山地侵蝕與碳循環研究的新視角

李向應， 王寧練， 丁永建

（1.陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室，陜西西安 710127； 2.西北大學城市與環境學院，陜西西安 710127； 3.中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000； 4.中國科學院大學，北京 100049；5.China-Pakistan Joint Research Center on Earth Sciences，CAS-HEC，Islamabad 45320，Pakistan）

造山運動和地貌形成是板塊匯聚或動力抬升后巖石隆升引起的，其伴隨著物理侵蝕率增加、巖石暴露和河流泥沙向海洋的轉移。物理侵蝕、化學風化與碳循環關系密切，其耦合作用以硅酸鹽礦物的風化反應為基礎［式（1）］。長期以來，硅酸鹽風化被認為是去除大氣CO2、平衡火山活動碳排放的一個關鍵機制，維持著一個適宜人類居住的星球［1］。相關研究可以追溯到19 世紀，直到20 世紀90 年代對基巖礦物的化學風化如何響應隆升和侵蝕以及如何影響全球碳循環的定量研究仍然有限。

在過去幾十年中，已有的一些研究結果有助于更好地理解侵蝕對硅酸鹽風化作用的影響［2］。基于大量野外監測數據，地球化學動力學和反應傳輸模型也量化了風化反應速率如何隨著礦物暴露和水文控制作用而變化［3］。因此，目前有機會來量化隆升和侵蝕作用在“增強礦物與大氣和水相互作用”方面的全球效應［4-6］。

Gaillardet 等［7］指出，要了解侵蝕對碳循環的凈影響，需要關注硅酸鹽風化以外的機制［圖1（a）］。在這種觀點中，侵蝕既驅動了海洋沉積物中有機碳（OC）的傳輸和埋藏（CO2匯）［8-9］，又暴露了風化過程中可被氧化的巖石源OC 和礦物（CO2源）。具體來說，巖石OC（OCpetro）的氧化作用［式（2）］、耦合硫化物氧化的碳酸鹽風化作用［10］［式（3）］都是CO2源［圖1（a）］。此外，山體滑坡等地貌過程也會侵蝕來自植物和土壤的陸地有機質。從全球尺度來看，生物有機碳侵蝕是一個相當大的動態CO2匯［式（4）、圖1（a）］。因此，要深入理解侵蝕在碳循環中的作用，需要考慮碳在巖石和大氣之間轉移的所有機制，這里包括CO2匯（硅酸鹽風化、OC 埋藏、生物有機碳侵蝕）和CO2源（OCpetro氧化、硫化物氧化）。

近期一項發表在Nature Reviews Earth & Environment上的研究全面闡述了碳在巖石和大氣之間進行轉移的各種過程，以及這些轉移過程與侵蝕作用的內在聯系［11］。而且，這項研究討論了尚未被約束的全球碳循環的重要組成部分，并提出了一個新研究框架，主要用于確定山脈是CO2的源還是匯，同時對未來的進一步深入研究進行了展望，這對全球碳達峰碳中和目標的實現具有重要指導意義。

這項研究指出，大氣和巖石間碳的凈交換由多個因素決定［圖1（b）］。硅酸鹽風化和生物有機碳侵蝕/埋藏吸收大氣中的CO2，但OCpetro和硫化物氧化排放CO2。理解侵蝕和造山運動對碳循環的整體影響依賴于碳的轉移通量。在目前的許多體系中，碳平衡受碳通量強烈影響，但在當前長期的碳循環地球化學模型中忽視了碳通量（如硫化物氧化通量、生物有機碳侵蝕及埋藏通量、OCpetro氧化通量）。

與地質碳循環的碳轉移機制有關的碳通量都隨著侵蝕率增加而普遍增大；侵蝕不僅去除了植被和土壤中的有機碳，而且增加了水、酸和巖石相互作用區域的礦物補給。然而，侵蝕率和每種碳轉移機制的碳通量之間的關系是變化的，這可能部分反映了氣候（水文和溫度）的控制作用［圖1（b）］。就CO2匯而言，山地的硅酸鹽風化反應對水文和溫度的變化最為敏感。此外，生物有機碳侵蝕也與徑流變化有關聯，因此CO2的匯對碳循環具有負反饋作用。重要的是，這些反饋作用是通過侵蝕來維持的。盡管一些證據表明，氣候和OCpetro氧化之間可能存在著某種聯系，但通過氧化風化作用產生的CO2源通常被認為對氣候的依賴性較弱。CO2源也可能通過冰川作用中的氧化風化過程間接地對氣候表現出敏感性。

圖1 碳在大氣和巖石間的轉移過程［11］（a）［綠色代表有機碳的轉移路徑（陸地生物的侵蝕和河流的傳輸、海洋中有機碳的埋藏、巖石有機碳的氧化風化）；相比傳統觀點，硫化物氧化耦合碳酸鹽風化是一個新的CO2源；桔色代表巖石中以碳酸鹽礦物和有機碳形式儲存的碳。注：短時間尺度（不超過幾十萬年）上的碳轉移通量（如光合作用、呼吸作用和碳酸鹽風化）沒有標出］；山地侵蝕與碳循環的新視角［11］（b）［在不同氣候環境中化學風化引起的CO2源和匯（箭頭所示）的通量包括無機碳（硅酸鹽風化、硫化物氧化耦合碳酸鹽風化）和有機碳（有機碳埋藏、巖石有機碳氧化）的循環通量；白色星號代表風化反應可能受動力限制作用影響的流域，黑色星號代表風化反應受補給限制作用影響的流域；左側代表沉積巖流域，右側代表火山巖流域；黑色虛線的左邊代表暖/濕氣候環境，右邊代表寒冷氣候環境］Fig.1 Transfers of carbon between the atmosphere and rocks［11］（a）［The emerging view considers the organic-carbon pathways in green for：the erosion of the terrestrial biosphere and transfer by rivers，organic-carbon burial in the ocean and the oxidative weathering of rock organic carbon.Relative to traditional view，additional CO2 release can occur as a result of sulfide oxidation（shown in blue）.Carbon stocks in rocks as carbonate minerals and rock organic carbon are provided（shown in orange）.Note that carbon fluxes that operate on short timescales（less than hundreds of thousands of years，such as photosynthesis，respiration and carbonate weathering）are not shown.］；A new view of mountain erosion and carbon cycle［11］（b）［The CO2 sources and sinks by weathering in different environments，including fluxes in the inorganic-carbon cycle（silicate weathering and sulfide oxidation）and organic-carbon（OC）cycle（OC burial and rock OC oxidation）.Catchments with high erosion rates，where reactions may be‘kinetically limited’and low erosion rates，where reactions are‘supply limited’are referenced by the white and black stars，respectively.Sedimentary-rock-dominated catchments are located on the left and catchments underlain by volcanic rocks on the right.The dotted line separates hotter and/or wetter climates on the near side and cooler climates on the on the far side.］

巖石巖性似乎在決定碳通量平衡中起著核心作用。沉積巖山脈可能是大氣CO2的源，火山巖山脈可能是CO2的匯［圖1（b）］。了解造山運動對地質時期碳循環的影響取決于巖性、氣候和侵蝕控制之間相互作用的量化［圖1（b）］。這種理解將受益于未來基于流域范圍的在更廣泛空間尺度、巖性和氣候條件下對巖石-大氣CO2凈轉移的評估，并需要能夠模擬CO2源和匯四個關鍵過程的碳循環模型。

未來應考慮在典型地區開展集中研究，這些地區有助于確定造山運動、侵蝕加劇和CO2源/匯之間的相互關系。與氧化風化通量、碳排放通量及其控制作用有關的研究是未來的一個探索方向。需要更多研究來理解硫化物氧化和OCpetro氧化的相關機制，并量化與其相關的CO2排放量。更大范圍的研究有利于未來的深入探索，這里包括通過特定巖石類型的風化剖面監測來調查風化對巖性的依賴性，以及通過評估大河流域的CO2凈通量來約束地貌景觀的控制作用。未來的深入研究還應著眼于溫度和水文等氣候因素在頁巖和沉積巖風化過程中對OCpetro及硫化物氧化在CO2排放方面的作用。這里，需要結合實地監測、室內實驗和數值模擬方法來了解氣候與氧化風化排放CO2之間的潛在反饋作用。

對于CO2在巖石和大氣之間的凈轉移，需要研究沖積平原的作用，還要研究滑坡沉積物的風化反應，這些反應可能在活躍的侵蝕地貌中扮演重要角色。更好地理解地形中風化作用發生的位置，有助于厘清土壤源和溶質源硅酸鹽風化作用之間的差異。此外，風化和侵蝕在向陸地和海洋生態系統中補給巖石源營養鹽方面的作用日益得到認可，但需要更多的研究來量化其對長期碳儲存的凈影響。

未來應鼓勵開展流域尺度的碳收支研究，評估不同環境下大氣和巖石間CO2的凈交換。盡管火山巖被認為是硅酸鹽風化和CO2下降的關鍵所在，但當前已有的數據只能在一個火山環境中評估碳收支。這些研究將為考慮所有碳轉移機制的模型構建提供經驗基礎，從而有助于理解造山運動和侵蝕如何影響全球生物地球化學循環。目前完全有機會來設計和測試碳循環模型，這些模型包括生物有機碳的侵蝕和埋藏、OCpetro及硫化物礦物的氧化風化，因此需要將研究重點從硅酸鹽風化上轉移。