PNAS：記錄與模擬集成研究解開“東亞石筍δ18O記錄缺失10萬年冰期-間冰期氣候旋回”謎題

深藏洞穴的石筍，如同大自然的“錄像帶”，忠實記錄了地球過去的氣候變遷。它的氧同位素（δ18O）信號，已成為研究氣候和環境變化的“金鑰匙”。在東亞季風區，華南中部的石筍δ18O記錄被長期視為響應夏季降水δ18O變化、指示亞洲夏季風強度變化的基準。然而，一個困擾科學界二十余年的謎題始終未解：為何華南中部甚至東亞石筍δ18O記錄未呈現出全球氣候系統中普遍存在的冰期-間冰期氣候旋回特征？它們究竟記錄的是什么氣候信號？

近日，中國科學院地球環境研究所黃土與氣候變化研究團隊，聯合西安交通大學、美國俄亥俄州立大學和南京大學等多家國內外研究機構，開展了地質記錄與數值模擬相結合的綜合研究，成功破解了這一“氣候謎題”。研究揭示，華南中部石筍δ18O記錄不僅保存了夏季降水的信號，還包含了冬、春、秋季等非夏季降水的信號。這一多季節“混合效應”的識別，為重新理解石筍δ18O記錄的氣候意義打開了全新視角。

現代觀測顯示，在華南地區，δ18O值偏負的夏季降水（6-8月）僅占全年降水的不足50%（圖1），而非夏季降水占比較高，且δ18O值顯著偏正。這意味著，長期以來將石筍δ18O簡單解釋為夏季降水δ18O信號的做法存在偏差，因為石筍主要是由不同季節降水混合的地下滴水形成。而評估這種夏季和非夏季降水的“混合效應”影響的關鍵難點，在于缺乏獨立記錄夏季降水δ18O信號的地質記錄。

圖1. 研究地點和區域氣候背景。

為此，研究團隊創新性地利用黃土沉積中的一種次生碳酸鹽——生物微鈣體（由植被根細胞被鈣化后形成的微小碳酸鈣顆粒，主要形成于夏季），重建了過去40萬年以來夏季降水δ18O變化歷史。結果顯示，雖然生物微鈣體δ18O記錄在2.3萬年歲差周期上與石筍δ18O記錄表現出相似的變化，但其在間冰期強夏季風時期出現了明顯偏負的δ18O值，展現出顯著的10萬年冰期-間冰期氣候周期特征（圖2C，藍色），與石筍δ18O記錄（圖2C，橙色）僅僅顯示2.3萬年歲差周期不同。這一差異首次明確揭示：華南中部石筍δ18O記錄確實受到夏季和非夏季氣候信號“混合效應”的顯著影響，不能簡單等同于夏季降水δ18O或夏季風強弱變化的信號。

圖2. 40萬年以來記錄對比。（A）深海有孔蟲δ18O記錄 (Lisiecki and Raymo, 2005)；（B）黃土高原西部黃土磁化率 (Sun et al., 2021)；（C）生物微鈣體δ18O記錄（藍色）和石筍δ18O記錄 (橙色，Cheng et al., 2016)；（D）夏季太陽輻射 (Laskar et al., 2004)。

數值模擬結果表明，強夏季風時期，雖然夏季降水的δ18O趨于偏負（通常被認為是夏季風增強的表現），但華南地區非夏季降水占全年降水的比重甚至超過60%，降低了夏季信號在石筍δ18O記錄中的“主導作用”，合理解釋了為何間冰期強夏季風時期δ18O值未展現出顯著偏負的狀況，掩蓋了10萬年冰期氣候旋回的節律。

這一新發現破解了我國東部石筍δ18O記錄研究中長期懸而未決的科學難題，強調了在解讀“自然氣候檔案”時要關注氣候季節性的關鍵作用。同時，該研究也為東亞和全球石筍δ18O記錄物理意義的再認識提供了新思路。

該成果發表在美國科學院院刊（PNAS）上。章澤科博士為第一和通訊作者，安芷生院士和蔡演軍教授為共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金、嶗山實驗室、中國科學院、西安交通大學和美國科學基金等項目的聯合資助。

Z. Zhang, Z. Liu, G. Li, Y. Cai, Q. Wen, H. Cheng, R. L. Edwards, J. Lei, H. Liu, Z. Jing, T. Li, S. C. Clemens, Y. Wang, Y. Sun, Z. Shi, L. Tan, S. Kang, X. Wang, Z. Jin, W. Zhou, and Z. An. Summer and nonsummer climatic signals in speleothem δ18O revealed by loess microcodium δ18O in East Asia. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.?122(28), e2425565122?(2025).

原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2425565122

數據鏈接：黃土科學數據中心（https://doi.org/10.12262/IEECAS.EAPSD2025006）