海洋所研究揭示3千年以來農(nóng)業(yè)活動增強促進華南化學(xué)風(fēng)化
近日,國際地學(xué)期刊《第四紀科學(xué)評論》(Quaternary Science Reviews, Top 5%)在線發(fā)表了中國科學(xué)院海洋研究所、美國路易斯安那州立大學(xué)、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局等單位合作的研究成果“Farming stimulated stronger chemical weathering in South China since 3.0 ka BP ”。研究團隊基于珠江入??诔练e巖芯的礦物地球化學(xué)記錄,重建了過去7千年以來華南化學(xué)風(fēng)化和植被演變歷史,發(fā)現(xiàn)近3千年以來流域化學(xué)風(fēng)化顯著增強且C4植被豐度同步增加,提出人類農(nóng)業(yè)活動的增強促進了流域化學(xué)風(fēng)化作用。
硅酸鹽風(fēng)化是指地表硅酸鹽礦物與大氣、水及生物相互作用發(fā)生水巖反應(yīng)而分解為粘土礦物及溶解質(zhì)的過程?;瘜W(xué)風(fēng)化過程通過吸收大氣CO2,影響著全球氣候變化。硅酸鹽風(fēng)化強度主要受控于巖性、氣候、構(gòu)造及植被覆蓋等自然因素,但進入全新世,尤其是晚全新世以來,隨著人類活動的持續(xù)增強,人類活動可能在大陸風(fēng)化過程中扮演著愈發(fā)重要的角色。正確理解人類活動與化學(xué)風(fēng)化的關(guān)系及其內(nèi)在作用機理,對于評估人類對大陸風(fēng)化過程的擾動及其對全球氣候產(chǎn)生的潛在影響具有重要科學(xué)意義。
已有研究表明,在全球許多大河流域(如西歐、中非、北美及東亞),硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化程度自晚全新世以來顯著提高,這可能與流域人類活動的增強密切相關(guān)。關(guān)于人類活動促進風(fēng)化過程的機理,一般歸因于人類活動導(dǎo)致的物理效應(yīng)(如:加速物理侵蝕速率,并侵蝕更多風(fēng)化程度較高的土壤老物質(zhì)),而忽略了人類活動引起的生物地球化學(xué)效應(yīng)對化學(xué)風(fēng)化過程的影響。近年來,有學(xué)者提出,向農(nóng)田施加硅酸鹽巖粉末,可以借助農(nóng)作物的生物化學(xué)風(fēng)化作用加速化學(xué)風(fēng)化,固定更多大氣CO2,從而緩解全球變暖過程。事實上,晚全新世以來,人類活動對地表植被的破壞和重塑已被廣泛揭示,地表植被的改變可能也會通過生物化學(xué)風(fēng)化作用而影響硅酸鹽風(fēng)化過程。該假設(shè)可以通過地質(zhì)記錄來檢驗。
珠江流域作為華夏文明的源頭之一,孕育了燦爛的古代人類文明,是探討人類活動與大陸風(fēng)化關(guān)系的理想地區(qū)。研究人員以珠江口內(nèi)伶仃洋的ZK20沉積巖芯為研究材料,在Sr-Nd同位素組成約束物源的基礎(chǔ)上,基于粘土礦物(高嶺石/伊利石比值)、常量元素組成(CIA指數(shù)、K/Al比值)、黑碳含量及碳同位素(δ13CBC)、重金屬元素含量等指標(biāo),并綜合前人相關(guān)研究成果,重建了珠江流域近7千年以來的化學(xué)風(fēng)化、C3/C4植被演化以及人類活動強度變化歷史。
研究結(jié)果顯示,7-3 ka,珠江流域化學(xué)風(fēng)化強度逐漸減弱,氣候記錄顯示該階段東亞夏季風(fēng)整體減弱,溫度也逐漸降低。相對干冷的氣候不利于硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化作用的進行,因此該時段逐漸減弱的化學(xué)風(fēng)化主要受控于季風(fēng)氣候。自約3 ka以來,珠江流域化學(xué)風(fēng)化顯著增強,然而此時段氣候并未明顯向暖濕轉(zhuǎn)化,因此該階段化學(xué)風(fēng)化的顯著增強無法用氣候解釋。值得注意的是,重金屬元素、黑碳、禾本科花粉以及耕地面積等諸多與人類相關(guān)的指標(biāo)均指示人類活動自3 ka以來顯著增強。因此,研究人員認為自3 ka以來人類活動的加強促進了珠江流域的化學(xué)風(fēng)化。

珠江流域及周邊海陸分布和研究站位圖
對于晚全新世以來人類活動促進化學(xué)風(fēng)化的機理,研究人員提出了不同于前人的觀點,認為除了物理效應(yīng),人類活動引起的生物地球化學(xué)效應(yīng)同樣重要。黑碳碳同位素以及孢粉記錄顯示,自3 ka以來,人類農(nóng)業(yè)活動(如砍伐、開墾和種植)對流域植被擾動增強,木本植被豐度大幅度減少,而草本(尤其是C4草本)持續(xù)增多。如此顯著的植被組成變化勢必會通過生物化學(xué)風(fēng)化作用對硅酸鹽風(fēng)化產(chǎn)生影響。根據(jù)珠江口巖芯δ13CBC與流域上游湖泊記錄的C4植被的同步快速擴張,研究人員排除了土壤老物質(zhì)對巖芯沉積物化學(xué)風(fēng)化程度的影響。自3ka以來,黑碳δ13CBC的快速正偏與化學(xué)風(fēng)化的同步增強,進一步證實了人類活動引發(fā)的生物地球化學(xué)效應(yīng)能夠促進化學(xué)風(fēng)化。農(nóng)業(yè)活動可能主要從三個方面促進了硅酸鹽的生物化學(xué)風(fēng)化作用:農(nóng)作物及伴生的草本植物釋放大量有機酸及螯合物、吸收土壤中K、Ca、Mg等活潑金屬元素、農(nóng)業(yè)灌溉增加了水巖反應(yīng)時間。

過去7千年來東亞大陸化學(xué)風(fēng)化和植被演化的海陸記錄

過去7千年來珠江流域化學(xué)風(fēng)化、氣候、植被及人類活動歷史對比
該研究首次揭示了晚全新世人類農(nóng)業(yè)活動增強引發(fā)的生物化學(xué)效應(yīng)對硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化過程的促進作用。此外,研究人員通過系統(tǒng)總結(jié)東亞主要大河流域硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化的海洋沉積記錄,發(fā)現(xiàn)自2-3 ka,各流域化學(xué)風(fēng)化均呈現(xiàn)不同程度的增強,且該時段與人類對流域植被的強烈擾動相對應(yīng)。這表明,2-3千年前是一個關(guān)鍵時間節(jié)點,從此東亞地區(qū)逐漸增強的人類活動已經(jīng)成為強烈影響區(qū)域自然過程的地質(zhì)營力。
論文第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所博士后裴文強,通訊作者為海洋所萬世明研究員。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項等的支持。
論文信息:Wenqiang Pei, Shiming Wan*, Peter D. Clift, Guanqiang Cai, Debo Zhao, Jin Zhang, Wenjun Jiao, Mengshan Ju, Zehua Song, Anchun Li, 2023. Farming stimulated stronger chemical weathering in
原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0277379123001130
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