大洋底栖氧同位素重建结果表明，从800ka开始，全球冰量变化主要呈现出100 kyr尺度的周期性变化；并且全球同期其他记录，如大气CO₂，CH₄含量、大洋表层温度、东亚冬季风强度等也都以100 kyr尺度的冰期-间冰期旋回为特点。尽管如此，对于为什么冰川旋回主要呈现出100 kyr的周期还存在争议。

针对这一科学问题，我校王成善院士团队博士后张治锋在黄永建副教授指导下，联合西安交通大学程海教授、成都理工大学马超教授、比利时鲁汶大学尹秋珍教授和维也纳大学Wagreich教授等，系统分析了2.7Ma以来全球记录（石笋、黄土、冰芯、大洋沉积物）（图1）。结果发现，气候记录中21 kyr而非41 kyr与100 kyr信号方差呈持续负相关，表明100 kyr周期更可能与岁差相关。进一步对34Ma以来（南极冰盖开始形成）大洋底栖δ¹⁸O/冰量与δ¹³C的定量相位分析表明，气候记录中的100kyr信号方差与δ¹⁸O-δ¹³C耦合显著正相关，并且前者滞后于后者约46 kyr，说明只要两者发生相位耦合，气候记录中就会出现强烈的100kyr信号。此外，在~100kyr尺度上，δ¹³C与偏心率的耦合比δ¹⁸O早61 kyr。这表明过去800ka以来气候记录中呈现的强烈100kyr信号与800ka以前气候记录中100kyr信号的产生具有相同的机制，均与全球碳循环密切相关。

图1 使用数据的全球分布情况

大洋底栖δ¹⁸O-δ¹³C在单极冰盖背景下（7.5Ma之前）呈同相耦合，而在双极冰盖背景下（4Ma之后）呈反相耦合（图2）。这是因为在单极冰盖时期，地球温度相对变暖，对热带风化过程敏感的低纬度陆地碳库变化被认为主导全球碳循环。在偏心率极大值时，陆地风化增强，更多¹²C输入到大洋中，δ¹³C负漂；同时冰盖融化引起大洋δ¹⁸O负漂，导致δ¹⁸O-δ¹³C同相耦合，以上反馈模式被称为‘Hyperthermal Style’。相反，在双极冰盖时期，极地生物群落的扩张和收缩主导全球碳循环。偏心率极大值时，由偏心率引起的气候变暖，使得高纬地区的植被扩张，更多¹²C被滞留在陆地碳库中，大洋δ¹³C正漂；与此同时冰盖融化，大洋δ¹⁸O负漂，δ¹⁸O-δ¹³C反相耦合，这种反馈模式被称为‘Glacial Style’。

大洋底栖δ¹⁸O-δ¹³C耦合还受2.4 Myr长偏心调制（图2）：在单极冰盖背景下（7.5Ma之前），耦合发生在2.4-Myr偏心率极大值期间；而在双极冰盖背景下（4Ma之后），耦合发生在2.4-Myr偏心率极小值期间。在‘Hyperthermal Style’模式下，2.4Myr长偏心率极大值期间引起的气候变暖会促进‘Hyperthermal Style’模式，引起δ¹⁸O-δ¹³C同相耦合，从而将碳循环中的100kyr信号传递到冰量及其他气候记录中；而2.4Myr长偏心率极小值造成的短暂气候变冷，会扰动‘Hyperthermal Style’模式，引起δ¹⁸O-δ¹³C解耦。相反，在‘Glacial Style’模式下，2.4Myr长偏心率极小值期间引起的气候变冷会促进‘Glacial Style’模式，引起δ¹⁸O-δ¹³C同相耦合，放大气候记录中100kyr信号。这也解释了为什么在过去2.7Ma期间，20kyr与100kyr信号的方差呈现持续的负相关性，这是因为同期较强的100kyr气候信号只会出现在偏心率极小值期间，而20kyr又受偏心率调制。而在~2.4Myr长偏心率极大值期间，‘Glacial Style’反馈模式被扰动，引起δ¹⁸O-δ¹³C解耦。

图2 在100kyr时间尺度上大洋底栖δ¹⁸O-δ¹³C耦合导致气候记录中100kyr信号放大

鉴于此，该研究提出：2.4Myr长偏心率调制的高-低纬陆地碳库对碳循环主导权的竞争控制了100kyr尺度的δ¹⁸O-δ¹³C耦合的发生，该耦合发生在2.4Myr偏心率极大值或极小值期间。这种周期性耦合将内部碳循环震荡传递到冰量，并通过一系列反馈机制传导给其他气候记录，进而放大了过去800ka乃至34Ma以来气候记录中的100kyr信号。

同时该机制还可以解释中更新世转变（Mid-Pleistocene Transition；MPT； ~800-1200ka），即冰川旋回从40kyr主导周期逐渐过渡到100kyr主导周期。由于在MPT之后，冰量信号中仍然存在较强的40kyr方差，因此解释MPT发生的关键在于100kyr周期为何在1.2Ma才开始出现。基于该研究假设，这是因为从~1.2Ma起，2.4Myr的偏心率逐渐减小，δ¹⁸O-δ¹³C开始耦合。鉴于在未来400kyr偏心率将保持低值，若地球维持当前的双极冰盖格局，100kyr尺度的冰期–间冰期波动仍将主导未来的气候节奏。

该研究得到了国家自然科学基金（42488201、42272134、41972112）、中央高校基本科研业务费（2652023001）、国家重点研发计划（2023YFF0804000）、2024年度国家资助博士后研究人员计划C档（GZC20241605）以及中国博士后科学基金（2025M770431）等项目的资助。

上述研究成果发表于《Nature Communications》：Zhang, Z., Huang, Y.*, Ma, C.*, Yin, Q., Yang, H., Lee, E., Cheng, H., Sames, B., Wagreich, M., Wang, T., Liu, Q., Wang, C.* (2025). 100-kyr climate cycles caused by 2.4-Myr eccentricity-modulated carbon cycles. Nat. Commun., 16, 8043.

全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63403-4