转自：气候变化与多年冻土
引用格式：Walsh, E. V., Hilton, R. G., Tank, S. E., & Amos, E. (2024). Temperature sensitivity of the mineral permafrost feedback at the continental scale.Sci Adv, 10(41), eadq4893.https://doi.org/10.1126/sciadv.adq4893 沉积岩中硫化物矿物的氧化风化作用将二氧化碳（CO2）释放到大气中。在多年冻土区，如果氧化风化作用随着变暖而增加，这可能是对气候变化的正反馈，但硫化物氧化速率及其温度响应在大的时空尺度上仍然未知。我们分析了麦肯齐河流域60年的硫酸盐浓度数据集。随着2.3°C的变暖，主河道的硫酸盐通量增加了45%，温度敏感性表明，到2100年，大陆尺度的CO2通量可能会翻一番。最大的增加发生在具有地貌环境的集水区，这些集水区通过物理风化和热融喀斯特作用使岩石迅速暴露。与风化模型的比较表明，变暖会增加反应速率，并且矿物暴露的变化也随着变暖而变化。未来北极广大地区的变暖可能会进一步增加硫化物的氧化速率，并影响区域碳循环预算。 地球的气候受到碳循环和长期大气温室气体浓度（如二氧化碳，CO2）波动的调节。氧化风化作用在地质沉积库的碳释放中起着重要作用。一个关键的途径是通过硫化物矿物（如黄铁矿，FeS2）的氧化产生硫酸（H2SO4）。这种酸可以与碳酸盐矿物反应，立即将CO2释放到大气中，或者通过与碳酸氢盐库的相互作用。 硫化物氧化会影响海洋-大气系统中的CO2浓度，并与随后的碳和氧循环反馈有关。相关的碳酸盐溶解作用在整个景观的风化和侵蚀的CO2平衡中起着核心作用。这些反应在当代和未来的碳通量方面得到确认，特别是通过多年冻土矿物碳循环反馈。在冰川间冰期至新生代的长期碳循环中，这也是一个重要的且研究不足的过程。硫化物氧化产生的溶解硫酸盐（SO42−）的河流通量为景观尺度过程提供了示踪剂。根据全球SO42−通量数据的当前估计，黄铁矿氧化风化作用每年释放约3000万至4000万吨碳（Mt C year-1）。 硫化物氧化速率在十年的时间尺度上发生变化，但我们对它们在未来100年的变化知之甚少。最近的研究表明，硫化物氧化对气候变化很敏感，可能会对变暖起到放大反馈的作用。首先，从高海拔地区的小型集水区的SO42−输出提供了硫化物氧化随气温升高呈指数增加的证据。其次，在露头岩石的尺度上，对硫化物氧化过程中CO2释放的直接测量表明，随着气温的升高，CO2释放呈指数增加。这些局地尺度的测量表明，当温度升高10°C时，通量可能会翻倍。此外，物理风化过程已被确定为硫化物氧化的重要因素。霜冻是一种对气候敏感的风化过程，它可以产生微裂缝，并产生大量的活性矿物表面积。 北极地表气温的上升速度是全球平均水平的近四倍，导致多年冻土变暖，活动层变厚，并改变了水文和生物地球化学过程。高纬度地区代表着敏感的碳储量，融化对土壤有机碳分解释放CO2的影响可能是巨大的。在有地下冰存在的地方，多年冻土融化会导致景观崩塌，形成热融喀斯特。最近对热融喀斯特景观中退行性融化滑坡的研究强调了北极地区多年冻土矿物CO2泄漏的可能性。冰川冰碛中的活性硫化物矿物在受到侵蚀后会迅速风化，并且在融化期间与有机物降解一样敏感。因此，热融喀斯特可能在硫化物氧化对北极变暖的响应中发挥关键作用。此外，活动层增厚会影响水文流动路径和非饱和区的深度，增加活性硫化物矿物的获取。然而，CO2氧化释放的温度敏感性尚未在大空间尺度上建立，潜在的地貌、水文和生物地球化学驱动因素仍不清楚。目前尚无法在未来北极的碳循环预算中解释这种CO2释放及其驱动因素。 在这个高纬度地区，加拿大的麦肯齐河流域（MRB）是北冰洋淡水、沉积物、溶质和有机碳的主要来源。页岩中的硫化物在MRB中与碳酸盐共存，特别是在洛基山脉和麦肯齐山脉，盆地主要是由科迪勒拉山脉和内部台地中的沉积岩（68.3%）组成（Fig. 1）。麦肯齐河中硫酸盐的同位素示踪使硫化物氧化对溶解的SO42-通量的贡献得以量化，此前在麦肯齐主河道、利亚德河和皮尔河中已经观察到SO42-通量增加。然而，对集水区子集的分析意味着，尚未评估变化的时空格局以及气候变暖对硫化物氧化的地貌控制和影响。相关的CO2释放可能会影响未来的区域碳预算，但迄今为止尚未被纳入到地球化学建模研究中。先前的模型评估表明，到本世纪末，碳酸盐风化作用将增加50%，这可能会成为麦肯齐河系统中不断增加的天然CO2汇。 在这里，我们通过研究MRB流域60年的水地球化学数据集，量化了硫化物氧化的温度敏感性和主要驱动因素。1960-2020年的水化学测量数据由加拿大环境和气候变化部门提供，日排放数据由加拿大水资源调查部门提供，涵盖了MRB的23个主要和次要集水区（Fig. 1）。该数据集捕获了高流量和低流量状态的地球化学特征。此外，我们使用年度时间序列建立了Tsiigèhnjik（北极红）集水区的当代SO42-出口量。我们量化了集水区尺度上的时空气温变化，以及与物理和化学风化过程相关的指标（裸岩覆盖、坡度、多年冻土范围、地下冰范围、泥炭地覆盖和岩性）。通过这样做，我们揭示了SO42−通量与温度变化之间的流域特异性联系。一个风化模型表明，气候变化需要反应动力学和矿物表面积生成过程的联合响应。通过在大陆尺度上建立硫化物氧化的温度依赖性，我们预测了未来变暖情景下CO2通量的大小，并证明这是对气候变化的正反馈，需要在未来的碳预算中加以考虑。Fig. 1. Mackenzie catchment characteristics. (A) elevation (Shuttle Radar topography Mission digital elevation model) with sites labeled (see table S1 for site names and data availability). (BandC) Bedrock lithology (45). (D) Peatland (41). (E) land cover (42). (F) Permafrost (43). (G) Relict ground ice cover (44). (H) Segregated ground ice cover (44).
麦肯齐主河道站点（位于Tsiigehtchic上方；站点NW10LA0003）记录了集水区范围内SO42−浓度显著增加6.1±1.2%（1971-2019）。在半个世纪至不到十年的数据集中，年SO42-浓度增加，在Peel（1973-2017）和South Nahanni集水区（1994-2018）分别增加了20.4±1.7%和20.9±2.4%，而加拿大科迪勒拉山脉内的一个小集水区Prairie Creek（2005-2018）的年浓度增加了36.4±4.4%。相比之下，在Great Bear、Lockhart、Peace和Hay集水区的SO42−浓度没有明显的变化趋势（Fig. 2）。![]()
Fig. 2. Mackenzie SO42−concentration change over time. (A) SO42−concentration change (%) per decade by catchment. catchments are outlined with a bold black line if the trend of SO42−concentration with time is statistically significant (P<0.05). catchments discussed in the text are labeled. MR, Mackenzie River above tsiigehtchic; t, tsiigèhnjik; PR, Peel River; GB, Great Bear; lR, lockhart River; lRM, liard River near mouth; Pc, Prairie creek near mouth; Sn, South nahanni above virginia Falls; hR, hay River; PR, Peace River at Peace Point; AR, Athabasca River at hWY 16. (B) Relationship between measured SO42−concentration and water discharge, colored by decade to detail the decadal change in SO42−concentration across all hydrological pools for the Peel River, Mackenzie River above tsiigehtchic, South nahanni above virginia Falls, and hay River. Points detail sampling through ice (open points) and ice-free time steps (closed points). Power law fits are drawn through ice-free sampling data when statistically significant (P<0.05).
溶解离子浓度不能直接转化为风化通量的变化，而排水量是一个关键变量。然而，我们注意到，在研究期间，所有集水区的年排水量没有显著变化。为了帮助解释水文变异性，使用时间、流量和季节加权回归（WRTDS）模型对日SO42−通量估计进行了量化，该模型来自对SO42−浓度和排水量的成对测量结果，并结合日排水量。这些数据可用于14个集水区。在监测期间，麦肯齐主河道（1972-2019年）和Peel（1973-2017年）的年均SO42−通量分别增加了45%和167%。麦肯齐主河道的年产量从87.2增加到127.2 Gmol year-1，Peel的年产量从7.3增加到19.4 Gmol year-1。将这两个站点的数据与Tsiigèhnjik相结合，MRB的总SO42-通量目前为151 Gmol year-1。 我们使用已发表的数据和对SO42-生产和出口的独立观测来解释SO42-的来源。这样一来，相应的硫化物氧化通量估计为129 Gmol year-1，这与数据更有限的研究结果相似。大部分河流的排放量、SO42−浓度和通量均呈现季节性模式，并呈现稀释型浓度-排放量模式。当浓度-排放量数据以十年为单位进行分组时，我们看到开放水域所有时期的浓度都在增加，而排放值的范围没有变化（Figs. 2 and 3）。Fig. 3. Trends in a seasonal average of WRTDS (Weighted Regressions on Time, Discharge, and Season) modeled SO42−flux by the river. Significant regression lines have been plotted (P<0.05). Winter: december to April; Spring: May to June; Summer: July to August; Autumn: September to november. See table S1 for locations and site codes.
MRB流域SO42−通量的变化与流域平均气温呈正相关。这些关系可以用符合一级反应动力学的指数模型来拟合。最近有报道称，对于小型高山集水区和岩石露头尺度上的原位测量，存在一个温度和硫化物氧化的指数函数。模型拟合返回值F0，即0°C时的SO42-通量，以及该关系的指数增加率参数α（以摄氏度的倒数为单位）。为了解释水文对年际变化的控制，我们对SO42-浓度和SO42-产量（归一化到流域面积的通量）进行了分析，发现趋势是一致的。我们还发现，年平均降水量与SO42−产量之间也没有统计学上的显著关系（Fig. 4）。 各集水区的基线年SO42-产量、浓度和F0值各不相同，产量从1.4 kM year−1 kM-2（Lockhart River）到283.4 kM year−1 kM-2（South Nahanni）不等。增加率参数α描述了麦肯齐河SO42-出口对气温的敏感性。在各集水区，该值范围为0.04±0.41 °C-1（Peace River）至0.26±0.07 °C-1（South Nahanni River），具有显著的拟合性。麦肯齐主河道产量的温度特异性变化用α（0.12±0.04 °C-1）来描述。这可用于计算Q10值，该值记录了在温度升高10°C时产量增加的系数，返回的Q10值为3.6±1.0。麦肯齐流域的Q10值在Peel河达到9.15±2.15，在South Nahani河达到13.3±3.4。Lockhart和Great Bear集水区的Q10值不显著且相对较低（Fig. 4）。 我们注意到，任何由生长速率参数α定义的温度对反应动力学的控制都是“明显的”，因为它集成了硫化物氧化对温度和流域尺度地貌和水文变化的固有敏感性。麦肯齐的Q10值为3.6±1.0，与完全氧化条件下破碎的黄铁矿基质的实验室氧化实验结果相当（2-3），略高于与硫化物氧化相关的碳酸盐溶解产生的CO2的露头尺度估计（1.7±0.3）。硫化物氧化的表观Q10值与其他研究更深入的碳循环气候反馈（如土壤有机质呼吸）相似，在全球土壤汇编中的Q10值为3.0±1.1，在土壤变暖实验中的Q10值为2.4±0.3。Fig. 4. Temperature sensitivity of riverine SO42−yield (flux normalized to catchment area). (A) All rivers with WRtdS (Weighted Regressions on time, discharge, and Season) modeled flux data and (B) close-up of the Mackenzie above tsiigehtchic dataset. exponential function (solid lines) and 95% confidence interval (dashed lines) are drawn for rivers where the relationship is statistically significant (P<0.05). error bars show the standard error on annual SO42−yield estimates when larger than the point size. See table S1 for locations and site codes.
为了研究MRB中硫化物氧化可能的景观尺度控制，我们量化了与风化有关的流域特征。MRB在地质和地貌上是多样化的，主成分分析（PCA）标明流域特征是协变的。诸如Peel、South Nahanni和Flat等河流排放了科迪勒拉山脉的岩性，这些集水区的特点是高坡度环境、高裸露岩石覆盖、高地下冰和多年冻土范围。相比之下，Lockhart和Great Bear源于沉积物硫化物很少的地盾，而Slave、Peace和麦肯齐具有很高的泥炭地覆盖，并从内部台地中的中部平原流出（Fig. 5）。 我们使用PCA图中的河流位置来检查集水区控制与硫化物氧化相关指标之间的关系。多个集水区参数的综合影响解释了SO42−产量和温度响应（Q10）数据的变异性。SO42−产量和Q10值在科迪勒拉山脉的集水区最高，在地盾岩性的集水区最低。裸岩覆盖和平均坡度角与基线SO42−产量呈正相关。多年冻土范围、地下冰范围和裸岩覆盖与Q10值呈正相关。泥炭地覆盖与产量和Q10均呈负相关。总之，这些属性表明物理风化和侵蚀在确定硫化物氧化的表观温度敏感性方面起着重要作用（Fig. 5）。Fig. 5. Assessment of catchment controls on the SO42−yield and temperature sensitivity (Q10). (A) Principal components analysis (PcA) of catchment characteristics (Fig. 1). Points are colored by theQ10value (for SO42−yield data) and the size of the points represents the mean catchment SO42−yield. the angle between vectors details the correlation between different components: 0°, 90°, and 180° correspond to correlation, no correlation, and inverse correlation, respectively, where sites near each other have similar catchment characteristics. (B) correlation matrix of catchment characteristics and SO42−data. Shading reflects the correlation coefficient and the significance of the relationship is demarcated within each point.
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