2021年3月，西南大学地理科学学院岩溶环境学重庆市重点实验室李俊云副教授与云南师范大学地理学部云南省高原地理过程与环境变化重点实验室李廷勇教授团队，以“Karst Hydrological Changes During the Late-Holocene in Southwestern China”为题，利用石笋重建了晚全新世以来的亚洲夏季风的变化，并通过石笋多指标记录研究了亚洲夏季风变化对岩溶关键带水文条件演变的影响。论文共同第一作者为袁道先院士和李廷勇教授共同指导的博士研究生陈朝军同学和黄冉同学。西南大学李俊云副教授和云南师范大学李廷勇教授为论文共同通讯作者。该文章发表在国际著名SCI期刊《Quaternary Science Reviews》(2020年地球科学大类一区，TOP期刊)。
亚洲夏季风影响下的中国西南岩溶地区生态环境脆弱，旱涝交替频繁，人地矛盾突出，对全球变化响应极其敏锐。由于器测气象资料记录时间较短，难以从中获得年代际乃至更长时间尺度上的气候变化规律，因此需要更长时间尺度的地质记录载体来研究过去气候变化规律，这对于评估未来气候变化对生态环境的影响十分重要。尽管该地区已经有部分高精度古气候记录发表，但是对于亚洲夏季风在年代际—百年尺度上的驱动机制仍不明确。晚全新世作为连接过去与现在的关键时期，研究这个阶段亚洲夏季风对岩溶关键带演化的影响，有助于岩溶地区生态环境变化影响因素的古今对比。
李俊云副教授和李廷勇教授课题组通过贵州省石将军洞高U含量(最高浓度达47.5 ppm)的SJJ7石笋进行高精度的230Th测年，建立精准的年代模型。分析了SJJ7石笋中δ18O、δ13C、Sr/Ca、Mg/Ca、Mn、Fe、Al、Si等多指标，同时利用X-ray diffraction (XRD)和Scanning Electron Microscopy (SEM)对石笋纹层进行分析。高精度地(平均分辨率为2.5年)重建了晚全新世(694-3109 yrBP)期间岩溶地区的水文和生态环境演变历史。研究结果表明：
(1) δ18O和δ13C呈现正相关。在694-779, 1013-911, 1282-1172, 1736-1638, 1961-1864, 2472-2375, 2931-2818,和3050-3014 yr BP期间发生了8次年代际到百年尺度的弱夏季风事件。
(2)交叉谱分析表明δ18O和δ13C具有3-8, 10-15, 50-80, 256-512年等共同周期。对δ18O进行经验模态分解(Ensemble Empirical Mode decomposition)表明7年的周期贡献率最大。这表明晚全新世在年代际—百年时间尺度上频繁的ENSO事件主控了亚洲夏季风变化。而晚全新世ITCZ向南移动可能造成了ENSO事件的频率增加。
(3)相对于δ18O，石笋δ13C变化相对缓慢，可能指示了气候突变引发的区域生态环境退化和恢复是一个相对缓慢的过程。夏季风减弱时，石笋Mg/Ca、Sr/Ca比值偏高，能敏感地响应区域水文变化；但是在方解石沉积期间，Mg/Ca比值升高，Sr/Ca比值迅速降低。
(4) SJJ7石笋暗层对应着δ18O由重偏轻的阶段，反映了亚洲夏季风由弱增强的转型期，暗层中Mn、Fe、Al、Si等元素含量脉冲式的增加，反映了晚全新世亚洲夏季风强度变化影响区域水文条件的变化，调控着岩溶关键带的元素迁移。
图1 SJJ7石笋氧碳同位素对比：(A)氧同位素记录；(B)碳同位素记录。1~8黄色条带代表显著的8次弱夏季风事件。底部红色误差棒为SJJ7石笋的测年点和年龄误差。黑色曲线为方解石沉积段原始δ18O与δ13C记录，红色和绿色曲线分别为校正后的δ18O与δ13C记录。蓝色曲线为校正误差。本研究将方解石段δ18O与δ13C分别矫正+0.63±0.07‰和+1.07±0.41‰。矫正后的数据并未改变δ18O与δ13C变化趋势。
图2 SJJ7石笋δ18O与δ13C记录的交叉谱分析，红色虚线标记出显著的ENSO周期。
图3 a~g小窗格中灰色条带为SJJ7石笋暗层沉积的时期，对应着δ18O由重偏轻，指示亚洲夏季风由弱到强的转型期。
图4不同水文条件下Si、Al、Mn、Fe在土壤和基岩裂隙中的运移示意图。棕色条带代表土壤层，土壤层中的白色线条代表土壤层裂隙，大小不一的亮棕色圆点代表富含Si, Al, Mn, Fe等元素的较细的土壤颗粒，蓝色线条代表基岩中的裂隙。(A)干旱的环境中，土壤微粒分布在土壤层。(B)当亚洲夏季风开始增强时，区域水文环境由干旱向湿润转变，地表植被开始恢复，降水增加，岩土裂隙中的水动力增强。富集在土壤和裂隙中的颗粒/胶体被裂隙水冲刷并带入洞穴，被石笋保存。此时，石笋中Si、Al、Mn、Fe等元素含量脉冲式增加。
全文链接为：https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2021.106865。本研究合作者包括西安交通大学程海教授和宁有丰博士、台湾大学余采伦博士和沈川洲教授、美国明尼苏达大学R. Lawrence Edwards教授以及西南大学龙晓勇副教授、张键、王涛、黄冉和肖思雅等硕士研究生同学。该工作得到了国家自然科学基金(No:41772170;42011530078; 41888101)、重庆市科委自然科学基金项目(No: cstc2018jcyj-yszx0013)、中央高校基本科研业务费(No:XDJK2017A010和XDJK2020D005)、广西岩溶动力学重大科技创新基地开放课题资助项目(KDL＆Guangxi202003)、以及国家留学基金项目(202006990068)的共同资助。