近日，国际地学期刊《第四纪科学评论》(Quaternary Science Reviews, Top 5%)在线发表了中国科学院海洋研究所、美国路易斯安那州立大学、广州海洋地质调查局等单位合作的研究成果“Farming stimulated stronger chemical weathering in South China since 3.0 ka BP ”。研究团队基于珠江入海口沉积岩芯的矿物地球化学记录，重建了过去7千年以来华南化学风化和植被演变历史，发现近3千年以来流域化学风化显著增强且C4植被丰度同步增加，提出人类农业活动的增强促进了流域化学风化作用。
硅酸盐风化是指地表硅酸盐矿物与大气、水及生物相互作用发生水岩反应而分解为粘土矿物及溶解质的过程。化学风化过程通过吸收大气CO2，影响着全球气候变化。硅酸盐风化强度主要受控于岩性、气候、构造及植被覆盖等自然因素，但进入全新世，尤其是晚全新世以来，随着人类活动的持续增强，人类活动可能在大陆风化过程中扮演着愈发重要的角色。正确理解人类活动与化学风化的关系及其内在作用机理，对于评估人类对大陆风化过程的扰动及其对全球气候产生的潜在影响具有重要科学意义。
已有研究表明，在全球许多大河流域(如西欧、中非、北美及东亚)，硅酸盐化学风化程度自晚全新世以来显著提高，这可能与流域人类活动的增强密切相关。关于人类活动促进风化过程的机理，一般归因于人类活动导致的物理效应（如：加速物理侵蚀速率，并侵蚀更多风化程度较高的土壤老物质），而忽略了人类活动引起的生物地球化学效应对化学风化过程的影响。近年来，有学者提出，向农田施加硅酸盐岩粉末，可以借助农作物的生物化学风化作用加速化学风化，固定更多大气CO2，从而缓解全球变暖过程。事实上，晚全新世以来，人类活动对地表植被的破坏和重塑已被广泛揭示，地表植被的改变可能也会通过生物化学风化作用而影响硅酸盐风化过程。该假设可以通过地质记录来检验。
珠江流域作为华夏文明的源头之一，孕育了灿烂的古代人类文明，是探讨人类活动与大陆风化关系的理想地区。研究人员以珠江口内伶仃洋的ZK20沉积岩芯为研究材料，在Sr-Nd同位素组成约束物源的基础上，基于粘土矿物（高岭石/伊利石比值）、常量元素组成（CIA指数、K/Al比值）、黑碳含量及碳同位素(δ13CBC)、重金属元素含量等指标，并综合前人相关研究成果，重建了珠江流域近7千年以来的化学风化、C3/C4植被演化以及人类活动强度变化历史。
研究结果显示，7-3 ka，珠江流域化学风化强度逐渐减弱，气候记录显示该阶段东亚夏季风整体减弱，温度也逐渐降低。相对干冷的气候不利于硅酸盐化学风化作用的进行，因此该时段逐渐减弱的化学风化主要受控于季风气候。自约3 ka以来，珠江流域化学风化显著增强，然而此时段气候并未明显向暖湿转化，因此该阶段化学风化的显著增强无法用气候解释。值得注意的是，重金属元素、黑碳、禾本科花粉以及耕地面积等诸多与人类相关的指标均指示人类活动自3 ka以来显著增强。因此，研究人员认为自3 ka以来人类活动的加强促进了珠江流域的化学风化。
对于晚全新世以来人类活动促进化学风化的机理，研究人员提出了不同于前人的观点，认为除了物理效应，人类活动引起的生物地球化学效应同样重要。黑碳碳同位素以及孢粉记录显示，自3 ka以来，人类农业活动（如砍伐、开垦和种植）对流域植被扰动增强，木本植被丰度大幅度减少，而草本（尤其是C4草本）持续增多。如此显著的植被组成变化势必会通过生物化学风化作用对硅酸盐风化产生影响。根据珠江口岩芯δ13CBC与流域上游湖泊记录的C4植被的同步快速扩张，研究人员排除了土壤老物质对岩芯沉积物化学风化程度的影响。自3ka以来，黑碳δ13CBC的快速正偏与化学风化的同步增强，进一步证实了人类活动引发的生物地球化学效应能够促进化学风化。农业活动可能主要从三个方面促进了硅酸盐的生物化学风化作用：农作物及伴生的草本植物释放大量有机酸及螯合物、吸收土壤中K、Ca、Mg等活泼金属元素、农业灌溉增加了水岩反应时间。
该研究首次揭示了晚全新世人类农业活动增强引发的生物化学效应对硅酸盐化学风化过程的促进作用。此外，研究人员通过系统总结东亚主要大河流域硅酸盐化学风化的海洋沉积记录，发现自2-3 ka，各流域化学风化均呈现不同程度的增强，且该时段与人类对流域植被的强烈扰动相对应。这表明，2-3千年前是一个关键时间节点，从此东亚地区逐渐增强的人类活动已经成为强烈影响区域自然过程的地质营力。
论文第一作者为中国科学院海洋研究所博士后裴文强，通讯作者为海洋所万世明研究员。本研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略先导专项、泰山学者项目等的支持。
论文信息：Wenqiang Pei, Shiming Wan*, Peter D. Clift, Guanqiang Cai, Debo Zhao, Jin Zhang, Wenjun Jiao, Mengshan Ju, Zehua Song, Anchun Li, 2023. Farming stimulated stronger chemical weathering in South China since 3.0 ka BP. Quaternary Science Reviews, DOI: 10.1016/j.quascirev.2023.108065.
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0277379123001130
