近日，西安交通大学全球环境变化研究院蔡演军教授团队在我国中部石笋研究中取得新进展。团队在前期利用河南马沟洞石笋δ¹⁸O重建东亚夏季风强度变化的基础上（Cai et al., 2021, EPSL），进一步对其开展微量元素与锶同位素的多指标综合分析，深入揭示了我国中部地区全新世以来季风强度变化与区域水文条件之间的耦合关系，弥补了单一同位素指标在解读局地有效湿度方面的不足。成果以“The Holocene stalagmite trace element and Sr isotope records from Central China and the inferred hydroclimate changes”为题发表于期刊《Chemical Geology》。

石笋δ¹⁸O是研究亚洲季风强度变化的重要指标，但在指示区域水文变化上存在较大不确定性，需要结合其他指标以重建水文气候变化。团队选取了五根马沟洞全新世石笋样品，利用激光诱导击穿光谱（LIBS）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）技术，分析了石笋的镁钙比（Mg/Ca）和锶钙比（Sr/Ca），并结合锶同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）进行多指标综合分析。

研究发现，对于马沟洞石笋，其Mg/Ca与Sr/Ca的变化主要受水-岩相互作用控制，可有效指示区域有效降水量的变化：比值高代表干旱，比值低则反映湿润。据此，团队将研究区全新世水文气候历史划分为四个阶段（图1）：早全新世（11.7–8.3 ka BP）由干转湿；中全新世（8.3–5.0 ka BP）持续湿润，即研究区的“全新世气候适宜期”；随后在5.0–3.5 ka BP期间气候转向干旱；晚全新世（3.5–1.1 ka BP）则以偏湿背景下的显著波动为特征。

研究还发现，石笋⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值在全新世整体呈上升趋势（图2），可归因于上覆黄土沉积的持续成壤作用；其波动则与土壤和基岩来源锶的比例变化有关，进一步印证了水文气候的干湿交替。

该研究证明LIBS技术能可靠且高效地重建出石笋的微量元素变化趋势（图3），展现了LIBS技术在定性分析上的显著优势，凸显了多指标综合分析在古气候重建中的重要性，明确了中国中部地区“全新世气候适宜期”的存在时段（约8.3–5.0 ka BP），并指出在千年至轨道时间尺度上，我国秦岭—淮河以北地区的降水与东亚夏季风强度呈正相关关系。这些认识对预测未来季风区水文气候变化具有重要参考价值，也为深入理解全球变暖背景下区域气候响应机制提供了科学依据。

图1. 马沟洞石笋微量元素记录与稳定同位素记录对比。

图2. 马沟洞石笋微量元素（LIBS）记录与⁸⁷Sr/⁸⁶Sr记录对比。

图3. 石笋微量元素LIBS技术与ICP-OES技术测试结果对比。

论文第一作者是西安交通大学硕士研究生吴玉婷，通讯作者为蔡演军教授。该研究得到了国家自然科学基金（42130503、42102231）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB 40010200）和西安交通大学青年拔尖人才项目的共同资助。

论文信息：Wu Y, Cai Y, Xiao F, et al. The Holocene stalagmite trace element and Sr isotope records from Central China and the inferred hydroclimate changes[J]. Chemical Geology, 2025: 123123. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2025.123123

相关论文：Cai Y, Cheng X, Ma L, et al. Holocene variability of East Asian summer monsoon as viewed from the speleothem δ18O records in central China[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2021, 558: 116758. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.116758