中原核心区全新世气候变化的高分辨率定量重建

主要成果简介（参与人：冯兆东，陈亮，李洪彬，刘畅，雍紫娟 等）

研究结果（1）：重建资料显示（图1c）：早全新世（约11.4-7.8 cal. ka BP）的降水量高于全新世的平均值，中全新世（约7.8-5.0 cal. ka BP）的降水量明显低于全新世的平均值。晚全新世前期（约5.0-2.8 cal. ka BP）的降水量明显高于全新世的平均值，而晚全新世后期（约2.8-1.2 cal. ka BP）的降水量低于全新世的平均值。区域对比表明，中原地区的全新世气候在某些时段与南方地区（长江中下游地区）相似（图1a和1b），而在另一些时段与北方地区（黄河下游以北的紧邻区域）相似（图1d和1e）。例如，中原地区约8.0-5.0 cal. ka BP是全新世降水最少的时段，其基本上对应于南方地区的干旱时段；中原地区约5.0-2.8 cal. ka BP是全新世降水最多的时段，其对应于北方地区的较湿润时段。受现代夏季风影响区降水带的南北迁移与西太平洋副热带高压的南北迁移密切相关的启发（Ding等，2008），饶志国等认为（Rao等，2016），中全新世南方涛动（ENSO）的减弱（图2f）导致了西太平洋副热带高压的北移；北移了的副热带高压的东翼延伸到长江中下游和淮河流域，从而导致了那里降水的大幅度减少。

图1. (c)中原地区的全新世降水重建（Li等，2023）；(a)南部地区固城的重建（Li等，2018）；(b)南部地区大九湖的重建（Sun等，2019）；(d)北部地区公海的重建（Chen等，2015）；(e)北部地区岱海的重建（Xu等，2010）；(f)热带太平洋东海岸类胡萝卜素通量率记录的南方涛动（ENSO）强度（Rein等，2005）。最右行的上图和下图显示弱东亚夏季风条件下（1951-1978年）中国东部的降水模式（Ding等，2008），该模式被视为早全新世和晚全新世的降水模式（Rao等，2016）。最右行的中间图显示了中国东部在强东亚夏季风条件下（1979-1992年）的降水模式，该模式被视为中全新世的降水模式。

研究结果（2）：重建资料显示（图2c），在资料覆盖时段（约8.08-4.76 cal. ka BP），洛阳盆地经历了三个干旱期：约8.08-7.35，约6.42-5.59，约4.94-4.76 cal. ka BP（其间为两个湿润期：约7.35-6.42和约5.59-4.94 cal. ka BP）。区域对比显示，洛阳盆地的较干时段（图2c）与南方地区（长江中下游地区）的干旱时段基本对应（图2d和2e），而与北方地区（黄河下游以北的紧邻区域）没有对应关系（图2f和2g）。我们还将洛阳盆地的降水重建（图2c）与西太平洋暖池的温度（图2a和2b）进行了对比。对比结果显示：西太平洋暖池的较高温（较低温）时段很好地对应于洛阳盆地的较干（较湿）时段。这意味着：在资料覆盖时段，与南方涛动相关的西太平洋暖池温度很可能也驱动了西太平洋副热带高压的南北向移动，从而驱动了东亚夏季风雨带的南北向移动。

图2. (a)西太平洋暖池的全新世海面温度；(b) 西太平洋暖池的中全新世（约8.5-4.5 cal.ka BP）海面温度；（c）基于孢粉的中原地区洛阳盆地（陶家村）中全新世降水重建（Yong等，2023）；（d）南方地区巢湖的重建（Li等，2018）；（e）南方地区大九湖的重建（Sun等，2019）；（f）北方地区公海的重建（Chen等，2015）；（g）北方地区岱海的重建（Xu等，2010）。

研究结果（3）：我们将邻近的马沟洞的石笋δ¹³C序列（作为土壤有效湿度的代用指标）与TC剖面的平均粒径序列和CaCO₃含量序列进行了数据重叠期（~11700到~5890 cal. a BP）的相关分析（图3a）。我们还将数据重叠期以~10135 cal. a BP为界分为两段。我们发现，后期阶段（即~10135到~5890 cal. a BP），马沟洞的δ¹³C序列与TC剖面的代用指标数据序列的相关性明显增强。具体而言，在~10135到~5890 cal. a BP期间，马沟洞的δ¹³C序列与平均粒径的相关系数为-0.525（图3b），与CaCO₃含量的相关系数为0.411（图3c）。这表明马沟洞石笋δ¹³C信号指示的土壤有效湿度在~10135到~5890 cal. a BP期间与TC剖面的水文气候信号较为紧密地耦合在一起。这种耦合关系表明，随着土壤有效湿度的增加，田村古湖泊蒸发与降水的比值减小，CaCO₃含量降低。这也表明，当土壤有效湿度增加（δ¹³C值越偏负）时，更多的河水输入古湖泊，从而导致湖泊沉积物粒径变粗。进一步分析还表明，在全新世前半段（~11700到~5890 cal. a BP），洛阳盆地的水文气候存在千年-百年-十年际的周期性水文气候变化。具体而言，平均粒径通过99％置信水平检验的周期有~1530 a、~692 a、~538 a、~217 a、~170 a和123 a；CaCO3含量通过99％置信水平检验的周期有1380 a、202 a、184 a、169 a和85 a。这些周期与广泛报道的太阳活动周期基本吻合。

图3. 中原地区的季风变化与洛阳盆地古湖水文气候变化的关系.a.马沟洞石笋的全新世δ¹³C记录（Cai 等，2021）；b.全新世前半段马沟洞石笋δ¹³C记录与TC剖面平均粒径的对比(Chen等，2023)；c.全新世前半段马沟洞石笋δ¹³C记录（Cai 等，2021）与TC剖面CaCO₃含量的对比(Chen等，2023)。

研究结果（4）：中原地区荥阳盆地由正构烷烃推演的全新世湿度变化（图4（e）和（f））：中原地区全新世早期（~10至~7.0 cal ka BP）是湿润阶段，全新世中期（~7.0至~4.0 cal ka BP）是干旱阶段，晚全新世前段（~4.0至~2.4 cal ka BP）是湿润时段，晚全新世后段（~2.4至~1.1 cal ka BP）是干旱时段。中原地区全新世中期干旱时段（~7.0至~4.0 cal ka BP或~8.0至~5.0 cal ka BP）与长江中下游地区全新世中期干旱时段对应（图4（a）、（b）、（c）和（d））。这一全新世中期的干旱时段较好地对应了ENSO强度较高值和赤道西太平洋SST较低温阶段。控制上述“EASM影响下的中国中部地区全新世湿度空间格局”的主要机制可能是ENSO状态以及由ENSO调控的WPSH的南北向移动。

图4. 中原地区（即荥阳盆地和渑池盆地）与长江中下游地区以及中国北方地区的湿度代用指标对比（（a）为固城降水量（Li等，2018）；（b）为南漪湖CIA (化学蚀变指数)（Liu等，2021）；（c）为巢湖降水量（Li等，2018）；（d）为大九湖降水量（Sun等，2019）；（e）和图（f）分别为荥阳盆地ACL指数和C₂₇₊₂₉/C₃₁₊₃₃比值（本研究）；（g）和（h）分别为渑池盆地木本花粉（%）和禾本科/(蒿属+藜科)比值（李洪彬等，2023）；（i）为毛乌素沙地降水量（Chen等，2023）；（j）为公海降水量（Chen等，2015）；（k）为岱海降水量（Xu等，2010）；（l）为齐盖淖尔降水量（Sun和Feng，2013））