在茫茫宇宙中，为何唯独地球成为了生命的摇篮？面对冰冷死寂的星系，地球提供了一个恒温、恒压、恒氧、恒大气碳的“完美温室”。在冷酷的星系中，地球看起来太像一个被高阶文明精心设计的“养殖场”（Ball，1973）（图1）。

图1 由Gemini 3生成“动物园假说”想象图。创意来源Ball（1973）

为了消除这种“幸存者偏差”带来的恐慌，科学家们聚焦制约全球一级碳循环的大陆风化，提出了两个著名的百万尺度地球体温调节假说：一个称之为“恒温器假说（Thermostat）”，认为气候本身控制硅酸盐岩风化，高温时风化快（耗CO₂，降温），低温时风化慢（攒CO₂，升温），即地球自带“空调”（Walker et al.，1981）；另一个是“构造驱动假说（Tectonic Driver）”，认为造山运动暴露出新鲜岩石，加速硅酸盐岩风化，消耗大气CO₂，从而让地球变冷，造成新生代趋冷下的多期次冷事件（Raymo and Ruddiman，1992）。两大假说，如何证实/证伪？关键在于化学风化到底对气候变化如何响应。然而，人类终其一生，不过百年时日，远难窥探百万年时间尺度上的化学风化如何调控地球体温。很显然，我们需要一把有效衡量化学风化强度的标尺。

七年前，李石磊博士在美国科学院院报（PNAS）上发表了一项重量级成果，他们发现，在中国南部，河流溶解态的钾同位素（δ⁴¹K）在空间分布上与化学风化指数（CIA）及化学风化强度呈现出极好的相关性。河水δ⁴¹K越高，CIA越低，风化强度越低，反之亦然，进而提出河水δ⁴¹K可以有效示踪硅酸盐岩风化（Li et al.，2019）。

然而，这里有一个问题。虽然河水δ⁴¹K与CIA在空间上对应得严丝合缝，但在他们的数据中，河水δ⁴¹K季节性变化似乎微乎其微。中国科学院地球环境研究所金章东研究员带领的化学风化研究团队敏锐地意识到，如果河水δ⁴¹K真的受控于化学风化强度，那么时间上（春夏秋冬）河水δ⁴¹K也必然有变化，并能指示化学风化强度！因为化学风化已经观察到对气候条件（温度、降水等）响应，否则也不会有上述“恒温器假说”；如果河水δ⁴¹K对季节性的水热条件无动于衷，又怎么能反映化学风化强度呢？这不仅是K同位素分馏的问题，这直接关系河水δ⁴¹K能否作为指标示踪化学风化。

为了解决这一悖论，金章东研究员领导的研究团队立足黄土科学全国重点实验室，联合德国美因茨大学Philip Pogge von Strandmann教授、英国伦敦学院大学David J. Wilson教授、法国岩石地球化学研究所Albert Galy教授等国际知名学者组成的国际团队，共同将目光投向了河水δ⁴¹K能否示踪黄土风化。这是因为黄土是来自于风力作用下高度均一化的平均地表物质，天然具有十分均一的地球化学和矿物学组成，可以代表上地壳平均组成（刘东生，1985）。更为重要的是，黄土高原地区冬夏温度和降水剧烈的反差，流经黄土高原的黄河中游的河水是示踪风化响应气候的天然实验场所。由此，我们选择了已汇集来自黄土高原大多数支流河水的龙门水文站作为监测点，开展高密度的监测和采样工作（图2）。彼时，刚好得知合肥工业大学建成了高精度K同位素分析方法，团队第一时间联系实验室前往测量黄河中游河水的K同位素组成。当质谱仪测出第一批数据时，我们简直不敢相信，黄河中游河水δ⁴¹K在季节尺度上展现出了惊人的分馏幅度。这种变化之剧烈，远超之前的任何报道。这直接初步验证了我们的猜想：河水δ⁴¹K对短时间尺度的气候变化（季节性水热）极其敏感！那一刻我们以为自己握住了证明“气候驱动风化”的关键钥匙。

图2 必须通过缆车进入的依山而建的黄河龙门水文站

然而，科学研究的词典里从来没有“顺风顺水”这个词。正当我们准备搞个大新闻时，圣路易斯华盛顿大学王昆教授研究团队发表了针对全球主要河流河口的K同位素研究：在全球尺度上，河口溶解态K同位素与流域的CIA并没有显著的相关关系（Wang et al.，2021）。他们的数据像一盆冰水，把我们从头浇到脚。我们测得的数据明明显示河水δ⁴¹K随季节剧烈波动，为什么放眼全球，它和风化指标CIA却“形同陌路”？由此，不同科研团队根据溶解态δ⁴¹K与风化（CIA）关系得到了不同的认识，那我们在黄河河水里看到的“惊人波动”算什么？是由于黄河特殊的黄土背景造成的假象？还是我们从根本上误解了K同位素的行为机制？然而，黄土本身是均一的啊，这么巨大的分馏肯定有其原因。我们试图解释，却发现自己两手空空。

想要解开这个悖论，不能靠猜，必须回到物理化学的底层逻辑，即在水-岩相互作用中K同位素到底经历了什么？这需要三个核心实验参数的支持：（1）溶解实验：岩石溶解时，K同位素如何分馏和响应？水-岩反应过程中表面扩散起何种作用？（2）吸附实验：离子吸附在颗粒表面时，会发生同位素分馏吗，方向如何？（3）合成实验：生成次生粘土矿物（风化的产物）时，哪种同位素优先进入矿物晶格？

然而，我们当年拿到数据时，这三个关键数据一个都没有，我们的所有解释都只是“看图说话”，毫无说服力，逻辑闭环合不上。我们就像一群拿着藏宝图却不识字的探险家。这一卡，就是好几年。

直到2021年，北卡罗来纳大学教堂山分校刘晓明团队发表了K同位素的溶解和吸附实验数据。隧道尽头亮起了一丝微光。她们的结果显示：矿物溶解时K同位素分馏只发生在最初的十多个小时，此后体系中几乎再观测不到分馏，而吸附过程的分馏虽然有，但倾向于吸附重K同位素，流体中δ⁴¹K呈现低值（Li et al.，2021a，b）。显然，这些实验结果难以解释我们在黄河河水δ⁴¹K看到的整体偏高的巨大变化。

那么，剩下的控制河水δ⁴¹K的过程只有一个，即粘土矿物的合成（反向风化/次生矿物生成）。这是最后一块拼图。多处打听下，得知哥伦比亚大学陈恒博士一直在做这个极高难度的合成实验对溶解态δ⁴¹K的影响。我们像盼星星盼月亮一样等着，一个月过去，一年过去，几年过去了，陈恒博士的数据至今未见报告。可能合成实验极难平衡（自然界万年尺度上的事），或者得到的结果不理想？我们不得而知。然而，没有粘土合成的K同位素分馏系数，我们的模型就缺少相关参数来运行。

“既然实验室里造不出来，为什么不问问大自然”？在无数次推倒重来后，我们把目光投向了明尼苏达大学郑新源博士发表的一组海底粘土的实测数据（Zheng et al., 2022）。那是一套次生矿物数据，记录了MORB变成粘土的完整过程。利用Zheng等人的观测数据，结合我们已知的矿物学约束，通过数学模型，计算出了粘土矿物生成过程中的K同位素分馏系数。这是一次冒险。但当我们把这个估算出的系数，代入到我们建立的模型时，一切都通了！最终，我们终于构建出了一个统一的同位素框架，成功解释了黄河河水δ⁴¹K的季节性变化及现存的矛盾。这是因为，在黄河中游，黄土风化总体处于“动力学限制”区间，水岩作用的长短受水体在黄土高原区域滞留时间控制，季节性的温度和水文变化，直接作用在了粘土矿物的生成速率上。巨大的季节气候差异，通过粘土生成这一过程，把K同位素的分馏信号放大！致使我们看到了巨大的K同位素分馏（图3）。

图3 溶解、吸附及次生矿物造成对钾同位素的分馏

行舟至此，有两个小问题还在我们研究团队萦绕：（1）为什么在黄土溶解最初的时候释放的轻K同位素，在河流中却没有看到？我们推测，在自然界的大河流域中流体滞留时间大多远超十多小时，有可能在风化早期片流/面流阶段可以观测到低的溶解态δ⁴¹K，但目前还没有野外证据，值得进一步证实。（2）为什么全球河口溶解态δ⁴¹K与CIA相关性不强？我们注意到，该研究中全球河口的样品来自十几年甚至几十年前，其中很多样品采集时用了0.45 μm的滤膜，可能包含更多胶体，导致其δ⁴¹K整体偏低，有些数据甚至低于上地壳平均组成。由此我们推断，在全球变化背景下，侵蚀和风化的量近几十年来发生了剧烈变化，多年际平均数据可能已与采样时的样品发生了“解耦”。为了确认这个推断，我们尝试联系当时采样的Christian Miller博士，他之前在WHOI做博士后，后到夏威夷大学工作，但多次邮件均无人回复，学校主页上也没有了他的简介，暗示他似乎已离开学术界，更增添了几分唏嘘。

我们的研究表明，河水中的溶解态的K⁺不仅主要来自于硅酸盐岩风化，其δ⁴¹K还对气候变化条件下的硅酸盐岩风化强度十分敏感，并建立了河水δ⁴¹K与风化强度（W/D = silicate weathering/denudation）的经验关系（δ⁴¹K_rw = -0.07 × ln(W/D) - 0.38）（图4），由此打通了河水δ⁴¹K用以示踪空间上和季节上的硅酸盐岩风化强度的链条。有了这个得力的工具，后续可能可以通过海洋粘土矿物的K同位素对地球历史上不同时期的硅酸盐岩风化强度进行重建，进而理解地球是如何通过化学风化的调节为我们提供了一个恒温、恒压、恒氧、恒大气碳的“完美温室”，生命在这里岁月静好。

图4 河水钾同位素示踪流域硅酸盐岩风化强度

从发现矛盾到获得数据，陷入僵局，再到等待数据，最后另辟蹊径。这篇文章，我们磨了整整六年。科学研究有时候不仅需要灵敏的嗅觉，更需要耐心的守候和绝处逢生的勇气。这，大概就是科研最迷人的地方。

上述研究成果近期由Nature集团期刊Nature Communications以“K isotopes trace temporal silicate weathering intensity”为题在线发表。中国科学院地球环境研究所黄土科学全国重点实验室金章东研究员为通讯作者，第一作者是长安大学苟龙飞副教授。本研究得到国家自然科学基金委创新研究群体（42221003）、重点项目（42530512）和黄土科学全国重点实验室重点项目等共同资助。

参考文献：

刘东生. 1985. 黄土与环境. 科学出版社, 北京.

Ball J A. The zoo hypothesis. Icarus, 1973, 19(3): 347-349.

Li S, Li W, Beard B L, et al. K isotopes as a tracer for continental weathering and geological K cycling. PNAS, 2019, 116(18): 8740-8745.

Li W, Liu X-M, Hu Y, et al. Potassium isotopic fractionation during clay adsorption. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2021a, 304: 160-177.

Li W, Liu X-M, Wang K, et al. Lithium and potassium isotope fractionation during silicate rock dissolution: An experimental approach. Chemical Geology, 2021b, 568: 120142.

Raymo M E, Ruddiman W F. Tectonic forcing of late Cenozoic climate. Nature, 1992, 359: 117-122.

Walker J C G, Hays P B, Kasting J F. A negative feedback mechanism for the long-term stabilization of Earth's surface temperature. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1981, 86(C10): 9776-9782.

Wang K, Peucker-Ehrenbrink B, Chen H, et al. Dissolved potassium isotopic composition of major world rivers. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2021, 294: 145-159.

Zheng X-Y, Beard B L, Neuman M, et al. Stable potassium (K) isotope characteristics at mid-ocean ridge hydrothermal vents and its implications for the global K cycle. Earth and Planetary Science Letters, 2022, 593: 117653.

作者：金章东 苟龙飞