末次盛冰期中国南方地质载体揭示的气候响应模式差异

Differences in Climate Response Patterns Revealed by Geological Carriers in Southern China during the Last Glacial Maximum

摘要: 末次盛冰期(LGM)是距今最近的全球冰量鼎盛时期。这一时期全球显著变冷，气候状态与现代差异巨大，因此成为古气候研究中的热点时期。中国南方地处亚热带气候区，对气候变化响应敏感，有学者已对LGM期间该地区的气候特征进行了初步研究，但南方地区内部气候特征的差异仍未得到充分认识。为此文章梳理了LGM时期中国南方不同区域的地质记录，总结了这一时期南方地区气候环境的基本特征，并对其所呈现的区域性差异进行分析。研究表明LGM期间中国南方不同区域的地质载体对气候变化的响应存在两种模式，一种是以冷干的气候特征为主，集中在东南沿海与西南地区；另一种则呈现为寒冷湿润的气候模式，主要集中于长江中下游地区。进一步分析认为北半球夏季太阳辐射减弱和大陆冰盖扩张可能是南方地区冷干气候模式的主要驱动因素，而长江中下游一带的冷湿模式可能与ENSO活动增强和夏季风减弱导致的梅雨量增加有关。上述研究为深入探讨LGM时期中国南方气候特征提供了理论基础，也为预测未来气候变化提供了宝贵的参考。

Abstract: The Last Glacial Maximum (LGM), with striking global cooling and remarkable differences in climate conditions compared to modern times, was the most recent peak in global ice volume, making it one of the hot topics in paleoclimate research. Southern China is located in the subtropical climate zone and is sensitive to the response to climate change. Scholars have conducted preliminary studies on the climate characteristics in the region during the LGM period, but the differences in the climatic characteristics in the southern region are still not fully recognized. Therefore, this paper collected the geological records of different regions in southern China during the LGM period, summarized the basic characteristics of the climatic environment in the southern region, and analyzed the regional differences it presents. The results show that there were two climatic response patterns of geological carriers in different regions of southern China during the LGM period, one of which was dominated by cold-dry climatic characteristics, concentrated in the southeast coastal and southwest regions, while the other was characterized by cold-wet climate, mainly distributed in the middle and lower reaches of the Yangtze River (MLRYR). Further analysis suggested that the weakening summer insolation in the Northern Hemisphere and the expansion of continental ice sheets may be the main driving factors for the cold-dry climate pattern in southern China, while the cold-wet climate in the MLRYR may be related to the increased Meiyu precipitation caused by the enhancement of ENSO activity and the weakening of summer monsoon. The above research provided a theoretical basis for further exploring the climate characteristics of southern China during the LGM period, and provided valuable references for predicting future climate change.

1. 引言

中国南方地区属于典型的亚热带季风气候，该区水热条件优越，生物多样性丰富，区内广泛分布着石笋、泥炭、湖泊沉积物以及河流沉积物等地质载体，为研究古气候变化提供了得天独厚的材料。由于中国南方地区受季风气候系统影响显著，对气候变化高度敏感，因而成为古气候环境研究的热点地区之一。末次盛冰期(Last Glacial Maximum，简称LGM，23~19 ka B.P.)被认为是最近一次全球冰量最大时期，在此期间，地球系统发生显著变化，北半球夏季太阳辐射量位于低值水平，全球海平面约下降130 m，大陆冰盖急剧扩张[1] [2]。目前，以石笋、泥炭、湖泊沉积物和河流沉积物等为载体的LGM时期中国南方环境变化研究已取得了丰富成果，但不同地区的地质记录所反映的气候演化过程存在争议，例如，福建仙云洞[3]、广东湖光岩玛珥湖[4]、云南宝秀盆地[5]等地的记录呈现了寒冷干旱的气候模式，而江苏葫芦洞[6]、长江安徽池州河段[7]和湖北神农架大九湖[8]等地的古气候档案则指示了寒冷湿润的气候配置环境。可见，对于LGM时期中国南方的气候环境格局仍缺乏系统认识，因此，本文梳理了LGM时期中国南方不同区域的地质记录，试图厘清LGM时期中国南方内部区域的气候响应模式及其驱动机制。

2. 研究材料

考虑到气候代用指标具有多解性，本文采用多种指标综合反映LGM时期中国南方地区气候环境格局，共选取19条LGM时期中国南方地区的古气候记录，包括石笋、泥炭、湖泊沉积物以及河流沉积物等地质载体，具体记录信息见表1。其中，石笋氧同位素(δ¹⁸O)常被用作反映夏季风强度的指标，其高值表示夏季风减弱、低值表示夏季风增强[9]；石笋碳同位素(δ¹³C)一般与区域水文环境有关，其高值反映区域水文环境恶化、低值反映区域水文环境改善[10]；泥炭总有机碳同位素(δ¹³C_TOC)与温度、降水等有关，一些研究认为其高值指示气候冷干、低值指示气候暖湿[11]，但也有另外研究持相反观点[5]；泥炭或湖泊沉积物中的K/Rb、中值粒径(Md)、碳酸钙含量(CaCO₃)等指标，也与气候条件有关，较高的K/Rb、Md值和较低的CaCO₃值可指示暖湿气候，较低的K/Rb、Md值和较高的CaCO₃值则指示冷干气候[5] [12]；河流沉积物中的粒度、化学风化指数(CIA)、Ti/Ca均可指示物理或化学风化强度，其高值表示物理或化学风化加剧、低值表示物理或化学风化减弱[7] [13]。

Table 1. Paleoclimate records of southern China during the LGM period

表1. LGM时期中国南方地区的古气候记录

序号	地点	气候代用指标	指标气候意义	参考文献
1	福建仙云洞	石笋δ^18O	东亚夏季风强度	马乐等，2020
2	广西响水洞	石笋δ^18O	夏季风降水	Cosford et al., 2008
3	福建水竹洋	泥炭孢粉	温度、降水	Yue et al., 2012
4	广东临江剖面	河流沉积物粒度	风力作用	杜恕环等，2007
5	广东湖光岩玛珥湖	正构烷烃化合物	草本与木本植物的相对输入贡献	匡欢传等，2013
6	云南小白龙洞	石笋δ^18O	印度夏季风降水	Cai et al., 2015
7	云南宝秀盆地	泥炭K/Rb、δ^13CTOC	温度、降水	Huang et al., 2016
8	云南属都湖	湖泊沉积物孢粉	温度、降水	Cook et al., 2011
9	贵州三星洞	石笋δ^18O	夏季风降水	Jiang et al., 2014
10	四川甘池	泥炭TOC、δ^13Corg、元素	东亚夏季风强度、植被演化、 水文环境	Huang et al., 2022
11	四川邛海湖	湖泊沉积物Md、CaCO3	西南夏季风强度	Wang et al., 2019
12	江苏葫芦洞	石笋δ^18O	东亚夏季风强度	Duan et al., 2015
13	长江三角洲鹤鸣孔	黏土孢粉、藻类	温度、降水	覃军干等，2007
14	长江安徽池州河段	河流沉积物CIA、Ti/Ca	化学风化	Chen et al., 2023
15	湖北落水洞	石笋δ^18O、δ^13C	亚洲夏季风强度、区域有效湿度	Wang et al., 2022
16	湖北大九湖	泥炭孢粉	温度、降水	Xiao et al., 2015
17	湖南玲珑洞	石笋δ^18O	大气降水	Liu et al., 2020
18	重庆小山岩洞	石笋δ^18O	亚洲夏季风强度	张伟宏等，2020
19	湖北龙腑宫洞	石笋δ^13C	亚洲夏季风水热条件	Zhang et al., 2020

3. 中国南方地区气候响应格局

基于中国南方地区19条古气候记录的对比分析，发现LGM时期中国南方地区的气候特征具有明显的空间差异性，东南沿海和西南地区整体表现为冷干气候，而长江中下游一带的气候更为湿润，并非一致呈“冷干”的气候模式(图1)。

Figure 1. Climate response patterns in southern China during the LGM period

图1. LGM时期中国南方地区的气候响应模式

注：该图基于自然资源部标准底图服务网站下载的审图号为GS(2020)4619号的标准地图制作，底图无修改。

LGM时期南方各区气候环境状况

闽粤桂地区：包括闽粤桂在内的东南沿海地区在LGM时期呈现出一致的冷干气候模式，具体表现为福建仙云洞和广西响水洞的石笋δ¹⁸O记录在23~19 ka B.P.具有缓慢偏正的趋势(图2(a, b))，这表明LGM时期东亚夏季风强度逐渐减弱，气候条件向冷干状况转变[3] [14]。福建水竹洋泥炭沉积记录也显示温带落叶植物和杜鹃花科植物在该时期占优势，同样反映了冷干气候环境[15]。广东临江剖面的MIS2时期(19.6~9.5 ka B.P.)红色沙质沉积物记录了高比例的细沙含量，表明沉积物系干旱气候时期风力搬运堆积而成[13]。在这种气候背景下，东南沿海地区C4植物成为优势植被，这与广东湖光岩玛珥湖有机地球化学研究的结论相一致[4]。

云贵川地区：分布于中国西南部的云贵川地区在LGM期间也表现出与东南沿海地区相似的气候响应模式。来自云南小白龙洞的石笋δ¹⁸O记录清晰反映了LGM时期印度季风区夏季降水显著减少[16]。这一现象在云南的泥炭和湖泊记录中也得到印证，云南中部的宝秀盆地泥炭记录显示K/Rb与δ¹³C_TOC值在23~19 ka B.P.明显偏低(图2(e))，北部的属都湖孢粉记录在22.6~17.7 ka B.P.呈现出较低的花粉浓度，其中草类植物和耐寒松树林占比最大，这些证据都支持在印度夏季风减弱的背景下云南地区冷干气候条件加剧[5] [17]。同样，贵州三星洞石笋氧同位素记录在23~19 ka B.P.期间具有明显正向偏移的趋势(图2(c))，指示印度夏季风降水减少[18]。此外，四川甘池泥炭记录中的低TOC和高δ¹³C_org特征(图2(d))以及四川邛海湖的低Md值和高CaCO₃含量均有效证实了LGM期间印度夏季风减弱、寒冷干旱的气候模式[12] [19]。

Figure 2. Comparison of paleoclimate records in Southern China

图2. 中国南方地区的古气候记录对比

注：(a)福建仙云洞石笋δ¹⁸O记录[3]；(b)广西响水洞石笋δ¹⁸O记录[14]；(c)贵州三星洞石笋δ¹⁸O记录[18]；(d)四川甘池泥炭δ¹³C_org记录[19]；(e)云南宝秀盆地泥炭δ¹³C_TOC记录[5]；(f)湖北落水洞石笋δ¹⁸O记录[21]；(g)湖南玲珑洞石笋δ¹⁸O记录[23]；(h)基于湖北大九湖孢粉重建的古降水记录[8]；灰色虚线代表LGM期间各记录的线性拟合趋势。

苏沪皖地区：与闽粤桂、云贵川等地相反，位于长江下游的苏沪皖在LGM时期整体表现出湿润的气候模态。如江苏葫芦洞石笋δ¹⁸O记录在LGM整体偏负，表明气候较为寒冷湿润[6]。附近的长江三角洲鹤鸣钻孔的孢粉、藻类记录显示，LGM早期和晚期针阔叶林发育、中期植被稀少，由此可分为湿–干–湿三个阶段[20]。近期，来自皖南地区的报道指出，长江安徽池州河道沉积物的化学风化指标CIA和Ti/Ca在LGM时期保持高值水平，反映了LGM期间该地降水量增加、化学风化加剧[7]。

鄂湘渝地区：鄂湘渝等地的古气候记录主要集中于长江中游地区，且这些记录共同显示了LGM时期的湿润气候环境。例如，湖北落水洞石笋的δ¹⁸O、δ¹³C记录在23~19 ka B.P.基本负偏(图2(f))，指示LGM时期该区的湿润气候[21] [22]。在湖北神农架大九湖流域的孢粉记录中，34.5~17.7 ka B.P.期间冷杉林向更低海拔迁移，且重建的年均温度比现代温度低5~14℃，年均降水量在2100~2350 mm (图2(h))，反映了LGM时期大九湖流域的冷湿气候条件[8]。湖南玲珑洞(图2(g))和重庆小山岩洞的石笋δ¹⁸O记录在LGM时期均呈现偏负的倾向，且基于玲珑洞石笋氧同位素数据重建的古降水记录表明23、21、19 ka B.P.是长江中下游地区的强降水时期[23] [24]。然而，湖北龙腑宫洞石笋δ¹³C记录在整体寒冷的LGM气候背景下被识别出6次明显的多百年尺度变暖事件，表明LGM时期长江中游地区的气候不稳定性[25]。

总而言之，在LGM期间，中国南方地区均表现出温度下降的特征，但在湿度方面却呈现出不同的响应模式，具体表现为东南沿海和西南地区干旱、长江中下游一带湿润的二元气候模式。

4. LGM时期南方地区气候模式差异的机制分析

4.1. 湿润气候模式的影响因素

对于LGM时期长江中下游一带的湿润状况，厄尔尼诺–南方涛动(El Niño-Southern Oscillation，简称ENSO)活动可能是解释这一现象的主要机制。这种推测得到高分辨石笋记录的支持，生长于LGM期间的江苏葫芦洞石笋记录了显著的2~7年ENSO周期，暗示ENSO可能对长江中下游地区降水起着重要调控作用[26]。这一观点获得了近期研究的证实，研究发现长江中下游的洪涝灾害多发生于厄尔尼诺年，而干旱灾害多出现在拉尼娜年[27]。Koutavas和Joanides的研究表明，LGM期间热带太平洋纬向海表温(Sea Surface Temperature，简称SST)梯度下降，ENSO增强，表现为厄尔尼诺态[28]。厄尔尼诺会促使西太暖池的SST下降，进而导致西太平洋副热带高压带南移，南移的西太平洋副热带高压带阻止雨带向北移动，导致雨带停滞在长江中下游地区形成梅雨，从而为长江中下游地区带来丰富的降水[29]。同时也有研究指出，东亚夏季风强度与长江中下游的梅雨量呈反相位关系，即东亚夏季风强度减弱时，季风雨带在长江中下游地区的停留时间延长，进而导致梅雨量增大[30] [31]。因此，LGM期间长江中下游一带的湿润环境可能与厄尔尼诺事件和东亚夏季风减弱引起的梅雨量增加有关。此外，中国南方地区，河网密布，丘陵山地众多，其复杂地形产生的局地气候效应也不容忽视。例如，LGM时期湖北神农架大九湖的气候环境受到高海拔山地的制约，由于神农架林区的平均海拔为1600 m，云凝结核的高度也主要在1000~1600 m之间，故其山腰处易形成云海，从而降低温度和增加水汽[8]。

4.2. 干旱气候模式的影响因素

一些研究认为，LGM时期较低的北半球夏季太阳辐射量是引发中国南方地区出现干旱气候的主要外部驱动因素[3] [15]。当太阳辐射减少时，太阳光谱中的紫外波段会发生大幅变化，引起平流层臭氧浓度的变化[32]，同时北大西洋流冰也会随着太阳辐射减弱而增加，北大西洋深层水形成减少，从而导致北半球高纬地区气温下降与触发北大西洋涛动负相位[33]。在此情况下，西伯利亚高压增强，西风带南移，东亚夏季风和印度夏季风减弱，进而导致中国南方大部分地区降水减少，出现气候干旱特征[21]。

值得注意的是，LGM时期北美、北欧和南极大陆均有冰盖的分布[1]，因此中国南方地区的干旱气候模式也有可能是对大陆冰盖急剧扩张的响应。关于冰盖与东亚气候的关系，前人进行了一系列的气候模拟研究。一项针对MIS13时期的冰盖与东亚夏季风的模拟研究发现，当格陵兰冰盖消失时，中国南方地区的降水增加。这是因为格陵兰冰盖消失会引发亚洲大陆增暖和西北太平洋降温，进而使海陆热力差异增大，东亚夏季风增强[34]。由此推测，当格陵兰冰盖面积较大时，东亚夏季风减弱，中国南方大部分地区气候干旱。此外，大陆冰盖也可通过减少低层大气中的水汽以及诱发欧洲和北美大陆上空的反气旋来削弱亚洲季风环流，从而导致东亚季风区夏季降水减少[35]。

在太阳辐射和冰盖的双重影响下，热带太平洋和热带印度洋在LGM期间出现广泛的SST变冷现象[36] [37]，较冷的SST抑制了海水的蒸发，进而减少了向陆地的水汽输送，由此可能引发中国南方地区的干旱气候模式[38]。同时，热带太平洋的经向海温梯度伴随SST下降而减小，促使热带辐合带(Intertropical Convergence Zone，简称ITCZ)向南移动[39]，结果导致亚洲夏季风减弱[5]。Chiang和Bitz基于海气耦合模型试验指出，LGM期间ITCZ向南移动，特别是在北半球受到大冰盖强迫时，ITCZ的南移现象更加明显[40]。当ITCZ南移时，其将水汽从北半球输送到南半球，从而导致半球间湿度不平衡，因此LGM期间中国南方地区的干旱气候也与ITCZ南移紧密相关。

5. 结论

本文系统研究了中国南方地区的石笋、泥炭、湖泊和河流沉积物记录，总结了末次盛冰期中国南方地区气候环境格局。研究发现，LGM时期中国南方地区总体呈现出二元气候响应模式，闽粤桂等东南沿海地区以及云贵川等西南地区表现为寒冷干旱的气候特征，而包括鄂湘渝苏沪皖在内的长江中下游一带则主要表现为寒冷湿润的气候模式。北半球夏季太阳辐射减弱、大陆冰盖扩张、热带海水变冷和ITCZ南移触发了中国东南沿海和西南地区的干旱气候模式，而长江中下游地区的湿润环境更可能与ENSO增强和东亚夏季风减弱引起的梅雨量增加有关。综上所述，LGM时期中国南方地区的气候模式主要是由太阳辐射、冰盖和海气环流等因素驱动，同时也会受到局地因素的制约。