海洋所定量重建了紅河流域晚全新世人類活動(dòng)的風(fēng)化碳匯效應(yīng)
近日,國際地學(xué)期刊《地球物理學(xué)研究雜志-地球表面》(Journal of Geophysical Research: Earth Surface)在線發(fā)表了中國科學(xué)院海洋研究所海洋沉積與古氣候研究組在人類活動(dòng)與大陸風(fēng)化方面的最新研究成果。研究團(tuán)隊(duì)與英國倫敦大學(xué)學(xué)院、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局開展合作,基于南海西部巖芯沉積物的礦物地球化學(xué)記錄,定量重建了晚全新世紅河流域硅酸鹽風(fēng)化通量演變,揭示了1500年以來人類活動(dòng)增強(qiáng)引起的風(fēng)化效應(yīng)作為一種重要的碳匯機(jī)制,對(duì)全球碳循環(huán)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。
硅酸鹽風(fēng)化是重要的自然碳匯過程,通過消耗大氣CO2影響氣候。風(fēng)化過程本身也受到巖性、構(gòu)造活動(dòng)、氣候變化等自然因素控制。但晚全新世以來,隨著農(nóng)業(yè)文明發(fā)展、礦產(chǎn)資源開發(fā)和土地利用改變,人類活動(dòng)對(duì)地表風(fēng)化過程的影響日益凸顯。然而,人類活動(dòng)對(duì)大河流域硅酸鹽風(fēng)化通量和全球碳循環(huán)的影響程度仍不清楚,其關(guān)鍵原因是缺乏高分辨率的風(fēng)化通量定量重建和對(duì)人類活動(dòng)貢獻(xiàn)的定量識(shí)別。
紅河流域流經(jīng)青藏高原東南緣,人類活動(dòng)歷史悠久,是研究氣候-人類活動(dòng)-風(fēng)化相互作用的理想?yún)^(qū)域。南海北部灣是紅河主要的沉積匯,其保存的沉積物是重建紅河流域大陸風(fēng)化剝蝕和人類活動(dòng)演化的天然檔案。研究人員以北部灣的沉積物巖芯為研究材料,通過AMS 14C定年、粒度、粘土礦物、常量元素、Sr-Nd同位素組成和陸源物質(zhì)通量分析,重建了過去3800年以來紅河流域硅酸鹽風(fēng)化強(qiáng)度和通量演化歷史,并探討了其對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)背景和研究站位圖
結(jié)果顯示,3800~1500年前,紅河流域硅酸鹽風(fēng)化強(qiáng)度隨溫度降低和降水減少而減弱,表明氣候變化對(duì)該時(shí)期化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度起主導(dǎo)作用。1500年以來,紅河流域硅酸鹽風(fēng)化強(qiáng)度顯著增強(qiáng),與整體變冷變干的氣候變化解耦,而與人類活動(dòng)的增強(qiáng)一致,表明該時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)化學(xué)風(fēng)化的影響超過了自然氣候變化。三國-南北朝時(shí)期以來,云南地區(qū)礦山開采、金屬冶煉、軍事移民、農(nóng)業(yè)擴(kuò)張以及戰(zhàn)爭用火等人類活動(dòng)直接加劇陸地侵蝕,進(jìn)而通過產(chǎn)生新鮮礦物表面、增加基巖暴露、加深風(fēng)化帶和改造舊風(fēng)化剖面等機(jī)制加劇化學(xué)風(fēng)化。此外,農(nóng)業(yè)施肥和采礦冶金釋放的酸性物質(zhì)也會(huì)增強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化進(jìn)程。

圖2 晚全新世紅河流域氣候、硅酸鹽風(fēng)化與人類活動(dòng)演化歷史
研究進(jìn)一步利用隨機(jī)森林回歸模型定量評(píng)估了人類活動(dòng)對(duì)紅河流域硅酸鹽風(fēng)化通量和全球碳循環(huán)的影響程度。結(jié)果顯示,1500年以來區(qū)域人類活動(dòng)引起的硅酸鹽風(fēng)化所消耗的CO2通量比自然條件下增加約150%。據(jù)估計(jì),全球尺度上,人類活動(dòng)可使硅酸鹽風(fēng)化碳匯能力翻倍,過去2000年以來人類活動(dòng)通過促進(jìn)陸地硅酸鹽風(fēng)化所消耗的CO2(9 ppm)約占人為CO2排放量(40 ppm)的四分之一。

圖3 晚全新世氣候和人類活動(dòng)影響下紅河流域硅酸鹽風(fēng)化CO2消耗歷史
本研究首次在千年時(shí)間尺度上定量揭示了人類活動(dòng)對(duì)硅酸鹽風(fēng)化碳匯的增強(qiáng)效應(yīng),更新了傳統(tǒng)的“風(fēng)化-氣候”反饋機(jī)制,指出人類不僅通過釋放溫室氣體影響氣候,也通過“人為增強(qiáng)風(fēng)化”強(qiáng)化了地球系統(tǒng)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)能力。這一認(rèn)識(shí)對(duì)準(zhǔn)確理解全球碳收支平衡、預(yù)測未來氣候變化趨勢具有重要科學(xué)價(jià)值,提示在今后的地球系統(tǒng)模型中需要納入人類活動(dòng)對(duì)碳匯效應(yīng)的影響。

圖4 大河流域氣候-風(fēng)化-人類活動(dòng)-碳循環(huán)聯(lián)系的概念模型
論文第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所博士研究生王曉偉,萬世明研究員和趙德博副研究員為共同通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)等的資助。
論文信息:
Xiaowei Wang, Shiming Wan*, Peter D. Clift, Debo Zhao*, Guanqiang Cai, Yifei Yang, Jin Zhang, Zhaojie Yu, Hualong Jin, Zehua Song, Yi Tang, Shuo Zhang, and Anchun Li. (2025). Human activities induced stronger silicate weathering in the Red River Basin: A growing carbon sink during the late Holocene. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 130, e2025JF008433. https://doi.org/10.1029/2025JF008433
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025JF008433
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