山东半岛洞穴石笋微量元素揭示过去千年土壤风化与人类活动对古气候重建的关键影响

本研究针对传统利用石笋X/Ca比值（如Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca）解释古气候时过度依赖水岩相互作用（WRI）和先期方解石沉淀（PCP）机制的局限性，通过分析山东半岛开元洞石笋KY1的微量元素及87 Sr/86 Sr比值，首次揭示上覆土壤层风化是控制微量元素变化的主导因素。研究发现，1670年前气候驱动的土壤风化强度决定X/Ca比值（暖湿期比值升高），而此后人类开垦活动通过缩短地下水滞留时间削弱风化作用，导致比值降低。该成果为准确解译石笋微量元素的环境指示意义提供了新视角。

　　

在古气候研究领域，洞穴石笋的微量元素比值（如Mg/Ca、Sr/Ca）长期被视为水文气候变化的"温度计"。传统理论认为，干旱气候通过增强水岩相互作用（WRI）和先期方解石沉淀（PCP）导致X/Ca比值升高，而湿润气候则相反。然而，这种解释框架存在明显漏洞——它忽视了上覆土壤层对微量元素贡献的动态变化。尤其在人类活动频繁的东亚季风区，土壤风化的自然过程与人为干扰如何共同塑造石笋地球化学信号，始终是悬而未决的科学难题。

来自中国科学院广州地球化学研究所等单位的研究团队，选择山东半岛开元洞40-100厘米厚风成土壤覆盖区的石笋KY1作为研究对象。通过高精度测定其Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca和⁸⁷
Sr/⁸⁶
Sr比值，结合现代监测数据，揭示了土壤层在微量元素循环中的主导作用。论文发表于《Quaternary International》，为古气候代用指标的解译提供了范式转换级的认识。

研究主要采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）分析石笋微量元素，热电离质谱（TIMS）测定⁸⁷
Sr/⁸⁶
Sr同位素组成，并对比土壤与基岩浸出实验数据。石笋KY1样本覆盖过去1100年时间序列，时间分辨率达年际尺度。

地质背景与样本描述
开元洞位于山东半岛西部（36°24′32″N），发育于奥陶纪灰岩中。关键优势在于其厚层风成土壤富含Mg、Sr、Ba等元素，土壤浸出液的X/Ca比值显著高于基岩。石笋KY1已建立精确铀系年代框架，δ¹⁸
O记录曾用于重建东亚季风变化。

微量元素记录特征
Mg/Ca（14.8-28.0 mmol/mol）、Sr/Ca（48.4-82.8 μmol/mol）和Ba/Ca（57.2-110 μmol/mol）比值呈现同步变化趋势（r>0.7），且与⁸⁷
Sr/⁸⁶
Sr比值显著负相关。这种协同变化暗示共同控制机制，而非传统认为的PCP或WRI主导。

微量元素来源解析
⁸⁷
Sr/⁸⁶
Sr比值（0.7119-0.7123）介于土壤（0.7126）与基岩（0.7110）之间，质量平衡计算显示>50%的Sr来自土壤层。大气沉降贡献可忽略，因海盐输入特征元素Na/Ca比值极低（<0.03 mmol/mol）。

气候与人类活动影响
1670年前：暖湿气候（如中世纪暖期）增强土壤化学风化，促进微量元素释放，导致X/Ca比值升高；冷干期（如小冰期）则相反。这与传统WRI/PCP理论预测完全相反。1670年后：大规模开垦破坏植被，缩短地下水滞留时间，削弱风化强度，人为导致X/Ca比值系统性下降。

这项研究颠覆了石笋微量元素解译的传统认知，证明上覆土壤层风化强度可以超越WRI和PCP成为主导因素。尤其在人类世背景下，人为扰动对地表过程的改变必须纳入古气候重建考量。该成果不仅为东亚季风区石笋研究提供新解释框架，更警示全球变化研究中需重视人类活动对地质档案的"指纹"干扰。未来研究应建立土壤-洞穴系统的定量模型，以更精准地分离自然与人为信号。