地质学研究发现：中等侵蚀速率下CO₂吸收效应最强

作者及机构
本研究的通讯作者为德国慕尼黑大学（Ludwig-Maximilians-Universität München）的Aaron Bufe，合作作者包括美国科罗拉多州立大学（Colorado State University）的Jeremy K. C. Rugenstein以及德国波茨坦地球科学研究中心（GFZ German Research Center for Geosciences）的Niels Hovius等。该研究于2024年3月8日发表在《Science》期刊上，标题为“CO₂ drawdown from weathering is maximized at moderate erosion rates”。

研究背景

科学领域与问题
该研究属于地球科学中的表生地球化学与碳循环领域，聚焦于岩石风化（weathering）对全球碳循环的调控作用。长期以来，学界对构造隆升如何通过侵蚀-风化耦合影响大气CO₂浓度存在争议：一部分研究认为山脉隆升会加速硅酸盐风化（CO₂汇），另一部分则指出硫化物和碳酸盐风化（CO₂源）可能抵消甚至逆转这一效应。

研究动机
侵蚀速率对风化反应的敏感性尚未量化，且现有数据集中侵蚀速率与径流量（runoff）常存在共线性，难以区分二者的独立影响。此外，不同矿物相（如硅酸盐vs.硫化物）对侵蚀的响应差异可能显著改变碳收支，但缺乏系统性研究。因此，本研究旨在：
1. 分离侵蚀对硅酸盐风化（CO₂汇）和硫化物-碳酸盐风化（CO₂源）的独立影响；
2. 量化不同侵蚀速率下CO₂净吸收的敏感性；
3. 提出“侵蚀最优值”（erosion optimum）概念，调和山脉建造对碳循环影响的矛盾观点。

研究方法与流程

1. 数据采集与处理

研究对象
研究整合了四个独立数据集，涵盖侵蚀速率梯度跨越两个数量级（0.02–7 mm/yr）的山区河流溶质化学数据：
- 区域数据集：台湾南部（弱变质页岩）、四川东部（青藏高原东缘）、新西兰南阿尔卑斯（角闪岩相变杂砂岩）；
- 全球数据集（West数据）：作为参照，包含以长英质火成岩为主的流域。

数据标准化
为消除径流量与侵蚀速率的共线性干扰，研究采用径流校正因子（runoff sensitivity factor, *b*）对风化通量进行归一化：
- 假设硅酸盐风化受风化限制（weathering limit），通量与径流线性相关（*b*ₛᵢₗ=0）；
- 硫化物与碳酸盐风化通量取中间敏感性（*b*ₛᵤₗf, carb=−0.75）。

2. 模型构建与拟合

核心模型
采用West (2012)提出的风化模型，描述化学风化通量（*F*）与侵蚀通量（*E*）、径流（*q*）、温度的关系：
math F = k \cdot E^a \cdot q^b
其中：
- *a*为侵蚀敏感性指数，反映通量对侵蚀的响应；
- 模型捕捉从矿物供应限制（mineral-supply limit, a=1）到风化限制（*a*→0）的转变。

拟合方法
- 对每个数据集分别拟合硅酸盐、碳酸盐、硫化物的F-*E*关系；
- 通过幂律函数估算平均侵蚀敏感性（*a*）；
- 使用贝叶斯统计确定CO₂吸收最大值对应的侵蚀速率。

主要结果

1. 不同矿物相的风化敏感性

硅酸盐风化
- 侵蚀敏感性极低（*a*ₛᵢₗ=0.00±0.15），所有数据集均显示在侵蚀速率>0.1 mm/yr时进入风化限制状态（通量趋于饱和）。
- 台湾和四川数据表明，高侵蚀速率下通量可能轻微下降（图2a-b）。

碳酸盐与硫化物风化
- 均呈现正侵蚀敏感性，且非线性：
- 碳酸盐：*a*carb=0.48±0.17（近似平方根关系）；
- 硫化物：*a*sulf=0.77±0.21（接近线性）。
- 二者在侵蚀速率0.5–5 mm/yr范围内仍保持敏感性，未完全进入风化限制（图2e-h）。

2. CO₂净吸收的“侵蚀最优值”

最优侵蚀速率
通过平衡硅酸盐风化的CO₂吸收与硫化物氧化的CO₂释放，研究发现：
- CO₂净吸收在侵蚀速率~0.07 mm/yr时达到峰值（图4）；
- 该最优值在台湾（0.07⁺⁰·⁰²₋₀.₀₁ mm/yr）、四川（0.06⁺⁰·⁰⁴₋₀.₀₃ mm/yr）和新西兰（0.07⁺⁰·⁰⁴₋₀.₀₃ mm/yr）高度一致。

机制解释
- 低于最优值：硅酸盐风化受矿物供应限制，CO₂吸收随侵蚀增加而上升；
- 高于最优值：硅酸盐通量饱和，而硫化物氧化持续增强，导致CO₂释放占主导。

结论与意义

科学价值
1. 理论突破：首次量化了侵蚀速率对CO₂源-汇平衡的非单调影响，提出“侵蚀最优值”概念，调和了“山脉隆升促进CO₂吸收”与“加速侵蚀导致CO₂释放”的争议。
2. 模型约束：为长期碳循环模型（如GEOCARB）提供了关键参数，表明仅平均侵蚀速率不足预测碳通量，需考虑侵蚀速率分布。
3. 地质启示：显生宙全球侵蚀速率（~0.02 mm/yr）接近最优值，暗示地球表层长期维持以硅酸盐风化为主的CO₂汇；但现代活跃造山带（如喜马拉雅）因高侵蚀速率（>1 mm/yr）可能为净CO₂源。

应用前景
- 预测构造活动（如板块碰撞）对气候的长期影响；
- 评估人为加速侵蚀（如土地利用变化）的碳循环效应。

研究亮点

1. 多矿物相整合分析：首次同步量化硅酸盐、碳酸盐、硫化物风化的侵蚀敏感性，揭示其差异响应对碳收支的调控。
   
2. 数据创新：通过严格筛选均一岩性的流域，排除岩性-气候混杂效应，显著提升结论可靠性。
   
3. 跨尺度验证：区域数据集（台湾、四川）与全球数据（West）的敏感性一致，支持结论普适性。
   

待解问题

1. 基性岩影响：未涵盖玄武岩等快风化速率、低硫化物含量的岩类；
   
2. 有机碳动态：未考虑侵蚀驱动的有机碳氧化（CO₂源）与埋藏（CO₂汇）；
   
3. 沉积区作用：河流沉积物的后续风化可能改变全球碳平衡，但未被模型涵盖。
   

该研究为理解构造-气候耦合提供了新范式，未来需结合更多岩类与有机碳数据以完善模型预测。