土壤有机碳同位素指标（δ13Corg）记录了古植被变化的历史，被广泛应用于古生态、古气候重建。以往δ13Corg作为代用指标被用于冰期降水量重建，而越来越多的证据显示，对于间冰期（如全新世）的中纬度地区而言，温度在影响C3/C4植物相对丰度方面起着关键性的控制作用，这为利用δ13Corg重建全新世温度变化提供了可能。
bwin联合相关合作单位近期开展了一项研究，尝试利用土壤有机碳同位素指标进行古温度重建，并成功定量了季风边缘区全新世夏季温度和活动积温的变化过程。该研究选择东亚季风边缘区的浑善达克沙地东缘格类河（GLH）砂黄土剖面为研究对象，获得了该剖面全新世δ13Corg的变化结果；并从北半球中纬度地区（30N—60N）筛选出与该剖面相近热量带（限定T 10 C活动积温在1800～4200C·d范围内）的792个表土样点（图1），结合欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的全球气候第五代大气再分析数据（ERA5），系统分析空间表土样品有机碳同位素与现代温度和降水之间的相关关系。
图1 筛选的792个北半球中纬度表土有机碳同位素样点空间分布
在过去气候的定量重建中，δ13Corg指标主要用于重建降水。需要注意的是，δ13Corg主要适用于重建冰期降水量。冰期低温阻碍了C4植物的生长，导致植物群落主要为C3植物。降水量减少会导致C3植物受到水分胁迫，从而导致气孔关闭以减少水分流失。最终会降低CO2吸收，导致δ13C正偏。因此，降水是影响纯C3植物组成的植被δ13C的主要控制因素。然而，全新世间冰期，GLH剖面中的植物组成并非纯C3植物，而是C3/C4混合植被。由于C3和C4植物平均δ13C值差异显著，C3/C4混合植被中C4植物相对丰度的增加会导致土壤δ13Corg值显著正偏。因此全新世δ13Corg变化的主要影响因素可能与冰期不同。在冰期–间冰期变化中，气候变化被认为是C3和C4植物丰度的主要控制因素，但温度和降水哪个因素的影响更大一直存在争议。
降水主要通过两种途径影响土壤δ13C值：（1）直接影响植物（包括C3和C4植物）的δ13C值；（2）通过影响C4植物的相对丰度间接影响土壤的δ13C值。本项研究梳理之前大量研究结果发现，无论是途径（1）还是途径（2），中纬度地区全新世以来（包括现代气候条件下）的降水量都与土壤有机碳同位素之间存在一定的负相关关系。已有的重建研究结果表明该区域从早、中全新世到晚全新世降水量呈明显的下降趋势，而GLH剖面中δ13Corg在全新世整体也呈下降趋势。这表明降水不是控制GLH剖面δ13Corg变化的主要气候因子，存在其它的主控气候因子不仅抵消了降水减少引起的δ13Corg轻微增加，而且还导致δ13Corg从早、中全新世到晚全新世呈显著降低的变化趋势（图2）。
图2 a全新世GLH剖面δ13Corg值的变化; b GLH剖面全新世C4植物丰度变化; c达理湖和安固里淖湖岸堤重建的区域全新世年降水变化（Wang et, 2022）
本项研究的分析结果表明：温度（而不是降水）主控下的C3/C4植物丰度变化是导致剖面全新世δ13Corg值变化的主要原因；空间表土δ13Corg与夏季（6–8月，JJA）、生长季温度（5–9月，MJJAS）以及T 0 C、T 10 C活动积温之间均呈强的正相关关系，而与年均温（MAT）相关性较弱（图3）。空间表土δ13Corg与现代平均年降水量（MAP）之间则呈中等程度的负相关关系（r = -0.38，p < 0.001）。GLH剖面中的δ13Corg变化记录了全新世植被组成为C3/C4混合植被，C4植物相对丰度变化于23.40%~1.70%之间。来自空间表土现代过程和剖面指标变化特征的综合证据一致证实，暖季温度是驱动GLH剖面中δ13Corg值变化的主控因素，为全新世季节温度和活动积温的定量重建奠定了基础。
基于GLH剖面，运用本研究建立的空间表土δ13Corg–温度转换方程定量重建了全新世温度变化。重建的夏季/生长季温度和0 C/10 C以上活动积温均在早全新世约9.3 ka达到峰值，随后在中、晚全新世呈波动下降趋势，与夏季太阳辐射的变化一致（图4），表明季风边缘区夏季/生长季温度变化主要响应于轨道强迫。总体而言，早、中全新世夏季平均气温相对较高，分别为23.3 °C和22.5 °C，而晚全新世夏季平均气温最低，为20.5 °C。早全新世10 °C和0 °C以上活动积温分别为3722 °C·d和4641 °C·d，与北京地区现代观测结果相接近，表明自早全新世以来温度带发生了近3个纬度的南移，剖面所在区域早、中全新世属于暖温带，晚全新世则逐渐转变为中温带。
图3 北半球中纬度792个表土样品有机碳同位素与现代气温的相关性
图4 本研究重建结果与其它相关研究结果的比较。 a 12 ka以来45°N的7月太阳辐射变化（Laskar等，2004）；b本研究重建的夏季温度；c 本研究重建的10°C以上活动积温；d 通过整合仪器数据、代用记录和模式模拟重建的中国北方夏季温度（Shi等，2021）；e基于TraCE21模拟的GLH剖面位置的夏季温度。图中的粉红色阴影带代表温度峰值，而蓝色阴影带代表温度谷值。
以上重建结果得到了现代观测数据、TraCE21 ka模拟结果以及其它相关重建研究的验证和支持（图4）。该研究对于拓展δ13Corg指标在古气候定量研究中的应用具有重要意义；它也验证了该指标在量化中国北方全新世温度方面的有效性。
该研究成果近期以Quantification of Holocene temperatures in the eastern Hunshandake Sandy Land using δ13C of loess organic matter为题发表于《Global and Planetary Change》（中科院一区Top期刊）。硕士研究生曾宇强为第一作者，李徐生副教授、韩志勇副教授为共同通讯作者，赵成教授、弋双文教授级高工等为共同作者。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目的资助。
论文信息：
Yuqiang Zeng, Xusheng Li*, Yujia Liu, Yufang Li, Lisha Qin, Cheng Zhao, Menghui Liu, Yuwen Zhou, Zhiyong Han*, Yong Wang, Bin Zhang, Shuangwen Yi. Quantification of Holocene temperatures in the eastern Hunshandake Sandy Land using δ13C of loess organic matter. Global and Planetary Change, 2024, 237: 104457. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2024.104457