第四纪地球轨道低偏心率间冰期黄土高原生态环境变化与机制研究

Quaternary interglacials currently attract a great deal of attention in the paleoclimate community, because they play a vital role in distinguishing between “nature” and “human” climate change in the current interglacial and in understanding how the Holocene would evolve in the absence of anthropogenic greenhouse warming. As potential analogs to the present and future, Marine Isotope Stage 11 (MIS11) and MIS19 were similar in warm climate to the Holocene and present in terms of their astronomic backgrounds (low eccentricity leading to small variations in precession and in daily insolation). However, the processes of climate change, especially the variations of seasonality, and forcing mechanisms of MIS 11 and MIS19 remain unclear. S4 and S7 paleosols in the Chinese loess sequence, which correspond to MIS 11 and MIS19, respectively, record continuously changes in climate and environment of the two periods. This project aims to study the biological and ecological characteristics, the process and background of environmental and ecological changes, the duration, warmth, the length of seasonality and the stability of the S4 and S7 soil-forming intervals by using biogenic remains such as terrestrial mollusk, phytolith, and pollen records as the main research approaches, combined with stable isotopic study of snail shells. Comparison of the characteristics of climatic and environmental changes in the Holocene, MIS 11, and MIS19 of the Loess Plateau provides the geological background information about the potential of global warming in future. In line with the available data, model simulations will be performed to determine the forcing mechanism and to determine which one would be a more proper analogue of the Holocene and future climatic changes.

研究与全新世天文背景(地球轨道低偏心率)相似的过去间冰期生态环境变化，是认识未来气候变化趋势的重要途径之一。揭示低偏心率背景间冰期（海洋氧同位素MIS19、MIS11和MIS1）的气候变化过程、规律和机制是目前国际古气候学研究中的关键科学问题之一。中国黄土S4和S7地层是开展MIS11和MIS19期生态环境研究的理想陆相记录。本项目拟以蜗牛、孢粉、植硅体及蜗牛壳体稳定同位素为主要研究手段，研究地球轨道低偏心率背景下3个间冰期 (MIS19、MIS11、MIS1)黄土高原生态环境演变序列，动植物群落组成特征、共性和差异；定量-半定量估算古气候参数及季节性变化，明确3个特征间冰期温暖期长度、温暖程度、季节性特点、气候不稳定性状况，以及不同生物群落响应特征；利用重建的3个间冰期气候参数和边界条件，开展古气候模拟，揭示这些间冰期温暖气候的动力学机制，判断全新世气候变化今后可能的潜在自然趋势。

研究与全新世天文背景（地球轨道低偏心率）相似的过去间冰期气候环境变化，是认识全新世及未来气候变化趋势的重要途径之一。过去90万年来全球经历了三个天文背景相近的低偏心率间冰期（MIS19、MIS11和MIS1）。然而，迄今为止有关这3个间冰期的气候变化过程、规律和机制仍缺少系统的研究。中国黄土S0、S4和S7地层是开展3个时期生态环境研究的理想陆相记录。本项目以黄土蜗牛为主要研究手段，通过对368个表土蜗牛组合（约20余万蜗牛个体）和2471个蜗牛化石组合（约28万余个体）及其它指标的系统研究，获得以下新认识：1）完善中国北方表土蜗牛-气候环境参数数据库，建立了表土蜗牛-气候因子定量转换函数；明确不同气候带蜗牛组合特点，典型属种的最佳气候分布范围，揭示出季节性的气候差异是影响属种组成和丰度的关键因子；2）对黄土高原S4地层（4个剖面）和S7地层（3个剖面）蜗牛化石组合研究，以及转换函数定量重建结果，揭示出MIS11期黄土高原气候暖湿，温暖程度显著高于全新世适宜期和MIS19期，西部和中部年均温、年降水较今高约~2-3℃、~200 mm，东西向气候梯度较今明显减小；MIS19期气候相对暖湿，但温暖程度不及MIS11期和全新世适宜期，与今天的气候状况比较接近，西部年均温、年降水较今高约~1℃、~100 mm。研究表明低偏心率间冰期-冰期转换时期特殊的地球轨道配置方式加强了东亚夏季风，有利于黄土高原生态环境的改善；3）对90万年来5个典型间冰期的天文背景、温室气体浓度和海洋δ18O等参数进行数值模拟，揭示出MIS19和MIS1期的天文背景和边界条件最为相近，黄土蜗牛记录证明二者气候变化亦最为相似，表明低偏心率间冰期相似的天文背景产生的太阳辐射量变化可能是驱动MIS19和MIS1期相近气候变化特征的动力机制；4）建立了长达130万年来的蜗牛卵化石序列，揭示出卵化石含量最大丰度出现在低偏心率间冰期之后的冰期，表明低偏心率间冰期温暖期的后延可能推迟了季节性突发事件的发生，为研究季节性气候事件发生规律和机制开辟了新途径。项目研究成果为深入探讨低偏心率间冰期气候环境状况打下良好基础，为判断全新世及未来气候变化趋势提供地质背景。已在Quaternary Science Reviews、PNAS、Nature Communications、JAES、第四纪研究等刊物上发表成果24项。