煤系特征的灰—黑还原色注定了其与植物碳存在必然的联系。含煤地层垂向上有规律地重复，组成以煤层为核心的不同岩性和粒度交替的旋回层序，旋回结构也是煤系的重要特征之一。一般认为，煤系旋回主要是海平面与陆地频繁相对运动的结果；然而，煤系沉积物具有突发性、阶段性，间断—充填相间的非渐变沉积特征，特别是煤层与其顶底板界限分明，很少有过渡沉积。这样的旋回应该与植被主导下的陆源碎屑库的周期性累积与崩溃密切相关（石彦强，2021a）。

当前追求碳中和、碳达峰所关注的碳汇和碳源的主载是植物，植物在地球碳循环中起决定性作用。据殷鸿福等（2018），植物生长及埋藏促进了早期地球O₂增加、CO₂及CH₄减少，使地球温度逐渐降到显生宙以来的生物宜居程度．同时植物产生足够的O₂，支持了地球生命系统；殷鸿福等（2018）、McMahon等（2018）、王向东等（2019）研究认为，全球石炭纪—二叠纪大量植物的繁盛，导致了强烈的气候分异而至冰室效应，出现显生宙以来最大的冰室气候时期，冰期和间冰期频繁交替，致使全球海平面升降更迭，导致石炭纪—二叠纪海陆交互相含煤沉积。梅冥相等（2013）、McMahon等（2018）和薛进庄等（2022），讨论了奥陶纪—志留纪前后的河流沉积类型的变化得出，植物登陆演化改变了径流和流域产沙量，河流搬运能力减弱，黏土和粉砂增加，出现洪泛平原，河流形态逐渐由席状—辫状河过渡为河道—辫状河以至曲流河，到石炭纪河道砂体横向变窄，更类似于现代的网状河。McMahon等（2018）还发现，陆生植物生长也导致风化作用增强，陆相沉积物中的泥质组分显著增加，Spencer等（2022）进一步研究认为，陆生植物的出现改变了大陆地壳的组成。

据崔佳（2014），现代纤小的草本石松类和有节类植物，但在0.3 Ga之前可是高大的乔木。以芦木为代表的木贼类的茎干直径可以长到0.2~0.4 m，广泛分布；而以鳞木和封印木为代表的乔木石松植物，最高的可达40 m，挺拔雄伟、成片分布，是当时成煤的主力军。

虽然地史聚煤期植物对环境的作用过程很难再现（因为这样的地质历史过程是无法用实验完成的），但我们可以依据“将今论古”的现实主义原则，去推导地史时期的植物演化规律和聚煤过程，这无疑是正确的和唯一可行的方法（Livermore9，2017）。

1 现代植物生理特征及环境效应

1.1 植物的生存潜力

植物不仅在环境适宜的条件下，得以快速生长，而且能够在环境刺激和自然规律诱导下，创新突破、精确记忆、自我复制，提高生存能力、拓宽生存空间（徐桂荣等，2012）；袁明等（2013），植物组织中的受体类激酶能够使植物克服环境胁迫，在不利的条件下也能适应性生长。植物依赖于环境，同时又改造环境，植物能够与环境持续互动、协同演化，群体化、规模化发展。

1.2 植物对地表碎屑的固定作用

1.2.1 植物的固底机理

植物的固定作用包括植物丛冠藤曼交织、植被网络结构、枯枝落叶层参与、根系固持作用等，其中最主要的还是植物根系对基底碎屑的控制。植物的竖向根系相当于锚杆，深扎锚固在岩土层里；植物的侧向根系网状交织在浅层土壤中，构成力学性能好的加筋网，将周围岩土体裹紧（图1）。在竖向根系与侧向根系形成的立体防护下，岩土体的抗拉、抗剪强度明显增大。因此，植物根系锚固在土壤和岩土体中，不仅能够保护植物体在风、雪等外力荷载作用下的稳定性，而且还能网络固持土壤、防治水土流失和浅层滑坡，从而大大提高了基底和边坡岩土体的稳定系数（杨旸等，2014；朱菁等，2017）。

据朱菁等（2017），植物根系还能够分泌具有强大黏结作用的大量多糖类物质和高分子黏胶物质，结合根系的束缚和包裹，增加土体黏结强度和抗冲性能。

1.2.2 植物对地表碎屑的固定

（1）植被能够保持水土。植被树冠、枯枝落叶层与根共同作用，大大减弱了地表冲刷。吴蕾等（2019），当植被群落大于一定盖度时，就能够达到有效的保持水土功能。如黄土高原植被维持盖度在70%~80%时，土壤流失量非常轻微，发挥最有效的保土蓄水功能。地表被植物落叶覆盖，不仅能够减轻降水冲蚀，而且能够保持表土湿润，为动植物提供适宜的生存环境。

（2）植被对河流体系的控制。植被和密集的网状根系阻滞了河流对岸坡的冲蚀，降低了河道决口、侧向迁移的几率。据杨永红（2006），中国人早在1591年就栽培柳树加固与保护河岸边坡，17世纪培育植被保护黄河岸堤；法国和奥地利19世纪就用植被工程防治泥石流；马来西亚、泰国等用香根草加固沟渠和公路边坡。据王承书（1994）研究，非洲博茨瓦纳的奥科万戈冲积扇上的河道被水生植物侵入，流速降低，河水上升，河道水损耗增大、加快沉积堵塞，使主河道最终废弃，支生贯穿沼泽的细小的次生河道体系；主河道增加的水耗促进了两侧沼泽植被的生长，而这些植被又限制了贯穿沼泽的次生河道体系。

（3）海岸红树林生态防护效应。红树林具有抵御海啸、防风消浪、促淤造陆等生态防护效应。红树林茂盛的根系和茎叶能够削减海浪的能量和规模。红树林植物纵横交错的支柱根、板状根、表面根、呼吸根、气生根等发达的根系，形成稳固的网状支撑系统，牢牢地深扎于滩涂上，形成盘根错节严密的栅栏（图2），提高滩面的摩擦力，防风消浪、减弱流速、缓冲扰动、阻挡急流，从而调和环境水文、保持水土、促淤造陆、形成土壤、调节气候（李玫，2017）。

（4）浅海海草床的削浪、固底、促淤和固碳功能。海草对海水深度、盐度的适应范围很宽，可在水深2~15 m范围内大量繁殖，如分布于潮间到浅潮下带的海草席（埃里克·弗吕格尔，2016）。大面积连片的海草床与红树林一样，具有重要的生态服务功能。

在弱动力条件下，海草床可稳固海岸碎屑和近海底质、削减海浪、促进碎屑快速沉积，是海洋沉积物的稳定器；海草床还能改善水质、增加透明度，为许多动物提供食物、栖息地和隐蔽保护场所（图3）。

现代人为破坏岸边植被，引起海洋碎屑沉积物增加，部分海草床消失。

1.3 涵养水源

（1）森林植被素有“绿色水库”之称，对于调节径流、防止旱涝灾害具有十分重要的意义。① 据祁承经（2014），植物群落都有涵养水分、减少迳流的功效，由低到高依次是裸地、农田、草地、灌丛、疏林、单纯林、混交林。每年每公顷阔叶林比灌丛和荒山多涵养水分264 m³和626 m³，其中，林冠截留雨水12%~38%，凋落物吸收5%，地被物吸收10%，还有50%~80%渗入地下，剩下的迳流量仅为1%~10%。尤其是森林植被凋落物（枯枝落叶层）有很强的持水能力，一般为自身重量的2~3倍，最多可达5倍。凋落物除自身持水外，还能够防止土壤溅蚀、阻滞地表径流，而且分解后可以形成大量腐殖质，提高土壤养分，改良土壤质地，促进植物生长；腐殖质下土壤动物和微生物的活动，改变了土壤的理化性质，增加土壤孔隙度、通气性、透水性、养分、蓄水能力，改善生态系统（祁承经，2014；王美琪，2020）。②森林蒸腾水汽也是降水的重要来源。据祁承经（2014），海洋向陆地输移水汽约4×10¹³ t/a，占陆地降水的40%，其余来源于陆地地表蒸发，但无林地蒸发仅占陆地总蒸发量的5%~29%。森林蒸发的水汽升到空中冷凝成雨雪再次降到陆地，形成水分小循环，改善区域小气候。③大气降水被林地吸收、入渗和返回空中小循环，极大地减缓了径流，延缓、消减洪峰流量，控制地表冲刷，增加枯水期的水量。

（2）在低洼处，植物及其进一步发育形成泥炭沼泽不仅能够涵养水分，而且也具有缓流促沉作用。泥炭孔隙度大，呈海绵状，持水量一般500%~700%，最大达1000%以上，具有强大的持水能力，从而储蓄水分，调节地表水流量，控制洪水、调节河川径流，减缓汛期河道洪峰和补给旱季植被需水，提高地下水位、改善气候；泥炭沼泽深部泥炭胶质体和稳定的黏土夹层，以及其底板土壤淀积层，均具有很好的隔水作用，阻止沼泽水下渗和减缓其横向流速，促使沼泽水体能够保持长期的较高水位（石彦强等，2009）。

1.4 调节气候

人类早期的焚林而猎和后来的焚林而田、过度砍伐、过度放牧，对环境和气候造成严重破坏；而近年来退耕还林和植树造林、治沙工程使黄河水逐渐变清、中西部气候好转，均凸显植物对环境的作用。

张宝庆等（2021）调查2000~2015年间黄土高原上的降水量以7.84 mm/a²的速率增加，建模显示大规模植被恢复对黄土高原降水量增加速率的贡献占到约37.4%，表明植被对降水量的增加具有积极效应。植被覆盖率显著提高，改善大气与地表间的能量和水分循环过程，进而对区域气候和降水产生反馈；据曾红玲等（2010），植被覆盖到一定程度就会影响到气候和大气环流，进而可以向上延伸到对流层的中高层。植被扩展增强三圈环流，从而保持现有的气候和植被分布更加稳定；Cui Jiangpeng等（2022）研究发现，近20年全球植被增加通过跨区域水汽传输利好全球地表水资源，导致降水量增加、蒸发量减少，以每年0.26 mm的速率增加地表可用水量。

综合以上分析，植物具有适应并改造环境的生存潜力，能够稳固地表碎屑、涵养水源，进一步发育泥炭沼泽，规模化发展能够调节气候。

2 地史植物的演化历程和作用效应

前人通过古生物、地层、煤系、煤层、煤质等成果资料，对植物的发生发展演化进行了详细的研究，研究表明：植物在生物发展史上起着至关重要的作用，植物演化与成煤作用密切相关。

2.1 菌藻植物时期（S₂以前）

（1）菌藻类植物发生发展（Z以前）。最早的菌藻类植物——蓝藻出现在距今约3.5 Ga 的古太古代，一直到早古生代志留纪，长达3.0 Ga都是菌藻类植物时期，几乎占了地球生物历史的4/5（刘凤臣等，2016；Dai Shifeng et al.，2020），菌藻类植物的发展经历了漫长的过程。

（2）菌藻类植物鼎盛与成煤（Z—）。震旦纪晚期—寒武纪是生物大爆发的时代，出现了多门类动物化石，属种多样性增加、体型增大，整个海洋生态系统发生了翻天覆地的变化（张兴亮，2021）。动物大爆发的前提是菌藻类植物的长期不断增氧，并发展到鼎盛，提供大量的植物和微生物食物，作为生产者和分解者的菌藻类等分布于食物链的两端，维持着生态系统的正常运转（崔佳，2014）。

震旦—寒武纪菌藻植物的鼎盛形成腐泥煤。由于陆地裸露，碎屑未被固定，菌藻类等低等植物即使是在离岸较远的海洋中成煤，灰分也很高，发热量较低，称为“石煤”（吕大炜等，2016）。

（3）菌藻类大幅减少（O—S₃）。食菌藻动物的大量出现，遏制了菌藻类植物的高潮；奥陶纪末期生物大灭绝事件导致约70%的物种灭亡。储生植物开始发育，如在澳大利亚志留系中发现石松类最古老的代表（崔佳，2014）。

2.2 裸蕨（早期维管）植物时期（S₃—D₂）

（1）裸蕨类植物发生发展（₃—D₂）。Wellman等（2022）根据分子钟推测，维管植物于寒武纪—奥陶纪就已登陆，确切的化石来自中奥陶统的隐孢子，直到晚志留世—早泥盆世才首次大辐射，而最早的大化石Cooksonia（库克逊蕨）发现于捷克 Barrandian志留系温洛克统（薛进庄等，2022），形成了最古老的陆生植物群—裸蕨植物（高不足1 m），首次装绿大地（吕大炜等，2016；刘凤臣等，2016）。最早森林发现于美国纽约州北部吉尔博，约0.385 Ga前的树桩化石，复原出近8 m高枝繁叶茂的树蕨类植物（周志炎等，2018）。

（2）裸蕨类植物鼎盛与成煤（D_2-3）。中泥盆世是早期维管植物发展的高潮阶段，也是高等植物首次成煤，成煤植物为裸蕨类和原始石松类等。受植物根的完善程度和植被覆盖率低，以及早期维管植物生存能力、发展程度等自身因素和环境条件的限制，导致的植物残骸保存条件差，仅部分化学稳定性好的、不易分解的角质体为主的植物组织聚集才能够保存，形成角质残植煤。因此，该煤层只在全球有限的几个地方才能见到，如德国、西伯利亚、哈萨克斯坦及我国华南和北疆，煤层较薄，一般不具工业价值（宋到福等，2021）。

（3）裸蕨类植物衰落（D₃）。泥盆纪晚期的生物大灭绝事件，致使海洋生物遭受重创，最先登陆的裸蕨植物几乎灭绝。

2.3 蕨类植物时期（D₃—P₃）

（1）蕨类植物发展（D₃—C₁）。泥盆纪后，石松类、真蕨类出现，并急速演化和高度发展，节蕨类也重趋繁盛。植物界进入了一次大发展时期（刘凤臣等，2016）。晚泥盆世至早石炭世，乔木状植物已较普遍。石松植物越来越高达到3~4 m，到了石炭纪高度可达30~40 m；古羊齿高达18~30 m，为塔形乔木，由主干基部伸出的多个一级根系横向延展可达 11 m，根的深度可达 1.6 m，是泥盆纪和石炭纪等早期森林的重要成员。高大植物的出现及发展，吸收大量的二氧化碳，气温变冷，出现0.36 Ga前晚泥盆世短暂冰期。石炭纪陆地面积不断增大，早石炭世已有小型滨海沼泽森林形成聚煤的物质基础（童金南等，2007；周志炎等，2018；薛进庄等，2022）。

（2）蕨类植物鼎盛与成煤（C₂—P₃）。晚石炭世中期至二叠纪，蕨类植物群极度发育，鳞木高达30~50 m，直径约2 m。石松类、节蕨类、真蕨类等蕨类植物达到了鼎盛，巨大的蕨类植物和原始裸子植物，形成了大规模的森林，和广泛分布的滨海成煤泥炭沼泽，植物大爆发形成的煤炭约占全球总储量的50%，成为全球规模最大的造煤期（童金南等，2007；布封，2015；周志炎等，2018；Dai Shifeng et al.，2020）。在各种蕨类植物演化的高潮中，产生裸子植物的古老类型，其中以种子蕨纲和科达树纲的迅速发展最为突出（刘凤臣等，2016）。

（3）蕨类植物衰落与“煤隙”（P₃—T₁）。二叠纪晚期的煤层也很常见；但随后的生物大灭绝事件，使全球植物遭到灭顶之灾。原盛极一时、宜于温暖潮湿生活的各种蕨类，除真蕨纲尚能适应变化外，其他各纲都极大的衰退；种子蕨类和科达树类虽然以种子繁殖，但因其构造仍简单，因而也走向衰落，并于三叠纪和侏罗纪时绝灭（崔佳，2014）。因此，Dai Shifeng等（2020）在世界上大部分地区的下三叠统未发现确认的煤，被称为“煤隙（coal gap）”阶段。

2.4 裸子植物时期（P₃—K₁）

（1）裸子植物发展（P₃—T₂）。晚二叠世至中三叠世除了南半球外，全球大多为干旱气候。具有发达根系的裸子植物银杏、松柏和苏铁等中生代植物群才开始发展，未形成可采煤层（童金南等，2007；Dai Shifeng et al.，2020）；

（2）裸子植物鼎盛与成煤（T₃—K₁）。三叠纪晚期开始，气候温热潮湿，植物大量繁殖，至早白垩世，为裸子植物群的极度繁盛期，是中生代重要聚煤阶段（童金南等，2007；崔佳，2014）。

在裸子植物发展的鼎盛阶段，被子植物的祖先顺势脱胎而出（崔佳，2014）。

（3）裸子植物衰落（K₂—E）。植食性恐龙的过度繁殖遏止了裸子植物的鼎盛；白垩纪晚期的恐龙大灭绝事件，再次给植物界以巨大的打击，苏铁纲、银杏纲等不仅数量大减，而且分布区域也大大缩小，趋于衰退和绝灭；松柏类属种、数量和分布也大为减少，聚煤作用变弱（崔佳，2014）。

2.5 被子植物时期（K₂—现代）

（1）被子植物发展（K₂—E）。由于被子植物比裸子植物的营养器官和生殖器官都更为完善、光合作用更强、更能适应陆生环境则迅速繁殖起来，成为优势植物群，特别是草本类型被子植物的出现和发展，更开始了植物界征服大陆的新途程（童金南等，2007；刘凤臣等，2016）。

（2）被子植物鼎盛与成煤（E—N）。古近纪—新近纪是被子植物的繁盛期，也是全球重要聚煤期（Dai Shifeng et al.，2020; 童金南等，2007）。

（3）被子植物趋向衰落（Q）。自第四纪冰期后，植物界面貌与现代相似（童金南等，2007）。曾经陆地2/3茂密的森林，因人类破坏等原因，现在全世界森林面积约0.4亿km²，森林覆盖率只有约22%（布封，2015）。由于环境变化，植食性动物（包括昆虫、食种子的鸟类）和人类等植物天敌的出现，以及植物长期发育孳生病害的阻碍，遏止了被子植物演化的高潮，逐渐趋向衰落，更加之分解木质素微生物的出现，再难形成规模宏大的泥炭聚积。

综合以上分析，植物经历了从低级到高级的发展时期，各时期植物又经历了生成发展、鼎盛成煤、衰落演替的历史。早古生代及其以前的煤层，以残植煤、腐泥煤（石煤）为主，灰分高，应该与聚煤过程缺乏植被保护、保存条件差存在一定的关系；低灰的优质煤层形成于植物登陆以后，出现了晚石炭世—二叠纪、晚三叠世—早白垩世、古近纪—新近纪3个重要聚煤期，分别是蕨类植物、裸子植物、被子植物等更替后演化到大爆发的鼎盛阶段。聚煤期植物要比现在繁盛很多，具有非常明显的作用效应。据谢树成等（2022），地质病毒对生物的背景灭绝和大灭绝可能产生影响，因此植物的衰落和演替，除了灾变事件、环境变化外，植物长期孳生的天敌和病害也是重要的影响因素。聚煤期异常高耸的固碳量，是被子植物趋向衰落的现在不可企及的存在。

3 聚煤期植物的主导作用

基于以上分析，引用“将今论古”原理，一方面，通过调查现代植物的生存潜力、植物对地表碎屑的固定作用，以及植物涵养水源、调节气候的功能，分析现代泥炭沼泽形成过程；另一方面，通过古生物、地层、煤系、煤层、煤质等研究成果，分析地质历史时期植物的发生、发展、繁盛、衰落的演替历程，以及各聚煤期的形成演化。运用比较沉积学的分析方法将二者分阶段不同功能进行类比，经过一系列证据链推演，推导出：在漫长的地质历史进程中，植物界几经演替和繁盛，当各时期植物发展到鼎盛阶段（大爆发）形成聚煤期。聚煤期植物体型高大且生长旺盛，又尚未遭受天敌、病害等阻碍，胜似现代大米草、水葫芦、加拿大一枝黄花等物种入侵，本能激发、迅猛繁衍、疯狂蔓延。这样的生态发展，无论从植物的丰度、高度，还是从形成的煤层厚度、广度以及固碳量推导，都是远高于现在的、超乎想象的演化（石彦强，2021b）。

各聚煤期植物规模化发展，已经从脆弱的遭受河流、海浪、潮汐等碎屑流体的限制、冲刷、改造的被动阶段，回归到主动限制河流的侧蚀、迁移、汇聚，以及压制海浪、潮流的高度，是由个体生存发展为群体效应的过程，是从现代脆弱的植物生态反演到聚煤期强劲的控盆植被系统的依律回溯过程，是植物功能潜力的充分展现，是质的飞跃。

聚煤期是植物演替更新后发展到鼎盛阶段的产物，当时的植物具有强劲的拓殖能力和群体效应。植物先从水位附近，如平坦的海或湖岸三角洲平原、潮上泥坪、河漫滩、扇前洼地开始，逐渐扩展、横向连片，并随着海（湖）水进退及浅层地下水位升降，向前延展。向海压服海浪、潮汐的冲刷；向陆限制物源碎屑活动；横向也限制了同生河流的侧向迁移，大大消减了河流的携带能量，控制基底碎屑活动，随后在低洼处先形成泥炭沼泽。植被先遣扩展的同时，也调节了环境水文，提高了地下水位，进一步发育改善了区域气候，使降水量更加均衡、环境更加湿润，植物与环境持续互动并协同演化，致使植被泥炭沼泽横向连片、纵向扩展到水域和陆源。至此，由植物形成的植被、泥炭沼泽，已经占据了盆地演化阶段的主导地位，植被将盆地和陆源碎屑牢牢禁锢在原地，促使地表水细流化、缓流化、低能化、清澈化，潜移默化、润物无声滋育宏大的植被、泥炭沼泽长期稳定发育（石彦强，2021b）。

4 聚煤期植物作用下的煤系旋回沉积

4.1 陆源碎屑库的构建与崩溃

4.1.1 陆源碎屑库的构建

聚煤期是植物发展的鼎盛时期，植物生存和拓殖能力强。随着海/湖进，地下水位抬升，区域生态系统改善，植被由盆地冲积平原继续向陆源区漫延。植物长而粗的根能够穿越岩土孔隙/裂隙，牢牢锚固边坡岩土体和碎屑，轴根的抗拉拔和须根的固结缠绕效应加固了边坡，陆源山前散落、崩塌、滑坡以及山口冲积扇等其它松散堆积物，被固定在有限的范围内垂向加积，累积成边坡较陡的“碎屑库”（石彦强，2021a）（图4A、D）。

4.1.2 陆源碎屑库的崩溃

与碎屑库相邻的坡前泥炭沼泽，因为有陆源丰富营养水的滋育，生长速度较快，泥炭沼泽表面坡度增加，势能增大；海退后，水位下降，生态环境转变，植物群落退化，泥炭沼泽也失去了原来稳定的覆水弱还原环境，有机质被氧化分解成CO₂等气体大量逸出，坡体植被的网固结构遭到破坏，再加上基底和陆源碎屑活动势能增大，在大地震、大暴雨、陆源隆升等突发性事件作用下，泥炭沼泽吸水膨胀，基底支撑力减弱，“碎屑库”垮塌崩溃（石彦强，2021a）（图4B）。

4.1.3 陆源碎屑的运移

（1）部分碎屑/边坡块体冲越到泥炭沼泽顶部构成的泥炭网上，把泥炭网撕裂，分解成大小不等的泥炭筏和泥炭流。岩块/碎屑被泥炭筏载，漂浮在泥炭流上，或沿着底部胶质润滑层滑到泥炭沼泽中。在陆源附近，角砾状碎屑与厚煤层密切共生，碎屑或插于煤层之中，或伏于煤层之下，或覆于煤层之上，如阜新盆地（吴冲龙等，1996）。

（2）还有部分滑进沼泽水道，当泥炭筏（包括载物）总体平均密度小于水道的水体的密度时，泥炭筏就可以漂浮更远，断续沉积保存（王德英等，1996；石彦强，2021a）。在距陆源不远的煤层内，能见到零星分布的，块体较大，磨圆度、分选性均差的角砾岩体，如平朔井工三矿等（石彦强，2021a）。

（3）大量的碎屑像脱缰的野马，倾流而下，泥石流冲破前缘植被束搏，沿河奔流而去，河流的冲刷和携带能量大大增强，穿越整个泥炭沼泽，将碎屑间歇性输送到海滨/湖滨，形成建设性三角洲沉积（图4B）。如此循环往复将海岸/湖岸拓展成广阔的冲积平原，在冲积平原上形成植被动态泥炭沼泽与碎屑河流、沼泽河流、沼泽湖，以及类似海岸红树林、浅水海草床等环境共生的聚煤期特有的古地理景观。动态泥炭沼泽占据主导地位，随着海水进退多层叠置，在有利区段形成厚煤层。

当陆源碎屑库被冲刷泄流完毕后，地表坡度降低，碎屑活动势能减小，河流携带能量也减小，冲刷能力减弱，植被又重新恢复统治地位，碎屑库开始新的累积（图4C—→D）。

4.2 沼泽河流

聚煤期植被及泥炭限制了河流携带碎屑和侧向侵蚀能力，稳定了河岸、减缓了水流，使有限的陆源碎屑只能沿很窄的河道搬运。如山西太原早二叠统的屯兰砂岩，由密集的钻孔控制在下组煤沉积体系中，宽2 km±，厚25 m±。剖面清楚地展示该沼泽河与泥炭堆积的同时性，以及植物泥炭沼泽对河道的限制。相对下煤组而言，无论是面积还是恢复厚度，沼泽河的规模都是很小的，显然是泥炭沼泽包容并固定了沼泽河，而不是泥炭沼泽发育在它的泛滥盆地之中。因而，不能把沼泽河与真正的河流环境等同起来（程保洲，1992）。

由于聚煤期植被先遣禁锢了陆源和基底碎屑活动，使盆地水体细流化、缓流化、清澈化。沼泽河主要运载的是物源和沿途流水、滑塌、飓风等带入的植物茎叶、树干、泥炭等有机碎屑，其次为周期性发育的陆源碎屑。根据陆源碎屑含量分为碎屑沼泽河、清澈沼泽河（图5）。

4.2.1 碎屑沼泽河

碎屑沼泽河是动态泥炭沼泽中的主要径流性补给水源。据郭敏泰等（1992），碎屑沼泽河来自准夷平化的盆外剥蚀区。

碎屑沼泽河受沼泽植被的限制，次级环境分化很差，河道的侧向侵蚀和迁移能力很低，泛滥作用也比较微弱，主要是片流性悬浮泥质水流的溢泛。河道中边滩难以发育，碎屑堆积过程主要是河床垂向加积，河床保持固定的坡降比，是一种河道宽度很小、河身比较固定的线状河流，流量、流速较小，水质比较清澈，碎屑荷载和搬运速度也低，河道砂体为夹在煤层中的极少分支的窄而厚的线状砂体，宽度一般在1~4 km（程保洲，1992）。

受碎屑库制压，动态泥炭沼泽中的碎屑沼泽河除陆源碎屑库崩溃输送大量碎屑外，其余时段主要运载大量植物残骸和泥炭等有机质，只是在丰水期周期性地再冲刷牵引河道残留的碎屑，碎屑颗粒经常处于暂时停息和继续向下游运动的间歇搬运状态，沉积冲刷面多，垂向剖面上多阶性明显。因反复颠选和搬运距离较长，河道以砂级碎屑沉积为主，分选性较好，细粒泥质的顶层常常很薄。这样的砂体结构特征在山西石炭—二叠纪煤系中经常能见到，如关注度比较高的保德桥头砂岩（程保洲，1992；杨明慧等，2008）（图6）。

4.2.2 清澈沼泽河

比较典型的是泥炭沼泽中由降雨积水汇流的微型河，以泥炭为床底和堤岸，流速极缓，不携带无机碎屑，能冲刷和搬运植物残骸、泥炭等有机碎屑，水体中溶解有丰富的腐殖酸和溶解氧（程保洲，1992）。

4.3 沼泽湖

据郭敏泰等（1992），沼泽湖是在植被围限下的、以有机碎屑沉积为主的湖泊环境，成因有：①主要由碎屑湖泊被植物围限后，湖岸沼泽植被发育，碎屑被固定转化成以有机碎屑沉积为主的沼泽湖。据郭敏泰等（1992）研究，这样的沼泽湖一般规模较大；②泥炭沼泽差异沉降低洼充水，先形成覆水沼泽，进一步下沉充水形成沼泽湖。据郭敏泰等（1992）研究，这样的沼泽湖一般规模较小，面积不超过数百km²。沼泽湖按沉积物质又可分为：①沉积植物有机质的植积沼泽湖；②沉积陆源细粒无机碎屑较多的碎屑沼泽湖。

在植被控制下，沼泽湖水体比较清澈，尤其是在缺少碎屑沼泽河影响的地区。注入沼泽湖的径流主要是雨季沼泽积水汇聚，其次为碎屑沼泽河流补给。沼泽河流搬运来的大量植物残骸和泥炭等有机质，与偶然风暴潮冲蚀的湖岸植被泥炭，被潮流和湖流源源不断的由沿岸向湖心悬移搬运、逐渐分选性沉降沉积。如果能够长期累积可形成厚度较大的优质煤层，如山西蒲县东河山西组2号煤层和浑源太原组11号煤层（程保洲，1992）。沼泽湖是厚—超厚煤层聚集的有利场所。

4.4 海/湖滨三角洲破坏及“约代尔”旋回

4.4.1 三角洲碎屑再运移

海/湖退过程中，沼泽碎屑河流将陆源碎屑库崩溃形成的大量碎屑输送到海/湖岸附近，形成建设性三角洲沉积（图4B）。海/湖退后期植被恢复，重新限制了物源和基底碎屑活动，海岸碎屑又趋于贫乏。海浪和潮流将有限的三角洲碎屑再搬运到瀉湖、海湾等更远的地方，在潮汐和海浪充分冲洗运移下，形成广阔平坦的席状砂和浅滩湖泽（图4B—→C）。在聚煤期植被作用下，盆地长期处于饥饿状态，陆源碎屑只是周期性地输入，在陆表海上形成辽阔的浅滩多重障壁体系（程爱国等，2001）。

4.4.2 “约代尔”旋回

随着海退，类似红树林的海岸植被跟进，占据改造后的三角洲前缘、广阔平坦的浅滩湖泽等“废弃”的碎屑环境上生长发育，以至进入到碳酸盐台地之上，形成泥炭沉积（图4C）。在聚煤期植被的先遣控制下，海水清澈。海侵来临，水体淹没泥炭沼泽，沼泽水体营养丰富，滨岸带水生植物生长茂密，更加之海岸附近类似于红树林植被的网状结构和沿岸、内陆漂来的大量植物残骸，压服海浪和潮流，保护才形成的泥炭层不被冲蚀（石彦强，2021b）。海岸附近，覆水泥炭沼泽受潮流和海浪搅动，海水酸化，不利于碳酸盐岩形成，据邵龙义等（2008），全新世冰期后海平面上升到佛罗里达陆棚上之后，碳酸盐并没有马上沉积下来，而是在数千年之后才沉积下来，在这数千年甚至更长的滞后时段中，红树林、水生植物等大量发育形成了海相泥炭层；沼泽河流搬运来的大量植物残骸和泥炭等有机质，与偶然风暴潮冲蚀的海岸红树林及泥炭，被潮流和海流源源不断的输送到海盆中，如果能够长期累积可形成厚煤层；而在较深的海水中，因为植被限制了物源碎屑注入，使水体非常清澈，有利于海洋生物大量快速繁殖，水生植物、动物、微生物与已沉积有机质共同作用，以及随后的成岩胶结促进了石灰岩的形成，保护下覆泥炭层免受后来海水及突变事件的长期侵蚀（石彦强，2021b）（ 图4A、D）。海退时，碎屑库崩溃，陆源碎屑沿沼泽河流周期性地输送到海盆形成建设性三角洲沉积；随着海退，海浪和潮流将有限的三角洲碎屑充分运移，冲刷成广阔平坦的席状砂和浅滩湖沼，为下一期植物泥炭沼泽发育奠定基础（图4B—→C）。由此，在海岸带附近形成自下而上由根土岩—→煤层—→石灰岩—→碎屑岩—→根土岩组成的，以煤层顶板与石灰岩直接沉积接触（俗称灰岩压煤）为特征的，全球海陆交互相煤系普遍存在的“约代尔”旋回（Yoredale cyclic）沉积（Wilson，1975；石彦强，2021b）（图4、图7）。

约代尔旋回是在先遣植被保护下的，以动态泥炭沼泽占主导地位的正常的海水进退沉积，煤层顶部至石灰岩下部代表的是无碎屑输入的滨浅海，水深逐渐增加的沉积序列（图7）。因此，约代尔旋回煤中硫分普遍较高，向陆源方向煤层增厚、石灰岩变薄直至尖灭；向海方向煤层变薄直至尖灭、石灰岩增厚，甚至其间碎屑沉积物也尖灭，致使上下旋回石灰岩合并；而约代尔旋回在向陆方向上可以形成厚煤层（石彦强，2021b）（图4、图8）。

石灰岩和煤层在此消彼长的基础上，又存在互利互惠的共生关系。即：石灰岩和煤层虽然厚度都不是很大，但石灰岩压煤层的结构组合的横向非常稳定，可以连续追踪几百到上千公里，连续性相当好。如山西太原组K₂、K₃、K₄石灰岩及8、7、6号煤层（程保洲，1992）（图8）。

在大多石灰岩垂向上能发现海水由浅—→深—→浅的旋回性特征（图7）（宋慧波等，2020；石彦强，2021b）；局部可能因灰岩较薄、偶然性风暴潮搅混，或分析鉴定手段等原因，抹去了垂向变化，从而误导了许多研究者（石彦强，2021b）。

5 结论

（1）通过研究现代植物的性状、功能和环境效应，分析地史各时期植物出现、发展、兴盛、衰落的演替历程，将将二者分阶段不同功能进行类比推理、证据链反演，推导出：聚煤期是植物演替后发展到鼎盛阶段的产物。聚煤期植物本能激发生长旺盛，又尚未遭受天敌、病害等阻碍，具有强劲的拓殖能力和群体效应。先遣植被控制了基底和陆源碎屑活动，植物、泥炭沼泽得以迁移扩展，广泛发育，改善环境水文，提高地下水位，进一步改变区域气候。植物与环境协同演化，并在良性循环中可持续发展，形成规模宏大的动态聚煤模式。因此，整个煤系的沉积过程，就是植物与碎屑的作用过程。①在盆缘，植被禁锢陆源边坡及碎屑，累积成边坡较陡的碎屑库； 海退后碎屑库边坡失稳崩溃，部分碎屑被泥炭筏载运移到泥炭沼泽中，形成煤中角砾岩；而大量碎屑像脱缰的野马，冲破植被束搏，顺河奔流而去，穿越整个泥炭沼泽，将碎屑间歇性输送到海/湖三角洲。碎屑库被冲刷完毕后，植被又重新恢复统治地位，开始新的累积。②在广阔平坦的滨海平原上，动态泥炭沼泽占据主导地位，随着海水进退多层叠置，在有利区段形成厚煤层；动态泥炭沼泽中的碎屑河流，除间歇输送陆源碎屑外，主要运载植物残骸和泥炭等有机质，形成分选较好的多阶性带状砂体。③海岸附近海退后期，植被恢复统治，碎屑输入贫化，植被跟进占据改造后的三角洲前缘、泻湖、海湾，以致碳酸盐岩台地之上发育。海进淹没泥炭沼泽，藻类等水生植物泥炭继续堆积；沼泽河流搬运来的大量植物残骸和泥炭等有机质，与偶然风暴潮冲蚀的海岸红树林及泥炭，被潮流和海/湖流源源不断的输送到海/湖盆中，如果能够长期累积可形成厚—超厚煤层；深覆水后，碳酸盐岩大量快速沉积，形成煤层顶板石灰岩。海退时，碎屑库崩溃，陆源碎屑沿沼泽河流周期性地输送到海盆形成建设性三角洲沉积；随着海退，海浪和潮流将有限的三角洲碎屑充分运移，冲刷成广阔平坦的席状砂和浅滩湖沼多重障壁体系，为下一期植物泥炭沼泽发育奠定基础。由此，形成由根土岩—→煤层—→石灰岩—→碎屑岩—→根土岩组成的约代尔旋回。

（2）聚煤期植被主导下，陆源碎屑库的累积和崩溃，控制盆地碎屑萎缩与扩张、煤系突发间断性沉积，致使煤层向盆缘分岔变薄以致尖灭、煤层中断续沉积角砾岩、同生多阶性带状砂体、陆表海多重障壁体系、约代尔旋回等。

（3）聚煤期植物作用的研究，填补了煤地质学空白，能够对煤地质勘查与研究中出现的一些“异常”现象给予合理的解释。

致谢：审稿专家和责任编辑提出了很好的修改意见和建议，给予了许多有益启示，Henry ZHEN教授进行了英文校对和翻译，在此一并致以衷心感谢!

参考文献