两千六百多万年前，北美中西部不存在草原。取而代之的是，茂密的森林覆盖了该地区，甚至向东延伸至100度经线——这条线在1878年被美国地质调查局的约翰·韦斯利·鲍威尔（John Wesley Powell）著名的划定为大陆干湿区域的分界线。
然而，随着时间的推移，气候发生了变化，这个以树木为主的景观转变成了如今包含大平原的开阔地带草原。原因何在？
科罗拉多州立大学的古气候学家泰勒·库克拉（Tyler Kukla）说：“普遍的解释是，干燥的夏季导致了这种转变，因为新的植物类似于生长在温暖干燥季节的地区。”但在斯坦福大学攻读博士学位期间，库克拉和研究团队却发现，是干燥的冬季在起主导作用。
这一结果于今年早些时候发表在《AGU Advances》杂志上，与其他研究表明中纬度地区的树木比夏季降水更依赖冬季水分生长的研究一致。未参与该研究的加州大学圣克鲁兹分校的古生物学家保罗·科赫（Paul Koch）说：“树木通过全年利用融雪和雨水形成的地下水来维持生长季的水分收支的能力已经变得更加清晰。”
艰难的转变
研究过去的生态变化，对于理解现在和未来的变化提供了重要的视角。例如，由于气候变化，过去几十年来美国西部的冬季降水有所减少；这意味着更少的饮用水用于在高海拔湿润地区生存的树木，并且未来树木覆盖可能会减少。
在数百万年前的森林向草原的转变过程中，更干燥的冬季意味着许多树木会因缺水而枯萎，最终被需水量较少的草所取代。至于是什么导致了这些干燥的冬季，库克拉说，一种解释是喀斯喀特山脉（Cascades）的形成：这是一个北美西部的主要山脉，可能阻挡了来自太平洋的湿润信风。
科赫解释说：“在喀斯喀特山脉以西，曾有过令人惊叹的温带雨林。”但当这些信风到达内陆更远的地方时，可能已经所剩无几的湿气，无法以降雪或降雨的形式落下。
拼图的碎片
为了确定过去季节性因素对草原转变的影响，库克拉和他的团队分析了雨水或雪水留下的黏土和碳酸盐矿物中的氧同位素。由于这些同位素的比例会随季节变化，并且黏土和碳酸盐在一年中不同的时间形成，因此降水的变化有时会在每种矿物中记录得不同。
在这种情况下，研究人员发现，在2600万至1500万年前，氧同位素的比例有所增加——但仅限于黏土。库克拉说：“只有少数几个因素可以在不改变另一种矿物的情况下改变一种矿物，而更干燥的冬季是最显著、最明显的因素。”科赫补充说，冬季干燥的信号不会像其他可能的因素（例如全球温度的来回波动）那样随着时间的推移而起伏。
该团队还确立了寒冷季节干燥与植被变化之间的清晰联系：保存在叶子中的微小硅晶体显示，随着时间的推移，植物种类转向了开阔生境的物种。尽管该研究无法排除所有可能导致转变的因素，但其结果为草原扩张的驱动因素提供了更清晰的解释。库克拉说：“这突显了（当今）西部森林在冬季缺水时面临的基本挑战。”
