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(huán)境變化的“金鑰匙”。在東亞季風(fēng)區(qū)，華南中部的石筍δ18O記錄被長期視為響應(yīng)夏季降水δ18O變化、指示亞洲夏季風(fēng)強度變化的基準(zhǔn)。然而，一個困擾科學(xué)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(xiàn)出全球氣候系統(tǒng)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(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與氣候變化研究團(tuán)隊，聯(lián)合西安交通大學(xué)、美國俄亥俄州立大學(xué)和南京大學(xué)等多家國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)，開展了地質(zhì)記錄與數(shù)值模擬相結(jié)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(jié)“混合效應(yīng)”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(xiàn)代觀測顯示，在華南地區(qū)，δ18O值偏負(fù)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(jié)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(yīng)”影響的關(guān)鍵難點，在于缺乏獨立記錄夏季降水δ18O信號的地質(zhì)記錄。

圖1. 研究地點和區(qū)域氣候背景。

為此，研究團(tuán)隊創(chuàng)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(xì)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(jié)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(xiàn)出相似的變化，但其在間冰期強夏季風(fēng)時期出現(xiàn)了明顯偏負(fù)的δ18O值，展現(xiàn)出顯著的10萬年冰期-間冰期氣候周期特征（圖2C，藍(lán)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(yīng)”的顯著影響，不能簡單等同于夏季降水δ18O或夏季風(fēng)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(lán)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(shù)值模擬結(jié)果表明，強夏季風(fēng)時期，雖然夏季降水的δ18O趨于偏負(fù)（通常被認(rèn)為是夏季風(fēng)增強的表現(xiàn)），但華南地區(qū)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(dǎo)作用”，合理解釋了為何間冰期強夏季風(fēng)時期δ18O值未展現(xiàn)出顯著偏負(fù)的狀況，掩蓋了10萬年冰期氣候旋回的節(jié)律。

這一新發(fā)現(xiàn)破解了我國東部石筍δ18O記錄研究中長期懸而未決的科學(xué)難題，強調(diào)了在解讀“自然氣候檔案”時要關(guān)注氣候季節(jié)性的關(guān)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(rèn)識提供了新思路。

該成果發(fā)表在美國科學(xué)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(xué)基金、嶗山實驗室、中國科學(xué)院、西安交通大學(xué)和美國科學(xué)基金等項目的聯(lián)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(shù)據(jù)鏈接：黃土科學(xué)數(shù)據(jù)中心（https://doi.org/10.12262/IEECAS.EAPSD2025006）