黄土高原风尘沉积记录的成土风化及其碳汇效应

青藏高原抬升如何调控全球碳循环与气候变化？经典抬升–风化假说提出，造山隆起加剧侵蚀、出露新鲜硅酸盐矿物，通过风化消耗大气CO₂，驱动长期气候变冷。但该机制存在争议。流域水化学观测显示，高原原地风化速率尚不足以解释全球变冷；同时高原风化还伴随有机碳氧化、硫化物氧化驱动碳酸盐溶解等碳释放过程。因此有观点提出，关键过程或许非高原区的原地风化，而是剥蚀产生的新鲜矿物经河流、风力搬运至气候条件更适宜的低地发生持续风化，即异地风化（allochthonous weathering）。该过程类似于自然界的增强风化固碳过程，可能构成调节地球气候变化的重要机制。

然而，异地风化信号往往难以分离。这是因为沉积物从产生、剥蚀、搬运到堆积的整个过程都可能伴随持续的化学风化，源区风化与沉积后风化信号相叠加，难以区分。针对这一难题，上海海洋大学郭玉龙副教授联合中国科学院地质与地球物理研究所郭利成副研究员，同济大学杨守业教授、黄相通副教授，中国科学院青藏高原研究所杨一博研究员，中国科学院地质与地球物理研究所熊尚发研究员、杨石岭研究员，从黄土高原白水剖面（约6.2 Ma以来红黏土-黄土-古土壤沉积，探究异地风化的理想载体）中成功分离出晚中新世以来异地风化信号（也即沉积后风化或成土风化），进而重建成土风化强度、估算成土风化碳消耗，并探讨其控制因素。

那么如何提取成土风化信号？关键在于石英。研究团队前期建立了定量沉积物石英质量百分比的地球化学指标。在成土风化较弱的黄土-古土壤层，动力分选过程主导石英富集：石英含量通常与粒度正相关、与风尘风化程度负相关。而在强成土风化的红黏土层，易溶元素大量淋失，性质稳定的石英被动富集；同时长石风化为黏土矿物，沉积物粒度显著变细。由此，石英富集程度、CIA与沉积物粒径的相关关系偏离分选趋势，该解耦特征可指示成土风化强度（图1）。

图1 风尘沉积物石英富集系数与中值粒径及化学蚀变指数（CIA）的耦合关系

异地风化信号的分离与分析结果表明，白水剖面晚中新世—上新世红粘土的成土风化强度明显高于更新世黄土-古土壤（图2b）；其关键控制因素并非单一温度或降水，而是粉尘堆积速率。风尘沉积中伴随风化，但受水渗透深度限制，仅近地表一定深度发生成土风化。若该风化带深度变化不大，堆积速率便通过控制沉积物在风化带中的滞留时间影响风化强度：晚中新世—上新世堆积慢、滞留久，加之气候暖湿、淋溶充分，成土风化强；更新世堆积速率大增、滞留短，加之气候干冷，风化显著减弱。因此，该地区成土风化由晚中新世—上新世的“供给限制型”转变为更新世的“动力学限制型”。

图2 晚中新世以来风尘沉积物成土风化历史

进一步而言，在稳态假定条件下，结合成土风化强度与粉尘堆积速率，可估算风化速率和碳消耗量。更新世虽更干冷、成土风化强度更低，但因粉尘通量巨大、分布面积广，成土风化驱动的CO₂消耗通量反而高于更暖湿的上新世（图2a）。这直接证明，剥蚀增强背景下，沉积源汇过程可驱动区域“地表可风化性”上升（图3b）。此外，黄土高原粉尘通量虽增加一个数量级（图2c），CO₂消耗量却仅增约两倍（图2a），这有助于避免构造和风尘活动高峰时CO₂消耗失控式加速，这种非线性响应对全球碳循环和气候系统稳定至关重要。

图3 上新世与更新世黄土高原风尘成土风化模式示意图

除亚洲粉尘源–汇系统外，新生代构造隆升与季风演化还塑造了众多大江大河。河流将巨量沉积物从高原输送至水热条件更适宜的低地，并在该处发生化学风化；新生代全球变冷引发海平面下降，大片陆架出露，使原有沉积物进一步发生化学风化。这类由构造与气候共同调控的沉积源汇过程所驱动的异地风化及其气候效应，同样值得关注。

研究成果发表于国际知名地学期刊Geology（郭玉龙*，郭利成*，杨一博，黄相通，熊尚发，杨石岭，杨守业. Enhanced pedogenic weathering of aeolian dust as a Pleistocene carbon sink on the Chinese Loess Plateau [J]. Geology, 2026. https://doi.org/10.1130/G54703.1）。本研究得到国家自然科学基金项目（42576051，42477217）和国家重点研发计划项目（2022YFF0800503）联合资助。