进入21世纪以来，欧洲连续发生极端干旱事件，对当地农业、葡萄酒和林业造成了巨大影响，2003年极不寻常的酷热甚至造成欧洲南部大约七万人死亡。模拟结果显示，全球变暖背景下，干旱发生的频率和严重性都将进一步增强，将直接或间接影响人类的生存。最近20年欧洲异常干旱发生的原因是什么？如何评估最近的气候异常以及人类活动在其中的贡献？要回答这些问题，需要将最近的极端干旱异常放在长时间尺度的背景下进行探讨。然而，由于当前的器测记录较短以及工业革命以来人类活动对气候的影响，我们需要找到一种具有高分辨率、定年准确、且可以从机制上准确反映区域干湿变化的代用记录。
树木年轮以空间分布范围广泛、定年准确、分辨率高及复本量好等特点成为研究过去气候变化的首选代用资料之一。与传统的树轮宽度指标相比，树轮碳氧同位素受到树木“年龄效应”的影响很小，可以保留更多的气候低频信号。因此，树轮碳氧同位素被广泛用于区域干湿变化的重建。树轮氧同位素受蒸发和降水氧同位素的影响，树轮碳同位素主要受气孔导度和光合速率控制，这些都与区域水分条件密切相关。当水分胁迫或湿度降低时，树木中的碳氧同位素（13C和18O）富集，树轮碳氧同位素值较高，而当水分充足或湿度较高时，树轮碳氧同位素值则较低。
最近，英国剑桥大学的Ulf Büntgen教授及其同事在Nature Geoscience上发表了他们的最新研究成果。他们测量了中欧地区现生树木、古老建筑和考古遗址的147棵橡树的27080个年轮的碳氧同位素比值（δ13C和δ18O），建立了两条长达2110年的（公元前75年至公元2018年）的树轮碳氧同位素序列，这也是欧洲地区最长、最连续的树轮碳氧同位素年表（图1）。
图1 欧洲中部橡树稳定同位素年表所用树木材料。（a）147棵现生、历史遗迹、考古木材和亚化石橡树所覆盖时段的分布（绿色柱），图右侧的灰色阴影代表工业革命时期，人类排放的化石燃料对CO2同位素的影响；（b）树轮宽度（左）、δ18O（中）和δ13C的年值与序列长度的线性关系；（c）橡树样芯在显微镜下的放大图像（Büntgen et al., 2021）
根据树轮碳氧同位素与夏季区域干旱指数（6-8月，Palmer Drought Severity Index）的高度相关关系（相关系数为0.73，自由度为117），他们重建了过去两千多年来欧洲的干旱变化历史。重建结果显示，欧洲中部地区过去两千年的历史中，有两个最显著的干旱时期：1490-1540年和1970年代中期-现在，而这两个时期中，最干旱的两个时段分别是1508-1509和2015-2018年。自公元75年以来，最干旱的5年分别是1509、1508、2018、2016和2017年。其中，2015-2018年的极端干旱不仅是器测记录以来最干旱的时段，即使在两千多年的背景下来看，也是史无前例的。
同时，他们的重建序列也捕捉到了公元前后100年的相对干旱期，而这正是凯尔特人对中欧统治结束的时间。另一个较长的干旱期在6世纪（欧洲历史上，又称为晚古小冰期），那时欧洲内外出现了大规模的人口迁徙。而大摩拉维亚帝国（约833至907年统治中欧地区的帝国）时期的夏季则普遍比较湿润。相反，16世纪初的大干旱时期（也被称为文艺复兴时期干旱），据文献记载，这一时期捷克地区出现了7万多座人工水体、渔场和长距离的水渠系统。小冰期时期（1600到18世纪晚期）欧洲中部则比较湿润。在年际尺度上，蒙古从匈牙利突然撤退的1242的夏季是寒冷湿润的，1348和1351年黑死病快速传播时的夏季也是寒冷湿润的，而1540年的超级干旱发生时则伴随着高温。
图2 过去2110年（公元前75年到公元2018年）来欧洲中部干旱变化（夏季干旱指数）历史（Büntgen et al., 2021）
通过进一步分析，研究人员认为欧洲中部最近几十年的异常干旱，是由人类大量排放温室气体引起的全球增温导致的。研究者认为，与长期轨道尺度的夏季变冷相反，大规模的温室气体排放引起了全球变暖，这一现象在北半球高纬地区尤其显著，这种增温可能削弱了全球经向的温度梯度，从而造成中纬度地区的水汽传输和降水减少。
该研究的意义在于利用高分辨率的树轮碳氧同位素记录重建了欧洲中部两千多年来的干旱变化历史，分析了干湿事件在年际到年代际尺度上的变化特征，并从统计上给出有力证据，揭示了最近二十年的极端干旱在气候变化历史上前所未有的干旱程度，以及人类活动在最近几十年极端干旱事件中扮演了重要角色。我国近年也做了类似研究，研究人员使用历史文献资料、树轮宽度、石笋等代表指标重建过去干湿或降水变化，发现我国北部和西南部地区在最近几十年干旱程度增强，而西北部则在最近几十年存在变湿的趋势。但是基于树轮碳氧同位素的千年或更长的干旱变化序列依然缺乏，不同区域干湿变化的机制还需要进一步的研究。
主要参考文献
Büntgen U, Urban O, Krusic P J, et al. Recent European drought extremes beyond Common Era background variability[J]. Nature Geoscience, 2021, 14(4): 190-196.（原文链接）
Farquhar G D, Ball M C, Von Caemmerer S, et al. Effect of salinity and humidity on δ13C value of halophytes—evidence for diffusional isotope fractionation determined by the ratio of intercellular/atmospheric partial pressure of CO2 under different environmental conditions[J]. Oecologia, 1982, 52(1): 121-124.
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（撰稿：安文玲/新生代室）
