火山喷发作为碳汇的新机制：火山灰埋藏土壤有机碳的千年封存效应

本研究为解决火山活动对全球碳循环的净影响争议，通过野外测量与建模揭示了爆炸性火山喷发通过反复埋藏有机碳（SOC）形成区域性碳汇的机制。研究人员量化了厄瓜多尔全新世VEI≥4级火山喷发中火山灰（tephra）埋藏导致的土壤有机碳储量（1.1 Pg C），发现其远超同期火山直接CO2排放量（0.08-0.4 Pg C），首次证明爆炸性火山活动可通过土壤碳封存实现净负碳排放。该发现为理解地质过程对碳循环的调控提供了新视角。

　　

火山活动常被视为温室气体的重要来源，但一个颠覆性的科学问题长期被忽视：当炽热的岩浆喷向天空时，是否也可能悄无声息地帮助地球封存碳？传统观点认为，爆炸性火山喷发（VEI≥4）通过释放巨量CO₂加剧温室效应，然而最新研究发现，这些"地球的怒吼"可能隐藏着意想不到的碳捕获密码——埋藏在火山灰下的古老土壤，正默默编织着千年碳封存网络。

在厄瓜多尔安第斯山脉，覆盖不到陆地面积1%的火山土壤，却储存着全球5%以上的土壤有机碳（SOC）。Pierre Delmelle团队在《Nature Communications》发表的研究首次揭示：火山灰反复埋藏形成的多层土壤结构，使爆炸性火山喷发最终转化为净负碳排放事件。通过整合35个土壤剖面数据与概率模型，研究人员量化了全新世火山活动对碳循环的双向影响，为理解地质碳汇提供了范式转变。

研究采用四大关键技术：① 火山灰沉积建模（Tephra2概率框架模拟VEI 4-6级喷发的空间分布）；② 土壤碳库测算（基于海拔梯度的SOC密度回归模型）；③ 放射性碳定年（¹⁴C测定埋藏土壤年龄）；④ 碳平衡评估（比较SOC封存量与岩浆CO₂排放量比）。厄瓜多尔火山带42次VEI≥4喷发的历史数据通过1000次蒙特卡洛模拟重建。

【SOC stock buried by tephra from a single explosive eruption】
对Atacazo-Ninahuilca火山2270年前N6喷发的研究显示：40cm火山灰埋藏使表层土壤SOC含量（23-68 g C kg^-1）锐减至10-36 g C kg^-1，但残留碳可稳定保存2365±55年。海拔梯度模型推算该次事件封存18(3-33)Tg C，是喷发释放岩浆碳（5.7-8.7 Tg C）的6倍。

【SOC accumulation in soils repeatedly buried by tephra over time】
建立的时空模型显示：厄瓜多尔全新世火山活动导致1.1 Pg C埋藏于多层土壤中，相当于该国土壤总碳库的1/3。SOC积累速率遵循幂律衰减（1.9 Mg C km^-2 yr^-1），显著高于北美黄土沉积的碳封存效率。

【Explosive eruptions drive SOC storage and act as C sinks】
关键发现是：火山灰埋藏SOC储量（0.3-1.2 Pg C）远超同期火山CO₂排放（0.08-0.4 Pg C），形成3-15倍的碳汇盈余。这种通过有机-矿物复合体（organo-mineral associations）实现的碳封存，贡献了相当于区域玄武岩风化23%的CO₂消耗量。

该研究改写了火山活动在碳循环中的角色认知：① 揭示火山灰埋藏是比硅酸盐风化更高效的短周期（10³-10⁴年）碳封存途径；② 证明多层火山土壤的"千层饼"结构是重要的地质碳库；③ 为评估环太平洋火山带的碳收支提供新方法。特别值得注意的是，这种碳汇机制在火山岛弧可能因海洋沉积而减弱，但在大陆弧系（如安第斯、喀斯喀特）潜力巨大。研究建立的TephraProb模型框架，为量化地质过程对碳中和的贡献开辟了新维度。