洞穴石笋氧同位素高程差重建长江中游全新世的相对湿度

Humidity is one of the fundamental variables controlling the energy balance of the climate, which play an critical role in Earth ecosystem, and thus its reconstruction represents a significant aspect of paleoclimate studies.Pollen in sediments and isotopic ratio of cellulose in tree ring are proxies for paleo-humidity, but they are limited to uncertainty from other processes. Here we propose a novel proxy for paleo-humidity based on the speleothem d18O records derived from two different caves with a varied recharge water head,and then reconstruct the Holocence humidity history for a region in the middle reaches of Yangtze river.Previous studies found that two factors controlled the speoleothen oxygen isotopic composition, cave temperature and d18O in local meteoric water.The speleothem in the caves with a comparable sea level underwent similar processes in cave, which offset the cave temperature effect of d18O,and thus the difference of two speleothem d18O indicate the isotope gradient of rainfall.In lower troposphere,the isotope gradient of the rainfall is mainly controlled by ambient humidity, which provide a basic principle for the paleo-hygrometer. Advanced in a clear and quantificational interpretion,new proxy will play an important role in construction of long term paleo-RH record in high-resolution.

湿度是控制气候系统能量平衡的一个主要变量，对地球表层生态系统有重要的影响，因而湿度重建是古气候研究的一个重要内容。沉积物中的孢粉和树轮纤维同位素组成常被用于重建古湿度，但因容易受到一些其他因素的干扰而带来不确定性。本研究以同位素分馏机理为指导，通过洞穴现代地质过程观测和石笋模拟生长试验，创建基于石笋氧同位素高程差的古湿度计，用于研究长江中游全新世以来的干/湿变化。预研究发现，石笋碳酸盐氧同位素记录了洞穴温度和大气降水氧同位素的信号，因而在洞穴高程相同的条件下（即洞穴温度效应相抵消），两个石笋氧同位素组成的差值实际上反映了不同高程补给水（大气降水）的差别，后者与地表空气的相对湿度成负相关。以氧同位素高程差为基础的古湿度计具有气候指示意义确切和容易定量等优点，将弥补现有研究方法的不足，在过去长期的、高分辨率的湿度记录的重建中发挥出重要的功效。

湿度是控制气候系统能量平衡的一个主要的变量，对地球表层生态系统发挥重要的制约作用，因而湿度重建是古气候研究的一个重要内容。本研究通过4年的洞穴现代地质过程的高频监测与模拟实验，查明了空气相对湿度如何季节和年际时间尺度上影响不同洞穴的大气降水、洞穴滴水和沉积碳酸盐氧同位素组成，开发了一个基于氧同位素高程差的古湿度计。然后，利用湖北清江和尚洞和神农架三宝洞石笋氧同位素记录及其它们之间的差别，重建了全新世以来长江中游相对湿度的演变历史。我们发现，全新世以来和尚洞与三宝洞石笋氧同位素差值总体上呈现波动下降的趋势，表明研究区空气湿度相对增加（相对湿度与氧同位素差值负相关）。全新世期间，出现了9.5、8.2、6.8、4.3、3.5、1.2和0.5kaBP相对湿度低谷，表明研究区气候干燥，降水减少，与洞穴石笋、湖泊沉积物和黄土等记录的全新世东亚夏季风减弱、降水减少等传统认识并不吻合，甚至出现了相反的变化趋势。两者不一致的原因尚不清楚，其背后的机制需要更进一步的研究。