溫度控制著沉積巖風化排放CO2

李向應， 王寧練， 丁永建， 康世昌

（1.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室，陜西西安 710127；2.西北大學城市與環(huán)境學院，陜西西安 710127；3.中國科學院西北生態(tài)環(huán)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）

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，當時間和地質(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，其以巖石有機碳（OCpetro）和碳酸鹽礦物的形式儲存著大量的碳，其碳儲量相當于工業(yè)革命前大氣中碳儲量的十幾萬倍［2］。當巖石剝露（exhumation）和侵蝕作用增強時，更多的沉積巖會暴露于大氣圈和水圈中，隨著化學風化作用增強會向大氣中排放CO2［3］。

沉積巖化學風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］，同時伴隨著硫化物氧化生成的硫酸進入無機碳庫而排放CO2［1］，這里的CO2中有一半來自碳酸鹽風化［式（6）］。

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

沉積巖風化排放的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)就儲存了1.1×106MtC的OCpetro［8］，估計其因氧化作用而排放的碳為40～100 MtC·a-1［9］。盡管對硫化物和碳酸鹽的共風化作用知之甚少，但硫化物耦合碳酸鹽風化的碳排放為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，但對沉積巖風化向大氣中排放CO2的氣候敏感性仍不清楚。尤其是OCpetro，一直認為它在風化帶（weathering zone）中不是很活躍且不易被氧化［12］。以前對巖石風化排放CO2的相關(guān)認識，主要來自于對河水中可溶性地球化學示蹤劑的研究［13-14］。這些研究強調(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化作用補給了大量的OCpetro和硫化物礦物［15］。然而，這些評估結(jié)果在流域上做了平均處理，同時綜合了不同水文和溫度條件下的化學反應。比如，近來研究強調(diào)了“歷史時期山地河流中硫酸鹽通量的增加趨勢可能反映了硫化物氧化對氣候變暖的響應”，但缺乏直接證據(jù)［16］。

近期發(fā)表在Nature Geoscience的研究指出，沉積巖風化對全球變暖是正反饋，在整個地球歷史中可能一直驅(qū)動著地表碳循環(huán)［1］。具體來說，在2016年12月至2019年5月的兩年多時間內(nèi)，Soulet等［17］連續(xù)監(jiān)測了法國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）采集巖石風化排放的CO2，通過測定排放的CO2的穩(wěn)定性及放射性碳同位素來識別CO2的具體來源。結(jié)果指出，沉積巖風化排放的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排放會隨溫度而變化，溫度主要控制著沉積巖風化的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)為增長型指數(shù)關(guān)系［圖1（b）］。對于降水控制作用，每次降雨都會導致巖腔CO2通量減小，但在幾天內(nèi)又會重新恢復，這說明含水飽和度調(diào)節(jié)著氣體運動（O2進入和CO2溢出巖石）［1，19-20］。

圖1 沉積巖風化的CO2排放及其對溫度的敏感性：CO2通量的時空變化（a）；CO2通量與巖腔內(nèi)溫度的關(guān)系（b），修改自文獻［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］

這項研究向模擬化學風化與碳循環(huán)的地質(zhì)碳循環(huán)模型提出了挑戰(zhàn)。長期以來，認為巖石化學風化對氣候變化是一種負反饋，即在大氣CO2溶于水生成的碳酸作用下硅酸鹽風化會促進大氣CO2的地質(zhì)封存，這種封存能力會隨著大氣CO2濃度的增加而增強［21］。據(jù)估計，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。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，在有深部風化前緣（weathering fronts）的低剝蝕速率地區(qū)，溫度對巖石風化源CO2通量的影響還需進一步研究［1，23］。

如果將Soulet等［1］的研究結(jié)果外推，全球溫度增加2～4℃會使來自OCpetro氧化的CO2排放量增加15%～30%。然而，這種在地質(zhì)時間尺度上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風化在氣候調(diào)節(jié)方面的作用機制［21，24］。在全球尺度上，對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化的CO2排放量都知之甚少［13］，這可能進一步增強了與OCpetro氧化風化有關(guān)的對大氣CO2濃度的正反饋作用［1］。總之，沉積巖風化對氣候變化是正反饋，這在以前的研究中被忽視了，而且當前的地質(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］，因此未來的巖石風化與碳循環(huán)研究應將沉積巖風化的溫度敏感性與硅酸鹽風化一起考慮［1］。