作者:温才妃 法伊莎 潘怡欣 来源:中国科学报 发布时间:2023/7/5 12:04:23
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湖底寻踪,他们揭开“全新世温度之谜”

 

清晨6点多,阿尔泰山区的夜色还未完全褪去,兰州大学资源与环境学院教授黄小忠、博士生向丽雄等人就已经紧随当地牧民,向目的地铁外克湖进发了。山路难行,骑马在半米深的雪道上颠簸近2小时后,他们终于踏上了薄雾笼罩的冻湖,紧锣密鼓地开始了一天的采样工作。

自2011年以来,在中国科学院院士陈发虎跟踪指导下,类似的野外作业经历黄小忠团队已有11次。虽然条件艰苦,但经过不懈努力,终于有所收获。日前,黄小忠团队与英国诺丁汉大学博士Virginia N.Panizzo团队以及中国科学院西北生态环境资源研究院博士陈雪梅等人合作,在《自然—通讯》上发表了题为《阿尔泰山全新世气候适宜期驱动中亚地区史前人类扩张》的研究成果。

他们通过对阿尔泰山南坡的喀纳斯湖和铁外克湖中沉积物进行采样,并结合硅藻硅同位素、生物硅、孢粉及全样碳、氮同位素等指标分析,创新性地从气候角度揭示了阿尔泰山地区全新世以来的温度变化历史,同时也进一步探究了温度变化对该时期人群迁徙的影响,为中亚地区史前人口扩张的驱动力研究提供了新视角和新证据。

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俯瞰喀纳斯湖。 课题组供图

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黄小忠等人在喀纳斯湖开展野外取样工作。 课题组供图

揭开“全新世温度之谜”的第一步

约11000多年的现代间冰期,被称为全新世。根据全球海洋和陆地温度记录的集成结果,全球年均温在早中全新世(距今9-7千年)气候相对温暖,随后全球逐渐变冷,直至工业革命以来全球再次变暖。而气候模型的模拟结果则显示,全新世以来全球年均温持续变暖。这一地质记录和气候模拟差异的“全新世温度谜题”,是古气候学界最热门的研究课题之一,至今未有定论。并且温度变化历史及其对史前人群迁徙的影响研究还不深入,这也是陈发虎,以及指导的黄小忠自博士期间以来长期关注的领域。

早在2011年,黄小忠野外考察时来到新疆最北端、阿尔泰山南麓友谊峰冰川下喀纳斯湖。这里是辽阔草原和荒凉戈壁交界线,湖形狭长,森林茫茫,以往做干旱区绿洲型湖泊研究的黄小忠发现这里的地下沉积物植物残体保留更为丰富,沉积环境比较稳定,他希望通过孢粉(植物孢子和花粉的总称)测量研究分析当地古环境变化。

由于夏季采样船在湖中不好固定,因此沉积物采样工作主要选在冬天湖冰上进行。“好几个春节我们都是在牧民家里度过的。”黄小忠说。

他在喀纳斯湖面不同位置打过十几个钻孔,分析沉积物,最终在水流相对平缓的靠近出水口的一道弯处提取到满意的样本。带回分析后,利用陆生植物残体确定了精确的年代,然后做了包括硅藻、孢粉、枝角、总有机碳和粒度等一系列的环境代用指标分析。

不过地理学者总是寻找着更加理想的研究对象。有一次,黄小忠从网络地图上看到喀纳斯湖向西几公里、海拔高100多米处还有一个叫铁外克的小村庄,旁边有一个方圆一二百米的小湖,命运牵引着他于2015年的冬天再次来到这里。

铁外克村没有路,住着几户牧民,黄小忠一路步行,另一名博士和当地人骑着马驮着设备,踏着半米多深的雪来到这个白色的纯净世界。当地人也不知道小湖叫什么,黄小忠就按照村庄给它起名“铁外克湖”。

这是一个被湿地包围的封闭小湖,周围的降水和积雪融水滋润了它,湖周覆盖着冷杉、云杉、西伯利亚云杉、西伯利亚落叶松、桦木和短毛松等茂密的森林,沉积环境更加稳定,为研究局地古环境气候变化提供了理想的条件。

2019年2月,当时兰州大学硕士二年级的江西人向丽雄和同学也来到了铁外克湖进行野外考察。这是他第一次到新疆,第一次见这么大的雪,第一次骑马,第一次坐马拉雪橇。“带着设备上山非常困难,还是没有路,好在当地牧民帮了大忙,把我们送了上去”。

天刚蒙蒙亮,几位学生就来到湖边,用工具破开冰层,将长约3米、直径6厘米的自制塑料岩芯管和取样装置放入湖底钻取岩芯。“将近零下20度的天气,手脚都冻麻了,戴着的手套从水中拿出来马上就会结冰变硬,需要不停更换才能继续工作。”向丽雄回忆。

黄小忠、向丽雄等人先后2次前往铁外克湖进行实地勘测,提取沉积物档案,做好了揭开“全新世温度之谜”的第一步。

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牧民帮助科研团队去往铁外克湖。 课题组供图

再现颜那亚人群的迁徙之旅

不同水体中的沉积物组成是不同的,因此也具有不同的同位素特征。湖泊流域的化学风化作用会导致聚集在沉积物中的同位素浓度和组成发生改变,从而能够反映出不同时期的温度变化。

“喀纳斯湖中硅藻的硅同位素和生物硅等指标可以揭示该地区全新世以来的温度变化历史。”黄小忠解释,“在生物生长的过程中,硅藻会优先吸收较轻的硅同位素,而当温度升高导致湖水分层,暖水中硅藻大量生长,水中溶解硅相对不足,硅藻就会开始更多地利用偏重的硅同位素助其生长的更繁盛。换句话说,气候环境越温暖,硅藻中的硅同位素就越偏重。”

2019年9月,在黄小忠团队科研项目和兰州大学资源环境学院研究生访学计划的资助下,兰州大学自然地理2020届硕士、英国诺丁汉大学博士生孙明杰带着样品赴英国,在Virginia N. Panizzo的指导下,用重液对硅藻进行提纯,并用XRF检验提纯纯度。后又去英国地质调查局同位素中心进行了硅藻硅同位素的预处理和测试。

此外,向丽雄在兰州大学西部环境教育部重点实验室使用MAT253稳定同位素质谱仪测试了铁外克湖的碳、氮同位,用于反映湖泊有机质的来源,从而指示区域有效湿度变化。

分析表明,在6.5-3.6 千年前时段,阿尔泰山地区气候总体温暖,喀纳斯湖硅藻生长繁盛,期间在4.7-4.3 千年前气候异常温暖,硅藻硅同位素显著偏重。结合铁外克湖钻孔孢粉、碳氮同位素等指标,并与区域湿度记录对比,显示在6.5-3.6千年前期间阿尔泰山地区的气候适宜,温暖湿润的气候吸引了在里海西北部暖干环境生活的颜那亚人群,在5千年前左右迁移到西伯利亚南部及阿尔泰山地区,稍晚在更温暖的4.8-4.7千年前期间,里海的水位因高温干旱变低,颜那亚人就迁徙到海拔更高的高加索地区以及纬度更高的北欧地区。

这与考古学和遗传学证据发现的——青铜时代早期颜那亚人群在约5千年前从东欧草原东南部迁徙至南西伯利亚地区以及阿尔泰山西侧不谋而合。

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样品过筛提纯后的硅藻。课题组供图

气候环境对人类文明影响更大

在欧亚大陆内部核心地带阿尔泰山地区,北方泰加林到干旱区之间发育有一片广袤的草原带,该区目前处于寒温带,却是史前亚洲中部草原丝绸之路的关键区域和早期东西方文明交流的重要通道之一。根据历史学家的研究,5-4千年前生活在东欧草原上的颜那亚人与欧洲文明渊源极深。现在几乎绝大多数欧洲人身上都有祖先颜那亚人的基因。

在世界迁徙史上几乎都是从资源低的地方向资源高的地方转移,颜那亚人的迁徙之路有点相反。“我们的研究证实,正是因为南西伯利亚和阿尔泰山地区温暖湿润的环境,促使颜那亚人在约5千年前时期从里海西北部一路向东迁徙过来,并发展为铜石并用的阿凡那谢沃文化,促进了农牧业的传播。”黄小忠说。

陈发虎表示,研究气候环境变化与人类活动的相互作用,能够更好地帮助人们理解史前人类迁徙与跨文化交流。“尤其是早期文明发展阶段,气候环境变化对人类活动、文明发展的影响更大。下一步,团队会关注早期农业、游牧业建立后人类活动怎样影响环境,影响丝路沿线的文明发展,这也契合人类社会、生态环境的可持续发展要求。”

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温暖气候驱动中亚草原带史前人群扩散示意图。 课题组供图

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-023-38828-4

 
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