溫度控制著沉積巖風(fēng)化排放CO2

李向應(yīng)， 王寧練， 丁永建， 康世昌

（1.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710127；2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710127；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

巖石是巖石圈的主要成分，依據(jù)巖石成因可以劃分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖；這三類巖石之間有一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系，當(dāng)時(shí)間和地質(zhì)條件改變后，任何一類巖石都可轉(zhuǎn)化為另一類巖石［1］。沉積巖（如石灰?guī)r、砂巖、頁巖）是地表巖石的主要類型，其以巖石有機(jī)碳（OCpetro）和碳酸鹽礦物的形式儲(chǔ)存著大量的碳，其碳儲(chǔ)量相當(dāng)于工業(yè)革命前大氣中碳儲(chǔ)量的十幾萬倍［2］。當(dāng)巖石剝露（exhumation）和侵蝕作用增強(qiáng)時(shí)，更多的沉積巖會(huì)暴露于大氣圈和水圈中，隨著化學(xué)風(fēng)化作用增強(qiáng)會(huì)向大氣中排放CO2［3］。

沉積巖化學(xué)風(fēng)化主要通過三種途徑排放CO2。第一種途徑是OCpetro被大氣中的O2氧化而排放CO2［式（1）］［4］；第二種途徑是碳酸鹽礦物被硫化物氧化生成的硫酸溶解而排放CO2［式（2）～（3）］［5］；第三種途徑是碳酸鹽礦物被大氣CO2溶于水生成的碳酸溶解［式（4）～（5）］［6］，同時(shí)伴隨著硫化物氧化生成的硫酸進(jìn)入無機(jī)碳庫而排放CO2［1］，這里的CO2中有一半來自碳酸鹽風(fēng)化［式（6）］。

沉積巖風(fēng)化排放的碳還能進(jìn)入河流乃至海洋中［式（7）］，這使得巖石風(fēng)化向大氣中直接排放CO2的時(shí)間被延遲了萬年乃至更長(zhǎng)時(shí)間［式（8）］，這是海洋碳酸鹽發(fā)生沉淀作用所需要的時(shí)間尺度［6］。

沉積巖風(fēng)化排放的CO2在地質(zhì)碳循環(huán)中扮演著重要角色［3］。沉積巖占陸地表面的～64%［7］，僅在表層1米深度范圍內(nèi)就儲(chǔ)存了1.1×106MtC的OCpetro［8］，估計(jì)其因氧化作用而排放的碳為40～100 MtC·a-1［9］。盡管對(duì)硫化物和碳酸鹽的共風(fēng)化作用知之甚少，但硫化物耦合碳酸鹽風(fēng)化的碳排放為31～36 MtC·a-1［10］。這些排放量類似于火山作用的碳排放［11］。

盡管全球碳通量研究很重要，但對(duì)沉積巖風(fēng)化向大氣中排放CO2的氣候敏感性仍不清楚。尤其是OCpetro，一直認(rèn)為它在風(fēng)化帶（weathering zone）中不是很活躍且不易被氧化［12］。以前對(duì)巖石風(fēng)化排放CO2的相關(guān)認(rèn)識(shí)，主要來自于對(duì)河水中可溶性地球化學(xué)示蹤劑的研究［13-14］。這些研究強(qiáng)調(diào)了物理侵蝕在影響CO2排放速率方面的重要角色，這里的侵蝕作用為近表層的氧化風(fēng)化作用補(bǔ)給了大量的OCpetro和硫化物礦物［15］。然而，這些評(píng)估結(jié)果在流域上做了平均處理，同時(shí)綜合了不同水文和溫度條件下的化學(xué)反應(yīng)。比如，近來研究強(qiáng)調(diào)了“歷史時(shí)期山地河流中硫酸鹽通量的增加趨勢(shì)可能反映了硫化物氧化對(duì)氣候變暖的響應(yīng)”，但缺乏直接證據(jù)［16］。

近期發(fā)表在Nature Geoscience的研究指出，沉積巖風(fēng)化對(duì)全球變暖是正反饋，在整個(gè)地球歷史中可能一直驅(qū)動(dòng)著地表碳循環(huán)［1］。具體來說，在2016年12月至2019年5月的兩年多時(shí)間內(nèi)，Soulet等［17］連續(xù)監(jiān)測(cè)了法國Laval流域沉積巖巖腔（rock cham?bers）內(nèi)CO2排放的季節(jié)變化過程；通過沸石分子篩（zeolite molecular sieves）和活性CO2捕獲法（trap?ping method）采集巖石風(fēng)化排放的CO2，通過測(cè)定排放的CO2的穩(wěn)定性及放射性碳同位素來識(shí)別CO2的具體來源。結(jié)果指出，沉積巖風(fēng)化排放的CO2來自黃鐵礦氧化耦合碳酸鹽溶解作用［式（3）、（7）、（8）］以及OCpetro氧化作用［式（1）］，CO2總通量接近土壤呼吸作用的排放量［18］。如果將CO2通量換算到巖腔表面積上，CO2通量表現(xiàn)出明顯的空間變化；CO2通量的季節(jié)變化也比較明顯，溫暖月份的通量較高［圖1（a）］。巖腔內(nèi)的CO2排放會(huì)隨溫度而變化，溫度主要控制著沉積巖風(fēng)化的CO2排放；巖腔排放的CO2總量與巖腔內(nèi)的日平均溫度正相關(guān)，表現(xiàn)為增長(zhǎng)型指數(shù)關(guān)系［圖1（b）］。對(duì)于降水控制作用，每次降雨都會(huì)導(dǎo)致巖腔CO2通量減小，但在幾天內(nèi)又會(huì)重新恢復(fù)，這說明含水飽和度調(diào)節(jié)著氣體運(yùn)動(dòng)（O2進(jìn)入和CO2溢出巖石）［1，19-20］。

圖1 沉積巖風(fēng)化的CO2排放及其對(duì)溫度的敏感性：CO2通量的時(shí)空變化（a）；CO2通量與巖腔內(nèi)溫度的關(guān)系（b），修改自文獻(xiàn)［1］Fig.1 CO2 release from the weathering of sedimentary rock and its sensitivity to temperature：spatial and temporal varia?tions of CO2 flux（a）；relationship between CO2 flux and temperature（b）［1］

這項(xiàng)研究向模擬化學(xué)風(fēng)化與碳循環(huán)的地質(zhì)碳循環(huán)模型提出了挑戰(zhàn)。長(zhǎng)期以來，認(rèn)為巖石化學(xué)風(fēng)化對(duì)氣候變化是一種負(fù)反饋，即在大氣CO2溶于水生成的碳酸作用下硅酸鹽風(fēng)化會(huì)促進(jìn)大氣CO2的地質(zhì)封存，這種封存能力會(huì)隨著大氣CO2濃度的增加而增強(qiáng)［21］。據(jù)估計(jì)，全球大氣CO2的地質(zhì)封存量為90～120 MtC·a-1［1］，而在以沉積巖為主的陸地表面OCpetro的氧化速率為40～100 MtC·a-1［9］，二者的碳源匯作用基本相當(dāng)。OCpetro氧化的CO2排放量可能主要受低至中等熱成熟度（thermal maturity）的頁巖風(fēng)化作用影響［9］，頁巖的OCpetro含量類似于Laval流域的巖石，與更高等級(jí)的變質(zhì)巖不同［22］。與Laval流域的研究類似，物理侵蝕作用很可能加快了全球OCpetro的氧化速率［3，14］。然而，在有深部風(fēng)化前緣（weathering fronts）的低剝蝕速率地區(qū)，溫度對(duì)巖石風(fēng)化源CO2通量的影響還需進(jìn)一步研究［1，23］。

如果將Soulet等［1］的研究結(jié)果外推，全球溫度增加2～4℃會(huì)使來自O(shè)Cpetro氧化的CO2排放量增加15%～30%。然而，這種在地質(zhì)時(shí)間尺度上CO2排放的不平衡性不可能持續(xù)大約10萬年以上，因此需要重新研究巖石化學(xué)風(fēng)化在氣候調(diào)節(jié)方面的作用機(jī)制［21，24］。在全球尺度上，對(duì)沉積巖中硫化物和碳酸鹽礦物的共存特征，以及硫化物耦合碳酸鹽風(fēng)化的CO2排放量都知之甚少［13］，這可能進(jìn)一步增強(qiáng)了與OCpetro氧化風(fēng)化有關(guān)的對(duì)大氣CO2濃度的正反饋?zhàn)饔茫?］?？傊练e巖風(fēng)化對(duì)氣候變化是正反饋，這在以前的研究中被忽視了，而且當(dāng)前的地質(zhì)碳循環(huán)模型還沒有捕捉到受控于溫度的OCpetro氧化以及硫酸溶解碳酸鈣的CO2排放過程［1，25］，因此未來的巖石風(fēng)化與碳循環(huán)研究應(yīng)將沉積巖風(fēng)化的溫度敏感性與硅酸鹽風(fēng)化一起考慮［1］。