过去气候变暖期间东亚地区气候梯度的增强：来自黄土和红土记录的启示

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Enhanced regional climate gradients in East Asia during past warming: Insights from loess and red clay records

　　

王书文|胡哲|宁文晓|詹金波|方晓敏|刘晓明

中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统与资源环境国家重点实验室，北京100101，中国

摘要

尽管东亚东南-西北气候梯度的时空演变及其对全球变暖的响应对于理解东亚季风动态至关重要，但目前对此的了解仍然有限。中国黄土高原上的风成沉积物是重建东亚季风演变和内陆亚洲干旱化过程的宝贵档案。本研究利用来自黄土高原中部和西部风成沉积物中<5 μm粒径组分中的化学风化指数（如CIA、CPA、Na/K和Rb/Sr）和磁参数（如χ、χ_fd和χ_ARM），重建了晚更新世温暖期至晚更新世间冰期之间的时空气候变化。晚更新世期间黄土高原上较高的化学风化强度表明，当时的气候比晚更新世间冰期更温暖、更湿润。此外，空间分析显示，晚更新世期间黄土高原中部的化学风化和成土作用明显强于西部，这表明当时已经存在类似现代的气候梯度。从温暖的晚更新世到晚更新世间冰期，空间气候对比度的显著减小表明在较温暖条件下气候梯度更加陡峭。这些发现为东亚季风系统对当前全球变暖的潜在响应提供了宝贵的见解。

引言

东亚季风是全球气候系统中的一个活跃子系统，对东亚的水文循环、生态系统模式以及人类文明的发展有着深远影响（An, 2000; Ding and Chan, 2005; Wang, 2006; Clift and Plumb, 2008; Yang and Ding, 2008; Yang et al., 2021; Chen et al., 2024; Ao et al., 2024）。东亚的气候特征是明显的东南-西北（SE–NW）梯度，从受东亚夏季风（EASM）影响的温暖湿润地区逐渐过渡到受东亚冬季风（EAWM）控制的寒冷干旱地区。这一气候梯度调节了区域水资源和能源的分布，这是维持陆地生态系统和人类活动的基本前提，也是理解东亚季风动态及其对全球气候变化响应的关键切入点。自工业化以来，东亚的平均气温上升了1.7–2.0°C，大约是全球平均水平的1.5–2倍（IPCC, 2023）。因此，在全球变暖的背景下，预测东亚气候梯度的未来演变对于评估区域水资源安全、生态系统恢复力和社会经济可持续性至关重要。

地球地质历史中的古气候状态，特别是那些对应于温暖时期的状态，为解释气候系统对变暖强迫的响应提供了重要的对比参考（Tierney et al., 2020）。近几十年来，东亚季风气候系统的时间演变受到了广泛研究（Ding et al., 1999; Ding and Yang, 2000; An et al., 2001, An et al., 2005; Ma et al., 2005; Wang et al., 2006; Wu et al., 2006; Nie et al., 2008; Ge et al., 2013; Wang et al., 2019）。然而，空间气候梯度仍然知之甚少，现有的研究主要集中在全新世（Xiong et al., 2002; Yang and Ding, 2003, Yang and Ding, 2008; Chen et al., 2003; Hao and Guo, 2005）。这一限制主要源于年代学的不确定性（Zeeden et al., 2018）以及缺乏空间上可比较的长期古气候档案，从而阻碍了我们对东亚季风系统的理解。更新世，特别是中更新世（3.3–3.0 Ma），代表了地质历史上最近的一次持续温暖期。在此期间，全球平均气温比工业化前高出1.8–3.6°C，类似于21世纪末预测的气候条件（Haywood et al., 2013）。值得注意的是，中更新世的变暖和湿润现象在东亚尤为明显。中国近地面平均气温比工业化前高出2.6°C，不同模型的预测范围在1.5至4.5°C之间（Zhang et al., 2013）。此外，更新世的全球海陆格局与现今大致相似（Dowsett et al., 2010; Pagani et al., 2010）。因此，研究更新世时期的东亚季风气候梯度对于预测未来温室条件下的环境演变具有重要意义。

中国黄土高原（CLP）位于东亚夏季风（EASM）和东亚冬季风（EAWM）的交替地带。由于其独特的地理位置和广阔的空间覆盖范围，CLP上保存了明显的气候梯度（Maher et al., 1994; Rokosh et al., 2002; Hao and Guo, 2005; Yang et al., 2015）。此外，CLP拥有连续的沉积作用和红土及黄土-古土壤沉积物的明确年代学记录（Ding et al., 1999; An et al., 2001; Guo et al., 2002; Zan et al., 2018b），为研究地质历史中的空间气候梯度提供了独特的档案。

在这项研究中，我们比较分析了晚更新世和晚更新世温暖期间来自黄土高原中部和西部风成沉积物中<5 μm粒径组分的地球化学和磁参数。通过将这些数据与已发表的数据集进行整合，我们旨在重建CLP气候梯度的时空演变，并加深对东亚空间气候梯度与当前全球变暖之间联系的敏感性及潜在响应机制的理解。

章节摘录

研究区域和材料

CLP的气候主要受东亚季风系统的控制，该系统对水热条件具有显著的季节性影响。夏季，来自西太平洋的湿润东亚夏季风（EASM）为CLP带来大量降水；相反，冬季则盛行由西伯利亚高压系统驱动的寒冷干燥东亚冬季风（EAWM），主导着CLP的水文气象状况。目前，CLP表现出明显的东南-西北

地球化学证据

元素在风化过程中表现出不同的迁移性，这为追踪化学风化动态提供了基础（Nesbitt and Young, 1982; Buggle et al., 2011）。地球化学指数和元素比值已在地质研究中得到广泛应用（Dasch, 1969; Parker, 1970; Nesbitt and Young, 1982; Fedo et al., 1995; Chen et al., 1999; Xiong et al., 2010; Buggle et al., 2011; Ren et al., 2019; Deng et al., 2022; Fu et al., 2023）。鉴于初次风化

CLP风成沉积物中地球化学和磁参数的时间变化及其古气候意义

地球化学和磁参数是风成沉积物中化学风化和成土作用的可靠指标，已被广泛用于重建古气候变化（An et al., 2001; Han et al., 2007; Hao and Guo, 2005; Zan et al., 2018a; Ma et al., 2024）。然而，在将这些指标纳入古气候重建之前，必须考虑各种非气候因素的影响，如沉积物来源和沉积后的成岩作用。

稀土元素

结论

对CLP Chaona剖面和Nalesi钻孔中<5 μm粒径组分的风成沉积物进行了地球化学和磁学研究。结果表明，晚更新世的红土经历了比晚更新世古土壤层更强烈的化学风化，表明晚更新世期间CLP的气候更温暖、更湿润。此外，结合其他已发表的数据，成土作用和风化相关参数的空间变化表明

CRediT作者贡献声明

王书文：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、数据管理。胡哲：撰写——初稿、数据管理。宁文晓：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、资金获取、数据管理。詹金波：撰写——审稿与编辑、验证、研究、资金获取、数据管理、概念化。方晓敏：监督、资金获取。刘晓明：方法论、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42502104）、国家重点研发计划（2023YFF0804500）和中国博士后科学基金会（GZC20250271）的支持。