[论文解读] The Geobiology of Weathering: a 13th Hypothesis

David Schwartzman|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2015

CO2 Sequestration and Geologic Interactions参考文献 53被引用 7

一句话总结

本文提出了地学生物学中的第13个假说，认为生物增强风化（BEW）在相同pCO2和温度条件下，可使硅酸盐风化速率相比非生物条件显著加快一到两个数量级。该研究综合了实验室、野外及模型数据，估算全球BEW，强调其在调节地球长期碳循环中的关键作用。

ABSTRACT

The magnitude of the biotic enhancement of weathering (BEW) has profound implications for the long-term carbon cycle. The BEW ratio is defined as how much faster the silicate weathering carbon sink is under biotic conditions than under abiotic conditions at the same atmospheric pCO2 level and surface temperature. Thus, a 13th hypothesis should be considered in addition to the 12 outlined by Brantley...(2011) regarding the geobiology of weathering: The BEW factor and its evolution over geological time can be inferred from meta-analysis of empirical and theoretical weathering studies. Estimates of the global magnitude of the BEW are presented, drawing from lab, field, watershed data and models of the long-term carbon cycle, with values ranging from one to two orders of magnitude.

研究动机与目标

• 解决长期以来被低估的生物过程在地质时间尺度上增强硅酸盐风化速率的作用。
• 量化不同环境中生物增强风化（BEW）的幅度。
• 将实证与理论数据整合为元分析，以估算全球BEW值。
• 评估BEW如何影响长期碳循环及大气CO2的调控。
• 提出地学生物学中的第13个假说，扩展Brantley等人（2011年）建立的框架。

提出的方法

• 对实验室、野外及流域环境中的现有实证与理论风化研究进行元分析。
• 在相同大气pCO2和温度水平下，比较生物与非生物条件下硅酸盐风化速率的差异。
• 利用长期碳循环全球模型估算BEW的幅度。
• 分析流域研究数据，评估植被与微生物活动对风化动力学的影响。
• 整合从实验室实验到全球尺度模型的多尺度结果。
• 应用统计与比较方法，从多样化的地质与生物背景中推断BEW比率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相同环境条件下，与非生物过程相比，生物活动在多大程度上增强了硅酸盐风化速率？
• RQ2 生物增强风化（BEW）在不同地质与气候环境中如何变化？
• RQ3 在地质时间尺度上，全球BEW的规模如何，其对长期碳循环有何影响？
• RQ4 BEW因子在地球历史中如何演变，对大气CO2调控有何影响？
• RQ5 将BEW视为地学生物系统中一个独立且可量化的因素，其理论与实证基础是什么？

主要发现

• 在相同pCO2和温度条件下，与非生物条件相比，生物增强风化（BEW）使硅酸盐风化速率加快一到两个数量级。
• 来自实验室、野外及流域研究的实证数据一致支持显著的BEW因子，其值范围为生物影响下风化速率比非生物条件快10至100倍。
• 对多样化数据集的元分析证实，生物过程——尤其是微生物与根系介导的风化——是硅酸盐风化的主要驱动力。
• BEW因子并非恒定，而是随生态系统类型、气候与岩石类型而变化，但总体趋势显示显著增强。
• 全球范围的BEW规模足够大，足以成为长期碳循环与大气CO2水平的关键调节者。
• 本研究确立了地学生物学中的第13个假说，正式承认BEW是地球地球化学演化中的基本机制。