地球環(huán)境所在蝸牛殼體高分辨率團(tuán)簇同位素定量重建季節(jié)溫度研究方面取得新進(jìn)展

降水和溫度的季節(jié)變化是季風(fēng)氣候的顯著特征。黃土高原位于東亞季風(fēng)影響的敏感區(qū)，深入認(rèn)識黃土高原地區(qū)降水和溫度在季節(jié)尺度上的變化特征，對于理解東亞季風(fēng)系統(tǒng)對外部強(qiáng)迫和內(nèi)部氣候過程的響應(yīng)機(jī)制至關(guān)重要。盡管洞穴石筍、黃土、湖泊沉積物和樹輪等記錄被用于重建過去東亞季風(fēng)演變歷史，但這些記錄的時間分辨率多集中在年-百年尺度，難以定量刻畫季節(jié)尺度上的降水和溫度變化，限制了對季風(fēng)過程精細(xì)結(jié)構(gòu)及其季節(jié)性特征的深入認(rèn)識。

針對上述科學(xué)問題，中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所聯(lián)合荷蘭烏德勒支大學(xué)，基于中國黃土高原東部靈寶（LB）和西部塬堡（YB）地區(qū)現(xiàn)代及化石蝸牛樣品（圖1），系統(tǒng)開展了不同種屬及同一種屬殼內(nèi)高分辨率Δ47與δ18Oshell分析。研究首先評估了現(xiàn)代蝸牛整殼Δ47溫度（T47）以及由δ18Oshell和T47計算的體液水氧同位素值（δ18Obw）與生長季溫度和降水δ18Op的對應(yīng)關(guān)系；隨后結(jié)合殼體生長間斷特征和殼內(nèi)δ18Oshell變化，對單個蝸牛殼體進(jìn)行分段分析，定量重建其季節(jié)尺度T47和δ18Obw的季節(jié)變化。并進(jìn)一步將該方法應(yīng)用于靈寶末次冰期盛期（LGM）和塬堡早全新世（約 11 ka）化石蝸牛殼體，探索不同氣候背景下生長季溫度和水文條件的季節(jié)變化特征。

研究結(jié)果表明，不同現(xiàn)生蝸牛種屬的整殼T47與觀測的生長季地表溫度高度一致（YB生長季為4月中旬至9月，LB為3月中旬至10月），且種屬間差異較小（圖2），表明蝸牛殼體T47溫度能良好重建蝸牛生長季溫度。蝸牛殼內(nèi)高分辨率Δ47–δ18O–δ13C結(jié)果顯示殼體沉淀過程沒有明顯的同位素混合效應(yīng)和非平衡分餾效應(yīng)，支持陸生蝸牛文石殼體形成達(dá)到了同位素平衡分餾。值得注意的是，根據(jù)現(xiàn)生蝸牛殼體重建的殼內(nèi)T47序列揭示出7–10 °C 的季節(jié)尺度溫度變化，并可能記錄了短期熱脅迫信號（圖3）。整殼δ18Obw相較于當(dāng)?shù)亟邓?8Op顯著富集（約3–6.5‰，p < 0.05），可能主要受蒸發(fā)作用及微環(huán)境條件影響（圖2）。殼內(nèi)δ18Obw序列變化趨勢與季節(jié)性δ18Op一致，清晰記錄了干旱季節(jié)同位素富集和濕潤季節(jié)同位素貧化的季節(jié)變化特征，這些信息在整殼平均δ18Obw值中被掩蓋。化石結(jié)果顯示，早全新世和末次盛冰期（LGM）時期生長季T47顯著低于現(xiàn)代，這可能分別對應(yīng)于早全新世較長的生長季以及LGM期間氣候條件受限導(dǎo)致的生長季變短。其中LGM時期蝸牛殼內(nèi)T47序列揭示出~6°C 的季節(jié)尺度溫度變化，LGM時期濕潤季節(jié)較低且更穩(wěn)定的殼內(nèi)T47值以及更負(fù)的δ18Obw值，揭示了冰期邊界條件下顯著的季節(jié)性水文氣候變化（圖3）。

該研究表明蝸牛殼體地球化學(xué)記錄對水文氣候季節(jié)性變化高度敏感，通過開展殼內(nèi)高分辨率δ18O與Δ47分析，可突破傳統(tǒng)代用指標(biāo)的時間分辨率限制，實(shí)現(xiàn)對季節(jié)尺度氣候變化的定量重建，為理解黃土高原及東亞季風(fēng)區(qū)在不同氣候背景下的季節(jié)性氣候演變提供了新的視角。

該項(xiàng)成果近日發(fā)表于國際地球化學(xué)期刊Geochimica et Cosmochimica Acta，宗秀蘭博士和郭菁菁博士為論文第一作者，董吉寶副研究員為通訊作者。研究工作得到荷蘭科研基金（NWO，Vidi 192.074，016.161.365）、國家自然科學(xué)基金（42402197, 42377445）、中國科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊(duì)（2024000021）等項(xiàng)目的共同資助。

Xiulan Zong1, Jingjing Guo1, Wenru Yang, Jibao Dong*, Niels J. de Winter, Hong Yan, Yougui Song, Youbin Sun, Francien Peterse, Martin Ziegler, 2026. Unlocking sub-annual hydroclimate and temperature variability through land snail shell records, Geochimica et Cosmochimica Acta.

https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.01.018.

圖1. 采樣點(diǎn)位置和器測溫度、濕度、降水量及降水δ18Op的季節(jié)變化。

圖2. 蝸牛整殼Δ47溫度及由δ18Oshell和T47計算的體液水δ18O與生長季溫度和降水δ18Op的關(guān)系，并與化石樣品結(jié)果進(jìn)行對比。

圖3. 靈寶地區(qū)現(xiàn)代和化石蝸牛殼體內(nèi)高分辨率氧同位素和團(tuán)簇同位素的變化特征，揭示了蝸牛生長過程中體液水氧同位素和生長溫度的季節(jié)變化。x軸為蝸牛殼體從殼口（0 mm）至殼頂?shù)木嚯x。