晚更新世-全新世来自美国纽约州东部伦斯勒高原的花粉、大化石和硅藻揭示多次温度和水文变化

《Quaternary Research》：Late Pleistocene–Holocene pollen, macrofossils, and diatoms from eastern New York state’s (USA) Rensselaer Plateau reveal multiple temperature and hydrological shifts

　　

研究人员对来自美国纽约州东部伦斯勒高原（Rensselaer Plateau）戴肯池塘（Dyken Pond）和谢弗池塘（Shaver Pond）的沉积物岩芯进行了沉积物化学、花粉、植物大化石和硅藻分析，以重建这一先前未研究区域自劳伦泰德冰盖（Laurentide ice sheet）退缩以来的生态和气候历史。森林在13,040 cal yr BP（校正年）之前建立，花粉记录遵循美国东北部已有充分记录的序列：阿勒罗德间冰阶（Aller?d interstade）（混合了北方和喜温类群，包括铁杉属（Tsuga）），新仙女木期冰阶（Younger Dryas stadial）变冷（桤木属（Alnus）、桦木属（Betula）和云杉属（Picea）增加），早全新世温暖干燥（松属（Pinus）占优势），湿度增加和铁杉属（Tsuga）上升，中全新世铁杉属（Tsuga）减少随后晚全新世恢复，新冰期变冷（过去两千年）（云杉属（Picea）上升），以及欧洲殖民（豚草属（Ambrosia）上升）。叠加在这些长期趋势之上的是百年到亚千年尺度的气候变率，以植被变化和硅藻物种丰度变化为标志。综合数据集表明，中全新世铁杉属（Tsuga）减少与大约6100至3700 cal kyr BP之间的几次严重干旱以及气候变冷事件同时发生。

**论文解读：美国纽约州伦斯勒高原晚更新世-全新世古生态与气候重建**

**研究背景与意义**
美国东北部晚更新世-全新世古气候重建已有大量研究，但区域内部存在显著差异。例如，新英格兰南部（康涅狄格州、马萨诸塞州）在全新世总体趋于湿润，而纽约州中部（如卡尤加湖、奥瓦斯科湖）则逐渐变干。这种空间异质性使得对生态转变（如中全新世铁杉（Tsuga）衰退）的驱动因素解释尤为困难：铁杉衰退在不同地点与变暖、变冷、干旱或虫害相关，缺乏统一机制。伦斯勒高原（Rensselaer Plateau）位于纽约州东部，处于新英格兰与纽约州中部的过渡地带，其海拔较高（305–550 m），气候更接近阿迪朗达克山脉，但紧邻哈德逊河谷。这一地理位置可能记录复杂的气候变化历史，有助于厘清区域气候驱动因素。然而，该高原此前未有古生态研究。因此，研究人员在戴肯池塘（Dyken Pond）和谢弗池塘（Shaver Pond）采集沉积物岩芯，利用多指标（花粉、植物大化石、硅藻、沉积物化学）重建了自劳伦泰德冰盖（Laurentide ice sheet）退缩以来的生态与气候历史，旨在回答四个问题：森林何时到达高原？全新世气候如何变化？水生生态系统变化对气候解释有何贡献？中全新世铁杉衰退与何种气候条件相关及何时发生？该研究发表在《Quaternary Research》。

**主要关键技术方法**
研究人员使用Livingstone活塞取芯器在冬季通过冰面钻孔采集岩芯（戴肯池塘2018年由瓦萨学院学生采集，谢弗池塘1997年由联合学院学生采集）。通过加速器质谱（AMS）放射性碳定年（植物大化石和木炭）建立年龄模型，用Bacon程序（R语言）和IntCal20校准曲线计算日历年龄。沉积物化学分析包括有机碳含量（%C_org）、C/N比和δ¹³C（戴肯池塘）以及烧失量（LOI）（谢弗池塘）。花粉分析（每样至少300粒，用CONISS划分花粉带）和硅藻分析（每样至少400个壳瓣，重点关注冬季-早春开花的Aulacoseira subarctica和夏季开花的Lindavia rossii）同步进行。植物大化石和宏观木炭（>500 μm）通过筛分鉴定。样本均来自伦斯勒高原的两个湖泊，无特定样本队列来源。

**研究结果**

**1. 冰消期与晚更新世森林到达（>12,660 cal yr BP）**
戴肯池塘花粉带DP-1（约13,040 cal yr BP）反映阿勒罗德间冰阶（Aller?d interstade）：松属（Pinus）占30%，栎属（Quercus）占20%，铁杉属（Tsuga）占15%，混有少量云杉属（Picea）和桦木属（Betula）。沉积物化学（δ¹³C和C/N比）显示有机质源于藻类，约13,040 cal yr BP后C3植物和藻类混合，标志森林到达。谢弗池塘LOI在约12,300 cal yr BP开始上升，可能因冰盖残留稍晚。

**2. 晚更新世与新仙女木期变冷（约12,660–11,100 cal yr BP）**
两池塘均出现冷杉属（Abies）花粉异常高（30–40%），反映寒冷湿润条件。约11,500 cal yr BP，桤木属（Alnus）、桦木属（Betula）和云杉属（Picea）花粉峰值伴随松属（Pinus）和铁杉属（Tsuga）下降，指示新仙女木期（YD）变冷。戴肯池塘宏观化石出现云杉属（Picea）、冷杉属（Abies）和落叶松属（Larix）针叶，硅藻Aulacoseira subarctica百分比升高，支持寒冷湿润。

**3. 早全新世气候变率（约11,100–7500 cal yr BP）**
约11,100–10,090 cal yr BP，桤木属（Alnus）、桦木属（Betula）和北方针叶树花粉下降，松属（Pinus）升至峰值（>50%），铁杉属（Tsuga）和栎属（Quercus）上升，标志早全新世温暖干燥（B区）。戴肯池塘出现松属（Pinus strobus）针叶，硅藻A. subarctica降低，苔藓动物（bryozoan）休眠芽首次出现指示湖泊水位下降。约10,100 cal yr BP后松属（Pinus）下降，铁杉属（Tsuga）和栎属（Quercus）增加，湿度上升。但期间存在千年尺度波动：约9900 cal yr BP戴肯池塘出现藓类（Sphagnum）和轮藻（Chara）卵囊，表明短暂干旱；约9200 cal yr BP云杉属（Picea）花粉和针叶增加，硅藻A. subarctica上升，对应9200 cal yr BP事件（劳伦泰德冰盖融水释放导致AMOC减弱）。约8200 cal yr BP铁杉属（Tsuga）短暂下降，硅藻和落叶松属（Larix）花粉指示轻微变冷，与8200 cal yr BP事件一致。

**4. 中全新世铁杉属（Tsuga）扩张（约7500–5500 cal yr BP）**
约7500 cal yr BP，松属（Pinus）降至最低，铁杉属（Tsuga）和山毛榉属（Fagus）花粉持续上升，表示总体湿润。约7200 cal yr BP谢弗池塘硅藻Lindavia rossii百分比升高，指示短暂干旱（与全球7200 cal yr BP事件对应）。约6170–6130 cal yr BP铁杉属（Tsuga）花粉下降，硅藻A. subarctica上升，提示变冷。约5500 cal yr BP铁杉属（Tsuga）花粉达到峰值（>40%），为全新世最湿润时期之一。

**5. 中全新世铁杉属（Tsuga）衰退与恢复（约5460–3200 cal yr BP）**
约5460 cal yr BP铁杉属（Tsuga）花粉急剧下降至10%以下（戴肯池塘）和5%（谢弗池塘），持续至约3800–3500 cal yr BP。谢弗池塘宏观化石中铁杉属（Tsuga）针叶在约4790 cal yr BP出现峰值，但随后消失。硅藻记录显示同期干旱（L. rossii在约5140、3970 cal yr BP高峰）和变冷（A. subarctica在约4790、4210、3420 cal yr BP高峰）。钙藻类（bryozoan）休眠芽在谢弗池塘增加，指示低水位。研究人员认为铁杉属（Tsuga）衰退是冷干交替（气候“鞭打”）所致，可能叠加虫害但非主导。约3300 cal yr BP后气候改善，铁杉属（Tsuga）开始恢复，但未达巅峰。

**6. 晚全新世湿润条件（约3200–约1950 cal yr BP）**
铁杉属（Tsuga）和山毛榉属（Fagus）花粉丰富，栎属（Quercus）下降，铁杉属（Tsuga）针叶重现。硅藻A. subarctica归零，L. rossii减少，表示温暖湿润。这与新英格兰地区晚全新世为最湿润时期的结论一致，但纽约州中部湖泊水位持续下降。

**7. 晚全新世变冷（约1370 cal yr BP至今）**
约1370 cal yr BP谢弗池塘云杉属（Picea）花粉上升，铁杉属（Tsuga）骤降，对应新冰期变冷（约1300 cal yr BP事件）。戴肯池塘云杉属（Picea）花粉在约800 cal yr BP上升，硅藻A. subarctica短暂增加。区域新冰期起时差异大（4450–1350 cal yr BP），反映高原植被多样性。约560 cal yr BP戴肯池塘出现豚草属（Ambrosia）花粉（欧洲殖民标志）和藓类（Sphagnum）孢子，有机碳下降可能因针叶树取代落叶树。

**总结讨论与结论**
讨论部分将伦斯勒高原记录与周边站点（如血池、小池塘、白湖、太阳鱼池等）对比，指出百年-千年尺度气候变率可能由劳伦泰德冰盖融水释放引起的AMOC变化或太阳周期驱动的海表温度下降所致。中全新世铁杉（Tsuga）衰退期间，硅藻显示冷干交替，但木炭未增加，暗示虫害非主因，而是干旱导致幼苗无法存活。结论部分翻译如下：伦斯勒高原的花粉记录与Deevey（1939）首次确定的经典东北植被带序列高度相似，包括（1）基部的混合喜温-北方森林组合（含冷杉属（Abies）、云杉属（Picea）、落叶松属（Larix）、松属（Pinus）、栎属（Quercus）和铁杉属（Tsuga））；（2）其上松属（Pinus）下降、云杉属（Picea）及桤木属（Alnus）和桦木属（Betula）扩张，标志新仙女木期（YD）气候反转；（3）随后北方类群下降、松属（Pinus）升至最高，关联早全新世暖干；（4）松属（Pinus）下降，铁杉属（Tsuga）、栎属（Quercus）和山毛榉属（Fagus）上升，指示暖湿；（5）中全新世铁杉属（Tsuga）扩张；（6）急剧衰退；（7）缓慢恢复但未达峰值；（8）晚全新世云杉属（Picea）扩张（新冰期变冷）；（9）近几世纪豚草属（Ambrosia）上升（欧洲殖民）。宏观化石和硅藻时间序列提供了新证据，表明气候在百年-千年尺度上存在显著变率，冷干事件与北大西洋地区融水事件相关。伦斯勒高原生态群落的多样性导致其对气候变化高度敏感，硅藻数据强化了全新世气候突变影响美国东北部森林的结论。中全新世铁杉（Tsuga）衰退期间极端干旱（L. rossii高峰）和冬季变冷（A. subarctica高峰）交替出现，提示季节性变化可能起重要作用，需进一步研究气候学机制。