近日，中國科學院海洋研究所萬世明團隊在Nature旗下地學期刊Communications Earth & Environment（中國科學院一區top）發表了題為“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區的硅酸鹽風化演變歷史，發現了季風降水對于陸地風化的強烈影響。季風降水帶在南北半球間的往復移動引發的風化變化，使得第四紀冰期期間通過風化作用消耗的大氣CO2的量維持相對恒定。
圖1 晚第四紀以來全球硅酸鹽風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今大氣CO2含量急劇升高的主要因素。自第二次工業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。然而在晚第四紀長達十萬年之久的冰期-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，對人類的生存和發展構成了嚴重的威脅。在人類活動與地球自身氣候演變規律的疊加下，地球終究會走向何方？明確地質歷史上碳循環的驅動機制是回答該問題的重要一環。
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治地位。相比之下，陸地硅酸鹽風化作為全球碳循環的一個凈匯，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果表明，陸地硅酸鹽風化歷史為冰期減弱而間冰期增強，認為其主要受到溫度變化的控制。但與此相對，諸多季風區風化重建工作顯示，硅酸鹽風化受到季風降水的強烈影響。這些爭議是我們一直無法準確評估在冰期-間冰期旋回中，硅酸鹽風化對大氣CO2含量變化做出多少貢獻的主要原因。
針對該問題，中國科學院海洋研究所聯合同濟大學、瑞典隆德大學、倫敦大學學院及中國海洋大學研究人員，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化演變歷史，并通過對全球現代河流沉積物地球化學數據集的再分析，以及全球其他區域硅酸鹽風化記錄的對比，結合古氣候-風化模型模擬，定量估算了冰期旋回中硅酸鹽風化所吸收的大氣CO2的量。
圖2 四十萬年以來全球季風區硅酸鹽風化演變歷史及其周期分析
研究結果顯示，東亞、南亞以及非洲季風區的硅酸鹽風化強度隨著歲差周期波動，且主要受到季風降水演變的控制（圖2）。在冰期，通過硅酸鹽風化作用消耗的CO2的量低于間冰期，這主要是冰期較低的溫度所導致。但值得注意的是，冰期的風化碳消耗卻保持在相對穩定的水平（圖3）。我們推測，冰期冰蓋的擴張將較強的硅酸鹽風化區域限制在中-低緯度區域。隨著歲差調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化帶，在南北半球間往復擺動，相對穩定的風化面積產生了相對恒定的CO2消耗量。該冰期-間冰期尺度季風氣候變化對全球硅酸鹽風化調控的理論，有助于我們深入理解地質歷史上和未來硅酸鹽風化在全球碳循環中扮演的重要角色。
圖3 冰期-間冰期旋回中陸地硅酸鹽風化碳消耗的時空演變
論文第一和通訊作者為中國科學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計劃、國家自然科學基金項目和中國科學院戰略先導專項等的聯合資助。
