甲烷(CH₄)是重要的温室气体，其在更新世和全新世期间浓度变化的控制因素一直是学术界广泛关注且存在诸多争议的问题：

(1) 在地球轨道时间尺度上，一种观点主张，北半球季风在低纬日照量驱动下主控大气CH₄浓度的变化；而另一种观点认为，北极冰盖消长导致的北方湿地(北半球高纬湿地)伸缩是CH₄浓度变化的重要原因。

(2) 对全新世CH₄浓度变化趋势(10000年前开始逐渐下降，到5000年前又开始回返，即“V形”趋势)也有两种截然不同的解释。一些学者认为主要与自然因素有关，但具体释放源不明；而另一些学者主张，中国和印度等早期农业国家的水稻种植、家畜饲养等人类活动是5000年前CH₄回返的原因。

(3) CH₄浓度在千年尺度上的大幅度波动尚没有合理解释，这被认为是研究面临的挑战之一。

 研究上述问题的切入点在于：第一，如何把不同来源的CH₄信号实现分离；第二，把分离的CH₄信号与代表不同因素的古气候地质记录进行对比验证，以区分不同因素的作用。我国的黄土-古土壤序列既包含了来自北半球高纬的气候信息，也记录了来自低纬的季风变化历史，对上述问题的研究具有优势。

地质与地球物理研究所郭正堂研究员等在前期的黄土-海洋-冰芯记录对比研究中发现，50万年前的深海氧同位素13期(MIS-13)南北两半球气候显著不对称，全球冰量和北半球季风强度均不能解释当时的大气CH₄浓度。以此为线索，课题组对黄土、海洋、冰芯、湖泊和石笋等记录的相关古气候信息开展了综合集成分析，对我国早期稻作农业考古资料进行了整理，并采用奇异谱方法(SSA)对南极EPICA冰芯和Vostok冰芯的CH₄信号进行了分解，通过CH₄信号、地质证据和人类活动证据的对比，获得如下认识。

(1)  80万年来CH₄浓度变化主要包含三组信号。第一组信号与反映全球冰量的深海δ¹⁸O具较高的一致性，代表~80％的CH₄变率，表明冰期－间冰期旋回对CH₄浓度的重要控制作用。但是，北方湿地的作用只能解释这种影响的一半，而另一半的作用来自低纬的季风区湿地，说明冰期-间冰期旋回对季风有显著影响。风尘通量反映的季风区湿度变化支持上述解释。

(2) 第二组信号与南北两半球热带季风在岁差节拍(~20 ka周期)上的消长相联系(图1)，可解释大约15%的CH₄变率，具有约10 ka的半岁差周期，表明大气CH₄浓度不仅受北半球季风的影响，南半球也有显著的作用; 南北两半球热带季风消长是导致全新世CH₄浓度“V形”趋势的主要原因。虽然中国和印度早期稻作农业的发展与5000年前CH₄浓度的回返在时间上具有一致性，但不是CH₄回返的主要因素。上述原理也可用于冰芯年龄的进一步精确化。

 图1: 南北半球低纬日照量变化与CH₄第二组份的关系(0-400 ka)

 (3) 提出CH₄浓度千年尺度变化的“3P解释” (图2)。即南北两半球低纬日照量在岁差节拍上的变化(P_NH和P_SH)、全球冰量本身的岁差节拍(P_ice) 三者共同导致CH₄在千年尺度上的变化(第三组信号)。该模式亦可解释CH₄和一些其它古气候记录显示的~28 ka和13 ka周期。

 图2:千年尺度大气CH₄浓度变化的3P解释

研究组用深海δ¹⁸O记录、南北半球低纬日照量(BHI)和3P进行了简单模拟，较成功地捕获了80万年来CH₄变化的主要特征，从而支持上述解释的合理性。据此，郭正堂等认为，如果把全球不同地区的季风看做一个整体(全球季风-Global monsoon)，则其在轨道尺度的变化主要包含两个分量：冰期-间冰期分量(glacial-interglacial component)和低纬日照量分量(insolation component)；前者在全球尺度上同相位，后者在两半球反相位；二者的叠加共同决定了轨道尺度的全球季风降水变化。该原理也可较合理地解释我国黄土季风记录与石笋δ¹⁸O记录之间的差异。

上述研究结果于2011年在Climate Dynamics在线发表(Guo, Z.T., Zhou, X. and Wu, H.B., Glacial-interglacial water cycle, global monsoon and atmospheric methane changes. Climate Dynamics. DOI: 10.1007/s00382-011-1147-5), 并将在近期刊出。

 原文链接：http://www.springerlink.com/content/4277q11k52n8v460/