2024年2月21日国际学术期刊Science Advances在线发表了一篇文章，探讨了黄土高原西部过去两万年以来温度变化及影响因素，对黄土中蜗牛壳体和生物标志物两种独立的地化指标重建的绝对土壤温度变化进行了深入解读，结合数值模拟结果，从土壤湿度-植被调控水热平衡的角度为东亚季风区气候环境变化机制提供了新见解。
细阅“黄土天书”
对过去气候变化的认知大多基于深海沉积、冰心、黄土、湖泊、石笋、树轮等地质生物载体，相较于海洋和冰心记录而言，陆地载体对绝对温度的反演鲜有报道，主要归因于能重建绝对温度变化的代用指标匮乏，制约了对过去气候环境变化规律和机理的认知。
位于我国北部的黄土高原，拥有第四纪连续的黄土-古土壤序列，蕴含着丰富的温度、降水、植被等变化信息，为重建东亚大陆气候环境演化提供了重要载体。如何更好地开发新的敏感指标，定量解读蕴藏在黄土高原几百万年来温度和降水变化信息，成为黄土与全球变化研究的热点和难点问题。
蜗牛较小的活动范围及其壳体在地质载体中较高的保存度，使得蜗牛壳体成为理想的温度记录载体之一，黄土中蜗牛壳体的形成会记录当时周围的温度。相同地，土壤细菌膜脂结构会响应于外界环境变化，在不同温度下生成不同结构的有机化合物，其复杂结构赋予了它在地质记录中较高的保存能力。上述两类生物指标被广泛应用于黄土古气候研究。
深挖“生物古温度计”
日趋成熟的两种生物古温度计成为了解读“黄土天书”的重要工具。近期，荷兰乌特列支大学、中国科学院地球环境研究所和比利时新鲁汶大学的研究人员，应用了“蜗牛壳体团簇同位素（clumped isotope， Δ 47 ）和土壤细菌膜脂生物标志物（brGDGTs）”，对黄土高原西部塬堡剖面末次盛冰期以来黄土-古土壤序列的土壤温度变化进行了定量重建 （图 1）。
//图1 黄土高原塬堡剖面位置图
brGDGT来源于土壤细菌，多活跃于土壤浅表层，土壤细菌在零度以上且有足够土壤水含量的环境中更为活跃。陆生蜗牛多活跃于土壤表层，同样对其生长季节周围环境的温度与降水较为敏感。因此，在黄土高原地区，上述两类指标所反映的温度均为生长季土表温度而非在气候模型中获得更多关注的大气年均温。
基于brGDGT分布和蜗牛壳体团簇同位素高分辨率重建了过去21,000年以来温度变化，两者表现出一致的变化趋势和幅度范围，末次冰盛期绝对温度与全新世晚期维持在相同水平，而非传统认为的末次冰盛期较全新世更加寒冷 （图 2）。
//图2 塬堡剖面（A）定量重建的生长季土表温度变化及其与（B）传统黄土指标和（C）石笋记录及北半球夏季太阳辐射对比
土壤湿度的重要调控
研究人员发现除了生长季长短的变化以外，土壤湿度对塑造土表温度起着关键作用。在末次冰盛期干旱条件下，较低的土壤含水量降低了土壤热容量，在一定的太阳辐射下，土壤升温迅速甚至超过大气温度，从而导致记录温度高于预期，干旱条件下稀少的植被覆盖进一步加速了土壤温度的升高。
相对地，在全新世晚期植被覆盖增加，更有利于土壤湿度的保持，进而导致较低的土表温度，相反的机制导致土表温度低于预期。这一原理得到了基于数值模拟的能量分配模型的进一步证实。尽管末次冰盛期的较大风速扰动会减弱土壤和大气之间的温度差异，该能量分配模型表明，干旱条件下的土壤温度仍然比空气温度高约5摄氏度（图 3）。
//图3 不同土壤水分含量调控下的土壤温度雨大气温度差异
未来的启示
本研究获得了植被-湿度对土壤温度的调控的新发现，不仅突出了全面理解指标记录的重要性，更强调了指标记录与气候模型对比的重要性。同时，在全球变暖背景下，植被发育及土壤湿度的增加，或将降低土壤表层的温度。因此，跨学科合作可以为深入解读不同的地质记录提供更有力的支持，为应对全球气候变化的挑战提供更准确的预测和理性的决策基础。
该项工作集结了在荷兰（Utrecht University）、比利时（Université catholique de louvain）和中国（中国科学院地球环境研究所）工作的不同领域的中外研究人员。更多的故事细节详见原文。
基金来源：Dutch Research council (NOW: 192.074)；国家自然科学基金（42230514）。
原文信息：Jingjing Guo et al., Robust land surface temperature record for north China over the past 21,000 years. Sci. Adv.10,eadj4800(2024).DOI:10.1126/sciadv.adj4800
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj4800
英文新闻稿：
https://www.uu.nl/en/news/unraveling-the-mysteries-of-the-east-asian-summer-monsoon-unveiling-a-21000-year-temperature-record
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