基于碳酸盐矿物数据估算色林错5 000 a BP以来的沉积无机碳通量

聂小芳 朱立平 韩作振 李明慧 王晓晓

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.中国科学院青藏高原研究所，北京 100101；3.青藏高原国家重点实验室，北京 100101)

二氧化碳在大气中的积累已成为一个全球性的环境问题。随着人类生活水平的提高，CO2等温室气体的排放量也逐渐增加，已经威胁到人类的生命系统，减少CO2的排放是当前要解决的核心问题之一。随着我国“双碳”目标的提出，与碳有关的研究越来越受到重视，比如湖泊沉积物中的碳埋藏的研究。湖泊和河流等内陆水体虽然占地表总面积的很小部分(仅占2%)，却是一个不容忽视的碳汇，具有非常丰富的碳储量[1-3]。因此，湖泊沉积物碳埋藏的研究具有重要意义。

湖泊沉积物中的碳包含有机碳和无机碳两个部分，有机碳主要来源于湖泊周围的陆生植物以及湖泊水生植物；无机碳是以碳酸盐矿物的形式存在，包括自生的和外源[4-5]。外源碳酸盐矿物是指由湖盆流域母岩风化产生、由地表径流搬运至湖泊水体的碳酸盐[6-7]。碳酸盐岩和硅酸盐岩风化过程中均能吸收大气CO2，但碳酸盐岩风化过程中吸收1个CO2分子，最后又释放1个CO2分子，对于大气CO2的浓度并没有影响，而硅酸盐岩风化过程中净吸收1个大气CO2分子，对大气CO2浓度的降低具有重要影响[8]。因此，硅酸盐岩石的化学风化作用受到更多的关注。无论哪种岩石风化，无机碳都以碳酸盐矿物的形式存在于沉积物中。

西藏的湖泊受人类活动影响小，气候寒冷干旱，湖泊沉积物中无机碳主要是自生的和岩石风化而来，记录了自然条件下的无机碳埋藏过程。因此，西藏湖泊沉积物是进行碳研究的理想场所。

湖泊沉积物无机碳的获取方法，常用的有两种，用X-射线衍射可以得到碳酸盐矿物的含量，再根据矿物化学分子式获取每一种矿物碳的含量。湿法化学的方法，即弱酸与沉积物中碳酸盐矿物化学反应，可以直接测得整个沉积物中无机碳的含量。基于色林错湖芯(SL-1)X射线衍射数据[9]，在其他文献和实测数据基础上，本文用XRD数据和湿法化学数据的碳通量，进行西藏湖泊色林错5000 a BP以来沉积物的碳通量研究，以及XRD数据有效性的评估。

1 研究区概况

色林错(31°34′～31°51′N，88°33′～89°21′E，图1)是西藏第一大咸水封闭湖泊，流域内河系发育，冰川融水、湖面降水以及非冰川径流是色林错的补给来源，补给量分别为2.0×108、6.0×108和20.5×108m3，补给比例分别为7.1%、21.1%和71.8%[10]，入湖河流带入大量岩石风化产物。

图1 研究区位置图(修改自文献[14])Figure 1 Location of the study area.(Modified from literature[14])

色林错气候寒冷干旱，太阳辐射强，年平均气温为0.8～1.0 ℃，多年平均降水量为389.4 mm，年大风日数为103～132 d[10]，这种多风少雨的干旱气候，有利于自生碳酸盐矿物的形成。

湖泊沉积物中出现大量碳酸盐矿物，包括方解石、白云石、文石和水菱镁矿等[9，11]，从成因矿物学的角度，方解石和白云石既有自生的也有外力搬运来的，而文石和水菱镁矿则全部为自生矿物[12-13]。

色林错湖水性质及化学组成如表1所示，湖水富含Na，K、Mg和SO42-，具有较高的Mg/Ca摩尔比，Mg/Ca>10，pH值在9.2～9.8，色林错盐度为7.8 g/L[10]。

表1 色林错湖水主要离子组成(数据引自文献[10])

2 研究方法

色林错沉积物碳埋藏通量由式(1)计算[15]：

A=BD×DR×C×10

(1)

式中，A表示沉积物埋藏通量，g/(m2·a)；BD表示密度，g/cm3；DR表示沉积物的沉积速率，cm/a；C表示沉积物中碳浓度，mg/g。

其中，密度数据为1.23～1.806 g/cm3[15-17]，全球湖泊沉积物的密度基本都在这个范围内。沉积速率数据为0.052 2 cm/a，即色林错湖芯(SL-1)的平均沉积速率[18]。

碳浓度则根据碳酸盐矿物的百分含量和矿物化学组成计算的，即C占比×矿物的相对百分含量，且0.1%=1 mg/g，碳酸盐矿物种类及百分含量见表2[9]，再由公式(1)便可计算每种矿物的沉积碳通量。

3 结果与讨论

3.1 沉积物无机碳通量

色林错沉积物出现了四种碳酸盐矿物：方解石、文石、白云石和水菱镁矿[9]，每种矿物的碳通量均不同，如表3、图2所示。

方解石、文石和白云石为连续出现的矿物，沉积的无机碳通量范围分别为 4.93～11.54、20.42～42.31和1.42～5.47 g/(m2·a)，水菱镁矿为不连续矿物，仅出现在2 900～2 420、2 110～1 900和1 500～1 300 a BP，其无机碳通量分别为1.95～2.86、2.43～3.57和1.67～2.45 g/(m2·a)。

由公式(1)可知，相同条件下，矿物沉积的无机碳通量高低与该矿物的含量有关，色林错钻孔沉积物中方解石和白云石含量低，对应的无机碳通量也不高，而文石是色林错沉积物中含量最高的碳酸盐矿物，含量为26.5%～37.4%(表2[9])，沉积的无机碳通量也最高(图2)。

表2 色林错沉积物中碳酸盐矿物的相对百分含量[9]

5 000 a BP以来，色林错沉积物无机碳通量是变化的，总无机碳通量变化范围为28.54～57.18 g/(m2·a)。

根据文献[9]划分的环境变化阶段，第一阶段(5 090～2 900 a BP)沉积的无机碳通量变化明显，其中5 090～4 300 a BP无机碳通量较高，最高达57.18 g/(m2·a)，之后则与第二阶段(2 900～1 135 a BP)相差不大(表3、图2)。

表3 色林错沉积物中碳酸盐矿物的无机碳通量

水菱镁矿出现的层位，总无机碳含量没有明显的增加，说明水菱镁矿的出现对总无机碳通量的影响不大(图2)。而总无机碳通量变化曲线与文石的碳通量变化一致(图2)，说明主要矿物文石沉积的无机碳通量决定了整个沉积物的无机碳通量。

3.2 XRD法与湿法化学法的对比

色林错与西藏的纳木错、达则错、郭扎错，以及青海的青海湖、新疆的博斯腾湖、内蒙的呼伦湖等，都处于干旱、半干旱地区，无机碳的沉积环境相似，色林错与以上湖泊沉积的无机碳通量具有可比性(表4、图2)，即XRD法得到的矿物数据计算的无机碳通量与酸溶法的计算结果具有一致性，无论是现代湖泊表层沉积物，还是过去几千年的沉积物，XRD法测定的碳酸盐矿物数据计算的无机碳通量都具有一致性，说明用XRD测定的矿物数据研究无机碳通量是可行的。

表4 XRD方法与无机化学方法计算的沉积无机碳通量对比

图2 色林错钻孔(SL-1)沉积物中碳酸盐矿物的碳通量及总无机碳通量Figure 2 Inorganic carbon flux of carbonate minerals and bulk sample in SL-1 of Selin Co.

与南方潮湿气候下的湖泊相比，色林错及其他干旱区的湖泊具有较高的无机碳通量，无论是XRD方法还是酸溶法，得到的无机碳通量都远远高于云南滇池的无机碳通量[9.64 g/(m2·a)][19]，以及黄海[13.26 g/(m2·a)][20]和南海沉积物的无机碳通量[11.47 g/(m2·a)][20]。从公式(1)可以看出，沉积物碳通量的高低与沉积速率、沉积密度及碳酸盐矿物含量有关，云南等气候潮湿地区，蒸发作用弱，不利于碳酸盐矿物的析出，导致沉积物中无机碳含量也很低。因此，这可能不是方法的问题，而是气候因素造成的碳通量差异。

3.3 沉积物无机碳通量的影响因素

湖泊沉积物中的无机碳，主要以碳酸盐矿物的形式存在，因此，无机碳的问题，实际上是碳酸盐矿物的成因矿物学问题，包括自生的和外源的碳酸盐矿物。

自生碳酸盐矿物是蒸发盐类矿物中最早析出的一类矿物，影响因素复杂多样。以水中CaCO3的沉淀方程式：Ca2++2HCO3-↔CaCO3↓+CO2↑+H2O为例，影响CaCO3形成的因素有气候干旱程度、温度和pH值等[13，26]。气候干旱、温暖的条件下，较强的蒸发作用使得Ca2+、HCO3-的浓度增加，有利于反应向右进行；pH值升高，即碱性条件促进碳酸盐矿物的形成，即沉积的无机碳通量增加。即气候越干旱，析出的碳酸盐越多，沉积的无机碳通量越大。

湖水性质和化学组成的指标可以体现气候干旱程度，如盐度、Mg/Ca摩尔比等。盐度升高，Mg/Ca比值也会升高。水体中的Mg/Ca是决定矿物析出的重要条件之一，低Mg/Ca时析出方解石，高Mg/Ca比值析出文石，因为湖水Mg2+子浓度增加，会阻碍方解石的析出，而促进文石的析出[13，27-30]，色林错湖水Mg2+含量、Mg/Ca摩尔比值较高(表1)，这就能解释为何色林错方解石含量低于文石含量，而文石含量才是色林错沉积无机碳通量的决定因素(图2、表3)。

气候因素除了影响湖水离子成分、湖水盐度等，还会影响地表岩石的化学风化。降雨量和温度影响岩石化学风化和湖水蒸发作用，影响地表岩石的化学风化作用和大气CO2的吸收。温度升高，湖水蒸发作用增强，湖水Ca2+、CO32-和HCO3-浓度增大，有利于碳酸钙沉淀的产生，导致无机碳埋藏量增加[4，24，31]。

湖泊内部，水体生物的壳，如介形虫的壳体、螺壳等生物壳的成分就是碳酸钙，也会影响沉积物的无机碳通量。水体生物新陈代谢也会改变水体中的Mg2+、Ca2+离子、湖水pH值等因素，诱导碳酸盐矿物的析出[32]。以细菌为例，细菌表面为负电荷，会吸收Mg2+、Ca2+离子，使得细菌成为碳酸盐沉淀的“核”[33]。除了细菌的生物矿化作用外，藻类的光合作用会大量消耗湖水中的二氧化碳，也可以影响湖水 CO32-或 HCO3-浓度，进而影响方解石的析出[29]。不过，由于青藏高原地区气候寒冷，湖水中生物数量少，生物壳对沉积物碳酸盐含量的贡献不大[13]，对沉积无机碳通量的影响也不大，但生物诱导析出的碳酸盐矿物量并不容易估计。

人类活动也是湖泊碳通量的影响因素之一，但是青藏高原地区，人类稀少，如色林错湖区人口密度小，那曲市人口密度仅1人/km2，与同为咸水湖的青海湖相近(3人/km2)，远低于云南滇池的人口密度1 284人/km2[34]，且湖区产业较少，故人类活动对色林错湖沉积的无机碳埋藏造成的影响较弱。因此，干旱气候是影响色林错无机碳埋藏的主要条件。

4 结论

湖泊沉积物中，无机碳主要以碳酸盐矿物的形式存在，沉积的无机碳通量可以用X-射线衍射方法获取，也可以用酸溶法获取，两种方法计算的无机碳通量具有可比性。XRD方法的优势是可以获得每一种矿物的无机碳通量。

5 000 a BP以来色林错碳酸盐矿物中的总无机碳通量范围为28.54 ～57.18 g/(m2·a)。水菱镁矿不连续出现，其碳通量范围为1.67～3.57 g/(m2·a)。方解石、文石和白云石为连续出现的矿物，碳通量范围分别为 4.93～11.54、20.42～42.31 和1.42～5.47 g/(m2·a)。文石为主要碳酸盐矿物，决定了沉积物总无机碳通量的变化。

湖泊沉积物中无机碳埋藏问题实际上就是碳酸盐矿物的成因问题。青藏高原人类活动少，色林错湖沉积的无机碳埋藏与人类活动影响之间的关系不大，更多受自然环境的影响，即干旱寒冷的气候是影响碳酸盐矿物无机碳通量的主要因素。