本文报道了一项关于阿尔泰地区全新世中晚期气候变化与史前人口扩张之间关系的原创性研究，首次提出了“阿尔泰全新世气候适宜期”（Altai Holocene Climatic Optimum，简称AHCO）的概念。研究的主要作者包括Lixiong Xiang（第一作者）、Xiaozhong Huang（通讯作者）、Virginia N. Panizzo（通讯作者）、Mingjie Sun、Chong Huang、Min Zheng、Xuemei Chen以及Fahu Chen等，分别来自兰州大学西部环境教育部重点实验室、英国诺丁汉大学地理学院环境地球化学中心、中国科学院西北生态环境资源研究院、中国科学院青藏高原研究所等单位。该研究于2023年5月17日在线发表于《Nature Communications》（自然·通讯）。

研究的学术背景聚焦于全新世中晚期气候变化如何影响中亚草原早期人类迁徙这一尚不清楚的科学问题。阿尔泰—萨彦地区是东西方史前欧亚大陆早期文化交流的地理中心，涉及农作物、牲畜和人群的交换与扩散。同时，该地区也是中纬度西风带与东亚夏季风之间的重要地理和气候过渡区。此前，关于全新世温度变化的时空格局存在“全新世温度谜题”（Holocene temperature conundrum）等争议，尤其在中亚干旱区内部，不同古气候记录对全新世暖期的出现时间给出了早、中、晚各不相同的结论。为此，作者选择阿尔泰山南麓的喀纳斯湖（Kanas Lake）和邻近的铁外克湖（Tiewaike Lake）沉积物作为研究对象，旨在利用多指标重建该区域的全新世气候历史，并探讨气候背景对青铜时代史前人口扩张和文化交流的驱动作用。

研究的具体工作流程包括几个关键步骤。首先是样品采集和年代框架建立。2015年，研究团队使用Uwitec活塞取样器在喀纳斯湖（水深20米）和铁外克湖（水深5.6米）分别获取了2.25米和5.6米长的沉积岩芯KNS15D和TWK15A。对KNS15D岩芯中的7个陆生植物大化石样品和3个全有机质样品进行了加速器质谱碳十四测年，但由于湖泊碳库效应，3个全有机质样品在建立年代模型时被排除；TWK15A岩芯则获得了14个全有机质和7个水生植物大化石的测年结果。所有碳十四年代使用Bacon软件包和IntCal20校正曲线进行日历年龄校准。

其次是地球化学分析。对KNS15D岩芯进行了2毫米分辨率的X射线荧光（XRF）岩芯扫描，检测了Al、Si、S、Cl、K、Ca、Ti、Mn、Fe、Zn、Rb、Sr、Zr等元素。同时，对154个1厘米分辨率的样品进行了常规XRF分析以校验岩芯扫描的可靠性。为消除成分数据的闭合效应，XRF数据在进行主成分分析（PCA）前进行了中心对数比转换，并利用地层约束增量平方和聚类分析划分地球化学带。生物硅（BSi）含量的测量在厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室完成，采用碱提取法测定。硅藻硅同位素（δ³⁰Si_diatom）分析在英国地质调查局（British Geological Survey）进行，样品经过密度分离和有机质氧化等严格清洗程序，去除Al₂O₃等污染物后，采用NaOH碱熔法和阳离子交换色谱法纯化，最后用Thermo Scientific Neptune Plus多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）在湿等离子体模式下测定。每份样品至少进行两次分析重复，并以次级标准物质硅藻土（diatomite）和NBS28标准进行数据验证和仪器漂移校正。有机碳（TOC）、总氮（TN）及其稳定同位素（δ¹³C_org和δ¹⁵N_org）则经过1N盐酸去除碳酸盐处理后，使用Flash EA1112元素分析仪与ConFlo III-Delta Plus同位素比值质谱联用系统测定。由于喀纳斯湖沉积物中生物硅含量较高，计算TOC含量时还进行了BSi校正，以扣除自生成分对陆源有机质信号的干扰。

此外，花粉分析方面，对TWK15A岩芯的49个样品进行了标准HCl-NaOH-HF处理，加入石松孢子片剂以计算花粉浓度，大部分样品至少统计了500粒花粉。最后，为重建史前人类活动强度，研究收集了来自Dong et al.、Huang et al.、Taylor et al.以及加拿大考古放射性碳数据库（CARD）的考古遗址碳十四测年数据，利用OxCal v.4.4.4软件中的Sum函数生成放射性碳年代的概率密度和（summed probability distribution，SPD），并采用Timpson等人提出的分箱方法（bin width为100年）以减少遗址过度采样引起的偏差。所有时间序列采用广义加性模型（GAMs）拟合，并通过一阶导数与零的偏差识别显著变化时段，统计分析使用R 4.0.5和mgcv、gratia等软件包完成。

研究的主要结果显示，在约14.1千年以来的沉积记录中，δ³⁰Si_diatom和BSi含量共同指示了喀纳斯湖硅藻生产力的变化。在11.7千年之前，δ³⁰Si_diatom在0.34‰至0.42‰之间波动，BSi含量较低，反映生长季短、温度低。在约10.6至6.5千年期间，BSi显著增加，δ³⁰Si_diatom总体下降，可能与流域风化增强导致溶解硅（DSi）供应增加有关。然而，在约8.2至6.5千年，BSi含量降低，指示硅藻生产力下降，同时铁外克湖的碳氮同位素记录显示干旱偏冷的环境。最为关键的是，在约6.5至3.6千年之间，TOC、BSi和δ³⁰Si_diatom均出现高值，铁外克湖花粉记录中桦木属（Betula）百分比升高，δ¹³C_org出现最低值，C/N、Ti、δ¹⁵N_org和Rb/Sr比值升高，共同指示温暖湿润的气候和陆源有机质贡献增加。尤其在约4.7至4.3千年期间，δ³⁰Si_diatom出现峰值，同时BSi含量下降，作者将其解释为湖泊热分层增强和周期性营养盐限制的结果，对应AHCO的温度最高峰。此外，δ³⁰Si_diatom在约4.2和3.6千年出现较低值，与博斯腾湖记录的中百年尺度冷事件一致。

通过与博斯腾湖盘星藻（Pediastrum）记录、泸沽湖和腾冲青海湖的brGDGTs温度重建、东非高山湖泊brGDGTs复合记录、贝加尔湖花粉和软体动物记录、阿拉斯加摇蚊记录、南乌拉尔Kinderlinskaya洞穴石笋δ¹⁸O记录以及中国东北天池和四海龙湾玛珥湖的花粉降水重建等多区域代用资料对比，作者发现约6至4千年期间存在广泛的温暖峰值，其中AHCO的6.5至3.6千年时段与这些记录具有较好的一致性。这一暖湿期被认为促进了山地草原生产力的提高，从而使该区域对游牧人群更具吸引力。考古遗址放射性碳年代的概率密度和在6.5至3.6千年期间，尤其是5千年之后，呈现显著增加趋势，反映了人口扩张和聚落活动的增强。具体而言，约5.1至4.5千年的阿法纳谢沃文化（Afanasievo culture）和约4.5至3.7千年的切木尔切克文化（Chemurchek culture）的扩张与AHCO时段相吻合。与此同时，西部低地如里海地区在约5.6至3.7千年出现湖面下降，吉尔吉斯斯坦在约5.8至5.2千年出现特大干旱，这可能促使颜那亚文化（Yamnaya culture）向东北方向迁徙至阿尔泰附近。作者进一步指出，AHCO在约6.5至3.6千年期间，尤其是4.7至4.3千年的极暖阶段，为中亚北部草原地区史前人口扩张和文化交流提供了有利的气候与生态条件，这一过程类似于13世纪蒙古帝国在温暖湿润气候下的快速扩张。

本研究的结论强调了阿尔泰全新世气候适宜期的存在及其对青铜时代人类活动的关键推动作用。科学价值在于通过多指标、多湖泊记录提供了中亚内陆地区全新世温度变化的新证据，有助于解决“全新世温度谜题”和相关时空格局争议；同时，研究将高分辨率古气候重建与考古放射性碳年代数据相结合，建立了气候—生态—人类活动之间的因果关系框架。方法上的亮点包括对硅藻硅同位素技术的严格应用和BSi校正TOC的计算方法，以及广义加性模型在古气候时间序列变化显著性识别中的应用。研究对象选择喀纳斯湖和铁外克湖两个海拔和湖沼条件不同的水体，增强了区域代表性，使古气候信号的解释更为稳健。此外，研究还将中亚草原的人口动态与同期西部干旱事件和欧亚大陆文化交流联系起来，为理解史前跨大陆人群互动提供了环境背景。