中国北方黄金洞的石笋记录的中全新世东亚夏季风与植被变化

《Quaternary Science Reviews》：Mid-Holocene East Asian summer monsoon and vegetation changes recorded by a stalagmite from Huangjin Cave, northern China

　　

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  来自中国北部的中全新世高分辨率洞穴沉积物多指标记录。
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  石笋δ¹³C与δ¹⁸O记录呈现出的不同长期变化趋势。
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  东亚季风区7.2千年前事件的“V形”特征。

引言

东亚夏季季风是全球季风系统的重要组成部分（Ding和Chan，2005），其变化会对中国的降水量和植被状况产生重大影响（An，2000；Wang等人，2005；Zhao等人，2009）。位于东亚季风区北部边缘的中国华北平原，其对东亚夏季季风的变化和异常极为敏感。该地区在北方夏季的降水量与东亚夏季季风的强度呈正相关，且数值相对较低，但与中国季风核心区域（如华南、华中）的降雨量有所不同（Zhang，2015；Zhang等人，2016；Zou等人，2024）。

来自中国各地、具有可靠年代信息的洞穴沉积物δ¹⁸O记录，被视为反映东亚夏季季风强度的良好替代指标（Wang等人，2005；Zhang等人，2008；Tan等人，2014；Cheng等人，2016、2026；Liang等人，2022）。在全新世时期，从轨道时间尺度来看，中国的洞穴沉积物δ¹⁸O记录显示，在早全新世时夏季季风最为强劲，而从中全新世开始季风逐渐减弱，这一变化基本与北半球夏季太阳辐射的变化同步（Wang等人，2005；Yang等人，2019；Zhao等人，2025）。近期的一些研究进一步证实了洞穴沉积物δ¹⁸O作为东亚夏季季风强度指标的有效性。通过基于花粉的定量气候重建，Zhang等人（2023）表明，中国的石笋δ¹⁸O记录能够有效反映东亚夏季季风的强度或整体水分输送情况，体现夏季季风变化的平均状态。Zhao等人（2025）整合了中国23个洞穴的δ¹⁸O记录，发现这些记录的整体模式与卡里亚科盆地的钛元素记录十分吻合，这说明洞穴沉积物δ¹⁸O记录能够反映东亚地区大气环流的变化。Cheng等人（2026）也支持这一观点，他们指出中国的洞穴δ¹⁸O记录主要反映了季风动态或环流/对流情况。Zhang等人（2025）认为，中国的洞穴沉积物δ¹⁸O记录长期以来一直被视作亚洲夏季季风强度的参考标准。更重要的是，他们提出中国北方的方解石δ¹⁸O记录更可能反映纯粹的东亚夏季季风信号，而中国南方的记录则包含了夏季降水δ¹⁸O的信号，同时还会包含非夏季时期的信号，这体现了不同时间尺度上洞穴δ¹⁸O记录的区域差异（Zhang等人，2025）。因此，利用中国北方的洞穴沉积物来重建东亚夏季季风的气候变化是非常合适的。

虽然全新世期间东亚夏季季风的气候变化已逐渐清晰（Hu等人，2025；Zhao等人，2025；Li等人，2026），但在中国季风区，陆地生态系统中的重要组成部分——植被的空间和时间变化情况仍不甚明确（Zhao等人，2009）。对中国花粉记录的综合分析表明，植被变化与东亚夏季季风气候的变化密切相关，但在早全新世时期，植被的变化速度滞后于洞穴沉积物δ¹⁸O记录所显示的季风最强期（Zhao等人，2009）。其他研究则显示，中国北方的森林直到中全新世才变得较为茂盛（Xiao等人，2004；Wang等人，2019；Wen等人，2017）。显然，来自沉积物岩芯的花粉植被重建结果与综合分析结果之间存在矛盾（Wang等人，2019），这影响了我们对植被对季风气候变化响应的理解。此外，一些研究表明，中国北方的不同植被类型的动态存在差异：例如松树和橡树对降水量较为敏感，而桦树则对温度更为敏感（Liu等人，2014a）。因此，直接影响植被空间分布、密度、类型和生产力的各种气候要素的波动（Scheffer等人，2001；Mayle等人，2004；Zhao等人，2017；Li等人，2019），可能会在沉积物岩芯中留下复杂的信号。对全球洞穴沉积物δ¹³C数据集的分析表明，δ¹³C值主要受植被覆盖度的影响（Fohlmeister等人，2020）。因此，方解石δ¹³C有望反映洞穴上方及周边地区的植被变化情况。

全新世期间发生了一系列持续千年到数百年的突发性气候事件，这些事件对全球或半球的气候产生了影响（Bond等人，2001；Wang等人，2005；Zhao等人，2025；Li等人，2026）。7.2千年前事件是指在早至中全新世过渡期发生的持续数百年的弱季风事件，尽管有越来越多的证据表明它对气候产生了广泛影响，但这一事件却未受到足够重视。最近对58份全球分布的高分辨率古气候记录的综合分析表明，这一事件的特征是亚洲夏季季风减弱，南美洲夏季季风增强，北欧中北部地区出现剧烈降温和湿润天气，非洲和北美西部普遍干旱，极地地区也出现显著降温，这些都体现了这一事件的全球影响（Hou等人，2023）。在亚洲季风区域，洞穴沉积物δ¹⁸O记录和湖泊记录均显示，夏季季风强度随着气温下降和区域干旱化而减弱（Wang等人，2005；Feng等人，2020；Yang等人，2025）。来自重庆水明洞的多指标记录显示，7.2千年前事件始于7.29±0.03千年前，于7.1±0.04千年前达到峰值，持续时间近200年，其中还包括约50年的干旱期（Feng等人，2020）。Pan等人（2023）进一步发现，7.2千年前事件期间东亚季风区域的降水状况呈现出“北方洪涝、南方干旱”的格局，这与8.2千年前事件期间观察到的“整体干旱”的格局截然不同，这凸显了季风动态（通过洞穴沉积物δ¹⁸O反映）与局部水文状况（通过洞穴沉积物δ¹³C和微量元素反映）之间的复杂关系。对于7.2千年前事件的成因，学者们提出了多种解释，包括太阳辐射减弱、流入北大西洋的淡水流量增加，以及轨道变化导致的北半球夏季太阳辐射减少（Hou等人，2023；Yang等人，2025）。尽管已有这些研究成果，但由于中国北方的高分辨率且年代测定精确的记录仍然较少，7.2千年前事件在整个东亚季风区域的内部结构及其区域差异仍不明确。

黄金洞（东经118°38′，北纬40°17′，海拔510米）位于中国华北平原（见图1）。根据现代观测数据，该地区每年70%以上的降水量集中在6月至8月之间（Liang等人，2022）。由于地处东亚夏季季风区的北部边缘，华北平原的气候和生态系统为研究不同植被类型或陆地生物量对全新世季风气候变化的响应提供了理想的实验环境。在此，我们展示了该洞穴的全新世数据，目的有二：一是展现中全新世期间东亚夏季季风的变化以及华北平原植被的演化情况，二是了解中国北方季风边缘地区的气候与植被之间的相互作用机制。

章节要点

材料与方法

样本HJ2采集自中国北方的河北省黄金洞。该石笋的总长度为127毫米，在采样和分析之前，先沿着其生长轴将其切成两半并进行抛光处理。关于该地区的详细气候资料和洞穴情况，可参考Liang等人（2022）的研究。

为了进行²³⁰Th定年分析，我们使用牙科碳化钨钻头在经过抛光的石笋生长轴段上钻取了6个粉末样品，每个样品的重量约为40–90毫克。²³⁰Th定年分析工作是在地理学院完成的，

年代测定

HJ2的铀、钍同位素浓度及比值，以及²³⁰Th定年结果见表S1。其中²³⁸U的浓度范围为1109.5±0.29至1600.2±0.53ppb，²³²Th的浓度范围为1110±21至20531±107ppt。这6个²³⁰Th定年结果按照地层顺序排列，大部分结果的定年误差小于20年。我们采用了MOD_AGE程序（Hercman和Pawlak，2012），该程序通过蒙特卡洛模拟来重现HJ2的沉积过程。通过模拟得到的

石笋代用指标的解释

总体而言，我们的HJ2 δ¹⁸O记录呈现出与中国其他地区洞穴沉积物δ¹⁸O记录相似的长期上升趋势（见图3）。值得注意的是，HJ2的δ¹⁸O记录与距离约500公里的莲花洞的δ¹⁸O记录在形态上极为相似，两者都存在数百年的时间尺度变化，且两者之间存在正相关关系（经过自相关校正后，相关系数r=0.4，样本量n=124，p值约为0.05）。同时，在大约7.2–7千年前，这两组记录都出现了正值异常

结论

通过对中国华北平原黄金洞的一块石笋进行²³⁰Th定年，并获取其高分辨率的δ¹⁸O、δ¹³C及微量元素记录，我们揭示了中全新世期间这一季风边缘区域的不同气候和环境信号。我们的记录覆盖的时间范围为7.7千年前至5.2千年前。δ¹⁸O记录显示，东亚夏季季风的强度逐渐减弱，这一变化与北半球夏季太阳辐射的减弱趋势一致。季风

作者贡献

赵斌：概念构建、数据收集、初稿撰写、论文修订。王永金：项目指导、资金申请、论文修订。宁亮：资金申请、论文修订。邵庆峰：数据收集、论文修订。R. Lawrence Edwards：论文修订。梁逸佳：项目指导、数据整理、论文修订。赵侃：资源协调、项目监督、项目管理，

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFF0804704）、中国国家自然科学基金（项目编号：41931178、42071105）以及江苏省的研究生科研实践创新计划（项目编号：KYCX25_1982）的支持。

赵斌|王永金|宁亮|邵庆峰|R. Lawrence Edwards|梁逸佳|赵侃