摘要
岩石化学风化不仅为河流中的离子提供了物质来源，而且其碳汇效应也是全球碳循环的重要组成，因此在应对气候变化和解决气候变化带来的一系列生态环境问题中具有重要参考价值。但目前尚未进一步针对不同因素对岩石化学风化碳汇的影响进行量化分析，并且缺少关于岩石化学风化释放离子的量级格局和演变趋势的研究，导致岩石化学风化离子对气候变化的反馈及其产生的生态环境效应尚不清晰。 为此，本文基于气候水文、植被变化、岩性和水化学等数据，使用GEM-CO2模型对2000-2014年的中国陆地岩石化学风化碳汇进行了估算，并利用Lindeman-Merenda-Gold算法综合分析了岩石化学风化碳汇对气候变化及植被覆盖的反馈效应。同时使用Lechuga-Crespo模型和随机森林算法，创建了1980-2020年全球流域中主要岩石化学风化离子(ICWR)的0.25°×0.25°空间分辨率数据集。结果表明: 1.2000-2014年中国陆地年均岩石化学风化碳汇总量(CS)为17.69TgCyr-1，通量(CSF)为2.53tCkm-2yr-1，在空间分布上呈现南高北低的特点。研究期内中国年均CSF总体上以5.4kgCkm-2yr-1的速度轻微减少，其减少区域在南方主要为水分盈亏明显减少区域，在北方多为水分盈亏或植被覆盖度(FVC)减少的区域。 2.水分盈亏和降水对中国陆地CSF的相对贡献率分别达到了57％和35％，二者均是影响岩石化学风化碳汇的决定性因素。但在低温和气温明显下降区域中CSF对气温变化的响应较为明显，FVC在其低值区对CSF的影响最为显著。所以需要结合区域的水环境特征对CSF的反馈机制进行分析，水环境变化越活跃其化学风化作用越明显，该区域的岩石化学风化碳汇效应则更加显著。通过量化各影响因素的相对贡献率证实了CSF会快速响应气候和植被变化，进而影响全球碳循环和碳收支。 3.1980-2009年全球流域中的ICWR为5.4·109Mgyr-1，其中44.7％是碱性离子（HCO3-+CO32-）、16.5％是Ca2+、14.3％是SO42-、9.1％是Na+、7.6％是Cl-、5.7％是Mg2+、2.1％是K+。在此期间ICWR以6.47·106Mgyr-1的速度增加，变化趋势最明显的地区是30°N至30°S的离子高活度系数地区。在2010-2020年，ICWR的增长速率是1980-2009年的1.81倍，但是减少地区的面积比1980-2009年增加了5％。在气候变化的持续作用下，在过去40年中ICWR共增加了13％。 4.影响ICWR的主要因素是水环境变化，其次是土壤环境、气象因子和物理风化，这些因素通过加剧岩石化学风化作用导致了流域中的主要离子增加。 5.在岩石化学风化离子的生态效应分析中，ICWR和净初级生产力(NPP)的相关关系最为显著，说明ICWR对植被固碳能力的影响大于其对植被覆盖变化的影响，证明NPP变化在体现ICWR的生态效应方面更具代表性，并且凸显了ICWR在全球碳循环中的重要作用。ICWR与FVC、NPP的相关性和偏相关性的差异则说明了各离子间的相互影响和制约关系也对生态系统产生了重要影响，在考虑不同离子对植被的作用时，需要结合其与其他离子的共同作用进行综合考虑。 本研究将岩石化学风化过程与气候和植被的变化相结合，不仅证明了岩石化学风化产生的碳汇在应对气候变化方面发挥的重要作用，而且明确了岩石化学风化释放的离子在全球物质循环和气候变化研究中的显著意义。但是本文在数据的选择和匹配以及模型和方法的准确性等方面仍有待提高，所以未来需要将本研究与实验相结合，通过不断的计算验证以提高模型估算的准确性及其在不同地区的适用性。
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