如同大自然精心封存的“氣候檔案”，洞穴中的石筍通過其δ18O（氧同位素）組成，默默記載著地球氣候的滄桑變遷。在東亞季風研究領域，華南中部石筍δ18O記錄長期被視為解讀亞洲夏季風演變的“黃金標準”。然而，一個困擾學界長達二十余年的科學謎團始終懸而未解：為何這些記錄僅呈現2萬年歲差周期，卻對主導全球氣候變化的冰期-間冰期旋回“保持沉默”？
近日，中國科學院地球環境研究所聯合國際團隊取得重大突破。研究人員創新性地從黃土高原黃土中提取生物微鈣體，結合先進的地球化學分析與氣候數值模擬，終于揭開了這個“氣候謎題”。研究發現，華南中部石筍δ18O記錄實際上是一把“復合鑰匙”——它不僅編碼了夏季降水信息，還混合了其他季節的氣候信號。
“這就好比我們原以為拿到的是夏季氣候的專屬密碼，實際上卻是一份全年的氣候混合報告。” 中國科學院地球環境研究所助理研究員、論文第一作者和通訊作者章澤科解釋道。這項近日發表于《美國國家科學院院刊》（PNAS）的突破性成果，不僅解開了長期困擾學界的華南中部石筍δ18O記錄氣候周期之謎，更為詮釋全球石筍記錄提供了全新的視角。
石筍δ18O記錄缺失
“21世紀以來，我國石筍古氣候研究便取得了一系列突出成果。石筍記錄有精確的年代測定，加上其獨特的生長機制，能夠記錄洞穴滴水信號，這一信號被學界普遍認為是夏季風的代用指標。”章澤科告訴《中國科學報》。
然而，一個令人困惑的現象是：全球多數氣候記錄都顯示出明顯的10萬年冰期-間冰期旋回，而華南中部石筍δ18O記錄卻只記錄了2萬年的氣候周期。
現代氣象觀測為科學家們提供了一個關鍵線索：華南地區降水季節分配相對均衡，夏季降水僅占全年的不足50%。這與黃土高原形成鮮明對比，后者降水主要集中于夏季。
“這讓我們意識到，如果能用黃土重建一條降水δ18O記錄，那么我們就能在同一指標體系下對比黃土和石筍這兩個地質記錄，或許能夠從降水季節性差異角度理解這一謎題。”章澤科回憶道。
研究團隊面臨的第一個重大挑戰來自樣品本身。團隊從甘肅慶陽采集的黃土樣品成分復雜，既包含內陸干旱區輸送來的原生碎屑物質，也有本地沉積后形成的次生物質，這些原生碎屑物質的混合嚴重干擾了對次生物質中記錄的氣候信息的提取。
顯微鏡下的生物微鈣體。受訪者供圖
“我們創新性地選擇了黃土中一種獨特的次生碳酸鹽——生物微鈣體作為研究對象。”章澤科介紹，這些由植物根細胞鈣化形成的微小碳酸鹽顆粒主要形成于夏季，不僅能排除輸送粉塵的干擾信號，而且能最大程度地反映夏季降水信息。
篩洗過的樣品。受訪者供圖
然而，提取這些微米級的生物微鈣體本身就是一項艱巨的任務。
在章澤科的實驗室里，整齊排列著黃土樣品、精密篩網和顯微鏡。“樣品需要經過75微米篩網過濾去除粘土，烘干后還要在顯微鏡下人工挑選目標顆粒，最后進行超聲清洗用于測試分析。”章澤科指著實驗記錄說，“不同地區的樣品差異很大，有些樣品比較容易找到目標顆粒，有些樣品則無法找到。”
揭示季節“混合效應”
作為首個系統研究黃土生物微鈣體δ18O與冰期-間冰期氣候關聯的團隊，章澤科坦言，研究初期也曾心存疑慮：“黃土生物微鈣體δ18O能否像石筍那樣敏感記錄2萬年歲差旋回的同時，又像其它地質記錄一樣呈現出冰期-間冰期旋回？”
當實驗室數據比對結果出來時，章澤科心里才覺得有譜了。“有一層冰期黃土中的生物微鈣體δ18O變化與已知石筍δ18O記錄高度吻合，我們確信即使季風較弱時，黃土生物微鈣體δ18O仍能敏感捕獲氣候信號。”章澤科回憶道。
隨后，團隊重建了過去40萬年以來夏季降水δ18O變化歷史。結果顯示：生物微鈣體δ18O記錄在2萬年歲差周期上與石筍記錄呈現同步變化；間冰期強夏季風階段均出現顯著偏輕的δ18O值；清晰展現出10萬年冰期-間冰期周期，這在華南中部石筍δ18O記錄中是沒有觀察到的。
這一突破性發現證實：華南中部石筍δ18O記錄實際受到夏季和非夏季氣候信號“混合效應”的影響，不能直接用于表征夏季風強度。“我們的研究為解耦石筍氣候信號提供了關鍵的夏季端元數據。”章澤科強調。
凍土鑿樣，破冰前行
在論文投稿過程中，團隊也曾遭遇一番波折。研究團隊在系統分析黃土中生物微鈣體δ18O組成的同時，忽略了對研究剖面中黃土-古土壤地層年代的進一步測定。盡管黃土高原黃土-古土壤的地層年代在過去研究中已經得到普遍認可，但審稿人希望能在原始研究剖面提供一定數量的年代數據來進一步鞏固地質證據。
團隊成員在野外采樣。受訪者供圖
當審稿意見在2025年春節前夕送達時，章澤科立即帶領團隊奔赴甘肅慶陽補采樣品。臘月時節的黃土高原，寒風刺骨，地表凍土堅硬如鐵。面對采樣難題，他們用木工刨片配合榔頭破土取樣，最終才獲取了所需黃土樣本。
“春節假期，大家就只休息了兩三天。”章澤科回憶道。正是這份爭分奪秒的堅持，讓補充研究的數據質量得到顯著提升，也使論文的論證更加嚴謹有力。
審稿人最終認為，這項研究是有趣且有用的，提供了迄今為止最直接的途徑來關聯和理解東南亞地區石筍和黃土兩大地質記錄中的氣候信號。
“多讀書，多出野外，多做實驗，理論與實踐相結合”“向國際上最頂尖的科學家學習，開展合作”“要敢于挑戰國際前沿科學問題，但一定要從最基本的a、b、c做起”……這些科研箴言來自中國科學院院士安芷生對該科研團隊的一貫要求。回顧自己的科研歷程，章澤科對此深有感觸：“安先生為我量身定制了科研發展路徑，這些治學理念不僅影響了我整個科研攻關過程，也讓我終身受益。”
面向未來，團隊將繼續深耕黃土與氣候變化研究領域。通過整合元素分析、同位素示蹤和團簇同位素等前沿技術，系統解析生物微鈣體蘊含的古氣候信息，定量重建降水、溫度等關鍵氣候要素。
“這些基礎研究將揭示東亞氣候演變的內在規律，闡明其與全球氣候系統的動力學聯系。”章澤科表示。同時，團隊還將通過大數據集成、觀測數據與數值模擬融合等手段，為氣候模型優化，提升未來氣候變化預測能力提供科學支撐。
相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2425565122
本文鏈接：他們揭開華南石筍氧同位素記錄“沉默”謎題http://www.sq15.cn/show-11-24143-0.html
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