在最后一次冰期-间冰期过渡期间，以色列北部胡拉山谷的相对环境稳定性

《Quaternary Science Reviews》：Relative environmental stability in the Hula Valley (northern Israel) during the last glacial-interglacial transition

本文基于以色列胡拉谷JRD遗址的浮游生物碳酸盐稳定同位素记录，分析了末次冰期至早全新世（约21.1-11.3 ka BP）的气候与湖泊水文变化。结果显示湖相δ18O和δ13C变化范围狭窄（约3‰），表明胡拉湖环境温和稳定，适合人类持续居住。尽管全球存在Younger Dryas等气候波动，但本地降水-蒸发平衡变化较小，δ18O-δ13C协方差低（|r|<0.4），说明湖泊保持开放状态。研究同时发现，尽管存在百年尺度降水变化（如末次冰期最大降水期与Younger Dryas干旱期），但并未显著影响区域生物群及考古文化层位（如Epipaleolithic各阶段过渡）。结论强调需结合多指标（如沉积物粒度、古花粉等）综合解析此类开放湖泊的稳定同位素记录。

　　本研究提供了来自北以色列死海断裂带地区古湖胡拉的首个多十年分辨率的碳酸盐稳定同位素记录。这一湖泊在至少早中更新世时期对史前狩猎-捕鱼-采集社会具有重要意义，且该地区的部分重要考古遗址位于其古岸线附近。我们研究的湖相沉积序列是目前已知的南部黎凡特地区首个能够保存区域环境条件连续记录以及归属于更新世晚期三种文化阶段（早期更新世马萨拉文化、中期更新世几何凯巴兰文化和晚期更新世纳图菲文化）的遗物的沉积序列。尽管更新世晚期是该地区文化发生重大变化的时期，而从最后一个冰期向现在的全新世冰间期的转变也伴随着全球气候系统的重大重组，但我们的记录显示胡拉谷地的环境条件温和、稳定，并且持续有利于人类居住。本研究中测量的平均 ostracod 碳酸盐 δ1?O 和 δ13C 值的变化范围较小（约 3‰），且未发现极端温度或干旱的证据。数据集的高样本内变化表明水同位素组成和温度在短期（日到周尺度）存在显著变化。这种变化在湖水量较低时尤为明显，因为此时湖泊的热力和同位素缓冲能力减弱。

本沉积序列的多十年分辨率使我们能够识别东部地中海地区此前了解甚少的百年尺度气候发展，包括证据表明存在两个阶段的年轻干期。虽然在代理数据集中可以识别到局部水文气候的变化，但这些变化在现实世界中的表现预计是温和的，不太可能显著影响谷地的陆地生物。结果确认了东部地中海海作为该地区降水的主要湿度来源的重要性，并表明北方湿度来源对下游湖泊的水文平衡也有所贡献。此外，本研究还突显了从水文开放湖泊中解读碳酸盐稳定同位素记录的复杂性，以及需要结合其他代理数据（如粒度、地球化学、岩石学和微体古生物学数据）来解读这些记录的重要性。

在更新世晚期，全球气候经历了一系列显著的、千年尺度的气候波动，其中环境条件在冰期（如 Heinrich 期和年轻干期）与间冰期（如 B?lling-Aller?d 期）之间交替变化。这些变化的信号在全球各地的古环境档案中可见，但在黎凡特的地中海区域，只有少数连续的古环境档案能够提供足够的分辨率来研究这些变化在局部和区域尺度上的表现。例如，约旦河杜雷亚特（JRD）遗址的沉积序列，其细粒沉积物在大约 21.1 至 11.3 千年 BP（即公元前 2110 年至公元前 1130 年）期间持续沉积，沉积速率约为 20-40 厘米/千年。该沉积序列不仅提供了更新世晚期至全新世早期约 10,000 年的环境变化证据，还保存了与古湖胡拉相关的九个考古地层，这些地层主要代表了三种文化阶段。该遗址位于约旦河与杜雷亚特溪流交汇处，其考古地层跨越了从冰期到全新世早期的漫长时期，记录了古湖胡拉的沉积物和水文变化。

本研究的目的是利用 JRD 沉积序列中的 ostracod 阀门，生成北以色列更新世晚期条件的第一个多十年分辨率、连续的稳定同位素记录。这有助于更好地理解更新世晚期胡拉谷地的水文条件，以及死海断裂带地区湖泊水位变化的原因。为此，我们研究了古湖胡拉的同位素组成受到哪些因素控制，以及碳酸盐 δ1?O 和 δ13C 值的变化以及 δ1?O-δ13C 协变如何反映湖泊、流域和区域环境系统的演变。然后，利用新生成的胡拉谷地水文变化记录，我们进一步细化了对黎凡特南部更新世晚期从早期到中期以及从中期到晚期文化过渡时期环境条件的理解。

古湖胡拉位于死海断裂带，是一个开放的淡水湖，其湖水通过约旦河流出，最终流向（外流）加利利海，再进入（内流）死海。此前认为该湖大约在三万年前形成，当时 Yarda 基性岩阻断了约旦河向南流动。然而，更可能的是，该湖在更早时期就已经形成，证据是数百米的湖泊和湿地沉积物记录了多个冰期-间冰期循环。古湖胡拉直到 1958 年才完全干涸，之后人类活动转向了其他区域。现代胡拉谷地的水文条件主要由降水、沿谷地边缘的泉水以及来自上约旦河及其支流（哈桑尼、丹和巴尼亚河）的水流组成。这些水流的 δ1?O 值变化较大，范围在 -12 到 +1‰ 之间，反映了不同空气质量的来源和路径。然而，现代降水的 δ1?O 值的年加权平均值更接近于空气质量的来源和路径，而不是本地温度或降水量的影响。

在 JRD 站点，考古发现表明在约旦河疏浚工程之前，史前捕鱼-狩猎-采集者就已经在该河岸活动，留下了捕鱼工具、鱼钩、石器和其他嵌入淤泥湖沉积物中的遗物。该遗址的沉积层记录了约旦河在湖面附近的活动，这些沉积层保存了超过一万年的环境变化证据。JRD 沉积层中的湖泊沉积物不仅显示了古湖胡拉的水文变化，还表明该湖在更新世晚期比现在更大。沉积学分析表明，当该遗址被浅水覆盖时，沉积物开始积累。在湖水位较低时，史前捕鱼-狩猎-采集者反复返回该湖泊岸边，留下捕鱼工具、鱼钩、石器等遗物嵌入淤泥沉积物中。

JRD 沉积层中的沉积物保存了更新世晚期至全新世早期约 10,000 年的环境变化证据。这些遗物主要反映了捕鱼和其他水生资源的采集，表明该遗址在更新世晚期的整个黎凡特地区是人类活动的重要区域。由于该遗址是北部以色列少数保存多个文化阶段的更新世晚期遗址之一，因此它提供了关于技术进步和这些技术进步发生时的环境条件的重要记录。

本研究的材料和方法部分介绍了如何从 JRD 沉积层中获取 ostracod 阀门进行稳定同位素分析。沉积物样本是从 JRD 挖掘区 B 的东墙手工采样得到的，覆盖了从约 21.1 到 11.3 千年 BP 的沉积层。所有样本的垂直分辨率是 1 厘米，而整个剖面的高度是 2.5 米。样本的处理和分析方法包括使用 3% 的过氧化氢溶液处理样本、过 250 微米筛子筛分以及在 60°C 下烘干。在筛分后的样本中，超过 250 微米的 ostracod 阀门被计数，并在低倍双目显微镜下进行观察。仅计数了完整度超过 50% 的阀门，且没有区分左右阀。结果以每克干沉积物中的阀门数进行标准化。此外，还记录了每个筛分样本中古代有孔虫、岩石碎片和木炭的存在与否。

在稳定同位素分析部分，我们从 JRD 沉积剖面中获取了 266 个稳定氧和碳同位素组成测量值。其中，214 个样本含有良好保存的 ostracod 阀门，而另外 18 个样本由于仅含碎片化阀门或无 ostracod 阀门而被排除。平均 δ1?O 值为 -4.8‰，标准差为 0.9‰；平均 δ13C 值为 -8.9‰，标准差为 0.8‰。当包括重复测量时，这些数值的差异不大（在 1% 以内）。对于 Beds 1-3，平均 δ1?O 值为 -4.7‰，标准差为 0.7‰，而平均 δ13C 值为 -9.5‰，标准差为 0.5‰。对于 Beds 4-13，这些值分别为 -4.9‰（标准差 1.0‰）和 -8.3‰（标准差 0.6‰）。尽管 δ1?O 和 δ13C 记录中存在显著变化，但长期趋势显示 δ1?O 值下降了 1.0‰，而 δ13C 值上升了 1.5‰。每个沉积层的平均值变化范围为 δ1?O 值从 -6.0‰ 到 -3.7‰，δ13C 值从 -9.6‰ 到 -8.0‰。

本研究的讨论部分指出，JRD 的年代模型表明 ostracod 碳酸盐稳定同位素记录覆盖了大部分最后一个冰期结束的多十年尺度。它还表明在约 17.9 ± 0.1 到 17.1 ± 0.1 千年 BP 期间，沉积物积累量非常少，可能意味着在 Beds 3 和 4 的接触处存在一个记录空白。然而，这并未在露头中发现任何不整合的证据。相反，我们更倾向于认为沉积速率在此处发生了显著变化。在记录的下部，即在 17.9 ± 0.1 千年 BP 之前，稳定同位素记录的分辨率约为 40 年；而在 17.1 ± 0.1 千年 BP 之后，分辨率约为 50 年。因此，JRD 文化地层的年代与黎凡特南部所代表的文化实体的建立时间基本一致。

在 JRD 的 ostracod 稳定同位素记录中，碳和氧同位素测量值之间几乎没有相关性（│r│< 0.4），这与之前的解释一致，即古湖胡拉在更新世晚期是一个水文开放的湖泊。然而，我们意识到在研究期间，停留时间可能并不恒定，且在 r??? 记录中可以识别出多个短暂的高相关性区间。当高 δ1?O-δ13C 协变是由同时上升的 δ13C 和 δ1?O 值引起的时，我们将其视为在温暖和干旱条件下停留时间增加的指示；而当高 δ1?O-δ13C 协变是由同时输送低 δ1?O 雨水和低 δ13C 溶解无机碳（DIC）到湖中时，我们将其视为高降水量和高流域生产力的指示。

JRD 的氧同位素记录长期平均值的变化范围约为 3‰，这一狭窄的下部变化范围和低 δ1?O 值与中等大小的水文开放湖泊模型一致。更新世晚期的较小湖泊中氧同位素的变化幅度比较大湖泊更显著，这反映了较小体积湖泊对变化的更高敏感性。湖泊碳酸盐的氧同位素组成是湖泊水、碳酸盐形成温度以及物种特异性生命效应的函数。

在 JRD 的沉积记录中，我们观察到氧气同位素值的变化与不同时间段的气候和生态变化有关。例如，在冬季寒冷且降水较多的时期，氧气同位素值会因冬季低温和降水增加带来的蒸馏效应而被放大。而在温暖和干燥的时期，高氧气同位素值可能与蒸发有关，因为蒸发不仅发生在湖泊表面，还发生在流入溪流的表面。JRD 的 Gastropod 氧气同位素记录显示，湖水在夏季的富集程度约为 2-3‰，且在 LGM 期间的夏季蒸发富集程度不如在更新世晚期的后期。

碳同位素记录反映了湖泊环境中可利用的溶解无机碳（DIC）以及生物的饮食、代谢和生命周期。此外，其他 ostracod 稳定同位素研究通常显示碳同位素值比周围 DIC 更为正，尤其是在 10-40°C 的温度下。在 JRD 的沉积记录中，碳同位素值的变化反映了湖泊（水生）和流域（陆地）生产力的变化，这些变化与温度和径流有关。低碳同位素值可能反映了低温条件下的低水生生产力或在湿润条件下向湖泊输送大量碳-12。高碳同位素值可能由流域碳循环率低、降水减少或水生生产力增加引起。在 JRD 的沉积记录中，我们观察到在约 17.2 ± 0.1 千年 BP 时，湖泊显著缩小，以及在 B?lling-Aller?d 和年轻干期中较小幅度的湖水体积变化。这些变化可能与湖泊水位的降低有关，也可能与蒸发的增加有关。

JRD 的 δ1?O 海陆关系显示，平均温度校正后的 δ1?O 海陆差异值为 7.4 ± 1.1‰，在 LGM 期间（21.1 ± 0.2 到 18.0 ± 0.1 千年 BP）为 8.4 ± 0.7‰，而在更新世晚期之后（约 17.2 ± 0.1 到 11.3 ± 0.2 千年 BP）为 6.9 ± 0.9‰。在 JRD 的沉积记录中，大多数高或上升的 δ1?O 海陆差异值与湖水位的升高有关，并与该地点的湖水位曲线平行。然而，在湖水位极低时，低 δ1?O 值或高 δ1?O 海陆差异值可能反映了当地溪流的影响，特别是在沙和陆地材料沉积增加的时期，如 Bed 11。因此，在 JRD 的沉积记录中，高（低）δ1?O 海陆差异值通常被解释为胡拉谷地流域的高（低）降水条件。在湿润时期，高 δ1?O 海陆差异值可能因降水的量效应而被放大，即在雨季期间降水的 δ1?O 值相对于干季更负。

在 JRD 的沉积记录中，我们还观察到碳同位素值的变化与湖泊和流域生产力的变化有关。在更新世晚期的后期，由于温暖和湿润的条件，水生生产力增加，这可能部分抵消了陆地 DIC 向湖泊输送带来的影响。在 JRD 的沉积记录中，我们还观察到在某些时期，如 Beds 5、7 和 9 的底部，碳同位素值的下降与湖水位的上升有关。此外，Bed 12 和 Bed 13 的碳同位素值的变化还可能反映了流域的碳循环速率和降水量的变化。

本研究还探讨了 JRD 的沉积记录与北半球其他地区，尤其是地中海周边地区的气候变化之间的关系。JRD 的 δ1?O 记录的变化似乎与地中海周边地区和其他地方的千年尺度气候波动存在一定的相关性。例如，在更新世晚期的 δ1?O 值波动与格陵兰冰芯记录的氧同位素波动相似，其中格陵兰冰芯记录的负偏移通常与寒冷时期相关。在 JRD 的沉积记录中，这些寒冷时期通常与较低的降水量和较高的 δ1?O 值相关。这种模式在地中海周边地区和其他地方的水文气候记录中也有体现，表明降水量的变化可能与大西洋经向翻转环流（AMOC）的强度和北冰洋温度的变化有关。

此外，本研究还探讨了更新世晚期胡拉谷地的古环境条件。在更新世晚期的 LGM 时期，胡拉谷地的气温较低，降水量较少，但古湖胡拉的水位较高。这一时期可能由于蒸发减少或降水量增加而形成较高的水位。尽管在 JRD 的沉积记录中，我们观察到一些与降水量减少有关的证据，但这些变化在实际环境中可能较为温和，不太可能对胡拉谷地的陆地生物造成显著影响。因此，我们的研究结果并不支持更新世晚期地中海地区文化变化是由恶劣环境条件或史前捕鱼-狩猎-采集者经历的气候波动直接引发的假设。

在 JRD 的沉积记录中，我们还观察到与北冰洋气候相关的模式。例如，在更新世晚期的某些时期，JRD 的 δ1?O 值的变化与格陵兰冰芯记录的氧同位素变化存在一定的相关性。这些变化可能反映了北冰洋气候对地中海地区的影响。此外，我们还注意到 JRD 的沉积记录中存在一些与北冰洋气候相关的模式，这可能表明北冰洋气候对胡拉谷地的水文条件产生了影响。

在 JRD 的沉积记录中，我们还观察到与更新世晚期文化演变相关的古环境条件。例如，在 JRD 的沉积记录中，我们可以看到从早期更新世马萨拉文化向中期更新世几何凯巴兰文化过渡的证据，以及从中期更新世向晚期更新世纳图菲文化的过渡。这些文化演变通常与气候变化相关，例如，温暖和湿润的条件可能促进了农业和定居社会的出现。然而，我们的研究结果表明，这些文化变化可能并未直接由环境变化引发，而是在相对稳定的环境中发生的。

在 JRD 的沉积记录中，我们还观察到与北冰洋气候相关的模式。例如，在更新世晚期的某些时期，JRD 的 δ1?O 值的变化与格陵兰冰芯记录的氧同位素变化存在一定的相关性。这些变化可能反映了北冰洋气候对地中海地区的影响。此外，我们还注意到 JRD 的沉积记录中存在一些与北冰洋气候相关的模式，这可能表明北冰洋气候对胡拉谷地的水文条件产生了影响。

本研究的结论指出，JRD 的氧稳定同位素记录反映了众多控制因素的复杂相互作用，但主要反映了胡拉谷地降水量的变化和整体降水-蒸发平衡。尽管湖水的氧同位素组成与东部地中海海表面水的记录有显著相似之处，支持了之前的研究结果，即东部地中海海是北以色列降水的主要湿度来源，但湖泊的大小变化最终决定了碳酸盐同位素记录对环境变化的响应。在更新世晚期，当古湖胡拉作为一个较大的、水文开放的湖泊存在时，较小的 δ1?O 值变化反映了湖泊对温度和水化学变化的缓冲能力。而在更新世晚期之后，当湖泊变小时，其较小的体积导致了较低的热力和化学缓冲能力，表现为 δ1?O 和 δ13C 值的变化幅度较大，这反映了湖泊水文循环的变化。在湖岸线退缩期间，研究地点与湖岸的距离缩短，放大了近岸环境中淡水输入的信号。当低 δ1?O 值与湖水位上升同时发生，并伴随大量细粒陆地材料的输送和/或低 δ13C 值时，我们将其解释为湖泊水位上升的证据，可能由降水或融水引起。当低 δ1?O 值发生在湖岸线靠近研究地点的时期，并伴随粗粒沉积物中包含砾石大小的玄武岩碎屑时，这些低 δ1?O 值被归因于研究地点靠近春水溪流的入流，这些溪流持续输送低 δ1?O 的水到湖泊中。在温暖或干燥的条件下，湖泊水中的蒸发富集信号可能被因较高湖水温度或持续输送低 δ1?O 春水到研究地点的信号所掩盖。

碳同位素记录主要反映了湖泊内部的生产力变化，LGM 时期的低 δ13C 值反映了在较冷条件下湖泊生产力较低。而在更新世晚期之后，随着温度升高和条件改善，δ13C 值突然上升，反映了湖泊生产力的增加。较小的湖泊在更新世晚期的 δ13C 值变化主要记录了局部水文循环的变化，其中湖泊水的 δ13C 值反映了进入湖泊的水量（降水量）以及流入溪流的碳同位素组成，反映了流域的陆地生产力。

在解读开放湖泊的稳定同位素记录时，其中一个最具挑战性的问题是，许多独立因素都可能影响碳酸盐的最终同位素组成，这些因素通常难以有效分离。因此，有必要将碳酸盐稳定同位素记录与其他代理数据（如粒度分布、地球化学和微体古生物学数据）结合起来进行解读。本研究的结果突显了水文开放的小型和中型湖泊系统的复杂性和敏感性，并表明有必要将碳酸盐稳定同位素记录与其他代理数据一起进行解读。由于本记录在多种条件下显示的碳酸盐同位素组成变化较为温和，微体古生物学和沉积特征表明，胡拉谷地的环境条件在研究期间可能是稳定且吸引人的，古湖胡拉在南部黎凡特的更新世晚期景观中持续存在，为该谷地的人类和动物种群提供了重要的水源，特别是在人类历史上的重大文化变化时期。