近日，中國科學(xué)院海洋研究所萬世明團(tuán)隊在Nature旗下地學(xué)期刊Communications Earth & Environment（中國科學(xué)院一區(qū)top）發(fā)表了題為“Precessional variation of monsoon-controlled silicate weathering caused steady atmospheric carbon dioxide consumption during glacial periods”的重要研究成果。該研究基于海洋沉積物重建了過去40萬年以來東亞季風(fēng)區(qū)的硅酸鹽風(fēng)化演變歷史，發(fā)現(xiàn)了季風(fēng)降水對于陸地風(fēng)化的強烈影響。季風(fēng)降水帶在南北半球間的往復(fù)移動引發(fā)的風(fēng)化變化，使得第四紀(jì)冰期期間通過風(fēng)化作用消耗的大氣CO2的量維持相對恒定。
圖1 晚第四紀(jì)以來全球硅酸鹽風(fēng)化記錄以及降水演變周期的強度分布
人類活動引起的碳排放是當(dāng)今大氣CO2含量急劇升高的主要因素。自第二次工業(yè)革命以來短短一百多年間，大氣CO2含量迅速從約280 ppm增長到430 ppm。然而在晚第四紀(jì)長達(dá)十萬年之久的冰期-間冰期旋回中，CO2含量變化的最大振幅僅約為120 ppm。顯然，人類活動已將地球氣候演變拖離其原有的軌道。急劇升高的大氣CO2含量所導(dǎo)致的全球變暖、降水再分配、冰蓋消融以及海平面上升等，對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。在人類活動與地球自身氣候演變規(guī)律的疊加下，地球終究會走向何方？明確地質(zhì)歷史上碳循環(huán)的驅(qū)動機制是回答該問題的重要一環(huán)。
冰期-間冰期尺度上，大氣CO2含量變化同時受控于海洋與陸地的碳收支。過去數(shù)十年間，基于海洋碳埋藏和釋放過程來解釋大氣CO2含量變化的理論一直居于統(tǒng)治地位。相比之下，陸地硅酸鹽風(fēng)化作為全球碳循環(huán)的一個凈匯，卻沒有得到足夠的重視。究其原因，主要是由于諸多記錄所重建的風(fēng)化演變趨勢有很大的爭議。太平洋和印度洋鋨同位素、大西洋鉛同位素以及以色列石筍鋰同位素重建結(jié)果表明，陸地硅酸鹽風(fēng)化歷史為冰期減弱而間冰期增強，認(rèn)為其主要受到溫度變化的控制。但與此相對，諸多季風(fēng)區(qū)風(fēng)化重建工作顯示，硅酸鹽風(fēng)化受到季風(fēng)降水的強烈影響。這些爭議是我們一直無法準(zhǔn)確評估在冰期-間冰期旋回中，硅酸鹽風(fēng)化對大氣CO2含量變化做出多少貢獻(xiàn)的主要原因。
針對該問題，中國科學(xué)院海洋研究所聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)、瑞典隆德大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院及中國海洋大學(xué)研究人員，依托來自東海東北部國際綜合大洋鉆探計劃（IODP）U1429站位沉積物中的同位素-元素地球化學(xué)記錄（圖1），重建了過去40萬年以來東亞北部的陸地硅酸鹽風(fēng)化演變歷史，并通過對全球現(xiàn)代河流沉積物地球化學(xué)數(shù)據(jù)集的再分析，以及全球其他區(qū)域硅酸鹽風(fēng)化記錄的對比，結(jié)合古氣候-風(fēng)化模型模擬，定量估算了冰期旋回中硅酸鹽風(fēng)化所吸收的大氣CO2的量。
圖2 四十萬年以來全球季風(fēng)區(qū)硅酸鹽風(fēng)化演變歷史及其周期分析
研究結(jié)果顯示，東亞、南亞以及非洲季風(fēng)區(qū)的硅酸鹽風(fēng)化強度隨著歲差周期波動，且主要受到季風(fēng)降水演變的控制（圖2）。在冰期，通過硅酸鹽風(fēng)化作用消耗的CO2的量低于間冰期，這主要是冰期較低的溫度所導(dǎo)致。但值得注意的是，冰期的風(fēng)化碳消耗卻保持在相對穩(wěn)定的水平（圖3）。我們推測，冰期冰蓋的擴(kuò)張將較強的硅酸鹽風(fēng)化區(qū)域限制在中-低緯度區(qū)域。隨著歲差調(diào)控的南北半球的太陽輻射量變化，降水帶及其所引起的陸地硅酸鹽風(fēng)化帶，在南北半球間往復(fù)擺動，相對穩(wěn)定的風(fēng)化面積產(chǎn)生了相對恒定的CO2消耗量。該冰期-間冰期尺度季風(fēng)氣候變化對全球硅酸鹽風(fēng)化調(diào)控的理論，有助于我們深入理解地質(zhì)歷史上和未來硅酸鹽風(fēng)化在全球碳循環(huán)中扮演的重要角色。
圖3 冰期-間冰期旋回中陸地硅酸鹽風(fēng)化碳消耗的時空演變
論文第一和通訊作者為中國科學(xué)院海洋研究所副研究員趙德博。該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目和中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項等的聯(lián)合資助。
