李向應(yīng)， 王寧練， 丁永建

（1.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710127； 2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710127； 3.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000； 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5.China-Pakistan Joint Research Center on Earth Sciences，CAS-HEC，Islamabad 45320，Pakistan）

造山運(yùn)動(dòng)和地貌形成是板塊匯聚或動(dòng)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(zhuǎn)移。物理侵蝕、化學(xué)風(fēng)化與碳循環(huán)關(guān)系密切，其耦合作用以硅酸鹽礦物的風(fēng)化反應(yīng)為基礎(chǔ)［式（1）］。長(zhǎng)期以來(lái)，硅酸鹽風(fēng)化被認(rèn)為是去除大氣CO2、平衡火山活動(dòng)碳排放的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制，維持著一個(gè)適宜人類(lèi)居住的星球［1］。相關(guān)研究可以追溯到19 世紀(jì)，直到20 世紀(jì)90 年代對(duì)基巖礦物的化學(xué)風(fēng)化如何響應(yīng)隆升和侵蝕以及如何影響全球碳循環(huán)的定量研究仍然有限。

在過(guò)去幾十年中，已有的一些研究結(jié)果有助于更好地理解侵蝕對(duì)硅酸鹽風(fēng)化作用的影響［2］?；诖罅恳巴獗O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)傳輸模型也量化了風(fēng)化反應(yīng)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(jī)會(huì)來(lái)量化隆升和侵蝕作用在“增強(qiáng)礦物與大氣和水相互作用”方面的全球效應(yīng)［4-6］。

Gaillardet 等［7］指出，要了解侵蝕對(duì)碳循環(huán)的凈影響，需要關(guān)注硅酸鹽風(fēng)化以外的機(jī)制［圖1（a）］。在這種觀點(diǎn)中，侵蝕既驅(qū)動(dòng)了海洋沉積物中有機(jī)碳（OC）的傳輸和埋藏（CO2匯）［8-9］，又暴露了風(fēng)化過(guò)程中可被氧化的巖石源OC 和礦物（CO2源）。具體來(lái)說(shuō)，巖石OC（OCpetro）的氧化作用［式（2）］、耦合硫化物氧化的碳酸鹽風(fēng)化作用［10］［式（3）］都是CO2源［圖1（a）］。此外，山體滑坡等地貌過(guò)程也會(huì)侵蝕來(lái)自植物和土壤的陸地有機(jī)質(zhì)。從全球尺度來(lái)看，生物有機(jī)碳侵蝕是一個(gè)相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)CO2匯［式（4）、圖1（a）］。因此，要深入理解侵蝕在碳循環(huán)中的作用，需要考慮碳在巖石和大氣之間轉(zhuǎn)移的所有機(jī)制，這里包括CO2匯（硅酸鹽風(fēng)化、OC 埋藏、生物有機(jī)碳侵蝕）和CO2源（OCpetro氧化、硫化物氧化）。

近期一項(xiàng)發(fā)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(jìn)行轉(zhuǎn)移的各種過(guò)程，以及這些轉(zhuǎn)移過(guò)程與侵蝕作用的內(nèi)在聯(lián)系［11］。而且，這項(xiàng)研究討論了尚未被約束的全球碳循環(huán)的重要組成部分，并提出了一個(gè)新研究框架，主要用于確定山脈是CO2的源還是匯，同時(shí)對(duì)未來(lái)的進(jìn)一步深入研究進(jìn)行了展望，這對(duì)全球碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要指導(dǎo)意義。

這項(xiàng)研究指出，大氣和巖石間碳的凈交換由多個(gè)因素決定［圖1（b）］。硅酸鹽風(fēng)化和生物有機(jī)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(yùn)動(dòng)對(duì)碳循環(huán)的整體影響依賴(lài)于碳的轉(zhuǎn)移通量。在目前的許多體系中，碳平衡受碳通量強(qiáng)烈影響，但在當(dāng)前長(zhǎng)期的碳循環(huán)地球化學(xué)模型中忽視了碳通量（如硫化物氧化通量、生物有機(jī)碳侵蝕及埋藏通量、OCpetro氧化通量）。

與地質(zhì)碳循環(huán)的碳轉(zhuǎn)移機(jī)制有關(guān)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(jī)碳，而且增加了水、酸和巖石相互作用區(qū)域的礦物補(bǔ)給。然而，侵蝕率和每種碳轉(zhuǎn)移機(jī)制的碳通量之間的關(guān)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(fēng)化反應(yīng)對(duì)水文和溫度的變化最為敏感。此外，生物有機(jī)碳侵蝕也與徑流變化有關(guān)聯(lián)，因此CO2的匯對(duì)碳循環(huán)具有負(fù)反饋?zhàn)饔?。重要的是，這些反饋?zhàn)饔檬峭ㄟ^(guò)侵蝕來(lái)維持的。盡管一些證據(jù)表明，氣候和OCpetro氧化之間可能存在著某種聯(lián)系，但通過(guò)氧化風(fēng)化作用產(chǎn)生的CO2源通常被認(rèn)為對(duì)氣候的依賴(lài)性較弱。CO2源也可能通過(guò)冰川作用中的氧化風(fēng)化過(guò)程間接地對(duì)氣候表現(xiàn)出敏感性。

圖1 碳在大氣和巖石間的轉(zhuǎn)移過(guò)程［11］（a）［綠色代表有機(jī)碳的轉(zhuǎn)移路徑（陸地生物的侵蝕和河流的傳輸、海洋中有機(jī)碳的埋藏、巖石有機(jī)碳的氧化風(fēng)化）；相比傳統(tǒng)觀點(diǎn)，硫化物氧化耦合碳酸鹽風(fēng)化是一個(gè)新的CO2源；桔色代表巖石中以碳酸鹽礦物和有機(jī)碳形式儲(chǔ)存的碳。注：短時(shí)間尺度（不超過(guò)幾十萬(wàn)年）上的碳轉(zhuǎn)移通量（如光合作用、呼吸作用和碳酸鹽風(fēng)化）沒(méi)有標(biāo)出］；山地侵蝕與碳循環(huán)的新視角［11］（b）［在不同氣候環(huán)境中化學(xué)風(fēng)化引起的CO2源和匯（箭頭所示）的通量包括無(wú)機(jī)碳（硅酸鹽風(fēng)化、硫化物氧化耦合碳酸鹽風(fēng)化）和有機(jī)碳（有機(jī)碳埋藏、巖石有機(jī)碳氧化）的循環(huán)通量；白色星號(hào)代表風(fēng)化反應(yīng)可能受動(dòng)力限制作用影響的流域，黑色星號(hào)代表風(fēng)化反應(yīng)受補(bǔ)給限制作用影響的流域；左側(cè)代表沉積巖流域，右側(cè)代表火山巖流域；黑色虛線的左邊代表暖/濕氣候環(huán)境，右邊代表寒冷氣候環(huán)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(yùn)動(dòng)對(duì)地質(zhì)時(shí)期碳循環(huán)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(lái)基于流域范圍的在更廣泛空間尺度、巖性和氣候條件下對(duì)巖石-大氣CO2凈轉(zhuǎn)移的評(píng)估，并需要能夠模擬CO2源和匯四個(gè)關(guān)鍵過(guò)程的碳循環(huán)模型。

未來(lái)應(yīng)考慮在典型地區(qū)開(kāi)展集中研究，這些地區(qū)有助于確定造山運(yùn)動(dòng)、侵蝕加劇和CO2源/匯之間的相互關(guān)系。與氧化風(fēng)化通量、碳排放通量及其控制作用有關(guān)的研究是未來(lái)的一個(gè)探索方向。需要更多研究來(lái)理解硫化物氧化和OCpetro氧化的相關(guān)機(jī)制，并量化與其相關(guān)的CO2排放量。更大范圍的研究有利于未來(lái)的深入探索，這里包括通過(guò)特定巖石類(lèi)型的風(fēng)化剖面監(jiān)測(cè)來(lái)調(diào)查風(fēng)化對(duì)巖性的依賴(lài)性，以及通過(guò)評(píng)估大河流域的CO2凈通量來(lái)約束地貌景觀的控制作用。未來(lái)的深入研究還應(yīng)著眼于溫度和水文等氣候因素在頁(yè)巖和沉積巖風(fēng)化過(guò)程中對(duì)OCpetro及硫化物氧化在CO2排放方面的作用。這里，需要結(jié)合實(shí)地監(jiān)測(cè)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法來(lái)了解氣候與氧化風(fēng)化排放CO2之間的潛在反饋?zhàn)饔谩?/p>

對(duì)于CO2在巖石和大氣之間的凈轉(zhuǎn)移，需要研究沖積平原的作用，還要研究滑坡沉積物的風(fēng)化反應(yīng)，這些反應(yīng)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(fēng)化作用發(fā)生的位置，有助于厘清土壤源和溶質(zhì)源硅酸鹽風(fēng)化作用之間的差異。此外，風(fēng)化和侵蝕在向陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)中補(bǔ)給巖石源營(yíng)養(yǎng)鹽方面的作用日益得到認(rèn)可，但需要更多的研究來(lái)量化其對(duì)長(zhǎng)期碳儲(chǔ)存的凈影響。

未來(lái)應(yīng)鼓勵(lì)開(kāi)展流域尺度的碳收支研究，評(píng)估不同環(huán)境下大氣和巖石間CO2的凈交換。盡管火山巖被認(rèn)為是硅酸鹽風(fēng)化和CO2下降的關(guān)鍵所在，但當(dāng)前已有的數(shù)據(jù)只能在一個(gè)火山環(huán)境中評(píng)估碳收支。這些研究將為考慮所有碳轉(zhuǎn)移機(jī)制的模型構(gòu)建提供經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，從而有助于理解造山運(yùn)動(dòng)和侵蝕如何影響全球生物地球化學(xué)循環(huán)。目前完全有機(jī)會(huì)來(lái)設(shè)計(jì)和測(cè)試碳循環(huán)模型，這些模型包括生物有機(jī)碳的侵蝕和埋藏、OCpetro及硫化物礦物的氧化風(fēng)化，因此需要將研究重點(diǎn)從硅酸鹽風(fēng)化上轉(zhuǎn)移。