通过多指标洞穴沉积物记录揭示了海洋同位素阶段3期间中国黄土高原的水文气候变化

《Quaternary Science Reviews》：Hydroclimate changes on the Chinese loess plateau during Marine isotope stage 3 revealed by multi-proxy speleothem records

中国黄土高原末次冰期东亚夏季风演变与古水文气候重建基于山西龙潭洞石笋的230Th/U定年、δ1?O和δ13C稳定同位素及微量元素数据。结果显示：夏季风强度与区域降水在千年尺度上基本一致，但存在阶段性差异（如44-38 ka BP高降水期）；轨道尺度冰量变化和西风带、西太平洋副高调制可能导致东亚夏季风与区域降水解耦。

　　

梁一佳|赵斌|董金国|丛家琦|张鹏|王永进|R. 劳伦斯·爱德华兹

中国南通大学地理科学学院，南通，226007

摘要

东亚夏季季风（EASM）对中国黄土高原的水文气候异常起着关键作用，尽管在上一个冰河时期两者之间的关系尚不明确。基于一根石笋（编号L30）的²³⁰Th/U测年数据、稳定同位素和微量元素数据，我们重建了从53千年前到38千年前（海洋同位素阶段3期间）东亚夏季季风和中国黄土高原古水文气候的演变过程。在千年时间尺度上，δ¹⁸O记录（作为EASM强度的代理指标）捕捉到了Dansgaard-Oeschger（DO）8–14事件和Heinrich（H）4–5事件，这些事件也体现在δ¹³C和微量元素记录中。通过对δ¹³C和微量元素数据应用主成分分析，我们得到了一个局部降水记录，该记录在DO和H事件发生时与快速的季风变化一致。然而，也存在差异，表现为44千年前到38千年前有一个异常高的降水期，这一现象在EASM记录中并未出现，但得到了中国北部和西北部地区的支持。全球冰量变化的轨道尺度气候背景和岁差可能导致了EASM环流与中国北部和西北部地区降雨之间的次轨道解耦。冰川期冰盖的推进使高纬度地区降温，并迫使西风急流加强并向南移动，而低岁差则导致西太平洋副热带高压区向西扩展。强大的西风急流将大西洋的水汽带到中国北部和西北部，与来自太平洋的湿润水汽相遇，从而形成了自44千年前以来的高降水期。因此，在千年时间尺度上，中国黄土高原的局部降雨通常与东亚夏季季风环流相关联，但由于其他气候子系统（包括西风急流和西太平洋副热带高压）的影响，也可能发生解耦。

引言

中国黄土高原（CLP）位于中国北部的半湿润区和半干旱区的交界处，在全球变暖的背景下是一个生态脆弱的典型区域。当地环境和植被对东亚夏季季风（EASM）控制的水文气候条件非常敏感（Ding等人，2024；Guo等人，2002）。了解不同时间尺度上的降水变化及其相关机制对于提出避免该地区生态退化和沙漠化的策略至关重要。

海洋同位素阶段3（MIS3）是上一个冰河时期冰量中等的一个时期，伴随着一系列突发的气候事件，包括Dansgaard-Oeschger（DO）事件和Heinrich（H）事件（Heinrich，1988；Dansgaard等人，1993；Hemming，2004）。这些突发事件在全球许多古气候档案中都有记录，并影响了中低纬度地区的水文气候条件（Wang等人，2001，2017；Voelker，2002；Martin等人，2023）。在中国黄土高原，西部和南部边缘风成黄土和化石土壤的序列很好地记录了千年尺度的水文气候变化（Liu和Ding，1998；An等人，2001；Guo等人，2002；Sun等人，2021），而中部和东部地区的大部分剖面主要记录了轨道尺度的变化（Maher，2016；Sun等人，2021）。因此，特别是来自中部和东部地区的高分辨率水文气候记录和可靠的年代学数据是必需的。

随着来自中国北部的石笋δ¹⁸O记录的出现（Dong等人，2015，2018；Duan等人，2016；Liang等人，2022；Zhang等人，2022；Ao等人，2024），中国各地钙质δ¹⁸O记录在千年到轨道时间尺度上的高度相似性（Wang等人，2001，2008；Cheng等人，2016）支持了钙质δ¹⁸O可以代表EASM强度的观点。有研究表明中国北部的降水强度通常与EASM强度相关（Rao等人，2013；Goldsmith等人，2017；Dong等人，2018；He等人，2021），但也有人对此关系表示怀疑（Beck等人，2018；Zheng等人，2022）。

测试不同气候成分之间关系的一种方法是从一个沉积岩心中提取不同的代理指标。在洞穴沉积物代理指标中，受先前钙质沉淀（PCP）或水-岩相互作用（WRI）影响的石笋δ¹³C和微量元素是潜在的局部降水代理指标，这些已在洞穴监测和重建研究中得到验证（Fairchild等人，2000；Fairchild和Trebble，2009；Sinclair等人，2012；Liu等人，2020）。PCP是指钙质在喀斯特含水层中或渗透水在滴落到地面之前的流动路径中的沉淀。WRI发生在碳酸盐溶解过程中。这两种效应都与洞穴外的水文气候条件密切相关，并且在水流速度较慢时会发生（Fairchild和McMillan，2007；Fairchild和Trebble，2009）。例如，来自CLP的石笋δ¹³C和微量元素比值被认为可以记录洞穴周围甚至更大空间尺度上的局部水文气候变化，并且与同一洞穴的δ¹⁸O记录呈正相关（Ding等人，2024），表明水文气候和季风环流变化的一致性。然而，这种关系是否适用于上一个冰河时期仍然是一个未解之谜。

在这里，我们基于稳定同位素数据（δ¹⁸O和δ¹³C）、微量元素比值（Mg/Ca、Sr/Ca和Ba/Ca）以及²³⁰Th/U测年结果，重建了来自中国北部山西省龙洞L30石笋在53千年前到38千年前的古环境变化。通过多代理指标记录，我们有两个目标：（1）揭示石笋代理指标对气候和环境变化的动态响应；（2）理解季风强度与季风边缘地区局部降水之间的关系及其机制。

材料与方法

龙洞（113°16′E，36°46′N，海拔1600米）位于中国北部东亚夏季季风的北部边界和黄土高原的东部边缘（图1）。该洞穴长度为1000米，形成于奥陶纪石灰岩中。基岩厚度约为50米，洞穴上方的土层厚度小于40厘米。由于洞穴入口和通道狭窄，洞穴内部与周围大气隔离。最内部通道的湿度和温度分别为98%

年代学

U和Th同位素组成以及²³⁰Th/U测年结果见表S1。相对较高的²³⁸U含量（505–1157 ppb）和相对较低的²³²Th含量（34–2332 ppt）导致大多数测年结果的年龄不确定性小于0.2千年（2σ < 4‰）。这二十一个²³⁰Th/U测年结果按地层顺序排列。计算出的沉积速率在生长期间有所不同（图S1a），162至315毫米深度段的平均沉积速率约为27毫米/千年，而较低的值

代理指标解释

在中国石笋中，δ¹⁸O代理指标在轨道和千年时间尺度上受到两个过程的影响：Wang-Cheng机制（年总降水量中季风降水比例的变化）和Yuan机制（热带来源与洞穴地点之间的降雨量变化），并被解释为EASM强度（Cheng等人，2016；Liang等人，2020；Wang等人，2001；Yuan等人，2004；Zhang等人，2021）。正如Dong等人（2018）所解释的，L30 δ¹⁸O代理指标

结论

为了了解中国北部黄土高原的水文气候变化，并理清“风”和“降水”之间的关系，我们使用了来自山西省龙洞的²³⁰Th/U测年石笋（编号L30）及其多代理指标（包括稳定同位素和微量元素数据），重建了从53千年前到38千年前的古气候变化。我们的L30 δ¹⁸O是EASM强度的良好代理指标。L30 δ¹³C反映了洞穴上方与生物量生产相关的土壤CO₂

CRediT作者贡献声明

梁一佳：撰写——初稿撰写、审阅与编辑、资金获取、调查。赵斌：撰写——审阅与编辑、调查、正式分析、可视化。董金国：撰写——审阅与编辑、概念化、资金获取、监督、项目管理。丛家琦：撰写——审阅与编辑、数据管理。张鹏：撰写——审阅与编辑、数据管理。王永进：撰写——审阅与编辑、资源提供。R. 劳伦斯·爱德华兹：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42377441（董）和42207505（梁）的资助。