基于碳酸鹽礦物數(shù)據(jù)估算色林錯5 000 a BP以來的沉積無機碳通量

聶小芳 朱立平 韓作振 李明慧 王曉曉

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.中國科學(xué)院青藏高原研究所，北京 100101；3.青藏高原國家重點實驗室，北京 100101)

二氧化碳在大氣中的積累已成為一個全球性的環(huán)境問題。隨著人類生活水平的提高，CO2等溫室氣體的排放量也逐漸增加，已經(jīng)威脅到人類的生命系統(tǒng)，減少CO2的排放是當(dāng)前要解決的核心問題之一。隨著我國“雙碳”目標的提出，與碳有關(guān)的研究越來越受到重視，比如湖泊沉積物中的碳埋藏的研究。湖泊和河流等內(nèi)陸水體雖然占地表總面積的很小部分(僅占2%)，卻是一個不容忽視的碳匯，具有非常豐富的碳儲量[1-3]。因此，湖泊沉積物碳埋藏的研究具有重要意義。

湖泊沉積物中的碳包含有機碳和無機碳兩個部分，有機碳主要來源于湖泊周圍的陸生植物以及湖泊水生植物；無機碳是以碳酸鹽礦物的形式存在，包括自生的和外源[4-5]。外源碳酸鹽礦物是指由湖盆流域母巖風(fēng)化產(chǎn)生、由地表徑流搬運至湖泊水體的碳酸鹽[6-7]。碳酸鹽巖和硅酸鹽巖風(fēng)化過程中均能吸收大氣CO2，但碳酸鹽巖風(fēng)化過程中吸收1個CO2分子，最后又釋放1個CO2分子，對于大氣CO2的濃度并沒有影響，而硅酸鹽巖風(fēng)化過程中凈吸收1個大氣CO2分子，對大氣CO2濃度的降低具有重要影響[8]。因此，硅酸鹽巖石的化學(xué)風(fēng)化作用受到更多的關(guān)注。無論哪種巖石風(fēng)化，無機碳都以碳酸鹽礦物的形式存在于沉積物中。

西藏的湖泊受人類活動影響小，氣候寒冷干旱，湖泊沉積物中無機碳主要是自生的和巖石風(fēng)化而來，記錄了自然條件下的無機碳埋藏過程。因此，西藏湖泊沉積物是進行碳研究的理想場所。

湖泊沉積物無機碳的獲取方法，常用的有兩種，用X-射線衍射可以得到碳酸鹽礦物的含量，再根據(jù)礦物化學(xué)分子式獲取每一種礦物碳的含量。濕法化學(xué)的方法，即弱酸與沉積物中碳酸鹽礦物化學(xué)反應(yīng)，可以直接測得整個沉積物中無機碳的含量。基于色林錯湖芯(SL-1)X射線衍射數(shù)據(jù)[9]，在其他文獻和實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，本文用XRD數(shù)據(jù)和濕法化學(xué)數(shù)據(jù)的碳通量，進行西藏湖泊色林錯5000 a BP以來沉積物的碳通量研究，以及XRD數(shù)據(jù)有效性的評估。

1 研究區(qū)概況

色林錯(31°34′～31°51′N，88°33′～89°21′E，圖1)是西藏第一大咸水封閉湖泊，流域內(nèi)河系發(fā)育，冰川融水、湖面降水以及非冰川徑流是色林錯的補給來源，補給量分別為2.0×108、6.0×108和20.5×108m3，補給比例分別為7.1%、21.1%和71.8%[10]，入湖河流帶入大量巖石風(fēng)化產(chǎn)物。

圖1 研究區(qū)位置圖(修改自文獻[14])Figure 1 Location of the study area.(Modified from literature[14])

色林錯氣候寒冷干旱，太陽輻射強，年平均氣溫為0.8～1.0 ℃，多年平均降水量為389.4 mm，年大風(fēng)日數(shù)為103～132 d[10]，這種多風(fēng)少雨的干旱氣候，有利于自生碳酸鹽礦物的形成。

湖泊沉積物中出現(xiàn)大量碳酸鹽礦物，包括方解石、白云石、文石和水菱鎂礦等[9，11]，從成因礦物學(xué)的角度，方解石和白云石既有自生的也有外力搬運來的，而文石和水菱鎂礦則全部為自生礦物[12-13]。

色林錯湖水性質(zhì)及化學(xué)組成如表1所示，湖水富含Na，K、Mg和SO42-，具有較高的Mg/Ca摩爾比，Mg/Ca>10，pH值在9.2～9.8，色林錯鹽度為7.8 g/L[10]。

表1 色林錯湖水主要離子組成(數(shù)據(jù)引自文獻[10])

2 研究方法

色林錯沉積物碳埋藏通量由式(1)計算[15]：

A=BD×DR×C×10

(1)

式中，A表示沉積物埋藏通量，g/(m2·a)；BD表示密度，g/cm3；DR表示沉積物的沉積速率，cm/a；C表示沉積物中碳濃度，mg/g。

其中，密度數(shù)據(jù)為1.23～1.806 g/cm3[15-17]，全球湖泊沉積物的密度基本都在這個范圍內(nèi)。沉積速率數(shù)據(jù)為0.052 2 cm/a，即色林錯湖芯(SL-1)的平均沉積速率[18]。

碳濃度則根據(jù)碳酸鹽礦物的百分含量和礦物化學(xué)組成計算的，即C占比×礦物的相對百分含量，且0.1%=1 mg/g，碳酸鹽礦物種類及百分含量見表2[9]，再由公式(1)便可計算每種礦物的沉積碳通量。

3 結(jié)果與討論

3.1 沉積物無機碳通量

色林錯沉積物出現(xiàn)了四種碳酸鹽礦物：方解石、文石、白云石和水菱鎂礦[9]，每種礦物的碳通量均不同，如表3、圖2所示。

方解石、文石和白云石為連續(xù)出現(xiàn)的礦物，沉積的無機碳通量范圍分別為 4.93～11.54、20.42～42.31和1.42～5.47 g/(m2·a)，水菱鎂礦為不連續(xù)礦物，僅出現(xiàn)在2 900～2 420、2 110～1 900和1 500～1 300 a BP，其無機碳通量分別為1.95～2.86、2.43～3.57和1.67～2.45 g/(m2·a)。

由公式(1)可知，相同條件下，礦物沉積的無機碳通量高低與該礦物的含量有關(guān)，色林錯鉆孔沉積物中方解石和白云石含量低，對應(yīng)的無機碳通量也不高，而文石是色林錯沉積物中含量最高的碳酸鹽礦物，含量為26.5%～37.4%(表2[9])，沉積的無機碳通量也最高(圖2)。

表2 色林錯沉積物中碳酸鹽礦物的相對百分含量[9]

5 000 a BP以來，色林錯沉積物無機碳通量是變化的，總無機碳通量變化范圍為28.54～57.18 g/(m2·a)。

根據(jù)文獻[9]劃分的環(huán)境變化階段，第一階段(5 090～2 900 a BP)沉積的無機碳通量變化明顯，其中5 090～4 300 a BP無機碳通量較高，最高達57.18 g/(m2·a)，之后則與第二階段(2 900～1 135 a BP)相差不大(表3、圖2)。

表3 色林錯沉積物中碳酸鹽礦物的無機碳通量

水菱鎂礦出現(xiàn)的層位，總無機碳含量沒有明顯的增加，說明水菱鎂礦的出現(xiàn)對總無機碳通量的影響不大(圖2)。而總無機碳通量變化曲線與文石的碳通量變化一致(圖2)，說明主要礦物文石沉積的無機碳通量決定了整個沉積物的無機碳通量。

3.2 XRD法與濕法化學(xué)法的對比

色林錯與西藏的納木錯、達則錯、郭扎錯，以及青海的青海湖、新疆的博斯騰湖、內(nèi)蒙的呼倫湖等，都處于干旱、半干旱地區(qū)，無機碳的沉積環(huán)境相似，色林錯與以上湖泊沉積的無機碳通量具有可比性(表4、圖2)，即XRD法得到的礦物數(shù)據(jù)計算的無機碳通量與酸溶法的計算結(jié)果具有一致性，無論是現(xiàn)代湖泊表層沉積物，還是過去幾千年的沉積物，XRD法測定的碳酸鹽礦物數(shù)據(jù)計算的無機碳通量都具有一致性，說明用XRD測定的礦物數(shù)據(jù)研究無機碳通量是可行的。

表4 XRD方法與無機化學(xué)方法計算的沉積無機碳通量對比

圖2 色林錯鉆孔(SL-1)沉積物中碳酸鹽礦物的碳通量及總無機碳通量Figure 2 Inorganic carbon flux of carbonate minerals and bulk sample in SL-1 of Selin Co.

與南方潮濕氣候下的湖泊相比，色林錯及其他干旱區(qū)的湖泊具有較高的無機碳通量，無論是XRD方法還是酸溶法，得到的無機碳通量都遠遠高于云南滇池的無機碳通量[9.64 g/(m2·a)][19]，以及黃海[13.26 g/(m2·a)][20]和南海沉積物的無機碳通量[11.47 g/(m2·a)][20]。從公式(1)可以看出，沉積物碳通量的高低與沉積速率、沉積密度及碳酸鹽礦物含量有關(guān)，云南等氣候潮濕地區(qū)，蒸發(fā)作用弱，不利于碳酸鹽礦物的析出，導(dǎo)致沉積物中無機碳含量也很低。因此，這可能不是方法的問題，而是氣候因素造成的碳通量差異。

3.3 沉積物無機碳通量的影響因素

湖泊沉積物中的無機碳，主要以碳酸鹽礦物的形式存在，因此，無機碳的問題，實際上是碳酸鹽礦物的成因礦物學(xué)問題，包括自生的和外源的碳酸鹽礦物。

自生碳酸鹽礦物是蒸發(fā)鹽類礦物中最早析出的一類礦物，影響因素復(fù)雜多樣。以水中CaCO3的沉淀方程式：Ca2++2HCO3-?CaCO3↓+CO2↑+H2O為例，影響CaCO3形成的因素有氣候干旱程度、溫度和pH值等[13，26]。氣候干旱、溫暖的條件下，較強的蒸發(fā)作用使得Ca2+、HCO3-的濃度增加，有利于反應(yīng)向右進行；pH值升高，即堿性條件促進碳酸鹽礦物的形成，即沉積的無機碳通量增加。即氣候越干旱，析出的碳酸鹽越多，沉積的無機碳通量越大。

湖水性質(zhì)和化學(xué)組成的指標可以體現(xiàn)氣候干旱程度，如鹽度、Mg/Ca摩爾比等。鹽度升高，Mg/Ca比值也會升高。水體中的Mg/Ca是決定礦物析出的重要條件之一，低Mg/Ca時析出方解石，高Mg/Ca比值析出文石，因為湖水Mg2+子濃度增加，會阻礙方解石的析出，而促進文石的析出[13，27-30]，色林錯湖水Mg2+含量、Mg/Ca摩爾比值較高(表1)，這就能解釋為何色林錯方解石含量低于文石含量，而文石含量才是色林錯沉積無機碳通量的決定因素(圖2、表3)。

氣候因素除了影響湖水離子成分、湖水鹽度等，還會影響地表巖石的化學(xué)風(fēng)化。降雨量和溫度影響巖石化學(xué)風(fēng)化和湖水蒸發(fā)作用，影響地表巖石的化學(xué)風(fēng)化作用和大氣CO2的吸收。溫度升高，湖水蒸發(fā)作用增強，湖水Ca2+、CO32-和HCO3-濃度增大，有利于碳酸鈣沉淀的產(chǎn)生，導(dǎo)致無機碳埋藏量增加[4，24，31]。

湖泊內(nèi)部，水體生物的殼，如介形蟲的殼體、螺殼等生物殼的成分就是碳酸鈣，也會影響沉積物的無機碳通量。水體生物新陳代謝也會改變水體中的Mg2+、Ca2+離子、湖水pH值等因素，誘導(dǎo)碳酸鹽礦物的析出[32]。以細菌為例，細菌表面為負電荷，會吸收Mg2+、Ca2+離子，使得細菌成為碳酸鹽沉淀的“核”[33]。除了細菌的生物礦化作用外，藻類的光合作用會大量消耗湖水中的二氧化碳，也可以影響湖水 CO32-或 HCO3-濃度，進而影響方解石的析出[29]。不過，由于青藏高原地區(qū)氣候寒冷，湖水中生物數(shù)量少，生物殼對沉積物碳酸鹽含量的貢獻不大[13]，對沉積無機碳通量的影響也不大，但生物誘導(dǎo)析出的碳酸鹽礦物量并不容易估計。

人類活動也是湖泊碳通量的影響因素之一，但是青藏高原地區(qū)，人類稀少，如色林錯湖區(qū)人口密度小，那曲市人口密度僅1人/km2，與同為咸水湖的青海湖相近(3人/km2)，遠低于云南滇池的人口密度1 284人/km2[34]，且湖區(qū)產(chǎn)業(yè)較少，故人類活動對色林錯湖沉積的無機碳埋藏造成的影響較弱。因此，干旱氣候是影響色林錯無機碳埋藏的主要條件。

4 結(jié)論

湖泊沉積物中，無機碳主要以碳酸鹽礦物的形式存在，沉積的無機碳通量可以用X-射線衍射方法獲取，也可以用酸溶法獲取，兩種方法計算的無機碳通量具有可比性。XRD方法的優(yōu)勢是可以獲得每一種礦物的無機碳通量。

5 000 a BP以來色林錯碳酸鹽礦物中的總無機碳通量范圍為28.54 ～57.18 g/(m2·a)。水菱鎂礦不連續(xù)出現(xiàn)，其碳通量范圍為1.67～3.57 g/(m2·a)。方解石、文石和白云石為連續(xù)出現(xiàn)的礦物，碳通量范圍分別為 4.93～11.54、20.42～42.31 和1.42～5.47 g/(m2·a)。文石為主要碳酸鹽礦物，決定了沉積物總無機碳通量的變化。

湖泊沉積物中無機碳埋藏問題實際上就是碳酸鹽礦物的成因問題。青藏高原人類活動少，色林錯湖沉積的無機碳埋藏與人類活動影響之間的關(guān)系不大，更多受自然環(huán)境的影響，即干旱寒冷的氣候是影響碳酸鹽礦物無機碳通量的主要因素。