锂同位素作为水文变化的新指标

本研究通过高分辨率周尺度采样，揭示帕米尔高原穆扎格冰川流域δ7Li与湖泊水位呈显著正相关（r2=0.61），而与温度关联较弱（Δδ7Li达15‰），挑战了传统uplift-weathering假说，证实δ7Li能有效分离温度与降水效应，为古水文重建提供新工具。

　　

胡亚丹|张飞|陈晨|谢颖|邓力|李向英|张小龙|鲍光|刘金钊|金东海

中国科学院地球环境研究所黄土科学国家重点实验室，中国西安710061

摘要

水文是影响地表侵蚀和风化的重要驱动力，它通过吸收大气中的二氧化碳（CO₂）来调节地球气候的长期稳定性。然而，由于难以分离温度效应，重建过去的水文气候仍然是一个具有挑战性的任务。全球范围内汇编的锂同位素（δ⁷Li）与径流之间的负相关表明δ⁷Li有可能作为水文指标，但确认其有效性仍需要更多的实地证据。在这里，我们报告了来自中纬度地区最大冰川覆盖区域内的一个偏远且快速侵蚀的穆扎塔格冰川盆地（海拔7546米）的首个每周河流δ⁷Li数据。我们的结果显示，河流δ⁷Li存在显著的季节性变化（高达约15‰），从旱季的17.9‰降至雨季的2.5‰。在这个构造活跃的盆地中，雨季δ⁷Li的非常低值与长期以来的“抬升-风化”假说相矛盾，该假说认为强烈的侵蚀会增加不一致的大陆风化作用并导致更高的河流δ⁷Li。相反，我们的发现意外地显示出明显的水文信号，δ⁷Li与湖泊水位有显著相关性，而与温度的相关性较弱。湖泊水位的变化，以及河流中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和Al/Si比值的变化，表明水-岩相互作用时间的水文驱动变化影响了次生矿物的形成和河流δ⁷Li的季节性变化。进一步将δ¹⁸O和δ⁷Li与温度和湖泊水位进行比较表明，δ⁷Li比δ¹⁸O更适合作为局部水文变化的指标。考虑到关于δ¹⁸O反映区域或全球尺度上的温度变化还是降水量变化的争议，我们的发现对于使用湖泊沉积记录（例如自生碳酸盐）中的δ⁷Li来解码过去的水文状态具有重要的意义，从而有助于分离温度效应。

引言

在过去的1亿年里，地球气候从无冰的温暖状态转变为冰室状态（Tierney等人，2020年；Westerhold等人，2020年）。硅酸盐风化是通过净吸收二氧化碳（CO₂）来调节地球气候长期稳定性的关键过程。然而，由于缺乏可靠的水文重建指标，人们对古风化与气候之间的反馈和敏感性了解甚少。已经采用了多种指标来重建古水文，包括花粉、磁学指标、叶蜡氢同位素（Feakins等人，2012年；Nie等人，2017年；Willard等人，2019年；Liu等人，2020年；Jia等人，2021年）以及来自洞穴沉积物、冰芯和树轮的经典氧同位素（δ¹⁸O）（Ayalon等人，1999年；Cheng等人，2016年；Liu等人，2017年；Yu等人，2016年；Xu等人，2021年；Yang等人，2021年）。然而，δ¹⁸O是否能够代表温度、降水量或两者兼有仍然存在争议（Aizen等人，2009年；Ayalon等人，1999年；Bar-Matthews等人，2003年；Fleitmann等人，2009年；Chen等人，2016年；Cheng等人，2016年；Fankhauser等人，2016年；Yu等人，2016年；Goldsmith等人，2017年；Liu等人，2017年；Liu等人，2020年；Liu等人，2023年）。例如，一些人提出洞穴石笋中的δ¹⁸O记录反映了季风降雨的变化，而另一些人则否认了这一观点（Cheng等人，2016年；Goldsmith等人，2017年；Liu等人，2020年）。对帕米尔地区冰芯的研究表明δ¹⁸O记录可以作为温度的指标（Yu等人，2016年）。由于全球许多地区，特别是在亚洲季风区，温度和降水量存在共变，因此分离它们的单独效应仍然是一个主要挑战（Fankhauser等人，2016年；Liu等人，2019年）。

锂（Li）及其稳定同位素（⁶Li占7.6%，⁷Li占92.4%）被认为是硅酸盐风化的示踪剂，因为锂存在于硅酸盐矿物中，在碳酸盐或生物循环中的含量非常低（Pogge von Strandmann等人，2021a）。在现代硅酸盐风化过程中，锂同位素（以δ⁷Li表示）会分馏约1–45‰（Huh等人，1998年；Huh等人，2001年；K?sak?rek等人，2005年；Kisakurek等人，2005年；Pogge von Strandmann等人，2006年；Pogge von Strandmann等人，2010年；Pogge von Strandmann等人，2023年；Pogge von Strandmann等人，2017年；Vigier等人，2009年；Millot等人，2010年；Wimpenny等人，2010年；Henchiri等人，2014年；Henchiri等人，2016年；Bagard等人，2015年；Dellinger等人，2015年；Liu等人，2015年；Pogge von Strandmann和Henderson，2015年；Wang等人，2015年；Manaka等人，2017年；Gou等人，2019年；Ma等人，2020年；Millot和Négrel，2021年；Song等人，2021年；Kang等人，2022年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2022年；Li等人，2023年；Golla等人，2022年；Golla等人，2024年；Golla等人，2024年；Hu等人，2025年），这主要受初级矿物溶解与次级矿物形成相对比例的控制（Pogge von Strandmann等人，2017年），并且对氧化还原过程基本上不敏感（Rudnick等人，2004年）。具体来说，锂同位素可以作为硅酸盐风化强度（WI）的指标，定义为硅酸盐风化速率（W）与总剥蚀速率（D）的比率（其中D等于W和侵蚀速率（E）之和（K?sak?rek等人，2005年；Kisakurek等人，2005年；Pogge von Strandmann等人，2010年；Dellinger等人，2015年）。

在这种框架下，低河流δ⁷Li出现在低风化强度地区（例如构造活跃的山区）和高风化强度地区（例如亚马逊内格罗河），而在中等风化强度地区（如泛滥平原）则呈现较高值（Dellinger等人，2015年；Henchiri等人，2016年；Pogge von Strandmann等人，2017年）。然而，在低WI条件下，当前将δ⁷Li与风化过程联系起来的理论预测锂浓度应该较低，这与实地观察结果相反。反应性传输模型进一步表明，在低风化强度下，可溶性、富锂矿物（如绿泥石）的快速风化可能会产生低溶解δ⁷Li和较高的锂浓度（Winnick等人，2022年），这种模式也在构造活跃的帕米尔高原的河流中观察到（Hu等人，2025年）。此外，在高度风化的热带流域，河流δ⁷Li被认为更多地反映了矿物组成和水文条件，而不是风化强度（Chapela Lara等人，2022年）。因此，将古风化强度与过去的气候变化联系起来本质上仍然是不确定的。特别是，在没有独立水文状态指标的支持下，从深时样本（例如湖泊-海洋碳酸盐）中提取的δ⁷Li信号与硅酸盐风化强度之间的关系仍然不确定。例如，当重建的δ⁷Li值较低时，很难判断相应的古气候是反映低风化强度还是高风化强度。因此，重建过去的水文状态是准确约束大陆风化历史的前提。

一项涵盖现代到深时尺度、不同纬度、地形、流域大小、气候和岩性的全球δ⁷Li数据汇编显示，δ⁷Li与径流之间存在普遍的负相关（Zhang等人，2022a）。该数据集表明水文对锂同位素分馏起主要控制作用，温度的影响有限，例如赤道附近的刚果和亚马逊雨林，以及流入北极的高纬度叶尼塞河（Henchiri等人，2016年；Fries，2018年；Hindshaw等人，2019年；Zhang等人，2022年）。最近的进展推进了基于过程的解释，强调了河流流量与δ⁷Li之间负相关关系的敏感性，突出了河流δ⁷Li对日-周时间尺度上水文波动的敏感性（Golla等人，2022年；Golla等人，2024年）。

观察到的δ⁷Li与径流之间的负相关表明δ⁷Li有可能作为重建过去水文状态的指标。在这项研究中，我们调查了帕米尔高原东北部一个构造活跃、人类影响较小的穆扎塔格冰川流域中每周河流δ⁷Li与湖泊水位之间的关系。我们的工作旨在考察现代河流δ⁷Li对湖泊水文的响应，即使在构造活跃和气候变暖的冰川环境中，从而为使用δ⁷Li作为沉积记录中重建过去水文状态的指标提供见解。

研究区域

帕米尔高原位于青藏高原的西北部，是受到印度-欧亚碰撞强烈影响的区域之一（Molnar和Tapponnier，1975年；Sobel和Dumitru，1997年；Cao等人，2013年）。自晚渐新世以来，该地区经历了快速的抬升，尤其是晚中新世以来抬升最为显著（Coutand等人，2002年；Robinson等人，2004年；Cao等人，2009年）。该高原以高海拔山峰、陡峭的斜坡和深而狭窄的峡谷为特征

水文气象数据监测

在这项研究中，2010年至2016年期间，在帕米尔高原东北部以西风为主的穆扎塔格冰川流域内，对穆扎塔格站点（E 75°03.35′，N 38°24.77′，海拔3650米）的日气温和降水量进行了监测。2015年5月15日至10月13日期间，使用HOBO水位仪自动记录了卡拉库利湖的日水位（E 75°02.286′，N 38°26.209′，海拔3650米）（Xu，2018年），因为该湖泊每年大约有五个月被冰雪覆盖

主要离子和微量元素

KXW河中的主要阳离子浓度表现出显著的季节性变化（图S1），在干燥期（9月至次年5月）保持较高水平，然后在湿润期（6月至8月）迅速下降至最低值。主要阳离子是Ca（479–1278 μmol/L），其次是Na（107–578 μmol/L）> Mg（67–266 μmol/L）> K（47–150 μmol/L）。微量元素的浓度表现出相反的季节性趋势（图2）。我们注意到时间序列

卡拉库利湖和KXW河的水文变化

KXW河中Al、Mn和Fe等微量元素的相反季节性模式受到空间收集的雪和雨样品的限制，因为夏季（6月至8月）河流中的微量元素浓度范围与雪/雨端元的范围几乎重叠（图3；表S2）。这表明KXW河的水文状况主要受冰川融水和降水的影响，这与之前的研究结果一致，这些研究指出KXW河和

结论

在这项研究中，我们对河流水体进行了高分辨率（每周）采样，以研究帕米尔高原构造活跃的穆扎塔格冰川流域中河流δ⁷Li与冰碛湖水位之间的关系。我们的结果显示，河流δ⁷Li存在显著的季节性变化，从旱季到雨季其值下降了约15‰。冰川河流δ⁷Li的显著变化与湖泊水位的变化相匹配（r² = 0.61），在低水位期间

CRediT作者贡献声明

胡亚丹：撰写——原始草稿，可视化，方法学，数据管理。张飞：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，监督，项目管理，资金获取，数据管理，概念化。陈晨：数据管理。谢颖：调查。邓力：方法学。李向英：数据管理。张小龙：数据管理。鲍光：数据管理。刘金钊：方法学。金东海：撰写——审稿与编辑，概念化。

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所述的工作。

致谢

水文气象数据集由国家青藏高原数据中心提供（http://data.tpdc.ac.cn）。这项工作得到了国家自然科学基金（42273022）、中国科学院的国际合作伙伴计划“未来网络”（175GJHZ2022045FN）、国家自然科学基金（42371143）、崂山实验室的科技创新项目（编号LSKJ202203300）以及国家重点研发计划的支持