还原状态差别非常大,在特提斯区斜坡和浅水环境中水体处于贫氧-富氧状态,但在局部浅水台地边缘环境中则为缺氧-硫化状态。同时,在泛大陆西北部的浅水环境中造迹生物非常活跃,指示一个富氧的避难所。在P-Tr大灭绝第二幕时期及之后(I.staeschei带和I.isarcica带),缺氧状态又扩散到了从浅水到深水的大部分水域。在印度期内部(Griesbachian-Dienerian亚期之交),缺氧-硫化状态出现在深水的Sverdrup盆地以及华南浅水台地边缘和斜坡环境中,但泛大洋中则出现贫氧状态,说明该时期远洋深水区的缺氧程度已经减弱,但在其它相区依然严重。在早Smithian亚期,只有斜坡相剖面识别出了缺氧-硫化的环境,陆棚盆地和浅水台地边缘相区则以贫氧-氧化的环境为主。在晚Smithian亚期缺氧水体扩张至浅水台地、斜坡和陆棚盆地环境。在中-晚Spathian亚期,从台地边缘到远洋盆地相都记录了严重的缺氧事件。在安尼期,台地边缘、陆棚盆地和远洋盆地都以富氧的环境为主,但在斜坡相区,严重的缺氧事件仍时有发生,可能指示OMZ依然发育在斜坡环境中。到了中-晚安尼期,整个海洋主要以富氧环境为主,对应同期的三叠纪生物全面复苏或大辐射。(5)尽管二叠纪末开始的强烈火山作用、海水快速急剧升温和大面积的海洋缺氧事件严重地打击了生物多样性,但是这些灾难事件并没有使古群落稳定性在第一幕灭绝中发生显著下降。相反,与大灭绝第二幕同时的持续高温、缺氧和海洋酸化事件可能导致古群落稳定性的全面崩溃。大灭绝后,无脊椎动物群落的稳定性随着物种多样性的恢复而增强,在Spathian亚期就基本达到中三叠世的水平,说明该类群落似乎并没有受到早三叠世频繁环境波动的影响。相反,海洋脊椎动物古群落稳定性和抗灾能力受早三叠世恶劣环境的影响较严重,直到中三叠世各种环境因子达到稳定时才全面复苏。