河流沉积物中的古气候信号：基于放射性碳定年分析揭示中欧晚更新世气候波动与河流响应

《Radiocarbon》：Climate signal recorded in fluvial data: Examples of radiocarbon dates analysis from selected regions of southern Poland, eastern Netherlands, and eastern Germany

本刊推荐：为解决河流沉积物如何记录古气候信号这一关键问题，研究人员对来自波兰南部、荷兰东部和德国东部河流环境的放射性碳（14C）测年数据进行了汇总概率密度函数（PDF）分析。研究将PDF曲线与INTIMATE事件地层学框架进行对比，结果表明河流的沉积与侵蚀过程与格陵兰冰芯记录的气候波动（特别是GS/GI和GI/GS转换期）密切相关。该研究为重建晚更新世（50-15 cal kBP期间）河流活动提供了多区域证据，并强调了获取更精确测年数据以细化区域与全球气候事件关联的重要性。

　　

地球的气候系统如同一位沉默的史官，其变迁的密码不仅封存在极地的冰芯里，也镌刻于奔流不息的河流所塑造的沉积地层中。然而，如何从这些零散、不连续的河流沉积档案中，解读出可靠且能与全球气候记录相对比的信息，一直是地质学与古气候学面临的挑战。尤其是在晚更新世（约5万至1.5万年前），频繁的冷暖气候波动（如Dansgaard-Oeschger事件）深刻影响了欧洲大陆的环境与生态系统，但河流系统对这些高频气候变化的响应模式与记录能力，仍需更精细的剖析。

在此背景下，由Danuta J. Michczyńska领导的研究团队在《Radiocarbon》上发表了一项重要研究。他们巧妙地利用了一种被称为“校准放射性碳测年数据汇总概率密度函数（Summed Probability Density Functions of calibrated radiocarbon dates, PDFs）”的分析方法，对来自中欧三个关键区域——波兰南部、荷兰东部和德国东部的河流沉积物进行了大规模放射性碳测年数据的整合分析。这项研究的核心目的在于探索区域性地貌过程与全球气候趋势在多时间尺度上的关联，特别是检验河流沉积记录是否能够敏感地响应并记录下由INTIMATE事件地层学（Integration of ice-core, marine and terrestrial records）所定义的冰川期（Glacial Stadial, GS）与冰川间期（Glacial Interstadial, GI）的转换。

为了回答上述问题，研究人员构建了一个包含503个放射性碳测年数据的数据库，这些数据来源于已发表的文献和团队长期的积累。研究区域均位于末次冰盛期（LGM）冰盖最大范围之外，避免了冰川直接作用的干扰，使其成为研究冰缘区气候信号的理想场所。具体区域包括荷兰东部的丁克尔河（Dinkel）河谷、德国东部的劳西茨（Lausitz）地区及莱比锡周边，以及波兰南部的喀尔巴阡山前盆地（Subcarpathian Basins）和喀尔巴阡山脉（Carpathians）本身。

研究采用的关键技术方法主要包括：1. 数据库构建与验证：系统收集并严格验证了来自波兰、德国东部和荷兰东部河流环境的放射性碳测年数据，对存在争议或可能污染的测年结果进行了甄别（如通过对比样品中NaOH可溶组分与残留组分的测年结果）。2. 放射性碳年龄校准与PDF构建：使用OxCal v.4软件和最新的IntCal20校准曲线，将所有放射性碳年龄校准为日历年（cal BP），并生成每个区域以及汇总数据的汇总概率密度函数（PDF）。对于具有不对称误差的测年数据，先将其转换为具有对称误差的F¹⁴C（放射性碳浓度分数）值后再进行校准。3. 与INTIMATE地层学对比分析：将生成的PDF曲线与基于格陵兰冰芯（如NGRIP）δ¹⁸O记录建立的INTIMATE事件地层框架（GS/GI分期）进行精细对比，识别PDF峰值（代表测年数据聚集期）与特定气候事件的对应关系。4. 数据子群分析：根据PDF形状、单个测年数据的68.3%置信区间分布以及INTIMATE地层框架，将测年数据划分为不同的时间子群，计算各子群的加权平均值，以提高特定事件定年的精度。

研究结果

PDF曲线揭示的气候信号关联

研究为每个区域生成了PDF曲线，并将其与INTIMATE地层学并置。

结果显示，所有区域的PDF最大值（即放射性碳测年数据密集出现的时期）均与间冰期（GI）或GS/GI、GI/GS的转换期有显著关联。而PDF的低谷期则多对应于寒冷的冰段（GS），例如GS-3和GS-2时期在所有区域都显示出测年数据数量的减少。特别值得注意的是，在较年轻的时期，从GS-2a/GI-1转换期到全新世，波兰和德国区域的数据均显示出测年数量的急剧增加，并在新仙女木期（GS-1）出现一个明显的最小值。这表明河流系统在气候转暖初期和寒冷事件结束时活动增强，从而留下了更多可供定年的有机沉积物。

各区域详细分析

研究人员对每个区域的数据进行了更细致的子群分析，以揭示更精细的模式。

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  荷兰东部（丁克尔河谷）：该区域拥有最古老且测年误差相对较小的数据集。分析显示，测年数据密集地出现在GS/GI和GI/GS转换期。对于较长的间冰期（如GI-14-GI-13, GI-12, GI-8），在其开始和结束阶段都识别出了独立的子群。只有少数子群与冰段本身（GS-12, GS-11）相关。

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  德国东部：该区域的数据也清晰地显示出测年数据在气候转换期聚集的趋势。与荷兰数据类似，大多数子群与GS/GI或GI/GS转换相关。在23.0-15.0 cal kBP期间存在一个测年数据稀少的阶段。

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  波兰南部（喀尔巴阡山前盆地）：该区域的PDF曲线与德国东部相似，测年数据聚集在GI-12至GI-3的转换期（除短暂的GI-9外）。一个明显的测年数据空白期出现在25.0-22.5 cal kBP，这对应于维斯图拉冰盖最大扩展期（GS-3-GS-2c）和GS-9。

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  波兰南部（喀尔巴阡山脉）：该区域可用于分析的较老测年数据最少，但依然识别出与GI-12至GI-7（除GI-9外）相关的子群。在23.0-15.0 cal kBP存在一个更长的无测年数据期，这可能与该区域海拔较高，受更冷/更干气团影响，不利于有机质沉积保存有关。

区域对比与汇总分析

研究揭示了不同区域间的异同。相似性方面，所有区域都显示出测年数据在气候转换期聚集、在主要冰段（GS-3, GS-2）减少、以及与GI-1开始时的变暖事件相关的测年数据激增等共同趋势。德国东部与波兰山前盆地的曲线形态最为相似。差异性则可能源于地理位置的差异（如海洋性影响程度、距冰盖距离）、纳入分析的河流数量和测年数据量、河流规模、所测材料类型以及测年实验室和精度差异等。例如，只有荷兰的数据集清晰地记录了短暂的GI-9事件，这可能得益于其测年误差较小。荷兰数据集在30-15 cal kBP存在最长的数据空白，这可能与其仅来源于一条小型河流河谷有关。

将全部503个测年数据汇总后，共同的模式变得更加显著。

汇总PDF的峰值与40 cal kBP以来的间冰期（GI）或其转换期，以及GI-11和GI-12末期有很好的对应关系。甚至GS-2c/GS-2b和GS-2b/GS-2a这样的冰段内部的转换也表现为PDF曲线上的峰值。这表明河流系统对高频气候波动具有广泛的、可识别的响应。

研究结论与讨论

本研究通过系统分析中欧三个不同区域河流沉积物的放射性碳测年数据PDF，强有力地证明了晚更新世河流的沉积与侵蚀过程与全球性的冰芯气候记录（INTIMATE地层学）之间存在密切的、多尺度的联系。主要结论可归纳如下：

1. 1.
   气候转换期的主导作用：在所有研究区域，放射性碳测年数据显著地聚集在冰川期-间冰期（GS/GI）和间冰期-冰川期（GI/GS）的转换时期。这表明气候转型阶段是驱动河流系统发生显著变化（如从侵蚀转为沉积，或有机质开始大量积累）的关键节点。
2. 2.
   区域响应的共性与个性：尽管存在由于地理环境、数据量等因素造成的细节差异，但PDF曲线所揭示的基本模式——即测年数据峰值对应暖期（GI）或气候转型期——在不同区域重复出现，表明这是一种超越局部环境的、受控于大尺度气候强迫的响应信号。
3. 3.
   古环境意义：从古环境角度解读，间冰期（GI）通常气候相对温暖湿润，有利于植被发育和有机质在河道洼地、牛轭湖或热喀斯特湖中的沉积。而冰段（GS）则气候干冷，植被稀疏，以矿物沉积（如辫状河砂质沉积）和冻融作用为主。气候转换期则往往伴随着河流侵蚀/沉积模式的转变，例如冰段初期植被退化可能导致侵蚀加剧，而冰段末期植被恢复和水文条件变化可能引发河道下切或从辫状河向曲流河转变。
4. 4.
   对中冰阶（Interpleniglacial, MIS 3）气候波动的记录：本研究证实，即使是在总体寒冷的末次冰盛期，其内部频繁的D-O循环事件也能在河流沉积序列中留下印记。这挑战了以往仅将有机沉积层与少数几个经典间冰阶（如Denekamp, Hengelo）简单对应的观点，支持了更复杂、更高分辨率的气候波动影响地貌过程的观点。
5. 5.
   方法论意义与展望：研究证实，汇总概率密度函数（PDF）分析是从零散、不连续的河流沉积记录中提取大尺度气候信号的有效工具。同时，研究也凸显了获取高精度测年数据（尤其是AMS测年）的重要性，这对于更精确地判定区域河流响应与全球气候事件的时序关系至关重要。未来研究需要更多高精度数据来验证和细化目前的发现。

总之，Michczyńska等人的这项研究为我们理解晚更新世中欧地区河流系统如何响应高频气候变化提供了宝贵的多区域证据。它不仅深化了我们对古水文变化的认识，也展示了放射性碳年代学与气候地层学框架结合在古环境重建中的强大潜力。这项发表于《Radiocarbon》的工作，是连接地质档案与全球气候历史的一座重要桥梁。