地球硅酸盐风化连续体：连接陆地与海洋的碳循环反馈机制

作者及发表信息
本文由Gerrit Trapp-Müller（乌得勒支大学）领衔，联合Jeremy Caves Rugenstein（科罗拉多州立大学）、Daniel J. Conley（隆德大学）等来自全球12所机构的学者共同完成，发表于2025年8月的《Nature Geoscience》（第18卷，691–701页）。

主题与背景
本文提出“硅酸盐风化连续体”（silicate weathering continuum）概念，旨在整合传统上被割裂研究的陆地与海洋硅酸盐风化过程。硅酸盐化学风化（chemical silicate weathering, CSW）通过溶解-沉淀反应重新分配元素，影响海洋酸碱化学和大气CO₂浓度，是地球长期碳循环的关键反馈机制。然而，过去研究多孤立分析陆地（释放碱度的“正向风化”）或海洋（消耗碱度的“反向风化”），忽视了二者通过物质输送形成的动态耦合。本文通过综合古气候记录、现代观测与模型，阐明这一连续体如何调控全球碳循环。

主要观点与论据

1. 硅酸盐风化连续体的动态耦合

   • 核心机制：陆地风化产物通过河流、地下水等输送到海洋沉积环境，其反应平衡（δalk）受原始物质组成、风化历史和环境条件（如pH、氧化还原状态）控制。例如，低风化-侵蚀比（wt/e）的喜马拉雅河流输送未风化的富阳离子物质至海洋，促进正向风化；而高wt/e的亚马逊流域输出贫阳离子沉积物，倾向于反向风化。
     
   • 证据支持：
     
     • 全球河流溶解阳离子通量与纬度负相关（Hartmann et al., 2014）；
       
     • 海洋沉积物中自生黏土（如绿泥石、海绿石）的形成速率实验显示，反向风化可在数日内发生（Michalopoulos & Aller, 1995）。
       

2. 环境条件对反应平衡的调控

   • 陆地环境：基性岩（如玄武岩）风化产生的净碱度高于花岗岩（Box 1），因其富含镁、钙等阳离子。
     
   • 海洋环境：
     
     • 氧化还原分层：缺氧沉积物中，有机质降解驱动铁还原，促进富铁黏土（如绿鳞石）形成，增强反向风化（Wallmann et al., 2008）；
       
     • 生物作用：硅质生物壳（如硅藻）溶解提供SiO₂，与陆源颗粒反应生成自生黏土，进一步消耗碱度（Rahman et al., 2017）。
       

3. 碳循环模型的重构

   • 传统模型（如Berner, 1991）仅将风化通量（W）与大气pCO₂关联（公式1），忽略海洋反向风化的抵消效应。本文提出修正模型（公式2），引入wt/e比值调控海洋风化方向：
     W = Wt + Wm = Wt,initial(CO₂/CO₂,initial)^n − [m (Wt/e)/(Wt/e)initial − m]
     
   • 模拟结果：高wt/e（如亚马逊流域）导致反向风化（Wm），延长碳扰动恢复时间；低wt/e（如东南亚火山带）则加速恢复（Box 2图）。
     

4. 地质历史中的案例验证

   • 二叠纪末大灭绝：陆地风化增强（高wt/e）导致海洋反向风化主导，延缓气候恢复（Isson et al., 2022）；
     
   • 始新世气候极暖事件（PETM）：火山灰输入促进正向风化，短期内释放大量SiO₂和养分，驱动硅质沉积（Penman et al., 2019）。
     

5. 与其他碳循环过程的协同

   • 有机碳埋藏：黏土-有机质复合体保护碳免于降解（Hemingway et al., 2019）；
     
   • 硫化物循环：硫酸盐还原生成的碱度可被反向风化抵消（Middelburg et al., 2020）。
     

意义与价值
1. 理论创新：打破陆地-海洋风化研究的壁垒，提出“连续体”框架，为碳循环模型提供动态耦合机制。
2. 应用潜力：指导增强风化（enhanced weathering）技术，如通过添加富阳离子矿物（如橄榄石）提升碳封存效率（Hartmann et al., 2013）。
3. 古气候启示：解释地质事件（如古新世-始新世极热事件）中碳循环恢复速率的差异。

亮点
- 跨尺度整合：从纳米级界面反应（如溶解-再沉淀，Hellmann et al., 2012）到全球碳通量；
- 多学科证据：结合蒙特卡洛反应平衡模型（Box 1）、同位素示踪（如Li、Sr）及沉积矿物学；
- 动态反馈：揭示wt/e比值作为关键调控参数，连接构造活动、气候与碳循环。

其他有价值内容
- 提出“增强风化”需评估下游效应，避免海洋碱度意外消耗；
- 呼吁未来地球系统模型需量化沉积动力学与生物作用对风化连续体的影响。

（注：术语翻译示例：silicate weathering continuum=硅酸盐风化连续体；forward/reverse weathering=正向/反向风化；wt/e=风化-侵蚀比）