通过多指标石笋记录揭示了中国北方季风边缘地带全新世气候最适期的水分变化

《Global and Planetary Change》：Holocene climate optimum moisture variability in the monsoon marginal zone of northern China revealed by multi-proxy stalagmite records

石笋δ1?O记录揭示东亚夏季风边缘地带全新世暖期（约9.6-5.9ka BP）500年气候周期，与北大西洋8.2ka事件响应，同时发现降水季节从夏季向秋季延伸，可能与副热带西风带移动相关。

　　

黄守义|蔡彦军|薛刚|张新辉|何梅|李若欣|魏英英|马乐|程星|张海伟|海成

西安交通大学全球环境变化研究所，中国西安710049

摘要

协调各种地质档案中的不同气候响应对于全面理解东亚全新世气候变化是一个挑战。在这里，我们展示了来自中国东北黄土高原的两根精确定年的石笋的多指标记录。比较分析表明，其中一根石笋的主要沉积期（约9.6–5.9千年前）与中国北部的全新世气候最适宜期（HCO）直接对应。该石笋的δ¹⁸O在整个HCO期间表现出准500年的周期性，这与北大西洋、东亚和地中海地区的其他记录一致，可能反映了8.2千年前的事件影响。同时，在其他时间段内，相位关系存在差异，表明对太阳驱动的海洋-大气振荡的响应具有区域性差异。此外，多个水文气候指标和同一根石笋的生长速率揭示了降水模式的变化，表现为降水季节从夏季延伸到秋季，始于约7.8千年前。这种变化可能是由亚热带西风急流的位置和强度变化所驱动的。

引言

全球范围内，全新世气候最适宜期（HCO）/全新世温暖期指的是大约11–5千年前的一段温暖时期，其原因是北半球夏季太阳辐射增强，这一时期被认为是研究自然变暖机制和预测未来气候变化的关键时期（Wanner等人，2008；Renssen等人，2012；Marcott等人，2013）。在东亚夏季季风（EASM）地区，这一时期的特点是夏季季风环流增强，表现为土壤形成作用加强、植被扩展、湖泊水位上升以及其他环境变化（An等人，2000），同时文化也加速发展（Zhang等人，2021）。然而，对该地区HCO的时间和内部结构的重建存在相当大的变异性，主要是由于气候指标的敏感性不同以及解释上的不确定性。主要争论集中在HCO应该根据峰值温度（Shi等人，1994）、最大降水量/有效湿度（An等人，2000）还是整体气候稳定性（Zhang等人，2021）来定义；以及它是否同步发生（Yang等人，2019；Zhao等人，2009），或者是否以相对简单的纬向趋势（An等人，2000；Zhou等人，2016，Zhou等人，2022）或更复杂的时空模式（Hu等人，2025）异步发生。即使在同一沉积档案中，不同的指标也可能提示不同的时间。例如，在公海湖，GDGT指示的湖泊水位记录显示约9.5–5千年前处于高位（Cao等人，2021），而花粉推断的阶段则表明约8–5千年前降水量更大（Chen等人，2015）。这些问题突显了整合EASM地区来自不同指标的古气候记录的挑战，特别是那些受多种气候因素影响的记录（Cheng等人，2021a）。因此，使用具有明确气候意义的指标，并结合同一地质档案的多尺度指标，建立一个区域气候基线，对于全面理解EASM地区的全新世气候和环境变化至关重要。

石笋是一种洞穴沉积物，由含有Ca²⁺和HCO₃^?的滴水中的碳酸钙沉积形成，这些物质在到达洞穴地面时由于CO?释放等因素而沉淀。与湖泊和黄土等开放环境相比，洞穴系统相对封闭，使得石笋在形成后能够保持稳定。它们主要由碳酸钙组成，也适合使用铀Th方法进行绝对年代测定。因此，确定特定地区有利于石笋沉积的时期有助于约束基线气候条件。例如，在永久冻土或冰川区域，石笋生长通常对应于温暖时期（例如，Gascoyne等人，1983）；在淹没的洞穴中，活跃沉积主要发生在海平面低谷时期（例如，Richards等人，1994）；在季风边缘带，它往往表明湿润的间隔期（例如，Dupont等人，2022）。

东亚季风边缘带（季风的陆地边界）具有较高的年际变异性和水文气候敏感性，这使得降水成为该地区石笋沉积的关键控制因素（Chen等人，2025）。尽管来自这一边缘带的天门洞和群福洞的全新世石笋δ¹⁸O记录显示出对亚洲夏季季风变化的明显敏感性（Cai等人，2012；Tian等人，2023），但针对HCO内部变异性和机制的针对性研究仍然有限。在我们之前的研究中，我们使用中国山西省龙凤洞的石笋生长频率重建了自上次冰川消融以来的水文气候变化。该洞穴位于中国北部的东亚季风边缘带（也称为东亚季风过渡带），该区域大致位于北纬34–42°和东经105–120°之间，年降水量<550毫米，夏季季风降雨占总降水量的60–80%。该研究确定当地HCO大约发生在9.5–5千年前（Wei等人，2020），但没有探讨其内部结构和变异性。

在这项研究中，我们分析了来自义西洞的两根石笋，该洞穴位于龙凤洞附近但更偏西北方向。长凤洞和其他东亚季风边缘带洞穴中记录的沉积阶段时间高度一致，证实样本YX-14主要形成于HCO期间。然后，利用石笋的δ¹⁸O记录来研究季风气候的变异性及相关动态。最后，通过整合同一石笋的局部环境/气候指标（微量元素、δ¹³C）及其平均生长速率，来约束区域水文气候变化。这种逐步的方法，利用单一自然档案中的多个指标，旨在识别气候变化的不同方面，协调和理解不同档案之间的差异和联系，以进行古气候研究。

部分摘录

洞穴地点、当地气候和材料

义西洞（北纬39°19′，东经111°35′，海拔约1420米）位于中国山西省皮关县，处于中国黄土高原的东北边缘（图1a）。该地区植被稀疏，主要由灌木组成。洞穴形成于奥陶纪的马家沟地层中，该地层由石灰岩、白云质石灰岩和白云质泥灰岩组成。它有一个入口，位于两个黄土山脊之间的凹陷处。

铀Th测年

我们使用小型圆锯在石笋的中心轴附近切下了33个块状子样本（每个子样本约30毫克），包括YX-14的23个和YX-20的10个，用于铀Th测年。测年工作在西安交通大学的同位素实验室进行，使用多采集器电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）（Thermo-Finnigan Neptune-plus）。我们采用标准化学程序分离铀和钍进行测年（Edwards等人，1987）。

根据石笋沉积推断的中国北部HCO的时间

石笋YX-14具有稳定的生长轴，从9.64千年前持续沉积到5.94千年前（样本深度：44至2.3毫米）。在约4500年的停滞后，沉积在约1.25千年前短暂恢复，积累了约1.5毫米的生长，相当于9.64千年前至5.94千年间的生长速率，即每年5–30微米（图2b）。这种间歇性沉积模式在整个亚洲夏季季风边缘带广泛观察到。

结论

根据附近龙凤洞的石笋生长频率及其与全新世亚洲夏季季风边缘带石笋间歇性沉积模式的相似性，义西洞石笋YX-14的主要生长阶段（约9.6–5.9千年前）被认为是该地区HCO的表现。该样本的δ¹⁸O记录显示出持续的准500年周期性，这是多尺度气候变异的关键特征。

作者贡献声明

黄守义：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。蔡彦军：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，数据管理，概念化。薛刚：撰写 – 审稿与编辑，软件。张新辉：数据管理。何梅：数据管理。李若欣：数据管理。魏英英：数据管理。马乐：数据管理。

未引用的参考文献

Gabitov等人，2014

Stuiver等人，1995

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们衷心感谢Zhai Xiangkun和Xiao Fugui在野外工作中的帮助，以及Ning Youfeng、Jia Xuexue、Zong Baoyun和Li Hanying在实验室方面的专业指导。这项工作得到了国家自然科学基金（项目编号42130503）、中国科学院战略优先研究计划（项目编号XDB 40010203）和西安交通大学青年人才支持计划的支持。