基于青藏高原东北部冻土植物 δ13C 记录推断的全新世界夏季降温

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Holocene summer cooling inferred from permafrost plant δ13C records in the Northeastern Tibetan Plateau

　　

摘要

具有明确季节敏感性的温度重建对于解决基于代用指征的古近全新世气候重建与气候模式模拟之间的差异至关重要。本文利用祁连山东部鄂尔滨冻土冰芯中保存的植物叶片δ13C记录，重建了青藏高原东北部的夏季温度变化。我们通过现代C?植物校准数据集建立了植物δ13C与季节温度之间的关系，并应用蒙特卡罗不确定性传播框架评估了与C?/C?植被混合、同位素端元和校准误差相关的不确定性。重建结果表明，自中全新世以来夏季温度持续下降。估计的夏季平均温度从距今6.0–7.8千年前的10.3 °C降至距今0–1.0千年前的7.5 °C，总体降温幅度约为2.8 °C。这种夏季降温趋势与区域代用记录及瞬态气候模拟基本一致，并大致遵循北半球夏季日照的长期下降趋势。混合模型结果表明，在获得物理意义解的时段内，C?植被始终占主导地位，而推断的C?贡献一般较小且强烈依赖于模型。我们的结果表明，当明确考虑植被组成和同位素不确定性时，冻土沉积物中保存的植物δ13C可提供关于过去暖季气候变化的有用信息。本研究为全新世夏季温度演变提供了独立的陆地约束，并突显了季节敏感代用指征对于理解青藏高原长期气候动力学的重要性。

引言

全新世温度的定量重建对于评估气候系统对自然强迫的响应、将近期变暖置于长期背景下以及理解人类-环境互动的气候背景至关重要（Feng等人，2022；Zhang等人，2022a；Rao等人，2022）。全球代用数据综合表明，全新世早中期（10–6 ka BP）温度高于晚全新世，随后经历了约0.4 °C的千年尺度降温，直至工业革命前时期（Marcott等人，2013；Kaufman等人，2020a，Kaufman等人，2020b）。这一模式大致遵循北半球夏季日照的下降趋势（Laskar等人，2004；Marcott等人，2013）。相比之下，气候模式模拟通常产生与冰盖退却和温室气体浓度升高相关的全新世渐进增暖趋势（Liu等人，2014）。这种代用记录与模式模拟之间的差异，通常被称为"全新世温度悖论"，对于评估气候模式是否正确表征了长期温度变化的幅度、时间和机制具有重要影响。一种可能的解释是，许多代用记录存在季节性偏差，因此不能直接与模拟的年平均值温度进行比较（Liu等人，2014；Meyer等人，2015；Baker等人，2017；Marsicek等人，2018；Longo等人，2020；Bova等人，2021）。因此，需要季节性明确的温度重建来确定截然不同的全新世温度趋势是真实的区域差异还是代用指征季节性敏感性的差异所致。

这一问题因可用记录的空间分布不均而进一步复杂化。全球全新世温度综合研究仍严重依赖于海洋海表面温度代用指征，而具有定量约束的陆地记录相对稀缺（Osman等人，2021）。仅凭海洋记录无法完全代表陆地温度变化，因为在陆地上，地形、植被、水文和大陆性对区域气候有强烈控制作用（Joshi等人，2013）。因此，需要具有稳健年代框架、明确定义的赛季敏感性和定量不确定性估计的陆地记录，尤其是来自气候敏感的陆地区域的记录。这些记录不仅是为了增加现有数据集的规模，更是为了检验代用记录与模式之间的不一致是由空间异质性、季节性偏差还是区域气候过程表征的不足所引起的。

青藏高原为解决这一问题提供了重要场所，因其高海拔、强气候敏感性和显著的季风循环。该地区近期的变暖速度比北半球许多同纬度地区更快（Liu等人，2009a；Pepin等人，2015；You等人，2020），然而现有的全新世温度重建显示出明显不同的趋势。基于花粉、石笋和部分湖沼沉积物代用指征的重建一般表明全新世早期增暖、全新世中期热最大值及随后的降温（Shi等人，2021；Chen等人，2022）。相比之下，许多湖泊支链甘油二烷基甘油四醚（brGDGT）记录表明全新世早中期温度低于晚全新世，而来自低纬度青藏高原的一些记录则表明全新世期间存在近乎单调的增暖趋势（Wang等人，2021；Zhao等人，2021；Feng等人，2022；Zhang等人，2022a）。这些差异可能反映了代用指征季节性的差异以及非温度影响，包括降水、水文条件和pH值（Zhang等人，2022a；Chen等人，2023）。区分这些解释对于确定青藏高原是否经历了空间异质的全新世温度演变，还是看似矛盾的记录代表了季节性温度循环的不同组成部分至关重要。

青藏高原东北部特别适合检验这些假设。TraCE-21 ka等瞬态气候模拟表明，该地区夏季日照减弱导致全新世期间持续的夏季降温，而模拟的年平均值温度由于冰盖退却和大气CO?浓度升高而略有增加（Liu等人，2014）。具有明确暖季敏感性的温度重建因此可以直接检验这些截然不同的季节性和年平均值模型预测。此外，青藏高原东北部广泛分布着低纬度至中纬度多年冻土，其分布和热状态受温度强烈影响（Mu等人，2015）。当地植被生长主要集中在暖季，保存在冻土沉积物中的植物残体可以在长时间内保留生态和气候信息（Ding等人，2019）。这些特征提供了一个机会，以开发一个专门对夏季气候条件敏感的独立陆地记录。

C?和C?植物的碳同位素变化为重建此类变化提供了潜在手段。C?和C?植物具有不同的δ13C值，其相对贡献的变化可以保存在植物残体、土壤和沉积物有机质中（Cerling等人，1989；Rao等人，2012）。在许多中纬度环境中，较温暖的生长季条件有利于C?植物贡献的增加，从而在陆地有机质的δ13C组成与温度之间产生联系（Rao等人，2012，Rao等人，2017；Wu等人，2024）。然而，这种关系不一定在空间上是均匀的，因为植物δ13C和C?/C?丰度还可能受到水分可获得性、大气CO?、植被组成和地方生态条件的影响。因此，将δ13C作为定量温度指标的应用需要特定地点的校准和对潜在非温度影响的明确评估，而不是假定温度具有普遍控制作用。

本文展示了青藏高原东北部鄂尔滨冻土冰芯中的植物δ13C记录。本研究的主要目的是重建全新世夏季温度变化，并评估季节性约束的陆地记录是否有助于协调现有青藏高原温度重建之间以及代用记录与气候模式模拟之间的差异。我们使用现代植物样本评估植物δ13C与夏季温度的关系，将校准后的关系应用于鄂尔滨冻土冰芯中保存的植物残体，并量化相关的重建不确定性。然后将重建的夏季温度历史与区域代用记录、外部气候强迫和模式模拟进行比较，以调查青藏高原东北部全新世温度变化的季节表现和潜在驱动因素。本研究评估了植物δ13C作为该特定冻土环境中夏季温度指标的可适用性，并为区域全新世夏季温度演变提供了独立检验。

研究区

研究地点位于青藏高原东北部祁连山中东部鄂尔滨地区。采样点沿黑河上游流域东岸的一条支流分布，地理坐标为北纬38.00°、东经100.92°，海拔3653 m（图1a-c）。该地区以半干旱高山气候为特征。表层土壤主要由粉质壤土组成，覆盖着相对高盖度的高山草甸植被。

冻土冰芯年代学

整个冻土冰芯主要由深色黏土层组成。上部主要由植被层和粉砂质壤土层组成，而芯底分布粉砂质砂层（图2a）。植物残体在冻土冰芯的上部和中部相对丰富，但随深度增加逐渐减少。基底部粉砂质砂层中未观察到明显的植物残体。

来自冻土冰芯的植物样本提供了七个放射性碳（1?C）测年结果（

影响冻土冰芯中植物来源δ13C值的因素

在以前的古气候重建中，δ13C代用指征主要用于重建冰期降水（Hatté等人，2001；Rao等人，2013）。较低温度抑制C?植物的生长，导致冰期植物群落以C?植物为主。在降水减少条件下，C?植物遭受水分胁迫，为减少水分损失而降低CO?吸收，导致δ13C正偏移（

结论

基于青藏高原东北部鄂尔滨冻土冰芯中保存的植物δ13C记录，我们建立了具有季节性约束的温度重建。通过整合现代校准、C?/C?植被校正和蒙特卡罗不确定性分析，本研究为全新世夏季气候变化提供了独立的陆地记录。重建记录显示自中全新世以来存在持续的夏季降温趋势。估计的夏季温度从距今6.0–7.8千年前的10.3 °C降至距今0–1.0千年前的7.5 °C，总体降温幅度约为2.8 °C。

数据可用性

本研究使用的同位素和TOC数据见附表S1-S3。

CRediT作者贡献声明

Wei Guo：写作—审阅与编辑，写作—初稿撰写，可视化，调查研究，形式分析，数据管理，概念化。Lide Tian：写作—审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。Bin Wu：方法论，调查研究，数据管理。Han Xie：调查研究，数据管理。Shuran Yang：调查研究，数据管理。

未引用参考文献

Chen等人，2013
Gu等人，2003
Kang等人，2010
Palazzi等人，2019
Wang等人，2008
Wang等人，2020
Youfeng等人，2008
Zhang等人，2003

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会影响本文所述工作。

致谢

本研究受国家自然科学基金资助（批准号：42271143）。感谢陈一良博士和唐明星硕士于2020年采集冻土冰芯样品，感谢韩佼佼博士、罗陈硕士和李士杰硕士在冻土样品处理方面的协助。

Wei Guo | Lide Tian | Bin Wu | Han Xie | Shuran Yang
云南大学西南联合研究生院，云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室，云南省国际河流与生态安全研究院，中国云南昆明 650500