绿色撒哈拉由湿变干导致了四千年前中南半岛的大干旱事件

来源：中科院地质地球所

最近二十年，石笋因其具有可靠的年龄框架，成为古气候变化国际对比的新标准之一，并于2018年在国际年代地层表中首次亮相，成为第四纪新的金钉子（图1）。其中，4.2ka（千年）冷事件是中全新世诺斯格瑞比期（Northgrippian Age）和晚全新世梅加拉亚期（Meghalayan Age）的分界点（Walker et al., 2012）。考古记录中也发现，古代亚非文明发展起来的农业文明均遭受4.2ka冷事件的严重影响（Carolin et al., 2019）。多种古气候代用指标也发现，全球范围在约四千年前发生了变冷、变干气候突变事件，如北非的多种地质记录表明，在早中全新世，现在的撒哈拉沙漠所在区域曾经是绿色的草原（Tierney et al., 2017），但“绿色撒哈拉”（Green Sahara）在距今5-4ka之间结束。

4.2ka的气候突变事件，古亚非农业文明转型，以及北部非洲湿润期的结束近乎同时发生，这是全球气候变化的集中表现，还是它们之间存在着内在联系呢？图1 印度东北部的Mawmluh洞穴石笋确定了新的梅加拉亚期的起始点（图片修改自国际地层委员会）

最近，Griffiths et al.（2020）利用位于中南半岛老挝Tham Doun Mai洞的三根石笋，建立了全新世9500年以来的多指标集成记录（图2）。作者对比了石笋的氧碳同位素记录（δ18O和δ13C）、Mg/Ca比值和死碳比例（DCP）等代用指标。作者认为石笋δ18O指标反映的是季风在源区的雨除效应，δ13C和Mg/Ca指标反映的是方解石优先沉积（PCP）的程度，DCP指标反映的是水岩反应的开放程度。因此老挝石笋δ18O值在5-4千年前的快速变重指示了亚洲季风的崩溃，而其他代用指标指示了同时期中南半岛经历了降水骤减的突变事件。同时，中南半岛的考古记录发现在此气候转型期间，农业生产模式由狩猎采集转变为谷物种植，古DNA证据也表明在此期间古人类族群发生变化。  

图2 中南半岛三根石笋的全新世多指标记录：a.δ18O；b.δ13C；c.Mg/Ca和DCP；d.农业生产模式转变（Griffiths et al., 2020）

作者同时根据贝叶斯概率模型，发现在中南半岛发生的大干旱事件是和北非的“绿色撒哈拉”变干是同步发生的。然后根据现有的PMIP3/CMIP5多成员模拟结果，在中全新世（6ka）将撒哈拉的下垫面分别设置为灌木丛和沙漠，利用数据-模式对比的研究方法探讨了撒哈拉变干和亚洲季风减弱的动力联系（图3）。他们发现撒哈拉植被覆盖度下降时，来自北非的粉尘输送增加，导致了沃克环流东移，印太暖池变冷，此时海温的变化与现代的El Nino事件类似。而类El Nino态和ENSO变率加强引起了季风辐合带向赤道收缩，从而导致中南半岛发生大干旱事件。这个结果挑战了传统观点，过去有研究认为是北大西洋发生的冰筏事件驱动了全新世低纬大干旱事件。 图3 模拟撒哈拉由灌丛变沙漠导致的亚非地区降雨（a）、温度（b）和沃克环流（c）的变化（Griffiths et al., 2020）

季风变化和人类文明在4.2ka事件中的协同演化对我国意义也非同寻常。特别是有学者提出，黄河流域在约四千年前发生大洪水，大禹成功治水进而开启了夏朝的建立（Wu et al., 2018）。目前对我国在4.2ka事件中降水空间分布还存在着分歧，特别是亚洲季风减弱的背景下我国是否发生大洪水事件还存在争议。Griffiths et al.（2020）文中的多指标记录集成和数据-模式对比的研究方法，为解决这一重要议题提供了新的思路。