在地质时间尺度上，硅酸盐岩风化被认为是调节地球气候变化的关键碳汇过程，与当前人类宜居的地球气候环境格局形成有着紧密关联。非传统稳定Li同位素（δ7Li），由于其在硅酸盐岩中富集而在碳酸盐岩中含量极低，近二十年来被广泛应用于示踪大陆风化和碳循环过程。然而，前人的工作主要集中在利用河流δ7Li示踪硅酸盐岩与H2CO3（大气CO2+H2O）反应，这一净“碳汇”过程：

其中，风化过程中轻的6Li优先进入粘土矿物相，液相则富集7Li。近年来，大量研究指出，高侵蚀地区的冰川和构造活跃山区环境广泛存在硫化物矿物氧化产生硫酸（H2SO4），其强酸性也可以直接加速硅酸盐岩石风化。

值得注意的是，相比于硅酸盐岩与H2CO3反应这一重要的地质“碳汇”，其与H2SO4的反应不吸收大气CO2，反而在碳酸盐岩存在环境下是一个“碳源”，这种不同的风化过程对全球碳循环有深刻的影响。然而，到目前为止，河水δ7Li究竟如何响应硫化物矿物氧化参与的风化还知之甚少，这对评估δ7Li示踪长期的大陆风化及碳循环过程提出了新的难题。

为此，我室团队选取了硫化物矿物氧化普遍存在的祁连山老虎沟冰川流域为研究对象，自2016年到2018年对流域中河水开展了长达3年的每周持续定点采样，结合高时间分辨率的水文和水化学数据，对具有强烈硫化物氧化背景下的冰川河流δ7Li行为进行了系统研究。结果发现：老虎沟流域内的河水δ7Li组成（12.2‰-14.9‰）普遍低于非山区平坦地形的河流δ7Li（~26.2‰），但与世界其他高山地区的河流δ7Li相当。此外，在老虎沟流域内，河水δ7Li季节性差异较小（~3‰），而在经过大气降雨和冰融水输入校正后，雨季高侵蚀期的河流δ7Li比旱季低侵蚀期降低了约7‰，与东亚季风区其他河流类似，展现出明显的水文依赖性（图1）。

图1. 老虎沟流域2016-2018年河水Li同位素的季节变化和年际变化

为探究δ7Li的分馏行为如何响应硫化物氧化的风化过程，研究团队将硅酸盐岩风化强度指标K/(Nasil+K)、SiO2/(Nasil+K)与Li同位素分馏程度（δ7Lirw-δ7Limixing）进行了详细对比。结果发现：旱季δ7Li相对保持稳定；而相比之下，在雨季时期，硅酸盐岩风化强度与河流δ7Li分馏呈显著负相关关系，具体表现为硅酸盐岩风化强度越高，河流δ7Li分馏越小（图2a-2b）。这是因为在雨季时期，受到强季风降雨、冰融水的驱动，高山冰川流域的侵蚀速率快速加强，硫化物的暴露及氧化速率加快，生成的硫酸进一步导致了硅酸盐岩矿物以均一风化为主，次生粘土矿物的生成受到抑制，从而使得次生矿物对6Li吸附减少，河流δ7Li下降。与此同时，季节性水化学数据也证实，老虎沟流域内雨季的硫化物氧化速率显著高于旱季，SO42−产出速度在雨季达到最高，表现在雨季SO42−/Na+ 和SO42−/Cl−的比值比旱季高出2-5倍（图2c）。

图2. 老虎沟河流Li同位素分馏过程与硅酸盐岩风化响应关系图

在此过程中，该研究也进一步观察到雨季期间二次矿物形成受“抑制”的现象。前人研究指出，次生矿物形成过程中会优先吸附溶解态Al，而老虎沟流域河水溶解态Al/Si和Al/Cl比值呈现夏季高、冬季低的趋势，说明雨季受到增强的硫酸产出的影响，粘土矿物形成受到“抑制”，河水溶解态Al的吸收能力明显减弱（图3）。

图3. 老虎沟流域季节性Al/Cl、Al/Si比变化及硫铁矿暴露的野外证据

重要的是，除了硫酸盐氧化的影响，该研究还指出河水δ7Li也同时受到季节性水文变化影响。夏季强降雨和冰融水驱动的快速地表径流，一方面加速了地表侵蚀、硫化物的氧化和硫酸产生；另一方面，快速地表径流也导致了相对短的水岩反应时间，两者均不利于粘土矿物的形成，最终导致Li同位素分馏受限，产生雨季低的河水δ7Li值（图4）。

图4. Li同位素响应硫化物氧化风化示意图

上述研究的新发现意味着利用δ7Li示踪风化过程尚需谨慎，特别是在易发生硫化物矿物氧化的环境中，因为该情景下的δ7Li变化并未吸收大气中的CO2温室气体。同时，值得关注的是，不管硫酸盐氧化风化是否发生，河水δ7Li依然敏感响应了水文变化，这为利用Li同位素示踪过去水文变化提供了巨大潜力，这也是该团队未来重点攻关的新方向。

上述研究成果于2025年8月发表在SCI一区期刊Journal of Hydrology上。博士生曹阳为第一作者，张飞研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金(42273022)、中国科学院国际合作局未来伙伴网络专项(175GJHZ2022045FN)、崂山实验室科技创新项目(LSKJ202203300)的联合资助。

论文题目：Yang Cao,Fei Zhang*,et al.Seasonal variations of lithium isotopes under intense sulfide weathering at the NE Tibetan Plateau. Journal of Hydrology. 134068 (2025).

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2025.134068