湖底岩石暗藏古气候之谜

    在黄土高原上有个名叫“公海”的蓝色小湖，它只有0.36平方公里，最深处只有10米左右，然而，在这个静谧的小湖泊底部，埋藏着一把“钥匙”，它可以开启距今约14700年的旧石器末期和新石器时代的古气候记忆之门，这“钥匙”就是湖底沉积岩石中残存的陆生植物枝干、树叶、孢子和花粉。近日，兰州大学陈发虎团队和河北师大等多家国内外研究单位合作，在这个未被人类活动干扰的高山湖泊中找到了这把“钥匙”，重建了14700年前至今东亚夏季风导致的降水变化，首次提供了东亚夏季风演变的直接证据，准确还原了孕育仰韶文化的气候和自然环境背景。

A.据古季风演化可推测未来气候

    东亚夏季风的强度变化，控制着该地区水文和生态变化。东亚夏季风对世界三分之一人口的经济和社会活动产生着显著影响。在历史时期，东亚夏季风变化甚至与朝代的兴衰之间有较为密切的关联——我国旱作农业区的降水多寡受控于季风强弱。如果季风增强，降水增多，农作物丰收，人们就安居乐业；如果季风减弱，降水不足，农作物歉收，在特定的社会经济背景下，就容易造成社会动荡不安。长期以来，东亚夏季风导致的降水异常可能引发严重的旱涝灾害，也可能导致极端干旱事件发生，从而产生水资源匮乏、生态环境恶化等一系列问题，严重威胁人类生存环境。

    在如今全球变暖的趋势下，东亚夏季风降水会如何变化？可能造成哪些环境和社会影响？应该采取何种应对措施？这是学术界和公众极为关注的重要科学问题，而深入理解自然状况下夏季风变化历史和驱动机制，是解答这一问题的前提和基础。

    近几十年来，科学家分别用黄土、冰心、沉积岩等地质载体来研究古气候变化。2001年，《科学》杂志发表了一篇用石笋氧同位素重建冰消期季风的文章，科学家们开始利用石笋中的氧同位素来反演古季风的演化过程，由于具有准确定年和高分辨率的优势，石笋氧同位素迅速成为国际流行的反映季风变化的代用指标，并认为其记载亚洲季风演化与太阳辐射变化具有长周期上的“同步性”。

    石笋是一种碳酸钙结晶沉积物，位于溶洞底部，呈尖锥体，生长速度与其所处的地理位置和洞穴环境有关。然而，近年来，石笋氧同位素指示东亚夏季风变化的观点受到诸多挑战，科学家开始从不同角度来认识中国季风区石笋氧同位素的古气候意义，提出了“环流效应”“冬季温度效应”等观点。“起初，对于石笋氧同位素可以测定东亚夏季风变化，我们也深信不疑。”陈发虎说，“然而，越来越多的证据显示，来自亚洲季风区不同地域的所有石笋氧同位素变化基本一致。具体到东亚，这种石笋氧同位素的一致信号本身就与东亚季风区南北降水差异存在矛盾，因此难以将其作为东亚夏季风的可靠指标。事实上，石笋氧同位素记录的是降水氧同位素信号，而降水氧同位素的变化并不能直接等同于季风降水量和夏季风强度的变化。”

B.仰韶文化古气候样貌得以还原

    既然石笋氧同位素不能作为东亚夏季风的可靠指标，那么开启古气候变化的“钥匙”到底藏在哪里？陈发虎介绍，从2007年起，他们这个研究小组就开始进行不断探索，并最终将目标锁定在位于山西西部吕梁山顶上，一个名叫“公海”的蓝色小湖。“这是一个未被人类活动干扰的高山湖泊，水面面积0.36平方公里，最大水深只有10米左右。”陈发虎说，研究小组在冬季湖面结冰后，在湖中心的冰面上放置打钻平台，向湖底打钻取得约10米长的沉积岩心。回到实验室，研究小组将岩心平均分成1厘米的小段，用碳14对岩心中的陆生植物残体（树枝、树叶）进行测年。再利用离心等方法，提取岩心中的孢粉（孢子、花粉），测量植被的变化。最终，通过这些植被的变化得出东亚夏季风降水的变化曲线图。

    结合北半球的温度曲线图，距今14700年前旧石器时代黄土高原的样貌得以还原——那时候，冰雪王国一般的地球刚刚经历了一个寒冷的“冬季”，从冰期进入间冰期，气候变暖，冰川逐渐消融。到距今7000年到5000年，黄土高原迎来了近万年降水最多的时期，华北地区降水量比现代高30%。

    雨水丰沛，森林茂密，松树、栎树、桦树、云杉、胡桃等植物繁茂生长，仰韶文化正是在这样的气候特征下孕育、兴盛。仰韶文化指年代约为公元前5000年—公元前3000年前，属于新石器时代范畴，是一个以农业为主的文化时期，丰沛的降水对其发展和繁荣至关重要。仰韶文化分布在整个黄河中游，从今天的甘肃省到河南省之间，向人们展示了中国母系氏族制度繁荣至衰落时期的社会结构和文化成就。

C.古气候演变之门开启

    从东亚夏季风导致的降水变化以及温度的整体曲线来看，温度越高，季风越强，降水越多。末次冰消期以来，多次全球性降温事件都导致了东亚夏季风快速衰退和降水量骤降，例如在距今12900年—11700年前，地球经历了一个长达1200年的气候强变冷的“春寒期”即新仙女木期，在距今600年—150年前，地球经历了距今最近的一次冰川前进时期，即常说的小冰期，当时东亚夏季风降水量均出现了明显的减少。而从近些年的观测来看，随着全球变暖，季风强度却在减弱，降水量也相应降低。陈发虎表示，这可能与人类活动造成的温室气体升高有关。

    在季风驱动机理方面，研究小组通过距今8500千年、6000年和现代的数值模拟发现：虽然东亚夏季风总体上受到北半球夏季太阳辐射的驱动，但在早全新世还受到高纬度地区冰量变化的调制。在最近4000年来，低纬度地区的厄尔尼诺—南方涛动变化也对季风变化产生了重要影响。

    在国家自然科学基金委和科技部等机构的共同资助下，陈发虎的研究小组首次重建了从14700年前至今东亚夏季风降水变化历史，为亚洲季风变化及相关工作提供了可资对比的高分辨率定量降水记录，对季风驱动机理研究作出了贡献。

    他们用湖泊岩心孢粉记录恢复的东亚夏季风降水变化情况也与多个历史事件吻合，古气候的大门由此成功开启。

    而且，这个研究结果表明石笋氧同位素记录并不能代表东亚夏季风的真实变化，“石笋指标记录的可能是大尺度的环流信息，不过，这也还等待着科学家们去研究。”该研究团队青年骨干陈建徽博士说。

    (本报通讯员 刘晓倩 本报记者 宋喜群)