亚洲季风边缘地区树木年轮氧同位素记录及其对夏季季风演变的意义

《Quaternary Science Reviews》：Tree-ring oxygen isotopes across the Asian monsoon margin and their implications for summer monsoon evolution

　　

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  合成了反映夏季气候的两大区域树木年轮δ¹⁸O序列，覆盖亚洲夏季季风（ASM）边缘带。
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  中南部δ¹⁸O相关性在公元1912年左右从负相关转变为弱正相关。
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  南部δ¹⁸O主要响应西南夏季季风（SASM），中部δ¹⁸O则包含SASM与东亚夏季季风（EASM）的混合信号。
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  SASM自公元1808年起减弱，而EASM在1912年前增强，之后则减弱。

引言

亚洲夏季季风（ASM）是全球气候体系的关键组成部分，其年际和年代际变化深刻影响着东亚数十亿人口的水资源安全、农业生产和生态系统稳定性（Wang, 2006; Wang et al., 2024）。作为季风环流的过渡区，ASM边缘带具有显著的空时变异性，对季风强度的微小波动尤为敏感（Chen et al., 2018; Fang et al., 2024）。作为夏季季风水汽输送的北界，该区域在湿润的季风气候与干旱的内陆气候之间交替，使得此处的降水与湿度变化成为ASM强度及进退动态的放大器和记录器（An et al., 2015）。因此，研究该区域的古气候变化对于揭示季风动态机制以及理解自然气候变率与人为强迫之间的相互作用具有重要的科学意义。

仪器观测的时间跨度有限，无法捕捉单系统百年时间尺度上的长期演化模式和低频变率。因此，利用高分辨率古气候代用指标重建古气候已成为不可或缺的研究途径（Tierney et al., 2020; Esper et al., 2024）。在众多古气候代用指标中，树木年轮因定年精确、分辨率高、连续性好且空间分布广泛，在季风边缘带的气候重建中发挥着核心作用（He et al., 2019; Liu et al., 2019b）。目前，该区域的树木年代学主要依赖树木年轮宽度；通过大规模的区域综合，研究人员已成功重建了数百年来降水和气温的变化，极大推进了我们对季风边缘带湿度与温度演化过程的认识（Chen and Yuan, 2014; Kang and Yang, 2015; Liu et al., 2019a; Sun and Liu, 2019; Zeng et al., 2022）。然而，树木年轮宽度主要响应年降水量、生长季温度和干旱指数，其气候信号往往与非季风组分混合，限制了其对夏季季风核心变化进行精确刻画的能力。

相比之下，树木年轮稳定氧同位素（δ¹⁸O）为单气候研究提供了更为直接和全面的视角。叶片纤维素δ¹⁸O综合了源水（降水）的同位素组成和叶片蒸腾过程中的分馏效应，从而记录了多种气候参数，包括大尺度大气环流（即降水的水汽来源）、当地降水量、相对湿度和气温（Roden et al., 2000; McCarroll and Loader, 2004）。从理论上讲，季风边缘带的降水δ¹⁸O与夏季季风强度密切相关：强季风年份通常对应更负的降水δ¹⁸O（即量效应），使树木年轮δ¹⁸O成为表征历史夏季季风强度变化的理想代用指标（Liu et al., 2008; Grieβinger et al., 2011; Xu et al., 2012; Yang et al., 2021）。尽管以往研究已基于季风边缘带单点的树木年轮δ¹⁸O记录重建了当地降水和湿度的变化（Grieβinger et al., 2017; Wernicke et al., 2017; Liu et al., 2019c, 2022b, 2025; Cui et al., 2021; Ren et al., 2024），但单点记录无法有效地区分区域公共信号与局地噪声。树木年轮δ¹⁸O的多站点和大规模综合的缺乏，极大地限制了对ASM系统时空协同演化的全面理解。

为弥补这一研究空白，本研究系统汇编了ASM边缘带关键区域的七个树木年轮δ¹⁸O年代序列（图1a）。通过分别整合中部和南部边缘带的站点，建立了两个具有空间代表性的区域树木年轮δ¹⁸O序列。本研究的主要目标为：（1）阐明两个综合序列的局地与区域气候含义（如夏季降水量、相对湿度）并比较其异同；（2）探索中部与南部季风边缘带夏季气候变异的时空关联及其驱动机制；（3）基于这两个高分辨率区域代用指标揭示过去200年来ASM强度的时空演化。本研究首次从树木年轮δ¹⁸O的角度提供了季风边缘带南北协同变化的综合证据，为理解ASM的百年尺度变率提供了新的数据支撑和见解。

章节摘要

树木年轮稳定氧同位素

所有树木年轮δ¹⁸O采样点均分布在ASM边缘带（图1a），包括中部区域的三个站点（鄂尔多斯高原、武当赵、衡山）（Liu et al., 2019c; Wang et al., 2020a; Zhao et al., 2025）和南部区域的四个站点（昌都、竹拉山、弥美、新铺）（Grieβinger et al., 2017, 2019; Wernicke et al., 2017; An et al., 2022）。这些树木年轮δ¹⁸O记录均可靠地捕捉到了水气候信号，特别是夏季水气候的变化。

树木年轮δ¹⁸O的区域气候代表性

相关分析表明，中部边缘带的三个树木年轮δ¹⁸O序列之间存在显著相关性，南部边缘带的四个序列之间也存在显著相关性（表2；图S3和S4）。相比之下，中部与南部的同位素序列之间不存在显著相关性，表明这两组记录属于独立的变异单元，各自代表不同的区域同位素演化特征。相关分析揭示，每个PC1是

区域树木年轮δ¹⁸O对综合夏季气候与季风变化的启示

空间相关分析证实，中部和南部的区域树木年轮δ¹⁸O均能有效表征区域夏季气候和季风演化，对夏季降水量和SPEI具有重要的指示意义（图2）。ASM边缘带的单点树木年轮δ¹⁸O常用于重建单个气候变量；然而，其变异受到多种协同气候因子的制约（Grieβinger et al., 2017, 2019; Wernicke et al.,

结论

ASM边缘带的中部和南部区域树木年轮δ¹⁸O序列是独立的气候变异单元，能够可靠地指示夏季降水量和SPEI的变化，与夏季最高气温呈正相关，并表现出明显的区域代表性和空间局限性。在公元1808—2009年间，这两个δ¹⁸O序列整体相关性较弱，在公元1912年左右出现明显的状态转换，从显著负相关转变为弱正相关。

CRediT作者贡献声明

孙昌锋：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，可视化，验证，项目管理，方法论，形式分析，数据整理，概念构思。婧孟丹：撰写——原始草稿，可视化，方法论，形式分析，数据整理。吴旋：可视化，验证，形式分析，数据整理。王颖昕：可视化，验证，形式分析。刘宇：撰写——审阅与编辑，验证，项目管理。蔡秋芳：

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了陕西省自然科学基础研究计划（2024JC-YBMS-214）、国家自然科学基金（42673089、42361144712）、陕西省"三秦人才"特支计划（2024STZZK04）以及西安交通大学青年人才支持计划的资助。

Changfeng Sun|Mengdan Jing|Xuan Wu|Yingxin Wang|Yu Liu|Qiufang Cai|Huiming Song|Meng Ren|Qiang Li