自中全新世以来中国东北地区东亚夏季季风的演变过程，通过镜泊湖沉积物中化学风化强度的重建得以揭示

《Global and Planetary Change》：East Asian summer monsoon evolution in northeast China since the mid-Holocene reconstructed from chemical weathering intensity of Lake Jingpo sediments

本研究利用东北中国镜泊湖沉积物中化学风化指数（CIA）记录，分析过去6.1ka东亚夏季风降水变化。结果显示CIA与夏季降水呈负相关，表明风化强度受降水影响。研究还指出东亚夏季风降水与高纬度夏季太阳辐射减弱趋势一致，并在4.2ka左右可能达到环流转变临界点，同时晚Holocene期间EASM与ENSO的关联性增强，可能受太阳活动主导。

　　

胜田长吉|内藤纱由里|佐野奈绪美|落合慎也|斋藤小布洋子|荻田康弘|西尾智弘|长部典子|永尾诚也|川上真一|沈志

日本岐阜大学教育学部

摘要

化学风化指数（CIA）已被用于重建季风降雨量。然而，CIA与季风降雨量之间的关系尚未完全明了。在本研究中，我们调查了中国东北部泾泊湖过去6100年的沉积物CIA记录。CIA值介于80至88之间，反映了流域内玄武岩粘土的表土特征。20世纪60年代中期至80年代中期，CIA值的增加与CRU再分析数据集中的年（夏季）降水量减少相对应，这表明悬浮颗粒物进入湖泊的供应可能源于河流中新鲜碎屑输送的减弱。换句话说，该地区化学风化强度的变化是对东亚夏季季风（EASM）环流的响应。结果表明，EASM降水量总体趋势与北半球高纬度地区夏季太阳辐射的减少趋势一致，而4200年前的突然减少可能与全新世中期的EASM转变点相吻合。自1500年以来，EASM降水量有所增加，这与所谓的“2千年变化”趋势相符。这种变化可能与大西洋经向翻转环流（AMOC）的振荡有关。将亚千年尺度的EASM记录与总太阳辐照度和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）记录进行比较后发现，中国东北部的EASM变化可能受太阳活动的影响，而该地区的EASM-ENSO遥相关关系在全新世晚期（约4200年后）变得明显。

引言

亚洲夏季季风（ASM）是全球气候系统的重要组成部分，包括东亚夏季季风（EASM）和印度夏季季风（ISM），为东亚16亿人以及南亚和东南亚15亿人提供了大量水源。了解古ASM系统的变化性和动态对于探讨季风降雨的时空模式（An等人，2000年；Chen等人，2019年；Liu等人，2020年；Liu等人，2024年）及未来预测（Li等人，2019b）至关重要。过去25年来，许多研究利用各种古气候档案（包括石笋、湖泊和海洋沉积物、泥炭以及黄土/古土壤）重建了全新世的ASM变化记录（An等人，2000年；Chen等人，2015年；Dykoski等人，2005年；Huang等人，2019年；Li等人，2011年；Ming等人，2020年；Wang等人，2005年）。重建结果显示，在全新世早期和中期（约11500–3000年），降雨量增强；而在全新世晚期（约3000年后），由于北半球太阳辐射的减少，降雨量相对减弱。然而，长江流域在全新世中期（约8000–3000年）变得干燥，而在全新世早期和晚期则较为湿润（Liu等人，2020年；Liu等人，2024年）。此外，全新世晚期的降雨记录显示，除了太阳辐射减少外，大部分东亚夏季季风和印度夏季季风地区的降雨量呈平稳趋势（Cheng等人，2016年；Zhao等人，2021年）。全新世尺度上的ASM变化原因也与内部和外部因素有关（厄尔尼诺-南方涛动：ENSO、太阳活动、西风带、CO₂等）。然而，尤其是来自地质档案的代用指标的结果解释仍存在争议（Fleitman等人，2003年；Gupta等人，2003年；Li等人，2020b年；Ming等人，2020年；Sun等人，2022年；Wang等人，2005年；Zhang等人，2008年）。

夏季降水量在流域内的化学风化过程中起着重要作用，并显著影响硅质碎屑沉积物中的主要元素和矿物（Fedo等人，1995年）。化学风化指数（CIA）被广泛用于解释化学风化的程度（Nesbitt和Young，1982年）。高CIA值表明在原位风化过程中，易流失的阳离子（Ca²⁺、Na⁺和K⁺）相对于稳定的残余成分（Al³⁺）被移除（Nesbitt和Young，1982年）。对于应用于ASM地区的湖泊沉积物，CIA指数需要反过来了，因为易流失的元素容易被带入湖泊，从而在高降水量条件下增加风化作用，导致CIA指数降低（An等人，2011年；Li等人，2023年；Liu等人，2014年；Liu等人，2020年；Rajmanickam等人，2016年）。这一解释得到了Rb/Sr比值的正相关性的支持，因为在化学风化加剧的情况下，Sr比Rb更容易被淋溶。CIA指数与化学风化强度（CWI）指数之间的正相关性也证实了这一点，后者从CIA指数中去除了钾元素。然而，CIA指数的湖泊水文意义尚未完全明了。在水分流动开放的湖泊中，高CIA值通常表示高风化强度和高降水量（Liu等人，2020年）；而在河流悬浮颗粒物（SPM）中，CIA值随降水量减少而增加（Shao和Yang，2012年）。相反，在水分流动封闭的湖泊沉积物中，由于化学风化加剧，CIA值较低（Liu等人，2014年）。

在本研究中，我们调查了中国东北部泾泊湖6100年的沉积记录，以了解全新世中期以来的古EASM演变情况。全新世中期至晚期的气候变化（约6000年）非常重要，因为当时的边界条件（包括海平面和大气CO₂浓度）与工业化前几乎相同（Wanner等人，2008年）。通过将CIA指数与1950年以来的气象数据进行比较，我们获得了连续且高分辨率（平均采样间隔约12年）的化学风化强度记录，以反映EASM气候的影响。随后，我们将这些记录与其他地区的气候记录进行比较，以了解中国季风的时空变化及其可能的气候驱动力。

研究地点及其周边区域描述

泾泊湖是一个由熔岩堵塞形成的湖泊，位于中国东北部的黑龙江省东南部（北纬43°46′–44°18′，东经128°30′–129°30′，海拔约350米；图1a和b）。湖泊面积为约92平方公里，平均水深25米，最大水深90米，水量为1.2立方公里（图1b；Li等人，2011年；Li等人，2020a）。该湖泊形成于约10000年前火山喷发形成的玄武岩熔岩堵塞了牡丹江（图S1）。

岩性和年代学

图2显示了JB-A岩芯的岩性和深度-年龄关系。JB-A岩芯包含三个明显的沉积单元：上层495厘米为黑褐色粘土，495–783.5厘米为深棕色粉砂，783.5–976厘米为深褐色粘土。在495–783.5厘米区间内形成了白色薄层。

JB-A岩芯中总有机碳（TOC）的¹⁴C年龄随深度增加而增加（图2），750–751厘米处的层除外（表1）。

地球化学代用指标

泾泊湖沉积物中的SiO₂含量与TiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO、CaO、Na₂O和K₂O的含量呈负相关。泾泊湖沉积物中的SiO₂含量最高达到70 wt%，最低低于56 wt%（表S1）。Si的主要来源是碎屑和生物成因的蛋白石（图S4）。相比之下，湖沉积物中的Al₂O₃含量范围为14.79至22.92 wt%（表S1）。Al主要来源于碎屑物质。

结论

在过去6100年中，中国东北部泾泊湖沉积物的CIA值在80.1至88.1之间变化，平均值为85.9，这与中国东部亚热带季风气候相当。CIA与气候环境之间的差异源于玄武岩表土粘土的特性，即母岩（玄武岩）的强烈风化。自1950年以来的CIA变化与年（夏季）降水量大致同步，降水量较高的地区CIA值较低。

作者贡献声明

胜田长吉：撰写初稿、可视化处理、方法学设计、数据收集、正式分析。内藤纱由里：数据收集。佐野奈绪美：数据收集。落合慎也：数据收集。斋藤小布洋子：数据收集。荻田康弘：数据收集。西尾智弘：数据收集。西尾智：数据收集。长部典子：监督工作、资金筹集。永尾诚也：监督工作、审稿与编辑。沈志：监督工作、资源协调。

未引用参考文献

Katsuta等人，2019年Wang等人，2000年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们非常感谢岐阜大学的松原宏、宇海聪、大野洋以及金泽大学的柏川康和远藤直，感谢丰中地球科学中心（JAEA）的Niwa茂在¹⁴C和XRF分析方面的支持。两位匿名审稿人和主编Sun Jimin的评审工作也给予了我们很大帮助。本研究部分得到了日本学术振兴会（JSPS KAKENHI）的资助（项目编号：16H05643、17H05128、22H00560），以及日本地理数据中心的支持。