余海阳|刘双池|肖朱蕾|王旭|崔琳琳|郭立成|王旭婷|张世豪
中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈与环境协同演化国家重点实验室，北京100029，中国
摘要
环境磁学在利用黄土-古土壤沉积物重建古气候方面已经得到了广泛认可，然而将其应用于湖泊沉积物（作为复杂的源-汇系统）仍然具有挑战性。本文综合了来自两个地理位置相距较远、气候差异显著的湖泊——中国西南部的兴云湖和中国中北部的岱海湖的沉积磁性和金属记录，并结合了亚洲季风地区的已有数据，从而揭示了在自然和人为因素作用下控制磁化率（χ）和金属含量的机制。研究结果表明，在兴云湖中，碳酸盐含量（主要受湖泊生产力影响）在冰期-间冰期循环中解释了χ和金属浓度的大部分变化。全新世期间，较低的χ值和金属含量与较高的碳酸盐含量同时出现。岱海湖的χ记录中也观察到了碳酸盐稀释效应。在校正碳酸盐含量后，两个湖泊的剩余陆地信号主要由湖泊水位变化和湖泊流域植被覆盖变化决定。除了对自然变化的响应外，湖泊磁性和金属记录还反映了从新石器时代到青铜时代人类活动的变化。具体来说，兴云湖在4.4–3.8千年前和2.0–0.0千年前时期的χ值升高与新石器时代的农业扩张和西汉晚期的冶金活动相关。在岱海湖，约7.5千年前和1.3千年前时期的χ值升高与原始农业的出现和隋唐时期的农业集约化相吻合。人为因素的影响在全新世晚期尤为显著，这从我们的结果中得到了体现。对亚洲季风地区沉积磁性和金属记录的综合性研究表明，湖泊是受多种因素和内在属性调控的动态系统，因此需要从整体角度进行准确的古环境重建。
引言
作为一种成本效益高、速度快且非破坏性的方法（Thompson等人，1980年），磁测量被广泛用于重建风成（Heller和Liu，1984年；Kukla等人，1988年；Liu和Ding，1993年；Ding等人，1993年；An，2000年；Guo等人，2002年；Yang和Ding，2010年）和湖泊沉积物（Thouveny等人，1994年；Shen等人，2006年；Dearing等人，2007年；Wang等人，2013年；Su等人，2015年；Liu等人，2016年；Chen和Liu，2023年）中的高分辨率古环境和古气候变化。在中国黄土高原，黄土和古土壤序列具有大陆风成起源，其磁性物质来自相对均匀的来源。因此，黄土-古土壤序列的χ值具有明确的环境意义（Heller和Liu，1984年；Heller和Evans，1995年），并与海洋氧同位素记录有很好的相关性，使其成为一种成熟的古气候代用指标（Liu和Ding，1993年；Ding等人，1993年；An，2000年；Guo等人，2002年；Yang和Ding，2010年）。相比之下，湖泊作为复杂的源-汇系统，其沉积物中融合了自生成和外来物质。因此，湖泊记录中的χ信号反映了水生和陆地输入的混合，导致对环境变化的响应更为复杂。该领域的一个核心目标是从湖泊χ记录中解码出可靠的古环境信号，这是开发高效可靠的湖泊古气候重建代用指标的关键。
湖泊磁性和金属记录已被广泛用于重建亚洲季风地区的古气候变化（Yancheva等人，2007年；Chen等人，2013年；Li等人，2013年；Tang等人，2015年；Liu等人，2016年；Zhang等人，2017年；Chen等人，2018年；Sun等人，2019b年；Hillman等人，2021年）。然而，这些代用指标的环境意义在不同湖泊系统中存在显著差异，它们对气候变化的响应也很少从整体角度进行系统分析。因此，需要一个综合框架来阐明湖泊χ在特定环境条件下的气候响应机制，这将为解释和应用这些关系于广泛的古气候重建提供关键基准。
此外，碳酸盐是湖泊沉积物中的普遍成分（Fan等人，2016年；Sun等人，2019a年；Yue等人，2021年）。通常观察到碳酸盐含量与χ之间存在负相关，这表明了自生成化学沉积与外来碎屑输入的相对主导地位（Gao等人，2024年）。一个关键问题是碳酸盐含量是否以及如何抑制χ值，以及如何准确解码这些相互作用代用指标中的古环境信号。这仍然是一个值得研究的问题。
湖泊沉积物的χ值和某些金属浓度也被用来追踪人类活动的轨迹和长期生态影响（Shen等人，2005年；Wu等人，2015年；Su等人，2015年；Guo等人，2015年；Hillman等人，2016年）。与历史文献提供的零散和短期的视角相比，这些湖泊档案提供了更长时间尺度的连续性和分辨率（Su等人，2015年）。然而，与气候变化相关的χ信号在多大程度上超过了人为因素的影响？此外，湖泊磁性和金属记录是否显示出与新石器时代到青铜时代人类社会发展相对应的变化？研究这些问题对于深入理解长期的人与环境相互作用至关重要。
出于上述目的，我们选择了两个具有不同气候背景和人类历史的湖泊：中国西南部的兴云湖和中国中北部的岱海湖。它们的沉积记录中的χ值和金属含量使我们能够追踪这些代用指标对自然和人为因素的演变响应。在这项研究中，我们展示了兴云湖在过去一个冰期-间冰期循环（约40.2千年前至今）的磁参数（χ和SIRM）和金属元素含量（Ti、Zn、V、Cu、Zr、Fe），以及岱海湖的全新世χ记录（11.7–0.0千年前）。我们的目标是更深入地理解这些代用指标的环境意义，并建立一个综合框架来重建区域气候和人类历史。
更具体地说，兴云湖位于中国西南部的湿润亚热带地区，其气候受印度夏季季风（ISM）主导（Chen等人，2014年），自全新世晚期以来该湖泊受到了显著的人为影响（Zhang等人，2014年；Wu等人，2015年；Hillman等人，2018年；Chen等人，2022年）。相比之下，岱海湖位于中国中北部，处于半湿润和半干旱地区的过渡地带。岱海湖地区的人类活动可以追溯到全新世中期，这从湖泊周围的考古遗址得到证实（Tian，2000年；Lian和Fang，2001年；Wang等人，2019年）。这两个湖泊档案的不同气候和人类历史为研究沉积物χ值和金属含量对不同自然和人为因素的响应提供了机会。此外，直接比较它们的χ记录使我们能够评估它们对气候和人为因素的不同敏感性。通过将我们的结果与其他已发表的亚洲季风地区的沉积磁性和金属记录相结合，本研究为理解这些代用指标在大尺度上的响应机制及其在古气候和人为重建中的应用提供了全面的视角。
地质背景和现代气候
兴云湖（北纬24°17′–24°24′，东经102°45′–102°49′）是一个半封闭的、浅层的高山构造湖，位于中国西南部的云南省中部（图1A，B），海拔约1722米。湖泊的集水区面积为约378平方公里，当前表面积为约34.7平方公里。兴云湖的最大水深为11米（图1B），平均深度为6米。湖泊主要依靠大气降水和14条以上季节性河流的补给，但缺乏地表
取芯、采样和年代学
2015年8月，我们使用奥地利制造的UWITEC钻探系统从兴云湖中心（北纬24°20′27″，东经102°47′0″）获取了一个长达10.75米的连续沉积物岩芯（XY3）（图1B）。岩芯主要由深灰色粉质粘土（10.75–5.08米）、浅灰色粉质粘土（5.08–1.90米）和红棕色粘土（1.90–0.00米）组成（图S4A；Yu等人，2025a）。岩芯XY3的详细年龄-深度模型是基于18个加速器质谱（AMS）数据建立的
结果
如图2所示，兴云湖的磁参数（χ和SIRM）和金属元素（Ti、Zn、V、Cu、Zr、Fe）含量表现出相似的变化趋势。在冰期-间冰期尺度上，这些代用指标经历了显著变化，冰期期间的值明显高于间冰期。具体来说，从40.2千年前到11.7千年前，χ值、SIRM和金属含量保持较高水平，而从11.7千年前到0.0千年前则显著下降
我们研究区域中χ值和金属含量对气候变化的响应
为了阐明χ值和金属含量对气候变化的响应和驱动机制，我们将兴云湖的χ值（图4A）和Ti含量（图4B）与中国西南部的水文气候记录（图4C–F；Zhao等人，2021年；Zhang等人，2023年；Yu等人，2025a）以及湖泊自身的碳酸盐含量（图4G；Hodell等人，1999年）进行了比较。我们的分析还考虑了外部因素（即太阳辐射；图4H；Berger和Loutre，1991年）和内部边界条件
结论
在这项研究中，我们展示了中国西南部兴云湖自约40.2千年前以来的磁参数（χ和SIRM）和金属元素（Ti、Zn、V、Cu、Zr、Fe）含量，以及中国中北部岱海湖自11.7千年前以来的χ记录，以探讨它们对气候和人类活动变化的响应。
我们的研究结果表明，在兴云湖中，碳酸盐含量（主要受湖泊生产力影响）解释了χ值和金属含量的大部分变化
CRediT作者贡献声明
余海阳：撰写——初稿，研究，正式分析，数据管理，概念化。刘双池：方法论，正式分析，数据管理。肖朱蕾：监督，研究，正式分析，数据管理。王旭：撰写——审稿与编辑，监督，资源获取，方法论，研究，资金获取，正式分析，数据管理。崔琳琳：研究，正式分析，数据管理。郭立成：正式分析，数据管理。王旭婷：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了中国科学院战略性优先研究计划（资助编号：XDB0710000）的财政支持。
