地球环境所在蜗牛壳体高分辨率团簇同位素定量重建季节温度研究方面取得新进展

降水和温度的季节变化是季风气候的显著特征。黄土高原位于东亚季风影响的敏感区，深入认识黄土高原地区降水和温度在季节尺度上的变化特征，对于理解东亚季风系统对外部强迫和内部气候过程的响应机制至关重要。尽管洞穴石笋、黄土、湖泊沉积物和树轮等记录被用于重建过去东亚季风演变历史，但这些记录的时间分辨率多集中在年-百年尺度，难以定量刻画季节尺度上的降水和温度变化，限制了对季风过程精细结构及其季节性特征的深入认识。

针对上述科学问题，中国科学院地球环境研究所联合荷兰乌德勒支大学，基于中国黄土高原东部灵宝（LB）和西部塬堡（YB）地区现代及化石蜗牛样品（图1），系统开展了不同种属及同一种属壳内高分辨率Δ47与δ18Oshell分析。研究首先评估了现代蜗牛整壳Δ47温度（T47）以及由δ18Oshell和T47计算的体液水氧同位素值（δ18Obw）与生长季温度和降水δ18Op的对应关系；随后结合壳体生长间断特征和壳内δ18Oshell变化，对单个蜗牛壳体进行分段分析，定量重建其季节尺度T47和δ18Obw的季节变化。并进一步将该方法应用于灵宝末次冰期盛期（LGM）和塬堡早全新世（约 11 ka）化石蜗牛壳体，探索不同气候背景下生长季温度和水文条件的季节变化特征。

研究结果表明，不同现生蜗牛种属的整壳T47与观测的生长季地表温度高度一致（YB生长季为4月中旬至9月，LB为3月中旬至10月），且种属间差异较小（图2），表明蜗牛壳体T47温度能良好重建蜗牛生长季温度。蜗牛壳内高分辨率Δ47–δ18O–δ13C结果显示壳体沉淀过程没有明显的同位素混合效应和非平衡分馏效应，支持陆生蜗牛文石壳体形成达到了同位素平衡分馏。值得注意的是，根据现生蜗牛壳体重建的壳内T47序列揭示出7–10 °C 的季节尺度温度变化，并可能记录了短期热胁迫信号（图3）。整壳δ18Obw相较于当地降水δ18Op显著富集（约3–6.5‰，p < 0.05），可能主要受蒸发作用及微环境条件影响（图2）。壳内δ18Obw序列变化趋势与季节性δ18Op一致，清晰记录了干旱季节同位素富集和湿润季节同位素贫化的季节变化特征，这些信息在整壳平均δ18Obw值中被掩盖。化石结果显示，早全新世和末次盛冰期（LGM）时期生长季T47显著低于现代，这可能分别对应于早全新世较长的生长季以及LGM期间气候条件受限导致的生长季变短。其中LGM时期蜗牛壳内T47序列揭示出~6°C 的季节尺度温度变化，LGM时期湿润季节较低且更稳定的壳内T47值以及更负的δ18Obw值，揭示了冰期边界条件下显著的季节性水文气候变化（图3）。

该研究表明蜗牛壳体地球化学记录对水文气候季节性变化高度敏感，通过开展壳内高分辨率δ18O与Δ47分析，可突破传统代用指标的时间分辨率限制，实现对季节尺度气候变化的定量重建，为理解黄土高原及东亚季风区在不同气候背景下的季节性气候演变提供了新的视角。

该项成果近日发表于国际地球化学期刊Geochimica et Cosmochimica Acta，宗秀兰博士和郭菁菁博士为论文第一作者，董吉宝副研究员为通讯作者。研究工作得到荷兰科研基金（NWO，Vidi 192.074，016.161.365）、国家自然科学基金（42402197, 42377445）、中国科学院青年交叉团队（2024000021）等项目的共同资助。

Xiulan Zong1, Jingjing Guo1, Wenru Yang, Jibao Dong*, Niels J. de Winter, Hong Yan, Yougui Song, Youbin Sun, Francien Peterse, Martin Ziegler, 2026. Unlocking sub-annual hydroclimate and temperature variability through land snail shell records, Geochimica et Cosmochimica Acta.

https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.01.018.

图1. 采样点位置和器测温度、湿度、降水量及降水δ18Op的季节变化。

图2. 蜗牛整壳Δ47温度及由δ18Oshell和T47计算的体液水δ18O与生长季温度和降水δ18Op的关系，并与化石样品结果进行对比。

图3. 灵宝地区现代和化石蜗牛壳体内高分辨率氧同位素和团簇同位素的变化特征，揭示了蜗牛生长过程中体液水氧同位素和生长温度的季节变化。x轴为蜗牛壳体从壳口（0 mm）至壳顶的距离。