石笋中的氧和碳同位素的不同响应揭示了在海洋同位素阶段4向阶段3过渡期间，南北半球气候变化的相位差异

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Different responses of stalagmite oxygen and carbon isotopes reveal interhemispheric phasing of climate during the Marine Isotope Stage 4 to 3 transition

本研究利用中国央元洞230Th定年获得的高精度δ1?O和δ13C记录，揭示末次冰期DO事件期间跨半球相位关系，发现北半球驱动主导，挑战南方半球主导假说。

　　

陈公哲|黄浩翔|陈世涛|杨舒|王振军|王永进|王献锋

中国南京师范大学气候系统预测与风险管理国家重点实验室，南京210023

摘要

古气候记录中的年代不确定性继续掩盖了上一个冰期丹斯加德-奥施格（Dansgaard–Oeschger, DO）事件在两个半球之间的相位关系及其驱动机制。本研究提供了来自中国中部永兴洞的高精度²³⁰Th测年石笋记录（YX53），时间跨度为64.4–52.5千年前，涵盖了第18至14次DO事件。结果表明，石笋中δ¹⁸O的变化与热带降水量、热带辐合带位置以及南极温度的记录在事件结构上高度吻合，表明存在热带-南半球的气候信号。相比之下，δ¹³C的变化模式与格陵兰温度和尘埃变化相似，表明其主要响应了北大西洋的气候变化。通过分析同一石笋中δ¹⁸O和δ¹³C之间的相位关系，本研究直接评估了这些气候信号在统一年代框架下的相对时间顺序。我们还通过应用亚十年采样、更严格的统计标准以及洞内交叉验证来提高相位分析的客观性。结果显示，在DO事件开始时，δ¹³C的变化并未滞后于δ¹⁸O的变化。这表明在十年时间尺度上，北大西洋的气候变化并没有滞后于热带和南半球的响应，从而挑战了“南半球是海洋同位素阶段4到3转变期间突发事件的驱动因素”的假设。

引言

在上一个冰期，格陵兰冰芯揭示了20多次被称为丹斯加德-奥施格（Dansgaard–Oeschger, DO）事件的突然变暖事件，这些事件在全球范围内也有众多记录（Andersen等人，2004年；Barbante等人，2006年；Chen等人，2016年；Deplazes等人，2013年）。Blunier和Brook（2001年）利用甲烷对齐技术将格陵兰和南极冰芯的δ¹⁸O记录进行了同步，并发现当格陵兰变冷时，南极温度逐渐上升，而南方的冷却则是在北方温度突然升高后立即开始的。这些观察结果表明，半球间温度变化存在一种双极跷跷板机制（Blunier等人，1998年；Broecker，1998年）。然而，从冰芯中推断出的确切关系因冰层与同一深度捕获气体之间的年龄偏差（数百年或更长时间）而变得复杂（Andersen等人，2006年；Buizert等人，2015b年）。这种年代不确定性引发了关于格陵兰温度变化是领先还是滞后于南极变化的争论（Knutti等人，2004年；Steig和Alley，2002年）。

为了进一步揭示DO事件的驱动机制并明确它们在两个半球之间的相位关系，许多研究采用了各种技术来全球同步古气候记录。一些研究支持北大西洋起主要驱动作用。例如，Buizert等人（2015年）使用气体同步技术将格陵兰和南极冰芯对齐，发现格陵兰的突然变暖比南极温度变化提前了大约218±92年，这与北半球主导的双极跷跷板机制一致。同样，Svensson等人（2020年）通过利用火山联系点和南极与格陵兰冰芯记录的地层对齐，得出格陵兰变暖先于南极变化的结论。相反，一些研究提出起源于南半球或热带的过程可能更早开始。例如，Markle等人（2017年）发现南极温度的变化与格陵兰突然变暖之前的热带尘埃通量有关，这表明南半球或热带可能具有领先作用。其他研究则强调热带是关键驱动因素。低纬度季风降雨的变化会影响亚马逊河的流量，进而影响南半球西风和副热带锋的位置，最终调节大气环流和北大西洋经向翻转环流（AMOC）的状态（Cheng等人，2021年；Cheng等人，2020年）。更多综合性的观点认为，DO事件是由多个区域之间的耦合相互作用引起的，而不是单一触发因素（Pedro等人，2018年）。尽管方法有所进步，不同代理指标之间的年代不确定性仍然在数百年的范围内（Andersen等人，2006年；Buizert等人，2015b年）。这些不确定性足以掩盖两个半球之间的真实相位关系，继续限制了我们识别DO变化基本驱动因素的能力。

为了避免不同古气候记录之间的年龄不确定性带来的挑战，最近的研究强调了在单一档案中分析多种气候代理指标的价值。这种方法利用了不同代理指标对不同气候过程的响应差异（Zhai等人，2025年），从而能够在统一的年代框架下评估区域信号的相位关系（Liang等人，2022b年）。石笋特别适合这种方法：δ¹⁸O通常反映大规模大气环流和水分输送（Cheng等人，2016年；Liang等人，2020年；Liu等人，2014年），而δ¹³C对局部水文、植被和土壤CO?动态更为敏感（Fairchild等人，2006年；Wang等人，2022年；Wu等人，2020年）。δ¹⁸O和δ¹³C的不同气候敏感性使得单个石笋能够捕捉到气候系统的不同组成部分的信号。Liang等人（2022b）使用中国北部黄金洞的石笋展示了这种双代理策略，发现δ¹³C表现出类似锯齿状的突然变化，与格陵兰的气候变化非常相似，而δ¹⁸O的变化则更为渐进，追踪了南极温度的演变并反映了南半球过程的影响。这些发现表明，同一石笋中的δ¹⁸O和δ¹³C可以作为不同半球信号的代理指标，并进一步揭示了在大多数DO事件开始时δ¹³C领先于δ¹⁸O，突显了北半球的主要驱动作用。

海洋同位素阶段4到3的转变（MIS4/3）代表了一个千年尺度气候不稳定性显著增强的关键时期（Barker和Knorr，2021年）。这一转变的主要驱动机制仍有争议，主要集中在“南半球主导的变暖”与“北大西洋冰盖-AMOC动态”之间的争论（Wolff等人，2009年）。我们的研究利用了石笋中δ¹⁸O和δ¹³C对半球气候信号的不同响应，旨在提供关于半球间相位关系的直接观测约束。为此，我们还实施了关键的方法改进：首先，在突然的气候转变期间采用了亚十年采样，以精确捕捉触发过程的细节；其次，应用了包括变点分析和自助法不确定性评估在内的系统统计框架，以增强相位关系确定的稳健性。这些改进旨在在不同气候条件下测试双代理方法，并且更重要的是，从这个关键转变中获得明确的证据。这将帮助我们更好地理解突然气候变化期间的半球间耦合。

本研究分析了来自永兴洞的石笋YX53，它保存了高分辨率的δ¹⁸O和δ¹³C记录，涵盖了第18至14次DO事件。为了评估这种双代理方法的可靠性，我们进一步整合了来自同一洞穴的第二个石笋YX55的多代理数据。本研究的目标有两个：（1）描述两个石笋中记录的δ¹⁸O和δ¹³C在DO事件期间的响应模式和主要控制因素；（2）利用δ¹⁸O和δ¹³C之间的相位关系来研究和推断MIS4/3期间的潜在驱动因素。

研究地点

研究地点

永兴洞（31°35′N, 111°14′E）位于中国中部湖北省神农架山东坡，海拔约800米（图1）。该洞穴位于碳酸盐岩层中，喀斯特地貌广泛分布。洞穴上方的土壤层发育良好，主要植物种类为灌木和草本植物（Wang等人，2018年）。该地区受到亚热带亚洲夏季季风（ASM）气候的强烈影响，当前的气象条件以

年代学

本研究共分析了八个²³⁰Th测年样本。2σ分析不确定性范围为254至339年，平均不确定性为289年（表S1）。从最古老到最年轻的样本表明，石笋YX53的生长时间从64.4±0.3千年前到52.5±0.3千年前，生长速率大致恒定。基于这些精确测年的²³⁰Th样本，使用线性插值构建了一个年龄模型（图2）。

δ¹⁸O和δ¹³C序列

δ¹⁸O和δ¹³C记录的时间跨度为

δ¹⁸O的解释及其与热带和南半球气候变化的联系

在本研究中，石笋δ¹⁸O被解释为亚洲夏季季风（ASM）强度的代理指标。虽然原则上容易受到局部降水、温度变化或洞内过程的影响（Liang等人，2020年；Patterson等人，2024年），但由于永兴洞入口狭窄、相对湿度始终接近饱和（约100%）以及温度变化极小，这些因素对石笋δ¹⁸O的影响被大大削弱。现代监测显示，多年平均值

结论

基于对永兴洞石笋的高精度²³⁰Th测年和多代理分析，本研究重建了第18至14次DO事件（64.4–52.5千年前）期间亚洲夏季季风的变异性及其相关环境响应。石笋δ¹⁸O和δ¹³C记录表现出不同的气候敏感性：δ¹⁸O的变化与热带水文变化和南极温度波动一致，而δ¹³C的变化则对应于北大西洋气候模式。这提供了

CRediT作者贡献声明

陈公哲：撰写初稿、数据管理、概念构思。黄浩翔：撰写初稿、数据管理、概念构思。陈世涛：撰写与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。杨舒：方法学研究、数据管理。王振军：撰写与编辑、监督、研究。王永进：监督、研究、资金提供

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：42072207给陈世涛，41931178给王永进）、江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX25_1976给陈公哲）以及中国国家大学生创新与创业发展计划（202510319001给黄浩翔）的资助。