基于16年岩溶监测数据的洞穴系统微量元素年代际传输机制及其古气候重建意义

针对东亚季风区石笋X/Ca比值能否记录太平洋年代际振荡(PDO)和大西洋多年代际变率(AMV)信号的科学问题，研究人员通过整合河南鸡冠洞16年水文监测数据与邻近董氏崖洞石笋DSY1201的X/Ca（X=Mg/Sr/Ba）记录，揭示干旱条件下水岩相互作用(WRI)主导的X/Ca比值增强机制，证实PDO通过调控极端降水事件频率影响X/Ca-PC1变幅，为东亚夏季风(EASM)年代际变率研究提供新代用指标。

　　

【研究背景】
在全球变暖背景下，理解气候系统的年代际变率机制成为预测短期气候变化的关键。东亚夏季风(EASM)的30-40年周期振荡主要受太平洋年代际振荡(PDO)和大西洋多年代际变率(AMV)调控，但现有古气候代用指标存在局限性——尽管石笋δ¹⁸O能反映PDO/AMV信号，其解释仍存争议；而新兴的微量元素比值(X/Ca)虽对水文变化敏感，却缺乏年代际尺度驱动机制的系统研究。

【研究设计与方法】
国家自然科学基金资助团队在河南鸡冠洞建立16年(2009-2024)水文监测体系，采集5个点位（2处滴水LYXS/TGBD、2处池水YZT/YCG、1处地下河DTH）的X/Ca数据，结合邻近董氏崖洞石笋DSY1201的1950-2008年记录。采用主成分分析提取X/Ca-PC1信号，结合PDO/AMV指数、区域降水和温度数据，通过PCP-ICD-WRI耦合模型解析水文地球化学过程。

【主要结果】

1. 洞穴水X/Ca年代际传输机制
   干旱年份（如2013/2019）X/Ca比值显著升高，归因于补给通量减少和滞留时间延长增强的水岩相互作用(WRI)。滴水点LYXS显示渗透速率控制WRI-PCP平衡：干旱提升Mg²⁺/Sr²⁺/Ba²⁺溶解度，暴雨则通过快速渗透降低X/Ca。池水点受表层岩溶带-洞穴系统混合传输调控。

2. PDO/AMV的调控作用
   X/Ca-PC1与PDO呈显著负相关(r=-0.71)，PDO通过ANH（大西洋-北半球遥相关）和PEA（太平洋-东亚遥相关）调控极端降水频率。1960s和1990s末的石笋多指标（X/Ca-PC1、δ¹³C、δ¹⁸O）同步记录AMV/PDO相位转变，证实二者共同驱动EASM强度与雨带空间格局的年代际变率。

3. 多过程协同效应
   先期方解石沉淀(PCP)在优先流路径选择性富集Ca²⁺，导致残余溶液中Mg/Ca、Sr/Ca升高；非一致溶解(ICD)进一步改变元素配比。监测显示2010-2011年El Ni?o事件期间X/Ca出现峰谷变化，印证其对极端气候事件的敏感性。

【结论与意义】
该研究首次揭示东亚季风区岩溶系统X/Ca比值对PDO/AMV的响应机制：干旱条件下WRI主导的水文地球化学过程是核心驱动，PDO通过调控极端事件频率放大X/Ca-PC1变幅。成果发表于《Applied Geochemistry》，为理解EASM年代际变率提供新的代用指标框架，证实石笋多指标组合在重建海-气耦合振荡信号中的独特优势，对提升年代际气候预测能力具有重要价值。