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Chinese stalagmite paleoclimate researches: A review and perspective

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Science China Earth Sciences 2019年第10期62卷 1489-1513页

作者： Hai CHENG Haiwei ZHANG Jingyao ZHAO Hanying LI youfeng ning Gayatri KATHAYAT Institute of Global Environmental Change Xi’an Jiaotong University

Stalagmite is one kind of secondary carbonates formed in limestone caves(speleothem). After cave water droplets containing Ca2+and HCO3 drip onto floor, carbonate in the water might become supersaturated due to CO2 degassing under certain conditions, resulting in the formation of stalagmite in a process year after year. Stalagmite is one of important geological archives for paleoclimate research. The advantages include wide spatial distribution, suitable for U-Th and U-Pb dating, enriched in climate proxies, continuity, long time span, comparability and lower sampling cost etc. These factors have propelled stalagmite paleoclimate research to the forefront of global paleoclimatology with an irreplaceable role. The stalagmite paleoclimate study started in the western countries, mainly in Europe and America in 1960 s–1970 s, while the relevant research in China was progressively developed in the 1980 s–1990 s after the Reform and Opening up. Although there was a huge gap between the overall research level in China and western countries, a solid research foundation, as well as a number of talent teams were established during the period. In the 21 st century, starting from the publication of stalagmite records from Hulu Cave in Nanjing in 2001, the stalagmite paleoclimate research in China has ushered in a flourishing development and a real leap on the basis of international cooperation, resulting in significant international impacts. The landmark achievements, including establishment of the world’s longest(640000 years) East Asian monsoon stalagmite record, as well as the longest Indian monsoon(280000 years),South American monsoon(250000 years), North American westerly climate(330000 years), Central Asian westerly climate(135000 years), and northwestern China westerly climate(500000 years), have laid a milestone in the paleoclimate study in these climate domains. Importantly, these stalagmite records have revealed the relationship of Asian monsoon variations with solar

关键词： Cave stalagmites Oxygen isotope Asian monsoon Westerly Global climate change

Carbon isotopic composition of modern soil and paleosol as a response to vegetation change on the Chinese Loess Plateau

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Science China Earth Sciences 2005年第1期48卷 93-99页

作者： LIU Weiguo ning youfeng AN Zhisheng WU Zhenghai LU Huayu CAO Yunning State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology IEE Chinese Academy of Sciences Xi'an 710075 China State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology IEE Chinese Academy of Sciences Xi'an 710075 China State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology IEE Chinese Academy of Sciences Xi'an 710075 China Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forest Yangling 710000 China State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology IEE Chinese Academy of Sciences Xi'an 710075 China State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology IEE Chinese Academy of Sciences Xi'an 710075 China

The relationship between the carbon isotopic composition of paleosols and paleovegetation on the Loess Plateau is still unclear. One of the main reasons is that we are short of knowledge about the characteristics of the carbon isotopic composition of modern soil in this area. A preliminary investigation of the carbon isotopic compositions of the modern soil and the loess/paleosol sequence on the Loess Plateau shows that the carbon isotopic composition of modern soil is consistent with the distribution of modern plants on the Loess Plateau, where the ecosystem is dominated by a mixture of C4 and C3 plants. Comparing theδ13C values of modern soil and loess-paleosol sequences from the Xunyi profile, we conclude that C3 plants dominated the landscape during loess sediment stages, while C4 plants expanded during paleosol stages.

关键词： modern soil, paleosol, carbon isotope, paleovegetation, Loess Plateau.

An annually laminated stalagmite from the eastern Qinghai-Tibetan Plateau provides evidence of climate instability during the early MIS5e in the Asian summer monsoon

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Science China Earth Sciences 2023年第5期66卷 1147-1164页

作者： Tao GAO Pingzhong ZHANG Hai CHENG Leilei ZHANG Xinhu LI Hongyu SHI Wei JIA youfeng ning Hanying LI R.Lawrence EDWARDS Key Laboratory of Mineral Resources in Western China(Gansu Province)and School of Earth Sciences Lanzhou UniversityLanzhou730000China Institute of Global Environmental Change Xi’an Jiaotong UniversityXi’an710054China Department of Earth Sciences University of MinnesotaMinneapolis55455USA

The Marine Isotope Stage(MIS5e)is characterized by a warmer climate than that of the pre-industrial period,and serves as an analog for the Current Warm Period(CWP).However,uncertainties persist regarding its climatic ***,we retrieved a stalagmite(WXB075)from Wanxiang Cave in the eastern Qinghai-Tibetan Plateau,and employed abs-olute^(230)Th dating and relative annual layer data to establish a high-precision chronological framework for reconstructing the history of the Asian summer monsoon(ASM)and environmental evolution during early MIS5e with multiple *** findings indicate that the annually laminated stalagmite was formed during Cooling Event 27(C27).The deposition of WXB075 experienced a hiatus(~125.58 ka BP)due to a significant cooling event in the North Atlantic,which may be linked to the unstable climate in the Northern ***,the impact of meltwater discharge in high northern latitudes results in a two-phase evolution of the ASM,i.e.,an initial weaker stage followed by a gradual increase(with exception of deposition hiatus).The climatic instability of ASM is generally characterized by a quasi-60 year cycle that affects vegetation conditions,biological productivity,and karst hydroclimate ***,the increase in meltwater and decrease in temperature in the Northern Hemisphere have led to a weakened ASM and subsequent reduction in ***,vegetation degradation above the cave has occurred along with a slowdown of karst *** vegetation conditions,organic matter content,and wet/drought of the karst hydroclimate were affected by both the large-scale monsoon circulation and local environment during extreme weakening(strengthening)of the monsoon when high-frequency climatic events of ASM occurred.A comparison ofδ^(18)O records between early MIS5e and the past 2000 years reveals that the climate during early MIS5e differed significantly from that of CWP,Medieval Warm Period(MWP),and Dark Age Co

关键词： Eastern Qinghai-Tibetan Plateau Climate instability Wanxiang Cave stalagmite Asian summer monsoon Environmental response Deposition hiatus

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黄土高原地区古气候定量化研究方法评述

地质论评 2010年第1期56卷 99-104页

作者：宁有丰西安理工大学、西北水资源与环境生态教育部重点实验室西安710048 中国科学院地球环境研究所、黄土与第四纪地质国家重点实验室西安710075

定量化重建黄土高原地区古气候,是黄土研究的新方向和大趋势。本文主要从土壤磁化率、植物孢粉、植物硅酸体和稳定同位素等替代性指标方面回顾了国内外对黄土高原地区古气候定量化研究的现状,并对研究中存在的问题进行了讨论。相关的研... 详细信息

定量化重建黄土高原地区古气候,是黄土研究的新方向和大趋势。本文主要从土壤磁化率、植物孢粉、植物硅酸体和稳定同位素等替代性指标方面回顾了国内外对黄土高原地区古气候定量化研究的现状,并对研究中存在的问题进行了讨论。相关的研究结果表明,黄土高原地区的古气候定量化研究取得了积极的成果,但还仍处在初步阶段。由于指标本身存在局限性或指标与气候要素之间机理尚不十分清楚,所获得的定量化结果并不能令人十分满意。提出今后定量化重建古气候研究的重点是要进一步加强对黄土高原现代生态过程的研究,清楚地认识各指标与气候要素之间的机理和联系,建立可信的相关函数。希望对这方面的研究有所裨益。

关键词：黄土高原定量化替代性指标古气候恢复

黄土有机碳同位素与古气候植被定量化研究进展

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地质论评 2010年第6期56卷 851-857页

作者：宁有丰西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室西安710048 中科院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室北京100101

定量化重建黄土高原地区的古气候和古植被,是黄土研究的新方向和趋势。利用黄土δ13Corg值定量化恢复古植被的研究已经比较多,而定量化恢复古降水则是一种较新的尝试。土壤δ13Corg值与植被相对生物量以及气候参数之间的关系机制比较清... 详细信息

定量化重建黄土高原地区的古气候和古植被,是黄土研究的新方向和趋势。利用黄土δ13Corg值定量化恢复古植被的研究已经比较多,而定量化恢复古降水则是一种较新的尝试。土壤δ13Corg值与植被相对生物量以及气候参数之间的关系机制比较清楚,根据土壤δ13Corg值重建的古降水和古植被状况是可接受的。针对研究中存在的一些问题,提出以后应重点加强不同生态条件下植物转化为有机质过程中的碳同位素分馏研究,多因素综合探讨其它气候和环境要素与土壤δ13Corg值之间的关系,使定量化研究更加准确。

关键词：黄土高原有机碳同位素定量化古气候古植被

黄土高原现代C4和C3植物生物量及其对环境的响应

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第四纪研究 2015年第4期35卷 801-808页

作者：张博宁有丰安芷生刘卫国中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室西安710061 中国科学院大学北京100049 西安交通大学人居环境与建筑工程学院西安710049

文章从表土总有机碳同位素和现代植被间的关系入手,研究C4/C3植物与气候要素的关系,以期能更好的理解影响C4、C3植物生物量的主要因素.研究区域位于黄土高原塬面,我们计算了共67个采样点的C4植物的生物量,估算出草本植物中C4植物的比例... 详细信息

文章从表土总有机碳同位素和现代植被间的关系入手,研究C4/C3植物与气候要素的关系,以期能更好的理解影响C4、C3植物生物量的主要因素.研究区域位于黄土高原塬面,我们计算了共67个采样点的C4植物的生物量,估算出草本植物中C4植物的比例.结果表明,黄土高原塬面上最主要的C4植物是白羊草（Bothriochloaischaemum）,C3植物主要由草类植物和灌木组成,如长芒草（Stipa bungeana）、胡枝子（Lespedeza davurica）和禾叶嵩草（Kobresia graminifolia）等,它们主要分布在研究区域的阴坡和山谷.表土的总有机碳同位素组成是反映C3和C4相对生物量贡献的可靠指标.在黄土高原地区,夏季降水量的增加会引起C4植物比例上升,同时C4植物生物量的变化也反映了降水的变化.本文的研究有助于理解亚洲季风气候下黄土高原地区C4/C3植物的变化机制.

关键词： C4/C3植物夏季降水土壤δ13CTOC 黄土高原

西南印度洋罗德里格斯岛石笋记录的新仙女木事件

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第四纪研究 2019年第4期39卷 1006-1017页

作者：李瀚瑛 Ashish Sinha 程海 Spotl Christoph 宁有丰西安交通大学全球环境变化研究院陕西西安710054 加利福尼亚州立大学多明戈兹山分校美国加利福尼亚90747 Department of Earth Sciences University of Minnesota Minneapolis MN 55455 USA 因斯布鲁克大学地质系奥地利因斯布鲁克6020

新仙女木(Younger Dryas,简称YD)事件是末次冰消期末期升温过程中北半球高纬一次剧烈的突变降温事件,主流机制为淡水注入北大西洋减缓了北大西洋翻转环流,使得北半球普遍降温、热带辐合带南移等全球范围的气候重组.虽然该事件研究程度较... 详细信息

新仙女木(Younger Dryas,简称YD)事件是末次冰消期末期升温过程中北半球高纬一次剧烈的突变降温事件,主流机制为淡水注入北大西洋减缓了北大西洋翻转环流,使得北半球普遍降温、热带辐合带南移等全球范围的气候重组.虽然该事件研究程度较高,然而其在南半球、尤其在西南印度洋的气候变化模态尚不明朗.本研究利用来自罗德里格斯岛(罗岛)高分辨率、高精度定年的石笋氧同位素(δ18O)记录,重建了过去13. 3~10. 8 ka期间(对应石笋样品100~169 mm)西南印度洋亚热带地区的气候变化.结果表明,在YD事件期间罗岛石笋δ18O相对偏重,指示降水相对减少.与印度洋北岸的地质记录对比显示, YD时期罗岛石笋记录与众多亚洲季风石笋氧同位素记录共同展现出偏重的"谷状结构",并且显示出"缓进快出"的不对称特征.与印度洋东岸的地质记录对比结果显示,罗岛石笋δ18O与印太暖池南北边缘记录共同显示出偏干状态,而与近赤道记录的气候特征不同.与印度洋西岸的地质记录对比结果显示,东非热带赤道地区至南部亚热带地区呈现"北干南湿"的特征.罗岛与东非赤道地区的气候变化也具有一致性. YD时期,热带辐合带南移而罗岛降水却减少,可能原因是热带辐合带强度减弱,削弱了对流降水,使得亚洲季风从源区至下游地带水汽传输均发生减弱.

关键词：新仙女木事件罗德里格斯岛印度洋石笋热带辐合带

铀系不平衡测年法在我国秦岭南麓黄土钙结核中的应用

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第四纪研究 2020年第1期40卷 40-48页

作者：徐行华孙雪峰宁有丰张普李春华南京大学地理与海洋科学学院江苏南京210023 西安交通大学全球变化研究院陕西西安710054 南京师范大学地理科学学院江苏南京210023

秦岭南麓汉江流域上游地区分布着厚达二、三十米的黄土堆积,与秦岭以北地区黄土相比差异明显。汉江流域黄土中的钙结核分布十分广泛,钙结核内壁附着纯净致密的碳酸盐晶体,而秦岭以北黄土钙结核中却少有碳酸盐晶体析出。铀系不平衡测年... 详细信息

秦岭南麓汉江流域上游地区分布着厚达二、三十米的黄土堆积,与秦岭以北地区黄土相比差异明显。汉江流域黄土中的钙结核分布十分广泛,钙结核内壁附着纯净致密的碳酸盐晶体,而秦岭以北黄土钙结核中却少有碳酸盐晶体析出。铀系不平衡测年是一门发展成熟、测年精度高、测年范围相对较广的第四纪重要测年方法,本文尝试利用铀系测年法对汉江流域上游柳陂黄土剖面钙结核样品内的碳酸盐晶体进行了铀系测年分析。柳陂剖面厚约17 m,可辨认出多层古土壤与黄土地层。自柳陂剖面中下部获取的4件钙结核样品测年结果分别为距今115.57±0.66 ka、130.15±0.65 ka、303.97±14.47 ka和356.40±11.60 ka,随着地层深度增加,^230Th年代增长,且与磁化率揭示的土壤地层序列基本一致。所以初步推断柳陂黄土剖面的地层序列为S1、L2、S2-I、S2-II、L3和S3。研究表明,秦岭南麓钙结核的^230Th年龄可为黄土地层的独立定年提供重要参考。根据碳酸盐钙结核形成机制,认为钙结核中碳酸盐晶体的^230Th年代能够指示相应黄土地层的最小年龄。

关键词：汉江流域黄土钙结核碳酸盐晶体铀系不平衡测年

质谱与光谱技术高精度测试水中三氧同位素的对比

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科学通报 2021年第36期66卷 4691-4699页

作者：段鹏珍 Sasadhar Mahata 宗保云沙丽娟张普宁有丰程海西安交通大学全球环境变化研究院西安710049

高精度测定水中氧同位素组成对于了解区域和全球水文气候变化过程具有重要意义.近年来,随着测试技术的不断发展,稳定同位素比值质谱(质谱法)和波长扫描光腔衰荡光谱(光谱法)技术均被证明可以获得高精度的水中三氧同位素指标(^(17)O-exce... 详细信息

高精度测定水中氧同位素组成对于了解区域和全球水文气候变化过程具有重要意义.近年来,随着测试技术的不断发展,稳定同位素比值质谱(质谱法)和波长扫描光腔衰荡光谱(光谱法)技术均被证明可以获得高精度的水中三氧同位素指标(^(17)O-excess).本研究在国内率先建立了高精度水三氧同位素测试新技术,使用质谱和光谱两种技术测量多个国际标准水样三氧同位素组成,并将数据与已有研究结果对比.结果表明,两种测试技术的精度均能够达到低于10 per meg(1 per meg=10^(-6)),但在样品需求量、测试效率、受外界干扰程度等方面各有优劣.使用质谱法测试GISP的标准化值为δ^(18)O_(VSMOW-SLAP)=-24.82‰±0.04‰、δ^(17)O_(VSMOW-SLAP)=-13.16‰±0.03‰、^(17)O-excess=21±6 per meg(1σ);使用光谱法测定的GISP的标准值为δ^(18)O_(VSMOW-SLAP)=-24.80‰±0.03‰、δ^(17)O_(VSMOW-SLAP)=-13.15‰±0.02‰、^(17)O-excess=26±8 per meg(1σ).两种技术的测定值均与IAEA推荐值或已有研究结果在误差范围内一致.对于USGS 45和USGS 47的测定结果与已有数据或推荐值接近,特别是两者之间大于20per meg的^(17)O-excess值的差异也与已有研究结果一致.本研究使用两种技术测试中国不同气候区的冬夏季节降水,结果显示两种技术所测同一样品的值均具有良好的一致性,并初步观测到不同季节降水样品的^(17)O-excess值的变化,为利用三氧同位素指标研究水文循环过程提供重要的技术支撑.

关键词：水循环三氧同位素光谱分析仪(Picarro) 质谱分析仪国际标准水降水