PNAS│最新研究：树轮稳定氧同位素记录的过去6700年亚洲夏季风降水减少趋势和气候突变事件
发表日期:2021-07-23来源：
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气候变化对生态系统和人类社会产生了深远的影响。尽管气候变化与人类社会的相互关系错综复杂，但适宜气候（如温暖、湿润）往往伴随着文明的兴起，而恶劣气候（如寒冷、干旱）则与社会动荡、人口迁移和文明更迭密切相关。然而，由于缺乏超长的高精度气候代用资料，亚洲夏季风（Asian summer monsoon, ASM）对区域生态环境变迁、社会发展和人类文明兴衰的影响机制仍不清楚，学术界尚无定论。利用树轮年代学建立定年准确、高分辨率、气候信号明确、超长亚洲夏季风降水序列为我们解答这一科学问题提供了契机。
中国科学院西北生态环境资源研究院（简称西北研究院）杨保研究员率领其团队与国外合作者通过对青藏高原东北部德令哈地区53棵祁连圆柏共9526个树轮同位素样品测试分析，在对实验室间测量值、样品混合与否、采样点间海拔梯度大小、样本幼龄效应以及不同测量时间分辨率的多方位考量基础上，从样本量、信噪比上确保氧同位素序列的重建精度和重复性，最终建立了目前世界上最长、复本良好的6700年（4680 BCE-2011CE）树轮稳定氧同位素高分辨率（1~5年）年表（图1）。在校准时段（1956-2011 CE），树轮氧同位素序列与德令哈年降水（上年8月至当年7月）记录显著相关（r = -0.70，p < 0.01），解释了器测记录49%的方差。据此重建了过去6700年的全频谱（年-千年）亚洲夏季风降水变化历史（图2）。重建序列改善了其它代用资料对全新世气候环境演变的刻画精度，尤其在年际-百年尺度上。
研究发现，自全新世中期以来年降水总体呈减少趋势，与其它代用资料所反映的长期趋势基本一致，认为轨道强迫是其主要驱动因子。同时，树轮稳定氧同位素资料可以记录千年或数千年尺度的低频气候信息，这在树轮气候学上是一项重要的发现。1675 BCE-1185 BCE期间发生严重的大干旱，该时期年平均降水量比全新世中期（4680 BCE-3000 BCE）减少42 ± 4%。全新世中期（4680 BCE-3000 BCE）年平均降水比长期平均高约40%，比现代（1956-2011 CE）高约63%。全新世中期（4680 BCE-3000 BCE）的ASM范围比现代（1956-2011 CE）向西北至少推移了300公里。另一个较长的干旱期发生于346-763 CE，与晚古小冰期（Late Antique Little Ice Age）对应，是中全新世以来最干旱的时期，但在约544 CE前后干旱趋势发生了逆转。该研究不支持所谓的“4.2ka”全球大干旱事件的观点。此外，降水重建序列显示年降水变率巨大，其变化幅度为-50%~50%。
亚洲夏季风强弱变化可能对中国北方生态环境和人类文明产生了重大影响（图2）。气候湿润且稳定的全新世中期，促进了仰韶文化的扩张。始于约2000 BCE、于1500 BCE达到干旱顶峰的气候突变事件，标志着全新世中期到晚期的过渡。在此期间，降水趋于减少，年降水极值年在几十年内多次发生重大的变化。例如，年降水从1990 BCE年的309毫米降低至1950 BCE年的47毫米，以及从1715 BCE年的313毫米降低至1675 BCE年的95毫米，二者仅历时40年。这一时期中国北方森林衰退，风沙活动增强，人口大规模迁徙（人类定居点遗址面积萎缩，数量剧减），中国北方新石器时代的文明发生了重大转型（如齐家文化解体）。
该研究成果可作为其他较低分辨率记录和气候模式模拟结果的校准标尺，有望推动古气候数值模拟工作和古气候领域的发展，同时为深入理解亚洲夏季风对区域生态环境和人类社会发展的影响机制提供了科学基础。西北研究院杨保研究员为本文第一作者，并列与挪威奥斯陆大学Nils Chr. Stenseth教授为共同通讯作者。参与该项研究的还有来自德国、英国、美国、瑞典、捷克、瑞士、加拿大等大学或科研院所，以及兰州大学、南京师范大学、中国科学院南京地理与湖泊研究所等国内外的知名专家教授。
该成果近日以 Long-term decrease in Asian monsoon rainfall and abrupt climate change events over the past 6,700 years 为题发表于美国国家科学院院刊 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）。该研究获国家自然科学基金项目（Grant Nos. 41520104005，41888101）、the Belmont Forum and the Joint Programming Initiative-Climate, Collaborative Research Action项目（NSFC Grant No. 41661144008; UK Natural Environment Research Council Grant No. NE/P006809/1）等共同资助。
图1 德令哈（DLH）4680 BCE—2011CE祁连圆柏全频谱（年-千年）树轮稳定氧同位素年表。a.44条祁连圆柏树轮 δ18O 序列；b. DLH树轮稳定氧同位素年表（蓝线）及其三阶多项式拟合曲线（黑线）和 30°N–60°N 太阳辐射量（7月，红线）；c. DLH树轮 δ18O年表的样本量（Sample depth）、样本对总体的代表性（Expressed population signal, EPS）及样本间平均相关系数（Rbar）的时间分布图
图2 德令哈（DLH）树轮 δ18O重建的中全新世以来年（上年8月至当年7月）降水变化曲线及与古代文明更迭对比图。a.器测记录（蓝色）和树轮δ18O重建降水（红色）在1956-2011年共同时段的比较；b.6700年重建降水序列（蓝色）及其 95%置信区间（浅蓝色阴影）；c.重建降水序列识别的极端干旱和湿润年份；d.重建降水100 年滑动标准差序列；e.青藏高原东北部和中国北方史前文化对气候变化的响应时间分布图
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