气候因素调控了全新世时期青藏高原南部植被演变的模式，这一变化通过δ13C（碳-13同位素）的有机物质记录得以体现

《Global and Planetary Change》：Climatic forcing regulates Holocene vegetation patterns recorded by δ13C org on the southern Tibetan Plateau

　　

摘要

作为世界上海拔最高、面积最大的高原，青藏高原（TP）对区域和全球生态环境的演变具有至关重要的影响。土壤有机碳同位素（δ¹³C_org）是重建不同气候条件下C₃/C₄植被动态的宝贵指标。然而，通过δ¹³C_org推断的古植被历史及其受气候的影响仍然知之甚少。本研究调查了青藏高原南部雅鲁藏布江流域（YZRB）的两个全新世风成沉积物剖面（SGX和HZ），首次深入探讨了δ¹³C_org的变化以及估计的C₃/C₄植物的相对丰度。现代地表土壤分析显示，在混合C₃/C₄植被条件下，δ¹³C_org值与年平均温度之间存在强烈的正相关（R?=?0.55, P?3/C₄植被，其中C₄植物的相对丰度在全新世中期分别达到了20.2%和20.0%的峰值。从时空上看，SGX剖面位于印度夏季季风（ISM）边缘带，同时受到中纬度西风（MLW）和ISM的影响，其C₄植被的扩张主要受到全新世全球变暖（由冰川体积减少和温室气体升高驱动）的影响。相比之下，HZ剖面位于MLW-ISM过渡区内，这里的中全新世C₄植物扩张无法区分降水调节的影响，因此反映了温度和降水的协同控制作用。我们的结果证实了高海拔地区存在C₄植被，并阐明了调节青藏高原全新世植被变化时空模式的气候驱动因素。

引言

青藏高原（TP）被誉为“世界屋脊”和“地球第三极”，其平均海拔超过4000米，过去几十年的升温速度是全球平均水平的两倍，这使得它成为一个对气候变率高度敏感且至关重要的生态系统（Immerzeel et al., 2010; Lu et al., 2026）。该地区的植被变化不仅直接响应水热条件，还为古海拔重建提供了关键线索（Miao et al., 2022; Han et al., 2026），并揭示了不同时间尺度上古生态系统与气候波动之间的相互作用关系（Ma et al., 2019; Chen et al., 2020; Huang et al., 2025; Zhao et al., 2025）。这些变化对于理解气候-植被反馈机制以及人类-环境关系在区域和全球尺度上的演化具有重要意义（Zhang et al., 2022a; Chen et al., 2024; Li et al., 2025; Yang et al., 2025a）。

一个关键方面是植被类型，其演替与气候条件密切相关，C₃和C₄植物具有不同的生态偏好（Thomas et al., 2014; Jiang et al., 2019; Ma et al., 2023; Chen et al., 2025; Dong et al., 2025）。理论上，C₄植物在低水分、低CO₂浓度和相对较高温度的条件下具有生长优势，而C₃植物则在相反条件下繁茂，这为古环境重建提供了重要基础。土壤有机质（SOM）主要来源于上覆植被，因此其稳定的碳同位素组成（δ¹³C_org）在很大程度上反映了地表植物的同位素组成（Wang et al., 2008）。同位素组成直接由C₃和C₄植物的相对贡献决定。由于C₃/C₄植被的分布主要受温度、降水和CO₂浓度的影响，δ¹³C_org成为重建古植被和古气候的可靠指标（Feng et al., 2008; Rao et al., 2017; Zhang et al., 2020; Wu et al., 2024; Zeng et al., 2024; Dong et al., 2025）。例如，在以纯C₃植物为主的地区，土壤δ¹³C_org的变化主要由降水主导，并已被广泛用于重建古降水量（Xie et al., 2018; Wang et al., 2019; Yang et al., 2021a; Zan et al., 2024）。温度也在土壤δ¹³C_org变化中起重要作用，因为它依赖于C₃/C₄植物的存在（Rao et al., 2012; Qi et al., 2021; Wu et al., 2024; Zeng et al., 2024）。在青藏高原上，C₃/C₄植物的相对丰度通常反映了温度和降水的综合作用（Zhao et al., 2017; Feng et al., 2022; Wang et al., 2022; Ma et al., 2023; Chen et al., 2025），尽管也有研究发现CO₂浓度的影晌较小（Lv et al., 2004; Wei and Jia, 2009; Chen et al., 2025; Yang et al., 2021a）。这在很大程度上增加了解释δ¹³C_org变化的复杂性，因为一次变化可能对应于青藏高原上的多种气候情景，使得植被变化和潜在的气候演变难以确定，限制了我们对它们响应机制的理解。

雅鲁藏布江流域（YZRB）位于青藏高原南部，在这一生态脆弱且气候敏感的区域，植被变化对水热动态的影响尤为重要，该地区以其广泛、保存良好的全新世风成沉积物而闻名（Gao et al., 2022; Xia et al., 2023; Yang et al., 2025b; Zhang et al., 2025），是研究过去植被演化和气候响应的重要档案。然而，目前对该地区全新世风成沉积物中δ¹³C_org变化的研究仍存在显著局限。首先，由于受印度夏季季风（ISM）增强和中纬度西风（MLW）减弱的影响，YZRB风成沉积物中δ¹³C_org的系统研究较为匮乏（Yang et al., 2021b, Yang et al., 2023, Yang et al., 2025c）。其次，C₃/C₄植物动态与多种因素（如温度、降水）之间的耦合关系以及它们对全新世全球气候变化的响应尚未得到解决。为了解决这些研究空白，我们从西向东选取了YZRB的两个全新世风成沉积物剖面，该地区的东西向大气环流为解析植被-气候响应的空间异质性提供了自然背景。通过分析δ¹³C_org变化来重建C?/C?植物的相对丰度，旨在：1）研究全新世C₃/C₄动态的模式；2）揭示温度和降水对植被变化的相对贡献；3）阐明它们对全新世气候波动的响应机制。这种方法对于理解青藏高原南部全新世气候演化具有巨大潜力。

章节摘录

地理背景和风成沉积物剖面

YZRB位于青藏高原南部（28°59′?~?30°34′ N, 82°32′?~?94°28′ E）（图1a）。该地区东西向延伸范围内的大部分区域平均海拔超过4000米，并且海拔逐渐升高。根据YZRB下游的水汽流动通道，ISM从印度洋带来大量水汽，导致6月至9月期间年平均降水量（MAP）超过60%，之后逐渐出现降温和干燥趋势。

δ¹³C_org 和 TOC 测量

在实验室中，先去除现代植物残渣和根部，然后将样品在室温下风干，再用玛瑙研钵和杵研磨通过100目筛子。制备占坩埚体积2/3的样品，然后用10% HCl处理6小时，然后在80°C的水浴中加热2-3小时，以完全去除碳酸盐。处理后的样品在pH值大于5的情况下反复用蒸馏水冲洗，再在80°C以下干燥。

地表土壤δ¹³C_org值与现代温度和降水的关系

本研究采用线性回归方程分析了489个地表土壤样本的δ¹³C_org值与每个采样点的现代温度和降水量数据之间的关系。对于纯C₃植被覆盖的样本（δ¹³C_org值≤?24‰），土壤δ^{13C_org与年平均温度（MAT）呈显著负相关（y?=??0.11×-25.18, R?=?0.48，图2a），与年平均降水量（MAP）也呈较弱但仍然显著的负相关（y?=??0.003×-23.82, R?=?0.51，图2b）。}

全新世δ¹³C_org动态的风成沉积物差异

青藏高原南部的风成沉积物主要来源于当地松散沉积物，常与大规模冰川和河流沉积物相关（Yang et al., 2021b, Yang et al., 2025b; Liu et al., 2024）。这种沉积物来源固有的风险是可能存在来自上游流域的重络老化有机碳。确实，先前的研究报告了大量有机物的放射性碳年龄偏差，范围从700年到4050年不等。

结论

通过分析两个风成沉积物剖面中的δ¹³C_org，我们展示了青藏高原南部全新世植被变化的空间和时间模式，并公布了489个地表土壤样本的δ¹³C_org数据。我们的发现证实δ¹³C_org是追踪高海拔地区植被变化的可靠指标，在混合C₃/C₄植被覆盖下，地表土壤δ¹³C_org值与年平均温度呈强烈正相关（R?=?0.55, P?

CRediT 作者贡献声明

王淑媛：撰写——初稿编写、研究、资金获取、数据管理、概念构思。杨俊淮：撰写——审稿与编辑、研究、概念构思。高福媛：撰写——审稿与编辑、研究、概念构思。毕成：数据管理、概念构思。陈子轩：研究、概念构思。赵永涛：撰写——审稿与编辑、概念构思。苗云发：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号42501193、42325204、42488201）和甘肃省博士后计划（项目编号25JRRA543）的支持。我们感谢青藏高原风成尘埃研究组的所有成员在野外调查中的帮助，以及王根在手稿准备期间的宝贵讨论。特别要缅怀已故的夏敦生教授，他提供了深远的支持和慷慨的帮助。

王淑媛|杨俊淮|高福媛|毕成|陈子轩|赵永涛|苗云发中国科学院西北生态环境资源研究院干旱地区生态安全与可持续发展国家重点实验室，中国兰州730000