东北小龙湾玛珥湖沉积物铍同位素揭示末次冰消期以来东亚季风与北大西洋的千年尺度气候遥相关

本研究针对东亚地区末次冰消期以来快速气候变化（RCC）的时序、幅度和机制尚不明确的问题，通过对东北小龙湾玛珥湖年纹层沉积物开展高分辨率铍同位素（10Be/9Be）和元素地球化学分析，揭示了东亚夏季风降水增强与粉尘输入加剧的耦合关系，并发现10Be/9Be比值可清晰响应北大冰洋Dansgaard-Oeschger（DO）和Bond事件，证实了东亚与北大西洋之间存在持续的气候遥联系，为理解亚轨道尺度气候变率提供了可靠代用指标。

　　

全球变暖是否会引发快速气候变化已成为当今科学界关注的焦点。末次冰消期以来，千年至百年尺度的快速气候变化（Rapid Climate Change, RCC）事件屡有发生，例如格陵兰冰芯记录的Dansgaard-Oeschger（DO）振荡和全新世期间的8.2 ka、4.2 ka事件等。这些事件很可能与海洋—大气环流重组有关，但其全球性意义仍存争议，一个重要原因是缺乏高分辨率、定年精确的地质记录。在东亚地区，石笋δ¹⁸O虽然较好地记录了轨道尺度的东亚夏季风（East Asian Summer Monsoon, EASM）变化以及Heinrich 1（H1）、新仙女木事件（Younger Dryas, YD）和8.2 ka事件等RCC事件，但其分辨率受洞穴水文过程影响，往往平滑或模糊了短期或季节性水文气候信号。此外，石笋δ¹⁸O对东亚冬季风（East Asian Winter Monsoon, EAWM）和西风环流的变化不敏感，限制了从单一载体中重建EASM、EAWM和西风环流相互作用的能力。尽管湖泊沉积物（如青海湖）可提供补充信息，但往往因沉积物物源复杂而使解读变得困难。

中国东北地区的玛珥湖为研究上述问题提供了理想载体。这些小型、水文封闭、具有年纹层（varves）的火山口湖，沉积物保存完好、年代控制精确。长白山龙岗火山群中的小龙湾玛珥湖（Xiaolongwan）恰好位于EASM、EAWM和西风环流相互作用的交汇区，是研究三者协同变化的绝佳位置。先前的小龙湾花粉记录显示存在约500年的季风周期，但对冰消期以来单个RCC事件的识别仍不确定，原因之一是缺乏对短期水文气候变化足够敏感的气候代用指标。

在此背景下，¹⁰Be/⁹Be比值成为一种新颖且有效的短期水文气候重建指标。该比值整合了大气沉降的宇宙成因¹⁰Be和来自流域风化、相对稳定的⁹Be。因此，该比值的变化主要反映¹⁰Be沉降通量的改变，而该通量与降水量呈线性关系。与生物或碳酸盐类代用指标相比，¹⁰Be/⁹Be比值具有地球化学特异性、无季节性偏差，并且对降雨强度的短暂变化特别敏感。最近的研究已证明该指标可有效追踪小龙湾过去两千年的降水变化。本研究将该记录延伸至19,000年前，以评估¹⁰Be/⁹Be能否捕捉千年尺度的RCC事件，并阐明其与区域和全球环流动力学之间的联系。

为研究末次冰消期以来RCC事件的发生时间和机制，本研究聚焦于来自小龙湾玛珥湖的高分辨率¹⁰Be/⁹Be和元素地球化学数据。通过年纹计数和¹⁴C测年建立了可靠的年代—深度模型，获得了过去19,000年（cal yr BP，BP指公元1950年之前）的连续年代序列。研究共分析了230个样品（0–701 cm），包括51个已发表的表层样品。主要目标是：（1）评估¹⁰Be/⁹Be比值作为千年尺度降水代用指标的敏感性和可靠性；（2）识别小龙湾沉积物记录的RCC事件的发生时间、幅度和机制；（3）探究主要大气环流系统（包括西风环流、EASM和EAWM）在过去RCC事件中调节东亚水文气候变异的作用。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：1. 岩芯采样与年代建立：研究使用了两个沉积岩芯（X03-1和X06），通过年纹计数和加速器质谱（AMS）¹⁴C测年（测定植物残体和有机质）建立了高精度的年代模型，并对滑坡层位的异常年龄进行了识别和剔除，最终获得了过去19000年的连续年代序列。2. 地球化学与同位素分析：对沉积物样品进行了铍同位素（¹⁰Be和⁹Be）分析，样品前处理采用改进的化学淋滤法（使用H₂O₂和HCl）提取自生相，通过离子交换、纯化等步骤制成BeO，最后使用0.5 MV加速器质谱（AMS）进行测定。3. 主量元素测定：使用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）分析了Al、Mg、Ca、Ti、Fe等元素的浓度，并计算了元素比值（如Al/Mg, Ca/Mg, Ti/Mg）作为粉尘输入的指标。4. 有机质分析：使用元素分析仪测定了总有机碳（TOC）和总氮（TN）含量，以反映古生产力和植被变化。

4.1. 小龙湾沉积物的年代学

年纹计数和¹⁴C测年结果自约9,000 cal yr BP以来高度一致，但在15,000至19,000 cal yr BP期间存在高达约6%的差异，这反映了植物残体与有机质之间不同的储库效应。基于比较，研究使用年纹年龄构建了X06岩芯的年代模型，年代跨度达过去19,000年。在约11,000至约9,000 cal yr BP期间识别出一个滑坡层，这与中亚和中国北部的区域干旱期相吻合，该滑坡可能是由湖面下降和径流减少导致的边坡失稳所引发，可能与中全新世干旱化有关。

4.2. 化学结果

研究获得了¹⁰Be/⁹Be比值和主量元素的高分辨率记录。时间分辨率在3,000至0 cal yr BP期间约为30年，在19,000至3,000 cal yr BP期间约为100年。滑坡层中的八个样品显示出显著较高的Mg、K和Na浓度，以及显著较低的⁹Be和¹⁰Be浓度，这些样品被排除在后续讨论之外。自生相主要由Fe、Al、Ca和Mg组成。⁹Be浓度在0.45至0.96 μg/g之间，¹⁰Be浓度在3.97×10⁸至10.9×10⁸ atoms/g之间。Fe/Mg、Mn/Mg、Na/Mg、K/Mg和⁹Be/Mg比值在过去19,000 cal yr BP期间保持相对稳定，而Al/Mg、Ca/Mg和Ti/Mg比值则显示出自B?lling-Aller?d（B-A）间冰阶开始突然增加。TOC浓度从约3%逐渐增加至约15%，在约7,200 cal yr BP之后急剧上升至>20%–35%，TN也显示出类似趋势。

5.1. 化学信号对环境扰动的响应

Fe/Mg、Mn/Mg、Na/Mg、K/Mg和⁹Be/Mg的稳定比值表明，这些元素在自生相中主要来源于周围玄武岩基岩的风化。相比之下，Al/Mg、Ca/Mg和Ti/Mg比值在B-A间冰阶开始时显著增加，在YD冰阶期间下降，在约7,200 cal yr BP再次达到峰值，之后逐渐下降。Ca的上升伴随着¹⁰Be、Al和Ti浓度的升高。由于Al、Ca和Ti被广泛用作风尘指标，这些同步增加被解释为大气粉尘沉积增强的结果，这可能源于太阳辐射增加和尘源区干旱化。粉尘在B-A间冰阶开始时的突然增加与EAWM和西风环流的减弱同时发生，表明粉尘不可能来源于西风主导的西部沙漠（如塔克拉玛干沙漠和伊犁盆地）。Sr-Nd同位素数据表明，来自中部沙漠（如鄂尔多斯高原和中国黄土高原）的贡献增加，而来自北部沙漠（如蒙古高原、浑善达克、科尔沁和呼伦贝尔）的输入减少。尽管粉尘增加与EASM的增强同时发生，但这种模式可以通过季节性风向转变来解释：在春末夏初，干燥的西南风将粉尘从中部沙漠输送至小龙湾，然后才是季风降水高峰。全球范围内，这种突然的粉尘输入与增强的大西洋经向翻转环流（AMOC）同时发生，暗示了北大西洋动力学与东亚水文气候之间可能存在遥相关。粉尘通量在约7,200 cal yr BP达到峰值，然后逐渐下降。与此同时，¹⁰Be浓度急剧上升然后下降，与其他元素平行。这种模式与全新世气候最适宜期（约8,000–7,000 cal yr BP）的开始相吻合。TOC和TN的快速增加进一步支持了该时期植被覆盖度的增强。约7,200 cal yr BP时⁹Be和Al浓度的同时下降可能反映了由于植被繁荣导致的化学风化减弱。这些变化共同导致约7,200 cal yr BP时¹⁰Be/⁹Be比值的显著增加。

5.2. 铍同位素记录快速气候变化事件

末次冰消期以来的RCC事件以冷暖期之间的突然转换为特征，伴随着北半球冰盖的退缩。在末次冰消期，关键的RCC事件包括老仙女木事件（OD）、B-A间冰阶、YD以及Aller?d期内一个短暂的变冷事件（称为内Aller?d冷期，IACP）。在全新世，北大西洋深海沉积物中识别出一系列冷事件——Bond事件，其显著发生在约11.1 ka、10.3 ka、9.5 ka、8.2 ka、7.2 ka、5.9 ka、4.2 ka、2.8 ka、1.4 ka和0.4 ka。小龙湾¹⁰Be/⁹Be记录捕捉到了主要的RCC事件（如YD和Bond事件），突出了该代用指标对过去19 ka水文气候变异的高敏感性。虽然石笋δ¹⁸O记录了夏季风强度，但它们可能因洞穴水文过程而平滑短期事件。相比之下，¹⁰Be/⁹Be比值对宇宙成因¹⁰Be输入的变化反应更直接，相对于来自基岩风化的相对稳定的⁹Be贡献，使其对亚轨道尺度降水变化更加敏感。例如，YD和Bond事件在我们的记录中清晰表现为急剧下降，而它们在区域δ¹⁸O曲线中的信号则较弱或模糊。此外，小龙湾的年纹层沉积物能够实现高分辨率（十年至百年尺度）采样，提供了比大多数石笋和冰芯档案更精细的时间分辨率。¹⁰Be/⁹Be变化与已知RCC事件之间的强烈对应关系强调了该代用指标的稳健性。在考虑了约7,200 cal yr BP之后明显的偏移后，¹⁰Be/⁹Be比值呈现出自末次冰消期逐渐增加并在进入早全新世后下降的趋势，与北半球高纬度夏季太阳辐射趋势基本一致。具体来说，低的¹⁰Be/⁹Be比值（代表低降水）与八个主要冷事件相吻合：OD、IACP、YD、8.2 ka、7.2 ka、Bond 4（5.9 ka）、Bond 1（1.4 ka）和小冰期（LIA）。与中国石笋和格陵兰冰芯的δ¹⁸O记录相比，这些信号在我们的¹⁰Be/⁹Be记录中定义得更清晰。OD事件在B?lling和Aller?d暖期之间被清晰记录。YD事件在我们的记录中强烈表达，支持了中国东北YD期间寒冷干旱条件的解释。约12,000 cal yr BP至11,500 cal yr BP期间¹⁰Be/⁹Be的快速增加标志着YD-前北方期的过渡，并紧密反映了格陵兰δ¹⁸O趋势，尽管该信号在许多中国石笋记录中缺失。8.2 ka事件在我们的记录中也表现为降水下降。7.2 ka事件，最初在格陵兰和北欧识别，越来越多地在亚洲各地被观察到，包括中国中部的石笋和区域气候档案。尽管¹⁰Be/⁹Be信号并不完全匹配Bond事件的完整序列，但Bond 4、Bond 1和LIA的表达清晰可辨。这些结果证实了¹⁰Be/⁹Be作为重建陆地环境水文气候变率的敏感代用指标的价值。

5.3. 小龙湾对区域和全球气候变化的意义

中国东北的湖泊处于独特位置，能够捕获受西风环流、EASM和EAWM影响的气候信号。在小龙湾，稳定的Fe/Mg比值表明来自玄武岩风化的持续本地来源，而Al/Mg、Ca/Mg和Ti/Mg的变化反映了风尘输入的变化。这些对粉尘敏感的代用指标揭示了B-A间冰阶开始和全新世气候最适宜期期间粉尘通量的显著增加。这种模式挑战了粉尘通量主要受冬季风控制并与EASM强度呈反相关的传统观点。相反，我们认为中部沙漠（如鄂尔多斯高原和中国黄土高原）是小龙湾的主要粉尘来源。粉尘很可能在春末夏初由盛行的西南风输送，然后在季风高峰之前到达。这种解释得到了附近四海龙湾Sr-Nd物源数据、霍林河沙地的现代粉尘观测以及模型模拟的支持，模型模拟表明在中夏降水高峰之前存在长期的干旱条件。粉尘通量和水分输送的同步增加表明干旱区域在春季至夏初有大量的粉尘贡献。格陵兰冰芯的温度模式与中国石笋的东亚水文气候信号之间的惊人相似性吸引了大量对末次冰消期以来北大西洋-东亚气候联系的研究。然而，陆地响应RCC事件的时间、幅度和机制仍然约束很差。在校正了约7,200 cal yr BP之后¹⁰Be/⁹Be值的偏移后，我们的数据显示出与北半球高纬度夏季太阳辐射和中国石笋δ¹⁸O记录一致的变率。值得注意的是，¹⁰Be/⁹Be的急剧下降与EASM降水减少和石笋δ¹⁸O富集同时发生，与主要的RCC事件（如OD、IACP、YD、8.2 ka、7.2 ka、Bond 4、Bond 1和LIA）一致。这些事件与北大西洋融水脉冲有关，这些脉冲破坏了AMOC，引发了热带辐合带（ITCZ）的南移、EASM的减弱和西风环流的增强。我们的发现加强了末次冰消期以来东亚与北大西洋之间存在持续气候遥联系的证据，小龙湾记录捕捉到了由大尺度海洋-大气动力学驱动的粉尘输入和水文气候的耦合变化。为评估RCC事件的幅度和节奏，我们通过减去样品X06-B1X-50和X06-B1X-49之间的偏移来校正约7.2 ka之后异常高的¹⁰Be/⁹Be值。频谱分析揭示了两个显著的周期：约1700年和约3100年。这些周期即使在去趋势后仍然存在，表明它们反映了持续的千年尺度水文气候变率。约1700年的周期与北大西洋RCC事件的约1500年节奏大致匹配，表明东亚存在遥相关响应。它还对应于小龙湾花粉记录中观察到的约500年周期的三倍，暗示区域气候系统内部可能存在 coherence。这些发现支持了小龙湾¹⁰Be/⁹Be记录在捕捉亚轨道水文气候变率方面的效用，并有助于更好地理解末次冰消期以来东亚-北大西洋遥相关。

本研究通过小龙湾玛珥湖高分辨率的¹⁰Be/⁹Be和地球化学记录，揭示了末次冰消期以来东亚气候与大气动力学的的新见解。首先，地球化学证据表明自B?lling-Aller?d间冰阶和全新世气候最适宜期开始粉尘输入增强，挑战了粉尘通量主要受冬季风驱动的传统观点，支持了春末夏初来自中部沙漠的粉尘由西南风输送的新机制，突出了水分输送与粉尘输入之间的耦合关系以及东亚与北大西洋之间持续的气候遥联系。其次，¹⁰Be/⁹Be记录紧密跟随北半球夏季太阳辐射变化，并捕捉到与全球气候不稳定性相关的突发水文气候转变，其~1700年的周期与北大西洋快速气候变化事件的节奏一致，并与小龙湾花粉记录的~500年周期存在倍数关系，表明了连贯的千年尺度变率和遥相关。最后，这些发现为理解季风对快速气候变化的响应提供了宝贵参考，约束了水文气候变率的时间线和幅度，有助于阐明轨道和亚轨道强迫与季风动力学之间的联系机制，为改进季风主导区域的气候模型模拟提供了重要的基于代用指标的约束条件。该研究由Ye Yang、Zhenping Cao、Zhaoyan Gu、Guoqiang Chu、Hai Xu、Kejun Dong、Congqiang Liu和Sheng Xu合作完成，发表在《Geoscience Frontiers》上。