新視角揭示全球穩(wěn)定同位素“反高程效應”原因
青藏高原的隆升歷史，尤其是新生代青藏高原古高度變化是地球系統(tǒng)科學研究中的重點、熱點和難點。古高度重建方法主要有古生物、穩(wěn)定同位素古高度計和團簇同位素溫度計等。其中，穩(wěn)定同位素古高度計方法最為成熟，已被廣泛應用于青藏高原、阿爾卑斯山、安第斯山以及落基山等古高度重建工作中。
利用穩(wěn)定同位素方法重建古高度，是基于穩(wěn)定同位素的“高程效應”原理——隨著海拔逐漸升高，地表介質(zhì)中穩(wěn)定同位素值逐漸降低。然而，該方法假設數(shù)百萬年來氣候條件基本不變，這顯然不符合實際情況。這造成該方法重建的結(jié)果與其它方法所得到的結(jié)果不一致。近年來，一些研究發(fā)現(xiàn)，在全球一些地區(qū)不同地表介質(zhì)中（包括冰芯、積雪、雨水、河水等）穩(wěn)定同位素存在“反高程效應”的異常現(xiàn)象，即這些介質(zhì)中穩(wěn)定同位素值隨海拔升高而增加。“反高程效應”的出現(xiàn)，不僅違背了同位素分餾原理，而且與穩(wěn)定同位素古高度計的理論基礎相沖突，限制了該方法在古高度重建工作的廣泛應用。
目前，不同地表介質(zhì)中穩(wěn)定同位素出現(xiàn)“反高程效應”的原因仍然不明。為此，中國科學院青藏高原研究所環(huán)境變化與多圈層過程團隊余武生等聯(lián)合美國俄亥俄州立大學Lonnie Thompson教授和澳大利亞詹姆斯庫克大學Stephen Lewis博士等，在全球尺度上，從大氣水汽穩(wěn)定同位素的新視角，系統(tǒng)地揭示了地表介質(zhì)穩(wěn)定同位素出現(xiàn)“反高程效應”的原因（圖1），并對未來利用穩(wěn)定同位素方法重建古高度的工作提出了重要的建議。
圖1全球不同地表介質(zhì)穩(wěn)定同位素出現(xiàn)“反高程效應”的區(qū)域
研究表明，在美國西部和亞洲干旱區(qū)（從紅海到青藏高原北部）等地區(qū)對流層中層的水汽穩(wěn)定同位素也類似存在“反高程效應”，而且其空間分布格局與地表介質(zhì)中穩(wěn)定同位素“反高程效應”的空間分布格局基本一致（圖2）。進一步研究發(fā)現(xiàn)，水汽穩(wěn)定同位素出現(xiàn)“反高程效應”須具備兩個不可或缺的因素，即遠源區(qū)的水汽富含高同位素值和該高同位素的水汽能夠從遠源區(qū)橫向輸送到靶區(qū)（圖3）。研究團隊提出，“反高程效應”在降水發(fā)生之前就已經(jīng)出現(xiàn)在水汽中。由于水汽是降水的“物質(zhì)來源”，因此水汽穩(wěn)定同位素的“反高程效應”會被深深地烙印在降水中（圖3）。
圖2夏季美國西部和亞洲干旱區(qū)不同層水汽穩(wěn)定同位素出現(xiàn)“反高程效應”的空間分布格局
論文通訊作者余武生介紹，青藏高原等山體逐步隆升導致更大范圍內(nèi)大氣環(huán)流格局的變化，進而改變了水汽源區(qū)和水汽輸送路徑及水汽穩(wěn)定同位素值的固有特征。這些變化使得穩(wěn)定同位素古高度計在這些地區(qū)的應用變得更為復雜。因此，在利用穩(wěn)定同位素古高度計之前，需要仔細考慮山體不同隆升階段水汽來源和水汽輸送路徑及其對穩(wěn)定同位素值的影響。
圖3 大氣環(huán)流視角的夏季美國西部（a）和青藏高原北部（b）“反高程效應”形成機制示意圖
此外，該研究結(jié)果還為理解不同海拔高度冰芯穩(wěn)定同位素記錄提供了新思路。合作作者Thompson教授注意到，青藏高原北部古里雅冰川頂部6700米冰芯的平均氧同位素值高于6200米冰芯的平均氧同位素值。該研究結(jié)果解決了他的困惑。Thompson教授表示，“‘反高程效應’提出了一個重要的科學問題，可以解釋更長時間尺度穩(wěn)定同位素記錄的異常變化”。
該成果以“Inverse altitude effect disputes the theoretical foundation of stable isotope paleoaltimetry”為題，7月28日在線發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。中科院青藏高原研究所景昭偉博士為第一作者（現(xiàn)為青島海洋科學與技術試點國家實驗室博士后），余武生研究員為通訊作者。該研究獲得了第二次青藏高原綜合科學考察研究等項目資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32172-9
另悉，研究團隊長期從事亞洲水汽、降水穩(wěn)定同位素研究。近年來在穩(wěn)定同位素理論研究方面取得了一系列進展。例如，提出了亞洲季風區(qū)水體穩(wěn)定同位素的“反溫度效應”學說，據(jù)此創(chuàng)新地提出了亞洲季風區(qū)倒置的冰芯、石筍記錄能指示溫度變化；利用青藏高原及周邊120個站點降水穩(wěn)定同位素觀測結(jié)果，對季風向中國內(nèi)陸推進的范圍提出了新的認識，發(fā)現(xiàn)季風水汽能推進到興都庫什山-西昆侖山-東昆侖山一線以南及秦嶺以北地區(qū)（37-38oN），這與前人的研究結(jié)果 (35oN) 相比，季風向北推進的范圍至少延伸了2個緯度。