解耦的δ2H和有效湿度记录揭示了西亚全新世降水同位素的水汽源控制

《Global and Planetary Change》：Decoupled δ2H and effective-moisture records reveal vapor-source control on Holocene precipitation isotope in West Asia

　　摘要西亚位于全球气候最敏感的干旱过渡带之一，持续变暖和干旱化使得理解该区域水文气候如何响应大尺度大气重组至关重要。然而，该区域全新世水文气候变化仍存在争议，尤其是区域最湿润时期出现在早全新世还是中全新世。这一分歧很可能源于不同代用指标记录了水文系统的不同方面，而该区域氢（δ2H）和氧（δ18O）同位素记录的气候意义尚未得到充分解析。本文结合伊朗西北部阿尔马卢泥炭地脂肪酸单体δ2H记录，以及同一岩芯中的脂类生物标志物和孢粉数据，并整合区域δ18O记录，以确定泥炭脂肪酸δ2H在西亚主要记录了何种信号。C28和C30脂肪酸的加权平均δ2H值在过去9.0 ka期间总体呈上升趋势，在约2.5 cal ka BP处出现显著负异常，与该时期源水从泥炭池水转变为直接大气降水有关。在千年尺度上，脂肪酸δ2H变化与区域δ18O记录一致，但与基于生物标志物和孢粉推断的局地有效湿度变化脱钩。现代观测进一步表明，降水量本身无法解释年际至年代际尺度上的同位素变化。相反，区域对比表明，水汽源变化对西亚全新世降水同位素变率起主导作用。这些发现表明，同位素记录和植被代用指标记录了气候系统的不同组成部分：前者反映水汽源和环流动力学，后者反映局地有效湿度。这一代用指标脱耦框架为全球变化背景下干旱区和半干旱区中纬度地区水文气候档案的解释提供了基础。

引言理解干旱区水文气候如何响应大尺度大气重组是全球变化研究的核心挑战。这一问题对中纬度过渡带尤为重要，因为水汽输送、降水季节性和蒸发需求的微小变化可强烈影响水资源可利用性、生态系统稳定性和人类社会。西亚是一个关键的自然区域，其全新世水文气候变化是解读世界上最敏感的中纬度过渡带之一环境演化的核心。该区域横跨伊朗高原、安纳托利亚半岛和阿拉伯半岛，位于西风带、副热带环流系统和季风影响的交汇地带。因此，其降水格局不仅受区域水分可利用性影响，还受大气环流、水汽输送路径和水汽源区变化的制约（Hoskins and Hodges, 2002; Bengtsson et al., 2006）。这种复杂性使西亚成为研究不同水文气候代用指标如何记录气候系统不同组成部分的理想区域。与此同时，该区域持续的干旱化增加了将近期变化置于更长尺度背景下考察的需求（Modarres and Sarhadi, 2009; Tabari and Talaee, 2011; Some'e et al., 2012; Rahimi et al., 2019）。

尽管已有大量古气候研究（Bar-Matthews et al., 1997, Bar-Matthews et al., 2003; Roberts et al., 2001; Kakroodi et al., 2012, Kakroodi et al., 2015; Leroy et al., 2014; Zanchetta et al., 2014; Cheng et al., 2015; Ramezani et al., 2016; Andrews et al., 2020），西亚全新世水文气候最优期的时限仍未解决。许多基于同位素的记录，特别是石笋氧同位素（δ18O）序列，显示全新世期间同位素逐渐富集，通常被解释为自早全新世以来区域水分可利用性长期下降（例如，Sharifi et al., 2015; Andrews et al., 2020）。相反，来自伊朗高原西部部分地区的孢粉、湖水位和其他生态学记录则表明早全新世相对干旱，随后中全新世环境较湿润（例如，Stevens et al., 2001, Stevens et al., 2006; Wick et al., 2003）。最近，来自脂类生物标志物和石笋微量元素的多重证据也支持中全新世水文气候最优期（Chen et al., 2024; Fleitmann et al., 2025）。这些相互矛盾的重建表明，长期争论不仅涉及最湿润时期出现的时间，更根本的问题在于不同代用指标实际记录了什么。这种代用指标分歧在比较同位素记录与孢粉及其他水文气候指标的区域研究中已被反复识别（Stevens et al., 2006; Andrews et al., 2020; Fleitmann et al., 2025），表明这是一个持续存在的区域性问题，而非特定站点的偶然不一致。

解决这一代用指标分歧需要对氢（δ2H）和氧（δ18O）同位素记录实际代表什么进行基于过程的理解。尽管这些记录提供了过去水文过程的有价值信息（Craig, 1961; Gat, 1996），但其气候解释在干旱中纬度地区很少是直截了当的。降水同位素综合了水汽源、输送历史、凝结过程、降水季节性和局地气象条件的影响（Dansgaard, 1964; Rozanski et al., 1993; Tan, 2014; Liu et al., 2014），因此不必与局地有效湿度平行变化。因此，氢和氧同位素的现代过程研究对于区分大气水分输送变化与局地水分平衡变化，以及为古气候解释建立机制基础至关重要。关键的是，这类研究需要跨越季节、年际和年代际尺度，因为在一个尺度上识别的关系不能假定在另一尺度上成立。季节性观测可以分辨水汽源、输送路径和降雨季节性的变化；年际分析可以评估同位素变率如何响应环流和水文气候的年际变化；年代际研究则需评估这些关系在背景气候状态持续变化下的持续性。因此，需要建立一个综合框架，将配对δ2H和δ18O观测与气象和水汽输送分析相结合，跨越这些尺度，以识别同位素变率的主导控制因素，并评估其与更长记录的相关性。在西亚，此类多尺度过程约束的有限可用性仍是确定同位素-植被分歧反映的是代用指标敏感性差异而非水文气候历史冲突的主要障碍。

在此背景下，陆源脂类单体δ2H分析提供了一种有前景的方法，因为它针对的是特定来源的分子信号，而非沉积物混合物整体（Xie et al., 2013a）。主要来源于高等植物的长链脂肪酸可以继承生物合成过程中所用源水的同位素组成，因此具有记录降水同位素变率的潜力（Sachse et al., 2004, Sachse et al., 2012; Hou et al., 2008; Garcin et al., 2012; Xie et al., 2013b; McFarlin et al., 2019）。然而，其解释也因生物合成分馏和植被组成、蒸发富集、土壤水状况等环境因素的影响而复杂化（Feakins and Sessions, 2010; Sachse et al., 2012; Hou et al., 2018）。尽管如此，现代研究表明，尽管存在这些潜在影响，长链植物脂类δ2H在干旱度梯度和冬季降水泥炭地中仍可保留底层大气降水信号（Hou et al., 2008; Goldsmith et al., 2019; Ardenghi et al., 2024）。这些复杂性在干旱和半干旱地区可能尤为重要，因为降水同位素与局地水分平衡之间的关系可能是高度非线性的。因此，在将泥炭脂肪酸δ2H用于推断西亚水文气候历史之前，有必要确定其主要反映局地有效湿度、区域降水同位素，还是两者的某种组合。

本文利用伊朗西北部阿尔马卢泥炭地全新世高分辨率脂肪酸单体δ2H记录来探讨这一问题。阿尔马卢序列提供了独特的机会，因为单体同位素数据可以与同一岩芯和同一年代框架内生成的孢粉和脂类生物标志物记录进行对比评估，从而最大限度地减少与站点差异和年龄模型不匹配相关的不确定性。我们在多个时间尺度上约束同位素变率，从现代季节、年际和年代际观测到千年尺度上的独立代用指标证据。通过将这些共定位代用指标记录与区域氢和氧同位素数据集整合，我们旨在确定西亚泥炭脂肪酸δ2H记录了什么，识别全新世降水同位素变率的主导控制因素，并解释为何基于同位素和基于植被的重建对全新世水文气候产生了相互矛盾的观点。通过这样做，我们试图为解决西亚代用指标分歧和改善干旱中纬度地区同位素档案的解释提供机制框架。

章节片段

研究区域阿尔马卢泥炭地（37.66°N，46.63°E；海拔2408 m）位于伊朗高原西北部（图1）。到达该区域的大气水分主要来源于大西洋、地中海和黑海，由盛行西风带输送（Heydarizad et al., 2019）。最近的马拉盖气象站（海拔1477 m）观测表明，该区域属地中海至半干旱大陆性气候，平均降水量为

采样与岩性2018年10月，从泥炭地中心采集了一根7.45 m的沉积岩芯（AM18E）。岩性分析表明，底部层段（7.45–6.70 m）为湖相沉积物，从6.70 m至地表过渡为连续泥炭沉积。由于水生大型植物/藻类和挺水泥炭植被来源的脂类生物标志物可能经历不同的生物合成分馏过程，纳入湖湘阶段将导致同位素异常。

阿尔马卢泥炭中脂肪酸化合物的氢同位素组成为证明我们选择目标同系物的合理性，我们注意到C24–C30脂肪酸是该泥炭序列中的主导生物标志物。特别是来源于陆生高等植物的C28和C30能有效捕获生物合成过程中所用源水的同位素特征，通常被认为反映降水的同位素特征（Chikaraishi and Naraoka, 2007）。在此，我们重点分析这四种脂肪酸同系物的δ2H变化。

AM18E岩芯内的多代用指标对比泥炭档案中保存的不同代用指标通常在空间尺度上记录水文气候变率，并受不同控制机制支配，为解释代用指标间差异提供了关键基础。先前对AM18E岩芯的研究利用脂类分布特征（平均链长，ACL；图4a）、脂肪酸比值（(C28 + C30)/(C22 + C24)；图4b）和孢粉组合（图4c, d）重建了全新世水文气候变率（Chen et al.

结论基于阿尔马卢泥炭地AM18E岩芯的高分辨率单体δ2H记录，结合同一岩芯的脂类生物标志物和孢粉数据以及区域对比，我们得出以下结论：

（1）泥炭脂肪酸单体δ2H值对局地生态水文条件敏感，约2.5 cal ka BP处的变化与地表干化和植物源水改变有关。因此，δ2H变化不能简单地等同于

CRediT作者贡献声明Li Liu：写作—审阅与编辑，写作—初稿，可视化，正式分析，数据管理。Shengqian Chen：写作—审阅与编辑，写作—初稿，监督，方法学，调查，正式分析，数据管理。Panpan Ji：方法学。Aifeng Zhou：调查。Duo Wu：调查。Juzhi Hou：调查。Jianhui Chen：写作—审阅与编辑，监督，调查，资金获取。

利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能影响本文报告的工作。

致谢本工作受国家自然科学基金资助（项目号：42522107）。

Li Liu|Shengqian Chen|Panpan Ji|Aifeng Zhou|Duo Wu|Juzhi Hou|Jianhui Chen
兰州大学西部环境系统教育部重点实验室，考古科学与文化遗产卓越中心，兰州 730000，中国