中世纪气候异常期间，南加州上升流系统中的浮游生物群落发生了转变，这一变化通过考古发掘出的贻贝壳中的δ13C和δ15N同位素得到了证实

《Quaternary Science Reviews》：Plankton regime shift in the Southern California upwelling system during the Medieval Climate Anomaly indicated by δ13C and δ15N isotopes in archaeological mussel shells

该研究通过稳定同位素分析考古 mussel 壳，揭示中世纪气候异常期（900-1250年）北岛群岛近岸海洋环境剧烈波动，甲藻主导期与生产力下降、营养减少直接相关，支持气候与人类文化变迁的耦合机制。

　　

N.L. Vokhshoori|T.C. Rick|T.J. Braje|C.A.M. France|S.W. Hixon|D.J. Kennett|B.J. Culleton|M.D. McCarthy

美国史密森学会国家自然历史博物馆人类学系，地址：华盛顿特区宪法大道与第10街交汇处，邮编20560

摘要

中世纪气候异常期（MCA，900-1250年）是一个重要的环境变化时期，对北美洲乃至全球的生态系统和人类社会都产生了影响。然而，这些气候效应具有多样性，在某些情况下表现得非常局部化。在南加州的北海峡群岛（NCI），MCA与中期至晚期过渡期（MLT，1150-1300年）大致重合，这是一个人类文化和环境发生显著变化的考古时期，有证据表明当时珠子生产和贸易活动增加，社会等级制度有所强化，海洋生产力也出现了波动。这些变化的原因及其与气候的潜在联系一直存在争议。本文采用了一种新的地球化学方法，通过分析来自NCI最西端岛屿圣米格尔岛的考古贻贝壳中的稳定同位素数据，重建了过去1500年的近海海洋环境。MLT时期的平均δ¹³C和δ¹⁵N值显著低于后续时期（晚期和历史时期），并且在一定程度上也低于之前的中期时期。通过对氨基酸δ¹³C值的分析，发现这一时期以甲藻类浮游生物为主，而其他时期则以硅藻类为主。这些结果与基于海洋沉积物记录的区域性海洋气候重建结果一致，强烈表明该地区在MCA期间经历了显著的海洋气候不稳定，表现为生产力下降和营养物质供应减少（即由于上升流减弱）。这些数据展示了利用贝壳中的地球化学指标推断局部海洋环境的有效性，并可与其他区域古气候记录相结合。这些发现支持了这样一种观点：高度变化的海洋气候条件，加上干旱，是过去人类文化和环境变化的关键驱动因素。

引言

长期以来，气候变化一直被认为是推动文化发展和社会变革的重要因素。中期至晚期过渡期（MLT；1150-1300年），与中世纪气候异常期（MCA；900-1250年）相吻合，是加利福尼亚北部海峡群岛（NCI）原住民Chumash社会发生重大文化变化的时期（参见Arnold, 1992; Kennett, 2005; Rick, 2007）。考古证据表明，在过去的2500年里，该地区的贸易网络和手工艺品生产有所增长，社会政治等级制度也有所加强，特别是在MLT期间（Arnold, 1992; Kennett, 2005）。关于MLT究竟是由海洋气候变化还是长期的社会政治变迁引起的，学者们一直存在争议（这些变迁至少可以追溯到全新世中期，即7500-3000年；Arnold, 2007; Erlandson and Rick, 2002; Gamble, 2005, 2008; Jazwa et al., 2019; Johnson, 2000; Kennett and Kennett, 2000; Kennett, 2005; Perry et al., 2024; Rick, 2007）。

大陆气候记录显示，在MCA/MLT期间，北美西南部地区出现了严重的干旱（Jones et al., 1999; Kennett and Kennett, 2000; Kennett, 2005; Stine, 1994）。然而，NCI的Chumash社会主要以海洋捕猎和渔业为生，研究者们长期以来认为海洋环境的扰动也是导致这些变化的关键因素（Arnold, 1992; Arnold, 1997）。MCA导致部分海域（主要是北大西洋）出现异常温暖的现象，而其他海域则气候多变（Mann et al., 2009）。来自圣巴巴拉盆地的广泛海洋沉积物记录表明，尽管海表温度普遍较低，但该地区的海洋环境与其他全新世时期（11.7千年前至今）相比变化较大，生产力也较低（Kennett and Kennett, 2000; Kennett et al., 2007）。然而，解读该地区过去数据的一个挑战在于，海洋表面状况存在强烈的空间梯度，因此单个地点的记录可能无法代表整个区域的情况。

理解过去环境变化的影响，关键在于反映浮游生物生产力变化的“基线”同位素数据，这些数据构成了海洋食物网的基础。虽然圣巴巴拉盆地的海洋沉积物记录具有极高的分辨率（全新世大部分时期的时间间隔为25-50年；Kennett, 2005; Kennett and Ingram, 1995; Kennett et al., 2007），但由于海洋 currents的搬运和混合作用，这些记录反映了较大范围的区域变化，从而掩盖了局部差异。相比之下，保存在固着性海洋软体动物壳中的同位素古代理指标能够捕捉特定地点的海洋生物地球化学、营养条件和上升流动态，提供了比沉积物记录更为详细且局部化的信息（Ellis et al., 2014; Graniero et al., 2021; Vokhshoori et al., 2022）。因此，考古贝壳档案有助于揭示详细的沿海海洋古环境重建，有助于评估几个世纪乃至几千年间海洋生态系统、生物多样性和人类活动的变化（Lecher et al., 2024）。

在进行此类重建时，最有力的工具之一是整体（组织）和特定化合物的稳定同位素。碳同位素（δ¹³C）通常用于追踪沿海上升流系统中的初级生产力，较高的δ¹³C值表示较高的生产力（Rau et al., 1992, 2001），而氮同位素（δ¹⁵N）的变化可能由多种因素引起：1）食物链长度的变化，较高的δ¹⁵N值表示较高的营养级（Loick-Wilde et al., 2019）；2）浮游植物对硝酸盐的利用，其中同位素分馏发生在营养物质的吸收不完全时（Biller et al., 2013, Messié and Chavez, 2015）；3）水体的硝酸盐δ¹⁵N值，消费者组织中的同位素特征反映了水源的特征（Altabet et al., 1999; Vokhshoori and McCarthy, 2014）。由于多种因素共同作用于δ¹⁵N信号，因此氮同位素与氨基酸（δ¹⁵N_AA）的组合分析有助于区分食物网底部的营养变化和消费者组织中的氮源变化（McClelland and Montoya, 2002），从而能够在单个样本中同时测量基线同位素信号和营养级位置。同时，必需氨基酸（EAA）的δ¹³C值可用于估算消费者的初级生产力（Shen et al., 2021; Vokhshoori et al., 2014），并更精确地“指纹”出支持食物网底部的初级生产者（Larsen et al., 2009, 2013）。

本文利用从NCI最西端岛屿圣米格尔岛的考古遗址中提取的贝壳，提供了全新世晚期（约1500年）的沿海海洋记录。我们测量了加州贻贝（Mytilus californianus）壳中有机物的稳定碳和氮同位素，以重建海洋生产力和生物地球化学循环的变化。我们还利用了大量年代明确的贝壳遗骸数据，来了解基于海洋贝壳的局部同位素记录与整个圣巴巴拉盆地海洋气候记录之间的差异。通过这种独特的数据组合，我们检验了MLT时期的同位素特征是否具有独特性，如果确实如此，那么是什么物理和生物地球化学机制导致了这些差异。最后，我们将我们的重建结果与关于NCI及其周边地区人类文化系统和觅食策略的现有理论进行了对比（Cobb, 2003; Díaz et al., 2011; Graham et al., 2007; Jones et al., 1999; Mann et al., 2009），展示了未来利用整体和氨基酸同位素研究为解决长期存在的考古和环境问题提供新数据的潜力。

区域背景

NCI由四个岛屿（Anacapa、Santa Cruz、Santa Rosa和San Miguel）组成，呈东西走向，位于南加州海湾沿岸（见图1）。这些岛屿北部是圣巴巴拉海峡，大陆沿岸也呈东西走向。该地区包括深度为500-600米的圣巴巴拉盆地以及著名的强上升流区域Pt. Conception。

样本采集

2021年9月，在国家公园服务组织的多机构Rocky潮间带网络的长期监测计划下，研究人员在Otter Harbor（圣米格尔岛）采集了现代贻贝（Mytilus californianus，数量为5个）。采集到的贻贝样本立即被放置在干冰上，随后保存在冷冻库中以备进一步处理。考古贻贝壳则来自圣巴巴拉自然历史博物馆的收藏。

放射性碳测年和考古时间范围

SMI-232样本的年代介于485至1025年（中期晚期）；SMI-468样本的年代介于875至1395年（MLT）；SMI-470样本的年代介于1505年至今（历史时期）；SMI-481样本的年代分为两组：1455-1945年（晚期，数量为2个）和325-1015年（中期晚期，数量为5个）。在我们的研究中，确定贝壳的年代是一个挑战，因为这些样本来自寿命较短的贝壳。

讨论

过去1500年来，气候和环境变化对NCI的社会政治结构和生计方式的影响一直备受争议。我们的数据集从两个方面为这一争论提供了新的环境信息：首先，来自基线消费者的有机部分的同位素指标与生态和食物网过程密切相关；其次，由于贻贝是潮间带滤食性生物，它们能够记录表层近海的海洋现象。

结论

气候扰动一直影响着人类历史上的沿海海洋生态系统和社会，预计随着人为引起的全球变暖，这些扰动将会继续发生变化。MCA导致了全球海洋气候的转变，可能为未来许多地区的温暖海洋环境提供参考（Díaz et al., 2011），尤其是沿海环境。NCI的近海海洋生态系统是人类蛋白质来源的主要基础，推动了

作者贡献

NLV、MDM、TR和TB最初提出了这个研究思路。NLV负责样本处理和批量同位素数据的生成。NLV还生成了CSIA数据并进行了统计分析。TCR和BC获得了放射性碳测年数据，SH、BC和DK负责ΔR和校准工作，NLV撰写了论文；其他作者提供了详细的编辑建议。

利益冲突声明

据我们所知，在审稿过程中编辑们无需关注任何利益冲突。

致谢

21世纪初，该项目的野外工作得到了Channel Islands National Park和National Science Foundation的支持。多机构Rocky潮间带网络的海洋生态学家Stephen Whitaker在新冠疫情期间协助进行了活贻贝的采样工作。我们感谢圣巴巴拉自然历史博物馆提供的考古贝壳样本。同时，我们也感谢Santa Ynez Chumash印第安人长老委员会在此研究中的咨询支持。