温度控制着沉积岩风化排放CO2

李向应， 王宁练， 丁永建， 康世昌

（1.陕西省地表系统与环境承载力重点实验室，陕西西安 710127；2.西北大学城市与环境学院，陕西西安 710127；3.中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃兰州 730000；4.中国科学院大学，北京 100049）

岩石是岩石圈的主要成分，依据岩石成因可以划分为岩浆岩、沉积岩和变质岩；这三类岩石之间有一定的转化关系，当时间和地质条件改变后，任何一类岩石都可转化为另一类岩石［1］。沉积岩（如石灰岩、砂岩、页岩）是地表岩石的主要类型，其以岩石有机碳（OCpetro）和碳酸盐矿物的形式储存着大量的碳，其碳储量相当于工业革命前大气中碳储量的十几万倍［2］。当岩石剥露（exhumation）和侵蚀作用增强时，更多的沉积岩会暴露于大气圈和水圈中，随着化学风化作用增强会向大气中排放CO2［3］。

沉积岩化学风化主要通过三种途径排放CO2。第一种途径是OCpetro被大气中的O2氧化而排放CO2［式（1）］［4］；第二种途径是碳酸盐矿物被硫化物氧化生成的硫酸溶解而排放CO2［式（2）～（3）］［5］；第三种途径是碳酸盐矿物被大气CO2溶于水生成的碳酸溶解［式（4）～（5）］［6］，同时伴随着硫化物氧化生成的硫酸进入无机碳库而排放CO2［1］，这里的CO2中有一半来自碳酸盐风化［式（6）］。

沉积岩风化排放的碳还能进入河流乃至海洋中［式（7）］，这使得岩石风化向大气中直接排放CO2的时间被延迟了万年乃至更长时间［式（8）］，这是海洋碳酸盐发生沉淀作用所需要的时间尺度［6］。

沉积岩风化排放的CO2在地质碳循环中扮演着重要角色［3］。沉积岩占陆地表面的～64%［7］，仅在表层1米深度范围内就储存了1.1×106MtC的OCpetro［8］，估计其因氧化作用而排放的碳为40～100 MtC·a-1［9］。尽管对硫化物和碳酸盐的共风化作用知之甚少，但硫化物耦合碳酸盐风化的碳排放为31～36 MtC·a-1［10］。这些排放量类似于火山作用的碳排放［11］。

尽管全球碳通量研究很重要，但对沉积岩风化向大气中排放CO2的气候敏感性仍不清楚。尤其是OCpetro，一直认为它在风化带（weathering zone）中不是很活跃且不易被氧化［12］。以前对岩石风化排放CO2的相关认识，主要来自于对河水中可溶性地球化学示踪剂的研究［13-14］。这些研究强调了物理侵蚀在影响CO2排放速率方面的重要角色，这里的侵蚀作用为近表层的氧化风化作用补给了大量的OCpetro和硫化物矿物［15］。然而，这些评估结果在流域上做了平均处理，同时综合了不同水文和温度条件下的化学反应。比如，近来研究强调了“历史时期山地河流中硫酸盐通量的增加趋势可能反映了硫化物氧化对气候变暖的响应”，但缺乏直接证据［16］。

近期发表在Nature Geoscience的研究指出，沉积岩风化对全球变暖是正反馈，在整个地球历史中可能一直驱动着地表碳循环［1］。具体来说，在2016年12月至2019年5月的两年多时间内，Soulet等［17］连续监测了法国Laval流域沉积岩岩腔（rock cham⁃bers）内CO2排放的季节变化过程；通过沸石分子筛（zeolite molecular sieves）和活性CO2捕获法（trap⁃ping method）采集岩石风化排放的CO2，通过测定排放的CO2的稳定性及放射性碳同位素来识别CO2的具体来源。结果指出，沉积岩风化排放的CO2来自黄铁矿氧化耦合碳酸盐溶解作用［式（3）、（7）、（8）］以及OCpetro氧化作用［式（1）］，CO2总通量接近土壤呼吸作用的排放量［18］。如果将CO2通量换算到岩腔表面积上，CO2通量表现出明显的空间变化；CO2通量的季节变化也比较明显，温暖月份的通量较高［图1（a）］。岩腔内的CO2排放会随温度而变化，温度主要控制着沉积岩风化的CO2排放；岩腔排放的CO2总量与岩腔内的日平均温度正相关，表现为增长型指数关系［图1（b）］。对于降水控制作用，每次降雨都会导致岩腔CO2通量减小，但在几天内又会重新恢复，这说明含水饱和度调节着气体运动（O2进入和CO2溢出岩石）［1，19-20］。

图1 沉积岩风化的CO2排放及其对温度的敏感性：CO2通量的时空变化（a）；CO2通量与岩腔内温度的关系（b），修改自文献［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］

这项研究向模拟化学风化与碳循环的地质碳循环模型提出了挑战。长期以来，认为岩石化学风化对气候变化是一种负反馈，即在大气CO2溶于水生成的碳酸作用下硅酸盐风化会促进大气CO2的地质封存，这种封存能力会随着大气CO2浓度的增加而增强［21］。据估计，全球大气CO2的地质封存量为90～120 MtC·a-1［1］，而在以沉积岩为主的陆地表面OCpetro的氧化速率为40～100 MtC·a-1［9］，二者的碳源汇作用基本相当。OCpetro氧化的CO2排放量可能主要受低至中等热成熟度（thermal maturity）的页岩风化作用影响［9］，页岩的OCpetro含量类似于Laval流域的岩石，与更高等级的变质岩不同［22］。与Laval流域的研究类似，物理侵蚀作用很可能加快了全球OCpetro的氧化速率［3，14］。然而，在有深部风化前缘（weathering fronts）的低剥蚀速率地区，温度对岩石风化源CO2通量的影响还需进一步研究［1，23］。

如果将Soulet等［1］的研究结果外推，全球温度增加2～4℃会使来自OCpetro氧化的CO2排放量增加15%～30%。然而，这种在地质时间尺度上CO2排放的不平衡性不可能持续大约10万年以上，因此需要重新研究岩石化学风化在气候调节方面的作用机制［21，24］。在全球尺度上，对沉积岩中硫化物和碳酸盐矿物的共存特征，以及硫化物耦合碳酸盐风化的CO2排放量都知之甚少［13］，这可能进一步增强了与OCpetro氧化风化有关的对大气CO2浓度的正反馈作用［1］。总之，沉积岩风化对气候变化是正反馈，这在以前的研究中被忽视了，而且当前的地质碳循环模型还没有捕捉到受控于温度的OCpetro氧化以及硫酸溶解碳酸钙的CO2排放过程［1，25］，因此未来的岩石风化与碳循环研究应将沉积岩风化的温度敏感性与硅酸盐风化一起考虑［1］。