中国东亚夏季风北缘地区过去200年古气候的定量重建

气候与植被演替关系研究。基于鄂尔多斯高原湖泊花粉记录重建了1800-2016年东亚夏季风北缘区温度与降水，揭示三个阶段演变：冷湿期（1800-1910）、暖湿加速期（1910-1970）、暖湿高变率期（1970年后）。研究显示降水增加40毫米，植被从荒漠草原向典型草原转变，气候变率受ENSO和PDO影响显著。

　　

作者：颜夏雪、孟宏伟、马玉珍、郭超、李婷勇、沈彩明

中国云南省师范大学地理学院高原地理过程与环境变化重点实验室，昆明650500

摘要

由于降水量较低，中国东亚夏季风（NMEASM）的北部边缘对气候变化极为敏感和脆弱。然而，由于缺乏定量气候数据，这一过渡带长期气候变化及其驱动机制仍不明确。本文利用鄂尔多斯高原中部一个湖泊的高分辨率（约6年）花粉记录，定量重建了过去约200年的1月温度和雨季降水量。研究结果表明，自公元1800年以来，NMEASM的气候和环境变化可以分为三个阶段：（1）公元1800–1910年的相对寒冷湿润期；（2）公元1910–1970年的温度和降水量增加期；（3）1970年之后的温暖湿润期，且降水量变异性增强。在过去约200年里，雨季降水量显著增加（约40毫米），植被类型从沙漠草原转变为典型草原，表明区域生态环境有所改善。重建的降水量还显示出约8年和约32年的周期。约8年的周期可能与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和东亚夏季风（EASM）有关，而约32年的周期可能与太平洋十年涛动（PDO）有关。受PDO和ENSO的影响，NMEASM在过去约200年中经历了显著的干湿交替期。自公元1820年以来，气候呈变暖和降水量增加的趋势，这可能与EASM增强和全球变暖的共同作用有关。这种温暖湿润的条件促进了植被生长，增加了NMEASM的植被多样性。

引言

全球气候变化加剧了陆地水文循环，增加了降水量变异性和生态风险，尤其是在干旱和半干旱地区（Tabari, 2020; Hu et al., 2021; Singh et al., 2022; Geng et al., 2023）。在中国，东亚夏季风的北部边缘（NMEASM）位于黄河上游汇流区，是一个生态脆弱的区域，气候和水文变化在控制区域自然灾害和生态安全方面起着关键作用（Fu et al., 2004; Zhang et al., 2021）。由于NMEASM处于东亚夏季风（EASM）和北半球西风（NH-westerlies）之间的过渡地带，它对气候变率和外部强迫特别敏感（Zhang et al., 2021）。然而，由于仪器记录的时间长度有限，我们对工业革命以来该地区十年尺度水文演变的理解仍然不足（Sun, 2000; Jia et al., 2015; Liu et al., 2021）。特别是关于内部自然变率和人为强迫在驱动NMEASM气候变化中的相对贡献，仍存在重大争议和不确定性（Huang et al., 2009; Jia et al., 2015; Yan et al., 2022）。因此，了解NMEASM过去的气候变化及其驱动机制对于可持续生态发展以及灾害预防和缓解至关重要。

近几十年来，中国西北部经历了向“温暖湿润”气候的转变（Shi et al., 2003; Zhang et al., 2021; Yan et al., 2022），伴随着植被覆盖的增加和NMEASM生态环境的改善（Guan et al., 2021; Xu and Lu, 2021; Li et al., 2024）。然而，由于仪器测量数据的长度有限，这种气候转变的特征，特别是其开始时间仍不确定（Guan et al., 2021; Yan et al., 2022; Ye et al., 2023; Hu et al., 2024a）。一些研究表明NMEASM的温暖湿润转变发生在20世纪80年代（Shi et al., 2003; Chen et al., 2023），而另一些研究则认为其开始时间更早，为20世纪60年代（Ding et al., 2022; Li et al., 2024）。该地区缺乏长期的高分辨率气候记录，阻碍了对这一转变的清晰理解，也难以确定这种转变主要是由人为强迫还是自然变率驱动的（Chen et al., 2023; Li et al., 2024）。此外，尽管与全球变暖相关的水分循环通常被认为是驱动因素，但NMEASM的气候动态与大规模环流之间的确切联系仍不清楚，需要进一步验证（Shi et al., 2003; Zhang et al., 2021; Zhang et al., 2022; Li et al., 2024）。因此，高分辨率的气候记录将有助于揭示长期气候变化，并理解NMEASM近期温暖湿润条件的过程和驱动因素。

作为古气候研究的关键区域，NMEASM为探索长期气候演变背景下的区域水文和环境变化提供了重要见解（Sun, 2000; Huang et al., 2009; Jia et al., 2015; Liu et al., 2021; Yan et al., 2022）。例如，一些研究利用湖泊沉积物中的各种代用指标重建了NMEASM的古气候和环境变化（Sun, 2000; Xu et al., 2002; Guo et al., 2007; Liu et al., 2021）。然而，由于时间分辨率有限，这些研究主要关注百年到千年尺度上的植被和环境变化，而不是十年尺度（Xu et al., 2002; Guo et al., 2007; Liu et al., 2021）。相比之下，目前讨论的温暖湿润转变主要表现为十年尺度的气候波动。此外，大多数现有重建都是定性的，这限制了气候变化幅度的量化，并妨碍了与仪器观测的直接比较（Xu et al., 2002; Guo et al., 2007; Huang et al., 2009）。作为植被对气候变化响应的直接指标，花粉为气候参数、土地利用变化和生物多样性的定量重建提供了独特优势（Shen et al., 2006a; Salonen et al., 2012; Zheng et al., 2016; Cao et al., 2019; Liang et al., 2020）。基于花粉的定量气候重建结合仪器数据进行校准和验证，可以更准确地描述NMEASM的十年尺度水文气候变异性。这样的重建对于理解这一敏感季风边缘地区的气候动态和评估未来的生态风险至关重要。

鄂尔多斯高原是NMEASM的核心区域。在这项研究中，我们利用湖泊沉积物中的高分辨率花粉记录（Heitan Nur）以及之前发表的现代花粉样本，定量重建了过去约200年的温度和降水量。通过与仪器温度和降水记录的比较，评估了定量重建的可靠性。此外，我们还通过区域比较和模型研究了NMEASM的十年尺度气候变化以及温暖湿润过程及其驱动机制。本研究旨在回答以下问题：（1）过去约200年中，NMEASM的植被和气候发生了哪些变化？（2）区域气候变率的主要驱动机制是什么，特别是温暖湿润趋势的时间和潜在因素是什么？

研究区域

Heitan Nur（Nur在蒙古语中意为湖泊，位于东经109°35′53″，北纬39°42′33″，海拔1306米）位于鄂尔多斯高原中部，穆乌斯沙漠的北部边缘（图S1a）。鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地，形成于中生代早期，随后在新生代抬升为高原（Yue et al., 2007）。该地区的岩性主要由早白垩世的紫红色砂岩和侏罗纪沉积物组成

年代学

HT1岩心的年代学依据²¹⁰Pb和¹³⁷Cs测年确定（图S4）。CRS模型的结果显示，HT1岩心的沉积物形成于公元1797年至2016年之间（图S4）。¹³⁷Cs峰值位于45厘米处，对应公元1963年（图S4）。然而，同一深度（45厘米）的²¹⁰Pb测年结果为公元1949年，与¹³⁷Cs结果相差约15年。此外，在42厘米深度获得的AMS 14C年龄为

定量重建的可靠性评估

¹³⁷Cs峰值与45厘米处²¹⁰Pb年龄之间的15年差异可能源于¹³⁷Cs的向下迁移。先前的研究表明，¹³⁷Cs受沉积物物理化学性质的影响，通常会在沉积物形成后的前10年内发生向下迁移（Klaminder et al., 2012; Drexler et al., 2018）。例如，瑞典北部Nylandssj?n湖的沉积物显示了

结论

本研究基于63个化石花粉和现代花粉数据，提供了公元1800年至2016年NMEASM的P_rs和T_jan的定量重建记录。化石花粉谱表明，过去约200年中，NMEASM的植被逐渐从沙漠草原转变为典型草原，P_rs和T_jan是驱动植被变化的主要参数。定量重建的气候记录显示，气候从寒冷干燥转变为温暖湿润

作者贡献

孟宏伟、马玉珍和郭超负责野外工作和采样。孟宏伟和颜夏雪协助样本分析。孟宏伟和沈彩明提出了研究概念。颜夏雪进行了实验、数据分析、结果解释、原始手稿撰写和修订。所有合作者都参与了手稿的修订和完成。

开放研究

文章中报告的分析结果和年代数据可在补充材料中找到。

CRediT作者贡献声明

颜夏雪：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件使用、方法论、数据管理、概念构思、资金筹集。孟宏伟：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、调查。马玉珍：监督、调查、资金筹集、正式分析。郭超：撰写 – 审稿与编辑、调查。李婷勇：撰写 – 审稿与编辑、资金筹集。沈彩明：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

我们感谢Caili Hu、Dandan Li、Qiaomin Pei和Jierui Liu在野外采样方面的帮助。同时感谢Kenneth Z. Shen对手稿的英文修改。本工作得到了国家自然科学基金（42167065、42177437、41571186）、云南省星电人才计划青年人才支持项目（XDYC-QNRC-2022-0029）以及云南省中青年学术和技术带头人后备人才计划（编号202205AC160025）的支持。