长江干流沉积物搬运过程中矿物风化无机碳汇功能的初步研究学术报告
一、研究团队与发表信息
本研究由中国科学院山地灾害与环境研究所的张鑫宝、西南交通大学的罗景成、中国科学院王晓国、唐嘉亮*（通讯作者）及普定喀斯特生态系统观测研究站的彭涛合作完成，发表于*Scientific Reports*（2022年，第12卷，文章编号3654）。研究聚焦长江干流沉积物搬运过程中钙镁矿物风化对CO₂的固定作用及其碳汇功能。
二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于全球碳循环与地表过程交叉领域，重点关注河流沉积物矿物风化对无机碳汇的贡献。
研究背景：
1. 岩石风化（包括硅酸盐和碳酸盐矿物）通过消耗CO₂形成可溶性碳酸氢盐，是全球碳循环的重要无机碳汇。
2. 传统研究多关注原位（in situ）风化，而沉积物搬运过程中的异地（off-site）风化作用及其碳汇潜力尚未充分量化。
3. 人类活动（如筑坝）可能通过改变沉积物通量影响碳汇功能，但缺乏系统性评估。
研究目标：
1. 阐明长江沉积物中钙镁矿物的组成与搬运动力学特征；
2. 量化长江悬浮沉积物的潜在碳汇能力；
3. 评估三峡工程等筑坝活动对碳汇功能的干扰。
三、研究流程与方法
1. 数据来源与采样设计
- 数据基础：引用丁悌平团队2003–2007年长江干流25个站点及13条支流的悬浮沉积物数据，包括CaO、MgO、方解石（calcite）和白云石（dolomite）含量。
- 采样时间：4次采样（2003年7月、2004年4月、2005年7月、2007年7月），覆盖丰水期与枯水期。
2. 碳汇能力计算模型
- 总碳汇（TCS）：基于CaO+MgO含量，计算每吨沉积物溶解消耗的CO₂量（单位：吨/吨）。
- 非实质性碳汇（NSCS）：碳酸盐矿物风化消耗的CO₂（最终释放回大气）；
- 实质性碳汇（SCS）：硅酸盐矿物风化固定的CO₂（形成永久性碳酸盐沉积）。
- 关键公式：
- 硅酸盐风化：(Ca-Mg)₂SiO₄ + 4CO₂ + 4H₂O → (Ca-Mg)₂(HCO₃)₄ + H₄SiO₄（SCS）；
- 碳酸盐风化：(Ca-Mg)CO₃ + CO₂ + H₂O → (Ca-Mg)(HCO₃)₂ → (Ca-Mg)CO₃↓ + CO₂↑ + H₂O（NSCS）。
3. 理想河段法评估筑坝影响
- 选择寸滩—大通段（三峡库区下游），对比1956–2000年（筑坝前）与2006–2019年（筑坝后）的沉积物通量及碳汇变化。
4. 全球河流碳汇估算
- 基于长江数据外推，结合全球4462条河流的年输沙量（12.61×10⁹吨），估算全球河流无机碳汇总量。
四、主要研究结果
1. 矿物组成沿程变化
- CaO+MgO含量：从源头沱沱河（16.33%）至入海口吴淞口（4.60%）递减，上游（宜昌以上）下降速率（0.12%/100 km）高于中下游（0.09%/100 km）。
- 碳酸盐矿物溶解速率：方解石+白云石含量下降速率（上游0.29%/100 km）显著高于硅酸盐，表明碳酸盐更易在搬运中溶解。
2. 碳汇能力空间分布
- TCS：沱沱河最高（0.271吨/吨），吴淞口最低（0.091吨/吨）；寸滩至吴淞口段每吨沉积物消耗0.060吨CO₂。
- SCS贡献：硅酸盐碳汇（0.027–0.047吨/吨）占比稳定，但远低于NSCS（碳酸盐主导）。
3. 三峡工程的影响
- 沉积通量减少：2006–2019年寸滩—大通段沉积通量下降71.6%，导致年碳汇损失：TCS（1852万吨CO₂）、NSCS（1224万吨）、SCS（628万吨）。
- 水库沉积效应：三峡库区年均沉积1.145亿吨，造成TCS损失676万吨（相当于三峡电站清洁能源减排CO₂的7.9%）。
4. 全球意义
- 全球河流无机碳汇总量估算为7.57×10⁸吨CO₂，占全球岩石风化碳汇（1.056×10⁹吨）的71.6%，其中SCS占比超25%。
五、结论与价值
1. 科学价值：首次量化了长江沉积物搬运过程的碳汇功能，揭示异地风化对全球碳循环的显著贡献。
2. 应用价值：为评估水电工程对碳汇的干扰提供方法论，支持“增强岩石风化（ERW）”策略的可行性论证。
3. 政策意义：建议关注河流上游高能环境对矿物溶解的促进作用，优化流域管理以保护自然碳汇。
六、研究亮点
1. 创新方法：结合理想河段法与矿物溶解动力学，区分SCS与NSCS；
2. 跨尺度验证：从长江案例外推至全球，数据支撑扎实；
3. 工程关联性：首次量化三峡工程对碳汇的间接影响，填补研究空白。
其他发现：
- 三峡库区沉积物埋藏有机碳（POC）年均封存630万吨CO₂，但被无机碳汇损失部分抵消（SCS损失占36.4%）。
- 全球河流输沙量减少10%可能导致7.57×10⁸吨CO₂碳汇损失，但仍低于水电减排效益。
（注：全文数据均基于长江历史沉积记录及全球河流模型，需进一步验证区域差异性。）