化學風化作用是透過水岩反應，將礦物溶解並剝蝕岩體的近地表作用。過去諸多實驗室與野外尺度的觀察顯示，矽酸鹽礦物的風化作用，扮演調控地質時間尺度二氧化碳循環重要的機制。其原理是因大氣中的二氧化碳溶入水體產生碳酸，解離產生氫離子，促使矽酸鹽礦物溶解，釋出礦物成分至河系與海洋，最終溶解態的二氧化碳與鈣、鎂離子反應，形成碳酸鹽礦物沉澱，造成大氣二氧化碳的淨輸出並形成碳匯。過去的研究甚至將這樣的機制與主要的造山運動連結（例如喜馬拉雅山），用於推論新生代全球性的降溫。

  

另一重要的化學風化機制，則是透過黃鐵礦氧化產生硫酸，進而溶解碳酸鹽礦物、產生氣態二氧化碳或碳酸氫根，最終伴隨於海洋的碳酸鹽礦物沉澱釋出二氧化碳，造成二氧化碳淨輸出，與矽酸鹽風化對碳循環的效應相反。近年的研究更指出，這樣的機制於活動造山帶，透過快速抬升與侵蝕，加速常見於沈積岩或是變質岩中的黃鐵礦與地表水或是淺部地下水反應，最終促成大量二氧化碳排放，超過矽酸鹽礦物風化造成的碳匯通量，形成溫室效應。然而過去的研究也指出這樣的無機作用，在近地表環境可能速度緩慢，因此推測微生物作用較容易克服活化能的限制，加速黃鐵礦風化的進行。迄今仍僅有非常有限的野外尺度觀察，來探討或驗證這樣的假說。若微生物作用果真扮演黃鐵礦風化重要的角色，則這樣的作用會發生在集水區什麼位置？什麼樣的生物可以媒介這樣的反應？速度為何？仍多屬未知。

  

為了回答這樣的問題，我們採集了新武呂溪的主流與重要支流集水區各類型的樣本，分析水體溶質濃度與同位素成分、微生物族群組成與濃度，我們並開發新的計算方法，獲取短時間尺度化學風化作用造成的二氧化碳淨產生量，並進而與地質時間碳通量比較。

  

我們的結果顯示，新武呂溪集水區的化學風化作用是由黃鐵礦氧化所驅動的碳酸鹽礦物溶解主控，於絕大部分的流域、不論季節，貢獻整體 >90%的陽離子，然而集水區岩石並不具備完全中和硫酸的能力，導致氣態與溶解態二氧化碳同時產生。溶質濃度的變化，亦指示了於短時間尺度，最上游區域是二氧化碳淨吸入的狀況，而於中游區域則為二氧化碳淨排出，至中央山脈前緣則變成平衡狀態。相較之下，地質時間尺度都是二氧化碳淨排出。

  

硫酸鹽的硫與氧同位素成分顯示，這些硫酸主要源自黃鐵礦氧化，蒸發岩溶解或是雨水貢獻極低。透過氧同位素的質量平衡計算氧化作用的形式顯示，於最上游區域，氧化作用是無氧的形式，於其餘區域，氧氣貢獻硫酸鹽氧的比例皆低於 50%。

  

我們的基因分析進一步發現，於高低水位時期的族群組成大相逕庭，特別是在高水位時期，族群以Sulfuricurvum與 Thiobacillus這樣的硫氧化菌為主，佔比最高可達近80%，濃度可達 10^8 copies/L；相較之下於低水位時期，這兩菌屬無論是佔比或是濃度皆降低甚多，而由其他菌群取代。這樣隨水位變化的族群樣貌，也呈現於河道沈積物樣本。另外，這兩菌屬於土壤、岩石、井水佔比或濃度都遠低於高水位時期的河水或沈積物。

  

這兩菌屬的通量與沈積物或是硫酸鹽通量呈現高度正相關，指示了硫酸鹽的產生與兩菌屬與沈積物的產生高度相關，並提供碳循環多重意涵。其一，這兩菌屬最可能棲息於集水區容易侵蝕之材料，例如崩塌堆積物、河岸沈積物、河床或是河岸基岩的裂隙，活躍的將變質岩中的黃鐵礦氧化成硫酸並溶解碳酸鹽礦物，於低水位時期經由孔隙介質或是裂隙，將溶質或是溶解態二氧化碳緩慢排放至水體；暴雨時期水位高漲，則將這些容易被侵蝕的材料搬運至河道，並釋放大量溶質（包括硫酸鹽與二氧化碳）與微生物族群至河水。

  

其二，這樣的過程機制與通量，大致與區域的抬昇剝蝕速度所提供的黃鐵礦通量相當，顯現微生物媒介的化學風化作用是所謂的『供應限制』而非『反應限制』，與可被風化材料的產生或供應息息相關。最後，若加入高屏溪與立霧溪流域，這樣作用可產生近1%全球硫酸鹽總量，顯示與集水區面積不成比例的高硫酸產生通量；而其對應單位面積之二氧化碳淨排出通量，可達 27 tons C/km2/yr，更為全球平均值的百倍以上，顯示於環太平洋地體構造活躍之島嶼山脈，複雜微生物—水文—地質的交互作用，可能對現代與地質時間尺度的全球碳循環扮演重要的角色。

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論文來源：

Wang, P.-L., Tu, T.-H., Lin, L.-H., Chou, H.-L., Wang, Y.-J., Chen, J.-N., Wang, L.-Y., Chang, J.-M., Chu, M.-F., Hsu, Y.-C., Chang, C.-P., Wu, Y.-M., Lin, Y.-T., and Ke, C.-C. (2024) Microbial communities modulate chemical weathering and carbon dioxide cycling in an active orogen in Taiwan. Communications Earth and Environment, 5, 174. https://doi.org/10.1038/s43247-024-01345-3.