工业革命前南半球砗磲贝壳揭示的季节性古环境变化

《Global and Planetary Change》：Seasonal palaeoenvironmental variability during pre-industrial times revealed by a Southern Hemisphere Tridacna Shell

　　

摘要

小冰期（LIA）末期代表了一个关键的工业化前气候区间，标志着 19 世纪中叶以来广泛人为变暖之前最后一次主要降温阶段。然而，关于这一转变的高分辨率证据仍主要由北半球档案主导，限制了对南半球低纬度海洋环境如何响应小冰期末期气候变率的理解。在这里，我们分析了一个在 18 世纪早期存活约 30 年的 Tridacna gigas（巨砗磲）贝壳，以提供澳大利亚北部大堡礁（GBR）热带南半球 Jiigurru 地区环境变率的高分辨率 30 年快照。来自贝壳内外层的稳定同位素记录（δ¹⁸O, δ¹³C）被应用于重建海表温度（SST）、降水变率和局部类似 ENSO 的事件。我们的结果表明，与小冰期相关的降温延伸到了北部大堡礁。在恒定现代海表盐度（SSS）衍生的 δ¹⁸O_Seawater 基线下，重建的 SST 比现代仪器记录低约 0.9–1.2 °C，而月度 SSS 校正敏感性重建将这一估计值降低至约 0.6–0.9 °C。这些结果表明，该热带南半球地点的小冰期末期降温幅度小于许多北半球重建结果。贝壳 δ¹³C 表现出显著的季节性变率，与降水相关的水文气候季节性一致。统计分析揭示，SST 和水文气候变率均存在明显的两到三年周期性，其中 18 世纪末期类似厄尔尼诺的事件更为频繁，而 19 世纪早期类似拉尼娜的条件更强。因此，这 30 年的 Tridacna 记录提供了一个罕见的高分辨率季节性海洋档案，用于评估小冰期终止期间南半球的气候变率。

引言

自 19 世纪中叶工业革命开始以来，人为温室气体排放导致了全球气温的史无前例的上升，标志着现代气候变暖的开始（IPCC et al., 2023）。理解这一快速变暖之前的气候系统自然变率，对于评估人为气候变化的完整程度和轨迹至关重要。工业化前最显著的降温时期之一是小冰期（LIA），跨度从 13 世纪初到 1850 年代。与当前持续变暖影响下的全球平均温度相比，基于多代用古环境重建，小冰期末期的平均温度低约 1.0 至 1.5 °C（IPCC et al., 2023; Mann et al., 1998; PAGES 2k Consortium, 2019）。尽管小冰期和随后的工业时代变暖通常被视为全球性现象，但记录这些事件的多数古环境重建数据来源于北半球的高纬度和大陆档案（Hendy et al., 2002; PAGES2k Consortium et al., 2017）。因此，我们对南半球低纬度热带和亚热带海洋系统如何响应小冰期末期气候变率的理解存在显著空白，特别是在海洋系统中。因此，从南半球低纬度热带和亚热带海洋环境中开发高分辨率古环境记录，对于完善我们对小冰期降温及随后与工业革命相关的变暖的空间范围、气候影响和人类 - 环境相互作用的理解至关重要。

硬体年代学提供了一种重要手段，可生成用于高分辨率古环境重建的古气候数据（Butler and Sch?ne, 2017; Oschmann, 2009; Peharda et al., 2021; Trofimova et al., 2020）。当古环境数据可从考古样本中重建时，记录可延伸至过去的许多年份，为长期气候动态与人类活动之间的相互作用提供新的见解（Peharda et al., 2021; Prendergast et al., 2018）。

Tridacna spp.（砗磲属）的贝壳，也称为巨蛤，提供了古环境数据的优秀档案。该物种是世界上最大的双壳类软体动物，长度可达 120 厘米，重达 230 公斤（Mies et al., 2017; Rosewater, 1965）。Tridacna 在印度洋 - 太平洋区域的温暖浅海中有广泛分布（Othman et al., 2010），具有相对较高的生长率，在长达 60 年以上的寿命期内，贝壳内产生月度甚至日期的增量（Dong et al., 2025b; Warter et al., 2015; Watanabe et al., 2004; Watanabe and Oba, 1999）。这使得能够以非常高的时间分辨率将生长模式与配对的地球化学记录进行比较（Dong et al., 2025a; Sano et al., 2012; Watanabe and Oba, 1999; Yan et al., 2020）。对 Tridacna 贝壳地球化学成分的分析现已用于重建海表温度（SST）（Aharon and Chappell, 1986; Arias-Ruiz et al., 2017; Aubert et al., 2009; Elliot et al., 2009; Reuter et al., 2022; Wang et al., 2022; Yan et al., 2015; Yan et al., 2014）、海表盐度（SSS）（Ayling et al., 2015; Batenburg et al., 2011; Watanabe and Oba, 1999）、溶解无机碳（DIC）（Elliot et al., 2009; Romanek and Grossman, 1989）、日照（Ayling et al., 2015; Hori et al., 2015; Sano et al., 2012）、降雨（Arias-Ruiz et al., 2017; Batenburg et al., 2011）、海洋初级生产力（Elliot et al., 2009; Komagoe et al., 2018; Warter et al., 2015）、极端天气事件（Komagoe et al., 2018; Yan et al., 2020; Zhao et al., 2023）以及厄尔尼诺 - 南方涛动（ENSO）现象的变化（Arias-Ruiz et al., 2017; Duprey et al., 2014; Duprey et al., 2012; Hu et al., 2020; Liu et al., 2019; Zhou et al., 2022），涵盖多个年代。

在这里，我们呈现了一项来自澳大利亚北部大堡礁（GBR）30 年的超高分辨率季节性古环境变率代用记录，该记录衍生自一个 Tridacna gigas。该贝壳生长于小冰期的最后阶段，就在与工业革命相关的、以及 1850 年代欧洲殖民澳大利亚所引发的人为变暖开始之前。我们应用稳定同位素代用指标，包括来自内外壳层的 δ¹⁸O 和 δ¹³C，来重建海表温度、与降水相关的水文气候变率以及局部 ENSO 类变率。这些重建提供了 Jiigurru 环境条件的高分辨率 30 年窗口，为小冰期终止阶段贡献了特定地点的南半球证据。作为首个采用硬体年代学档案捕捉工业时代变暖初期季节性气候动态的研究，本研究有助于填补当前古气候重建记录中主要的空间和时间空白。我们的发现有助于生成对自然气候变率更全面的理解，并改善对当今气候变化的背景化分析，从而支持变暖世界中的未来适应策略。

章节片段

采样地点

2015 年，在澳大利亚大堡礁中陆架区域的 Jiigurru（蜥蜴岛群）泻湖中的一个珊瑚礁（14° 40′ 48.32“ S, 145° 26’ 42.09” E）上采集了一个已死亡的 Tridacna gigas 单壳暴露贝壳（样本 21GC）（图 1）。Jiigurru 及该岛群中的相邻岛屿围合了一个大型泻湖，拥有广泛的边缘礁和丰富的 Tridacna 种群。Jiigurru 在原住民文化中扮演并曾经扮演着一个重要的场所

贝壳的绝对年龄

21GC-Outer、21GC-Mid 和 21GC-Inner 的 AMS 传统 ¹⁴C 年龄分别为 460 ± 25、500 ± 25 和 510 ± 25 yr BP （表 1）。结果使用 OxCal（v.4.4）（Bronk Ramsey, 2009）和 Marine20 校准数据集（Heaton et al., 2020）进行校准，并使用 Ulm et al.（2023）推荐的区域 ΔR 为 -197 ± 56 yr。校准后的中位年龄结果表明，该蛤蜊生活在大约公元 1785–1827 年，与小冰期的结束相吻合。

硬体年代学结果

内壳和外壳层

内外壳记录的比较：优势、局限及其对古环境重建的启示

内壳的重新采样 δ¹⁸O 剖面揭示了 22 个明显的年度周期；然而，22 至 30 年年龄段的 δ¹⁸O 变化范围远小于前 22 年生长期间的变化范围 （图 4a）。这可能反映了固定宽度等距铣削与老年段贝壳生长较慢的组合，导致每个样本整合了更长时期的碳酸盐沉积，从而平滑了季节性 δ¹⁸O 峰值和谷值（Ayling et al., 2015）。δ¹⁸O 信号

结论

本研究从 Tridacna 贝壳中衍生的硬体年代学和硬体化学代用指标提供了南半球工业化前时期季节性尺度古环境变率的 30 年高分辨率快照。这加强了 Tridacna 贝壳代用指标提供高分辨率古环境和古 ENSO 记录的巨大潜力，使进一步详细研究古环境变化及其与人类的相互作用成为可能

CRediT 作者贡献声明

Bohao Dong： 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。 Amy Prendergast： 撰写 – 审阅与编辑，调查，资金获取，概念化。 Sean Ulm： 撰写 – 审阅与编辑，资金获取。 Kotaro Shirai： 撰写 – 审阅与编辑，数据管理。 Russell Drysdale： 撰写 – 审阅与编辑，方法论。 Ian McNiven： 撰写 – 审阅与编辑。 Vladimir Levchenko： 撰写 – 审阅

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的 competing financial interests 或 personal relationships 会影响或可能被感知为影响本文报告的工作。

致谢

本研究由澳大利亚研究理事会澳大利亚生物多样性与遗产卓越中心（CE170100015）和澳大利亚研究理事会原住民与环境历史与未来卓越中心（CE230100009）支持。BD 由墨尔本大学的墨尔本研究奖学金和澳大利亚核科学与工程研究所（AINSE）有限公司的研究生研究资助（PGRA）（ALNSTU12820）支持。AP 由

Bohao Dong|Amy Prendergast|Sean Ulm|Kotaro Shirai|Russell Drysdale|Ian McNiven|Vladimir Levchenko|Henri Wong|Mark Meekan

澳大利亚墨尔本大学地理、地球与大气科学学院