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中国沙漠, 2021, 41(5): 81-93 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00054

末次盛冰期以来库布齐沙漠环境变化

张小梅,1,2, 靳鹤龄,1, 刘冰1

1.中国科学院西北生态环境资源研究院 沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃 兰州 730000

2.中国科学院大学,北京 100049

Environment changes in the Hobq Desert since the Last Glacial Maximum

Zhang Xiaomei,1,2, Jin Heling,1, Liu Bing1

1.Key Laboratory of Desert and Desertification,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

通讯作者: 靳鹤龄(E-mail: jinhl@lzb.ac.cn

收稿日期: 2021-03-28   修回日期: 2021-04-26  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41977393

Received: 2021-03-28   Revised: 2021-04-26  

作者简介 About authors

张小梅(1994—),女,山西忻州人,硕士研究生,研究方向为沙漠环境演化E-mail:xmzhang_123@163.com , E-mail:xmzhang_123@163.com

摘要

中国北方季风边缘区沙漠/沙地如何响应气候变化及其反馈研究对于理解干旱半干旱地区现代地表过程及其未来环境演变趋势有重要的科学意义。库布齐沙漠作为中国北方季风边缘区中东部唯一的以流动、半流动为主的沙漠,现代地表景观与周围沙地(如毛乌素沙地、浑善达克沙地、科尔沁沙地等)明显不同。晚第四纪以来库布齐沙漠与季风边缘区中东部沙地环境演化过程到底是否一致,其湿润期究竟发生于何时,尚存颇多争议。区域风成沉积和湖泊沉积记录研究得出的结论明显不同,存在中晚全新世和早中全新世湿度最优期的分歧。对库布齐沙漠风成沉积年代-岩性的概率密度分布(Probability Density Function,PDF)进行处理,与周边沙地风成沉积和湖泊沉积古环境记录进行了对比分析。结果表明:末次盛冰期以来库布齐沙漠与季风边缘区中东部沙地环境演化过程总体一致,27.6—10 ka和晚全新世(2—0 ka),风沙堆积强烈,气候相对干旱;早全新世(10—6 ka)古土壤渐次发育,沙丘逐渐被固定,湿度增加,环境状况有所改善;中全新世(6—2 ka)古土壤广泛发育,沙丘经历固定成壤,气候最为湿润。区域环境演变过程受控于低纬太阳辐射和高纬冰量变化的双重制约。

关键词: 末次盛冰期 ; 库布齐沙漠 ; 气候变化 ; 沙漠演化 ; 成因机制

Abstract

How the deserts/sandy lands in the monsoonal margin region in northern China responds to climate change and its feedback are of important scientific significance for understanding the modern surface processes in arid and semi-arid regions and their future environmental evolution trends. The Hobq Desert is the only mobile and semi-mobile desert in the middle and east of the monsoonal margin region in northern China. The modern surface landscape is significantly different from the surrounding sandy lands (such as the Mu Us Sandy Land, the Hunshandake Sandy Land, and the Horqin Sandy Land). There are still many disputes about whether the Hobq Desert has the same evolution process as the sandy lands in the middle and east of the monsoonal margin region and when its wet period occurs since the Late Quaternary. The conclusions of regional aeolian deposition and lacustrine deposition records are obviously different, and there is a difference between the optimal period of humidity in the middle and late Holocene and the early and middle Holocene. Through the process of the probability density distribution (Probability Density Function, PDF) of the aeolian sedimentary age-lithology of the Hobq Desert and its comparison with paleoenvironment records of aeolian deposition and lacustrine deposition from the surrounding sandy lands, it is found that: the environment evolution process of the Hobq Desert is generally consistent with that of sandy lands in the middle and east of the monsoonal margin region since the Last Glacial Maximum. During 27.6-10 ka and the Late Holocene (2-0 ka), sand activity was strong and the climate was relatively arid; in the early Holocene (10-6 ka), paleosols began to develop, sand dunes were gradually fixed, humidity increased, and environmental conditions were improved; in the Middle Holocene (6-2 ka), paleosols developed extensively, sand dunes were fixed, and climate was obviously humid. The process of regional environmental evolution is controlled by both solar insolation in low-latitude and variations of ice volume in high-latitude.

Keywords: Last Glacial Maximum ; Hobq Desert ; climate change ; desert evolution ; driving mechanisms

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本文引用格式

张小梅, 靳鹤龄, 刘冰. 末次盛冰期以来库布齐沙漠环境变化. 中国沙漠[J], 2021, 41(5): 81-93 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00054

Zhang Xiaomei, Jin Heling, Liu Bing. Environment changes in the Hobq Desert since the Last Glacial Maximum. Journal of Desert Research[J], 2021, 41(5): 81-93 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00054

0 引言

干旱半干旱地区沙漠/沙地环境演变过程及其对气候变化的响应和反馈是地球系统科学研究的重大问题1-14。东西绵延数千千米的中国北方季风边缘区沙漠/沙地不仅是北半球中纬度干旱半干旱地区重要的地表景观和大气粉尘释放的主要源地15-16,也是典型的生态环境脆弱区和响应全球变化的敏感地带17-18。其环境变化过程不仅严重影响着区域内部的生态环境和社会、经济发展19-20,同时也通过大气环流对海洋生物化学过程甚至全球气候生态系统产生重大反馈21-22。中国北方季风边缘区沙漠/沙地主要分布在35°—50°N、75°—125°E的西北、华北和东北地区,是中亚干旱沙漠的延伸。以贺兰山为界,半固定-固定沙丘为主的沙地景观主要分布在年降水量为200—400 mm的半干旱区,而以流动沙丘为主的沙漠景观主要分布在年降水量小于200 mm的干旱区23-24

库布齐沙漠作为中国北方季风边缘区中东部唯一的以流动、半流动为主的沙漠,现代地表景观与周围沙地明显不同423。中国北方季风边缘区沙漠/沙地环境演变总体遵循季风模式,如呼伦贝尔沙地11—4.4 ka沙丘固定成壤,4.4 ka之后风沙沉积明显增多25。科尔沁沙地10 ka之前以流动沙丘为主,10—7.5 ka沙丘逐渐被固定,7.5—2.0 ka发育黑钙土,2 ka以来风沙活动增强26。浑善达克沙地北部11-8.7 ka沙丘逐渐被固定,8.7—6 ka为主要固定成壤期,6.0—3.5 ka沙丘逐渐变为半固定-半流动状态,3.5 ka以来风沙活动强烈27。毛乌素沙地7.5 ka之前以流动沙丘为主,7.5—4.6 ka古土壤广泛发育,4.6 ka之后沙漠活化扩张28。腾格里沙漠19.1—11.4 ka BP以大规模流动沙丘为主,4.0-3.5 ka BP沙漠固定成壤,2.5 ka BP之后沙漠大规模扩张29。青海湖地区12—9.5 ka风沙活动强烈,9.5—4 ka古土壤广泛发育,4 ka之后风沙活动再次增强30。共和盆地8 ka之前以流动沙丘为主,8—3 ka沙丘固定成壤,3 ka之后流沙面积扩大31。柴达木盆地12.4—11.5 ka风沙大量堆积,10—8 ka沙丘逐渐被固定,8—4.5 ka黄土大规模发育,4.5—0.45 ka风沙活动增强32

而库布齐沙漠风成沉积和湖泊沉积记录得出的结论明显不同,存在中晚全新世和早中全新世湿度最优期的分歧。风成沉积记录21733-35显示气候湿润期发生在中晚全新世,如Xu等33、Fan等34和Zhou等17等发现末次盛冰期库布齐沙漠风沙活动强烈,早全新世环境状况有所改善,8—5 ka BP为气候适宜期,晚全新世以来沙漠南北向显著扩张,现代沙漠景观形成。Sun等2和Yang等35的剖面分析也表明库布齐沙漠的主要固定成壤期为8.2—5.7 ka和4—2 ka,该时段风沙活动显著减弱,降水量增加,植被发育较好,古土壤广泛发育。相比之下,湖泊沉积记录显示气候湿润期发生在早中全新世36-38。如盐海子记录了13.4—8.0、6.4—5.8、4.3—3.2 cal ka BP等3个湿润期36;泊江海子11.39—7.51 cal ka BP为高湖面,植被为阔叶疏林草原,降水增加,气候暖湿,其中10.5—8.5 cal ka BP为最适宜期37;折家梁海子11.9—4.0 ka BP降水丰富,湖泊扩张,为稳定深湖环境38

可以看出,库布齐沙漠湖泊沉积与风成沉积记录的环境变化过程/湿度最优期存在显著分歧。那么,晚第四纪以来库布齐沙漠与季风边缘区中东部沙地环境演化过程到底是否一致,其湿润期究竟发生于何时?这尚需进一步梳理总结。此外,区域环境演变过程的成因机理也存在单一低纬太阳辐射驱动3739和低纬太阳辐射-高纬冰量变化双重驱动的差异40-41。本文通过对库布齐沙漠风成沉积年代-岩性的概率密度分布(Probability Density Function,PDF)处理以及与季风边缘区中东部沙地风成沉积和湖泊沉积古环境记录的对比分析,探讨末次盛冰期以来该区环境变化过程及其可能的成因机制。

1 研究区概况

库布齐沙漠(39°40′—40°48′N、107°08′—111°30′E)是中国第七大沙漠,位于鄂尔多斯高原脊线以北、黄河以南地区。在行政区划上属于内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗、达拉特旗和准格尔旗。地势总体上南高北低,东西向呈狭长带状分布,东西长约400 km,东部宽20—30 km,西部宽100 km24。地表以新月形沙丘链和格状沙丘为主,流动沙丘约占80%23,固定、半固定的灌丛沙堆仅分布在沙漠西部边缘。沙漠基底为鄂尔多斯高原北部白垩纪和第三纪泥岩、页岩、泥灰岩与碎屑岩42,风沙层覆盖于冲洪积和湖相沉积地层之上34。区域气候为温带大陆性季风气候,年均气温6—7.5 ℃,多年平均降水量仅249 mm,其中沙漠东部属半干旱区,年降水量为480 mm,西部属干旱区,年降水量仅为200 mm,年蒸发量为2 100—2 700 mm,年8级及以上大风日数为25—35 d43。沙漠内部数十条季节性川沟发源于高原脊线北侧,最终流入黄河,如毛不拉孔兑和壕庆河等(统称十大孔兑,图144。沙漠植被种类多样,东部为草原植被,西部为荒漠草原植被。土壤呈现地带性分布,东部发育栗钙土,西部发育棕钙土23

图1

图1   中国北方沙漠/沙地分布及现代亚洲夏季风北界(A)、鄂尔多斯高原(B)与库布齐沙漠剖面点及周边湖泊分布(C)

剖面KB位置据Sun等2;剖面Cagelebulu位置据Zhou等17;剖面KA、KB-1、KC、KD位置据杨小平等24;剖面KBQ1、KBQ2、KBQ12、KBQ13位置据Xu等33;剖面KBQ01、KBQ02、KBQ03、KBQ06、KBQ08、K2、K3、K4位置据Fan等34;恩格贝剖面位置据杨利荣等44

Fig.1   Distribution of deserts/sandy lands in northern China and the northern boundary of modern Asian summer monsoon (A), profile points in the Ordos Plateau (B) and Hobq Desert and surrounding lakes (C)


2 数据来源与分析方法

搜集了前人已经发表的库布齐沙漠风成砂及古土壤的测年数据,涉及20个剖面,33个OSL年代和8个14C年代(图2)。其中,作者对原始文献中未校正的14C年代采用Calibration7.0.4程序进行校正,选取INTCAL07北半球非海洋陆地校正模式,表示为cal ka BP,OSL年代用 ka表示。分析方法如下:①对库布齐沙漠风成沉积年代-岩性的概率密度分布(Probability Density Function)处理,重建末次盛冰期以来沙漠环境演化的过程;概率密度函数方法相对于频率统计直方图的优势在于可以直观呈现大量年代数据(包含年代误差)的分布特征,目前已被越来越多地应用到古气候和古环境重建的研究中3145。本文利用Venkatesan-Ramesh概率密度分析法46来表达一组年代数据在某一年代范围T内的分布特征,以0.5 ka为组距。首先,将每一个风成砂的年代及误差数据在Matlab程序中进行运算,可得到这个年代数据在任一时间点的概率密度值;然后,将风成砂的全部年代数据在这一时间点的概率密度值相加,得到风成砂在这一时间点的概率密度值;最后,计算风成砂全部时间点的概率密度值可以得到风成砂的概率密度曲线3147。同理,可得到古土壤概率密度曲线。②收集库布齐沙漠区域内的典型湖泊沉积记录(如盐海子、泊江海子和折家梁海子等)以及沙漠周边高分辨率代表性古环境记录,探讨区域湖泊沉积记录的环境变化信息与其他载体(如区内风沙沉积序列和周边不同载体)古气候记录的异同性;③在此基础上,开展不同区域风成沉积序列、湖泊沉积记录的对比分析,阐述季风边缘区环境演变的异同性及其可能的成因机制。

图2

图2   末次盛冰期以来库布齐沙漠地层沉积序列和年代

剖面KB地层岩性及年代据Sun等2;剖面Cagelebulu地层岩性及年代据Zhou等17;剖面KA、KB-1和KC地层岩性及年代据杨小平等24;剖面KBQ1、KBQ2、KBQ11、KBQ12、KBQ13和KBQ14地层岩性及年代据Xu等33;剖面KBQ01、KBQ02、KBQ03、KBQ06、KBQ08、K2、K3、K4地层岩性及年代据Fan等34;恩格贝剖面地层岩性及年代据杨利荣等44

Fig.2   Stratigraphic sedimentary sequence and chronological results in the Hobq Desert since the Last Glacial Maximum


3 结果与分析

3.1 末次盛冰期以来库布齐沙漠环境演化过程

3.1.1 风成沉积记录的环境演化过程

由于风沙沉积具有显著的瞬时性和空间异质性,所以单一剖面反映的环境变化信息可能存在缺失,因而,综合集成分析已有剖面年代学及代用指标可以得出更为准确的环境演变过程21733-3544。结合典型剖面地层岩性特征(图2)及KB-1剖面的代用指标变化(图3),利用PDF方法对风成砂和古土壤概率密度进行计算,并利用GIS 手段,重建了末次盛冰期以来特征时段沙漠的时空演化过程。

图3

图3   末次盛冰期以来库布齐沙漠风成砂与古土壤OSL年代、概率密度曲线及环境指标变化

环境指标TOC及CaCO3数据引自Yang等35

Fig.3   OSL chronology and probability density curve of aeolian sand and paleosol in the Hobq Desert and changes of palaeoenvironmental proxies since the Last Glacial Maximum


27.6—10 ka:尽管风成砂的概率密度处于低值,土壤不发育,但并不一定代表此时风沙活动较弱,更可能反映由于冬季风强盛,风沙物质总体长期处于活动状态,不能以准静止状态沉积,进而不能记录光释光年代信号48。这一时期风成砂几乎分布在沙漠各个位置,如风成砂沉积最早27.6 ka前后在沙漠西部(KBQ13剖面)出现,22.4 ka和16.24 ka在沙漠北部(恩格贝剖面和KD剖面)出现,19.24 ka和14.36 ka在沙漠西北部(KBQ03剖面)出现,11.5 ka在沙漠东部(KB剖面)出现。这表明27.6—10 ka风沙活动强烈,沙丘处于流动状态,植被覆盖极差甚至无植被覆盖,反映区域湿度很差,气候非常干旱(图4A)。

图4

图4   末次盛冰期以来库布齐沙漠演化时空分布

Fig.4   Spatiotemporal distribution of the Hobq Desert evolution since the Last Glacial Maximum


10—6 ka:风成砂PDF在此时期内出现显著峰值,古土壤概率密度值较低,风成砂概率密度数值显著高于古土壤。相比27.6—10 ka,风沙逐渐沉积下来,进而记录了光释光信号。如图4B,风成砂分布在剖面KBQ02、KBQ06、KBQ08、KBQ2、KC、K2、KB-1、K4、KA,年代分别为7.63±1.15、7.48±0.47、7.03±0.62、6.30±0.33、7.52±0.59、9.76±0.60、7.87±0.75、8.06±2.02、6.06±0.81 ka。南部Cagelebulu剖面风成砂年代为9.23±0.25 ka和6.20±0.20 ka。8.2 ka前后古土壤在东部KB剖面发育。KB-1剖面的 TOC含量逐渐增加但相对较低,CaCO3含量呈下降趋势但明显较高35。这表明相比上一阶段,风沙物质逐渐沉积下来,同时土壤开始发育,说明相比上一阶段环境状况有所改善,湿度有所增加。

6—2 ka:风成砂概率密度明显降低,古土壤概率密度总体波动上升且显著高于风成砂,5 ka、3.5 ka和2 ka处出现明显峰值。图4C反映风成砂分布在剖面KBQ01、KC、K3和KB,年代分别为2.27±0.3 ka、3.88±0.46 ka、2.24±0.30 ka和2.6±0.3 ka。古土壤广泛发育且主要分布在沙漠东部和南部,东部KB、KA以及KB-1剖面古土壤发育的时间分别为5.7 ka和5.3 ka、3.85 ka以及2.87 ka、2.71 ka和2.18 ka,南部Cagelebulu剖面古土壤发育的时间为4.81 ka、3.56 ka和2.16 ka。KB-1剖面的TOC含量为显著峰值,CaCO3含量为明显低值35,表明6—2 ka风沙堆积显著减弱,沙丘多固定状态,古土壤大规模发育,风成砂被土壤所取代,反映降水增多,地表植被增加,气候明显湿润。

2 ka以来:风成砂PDF大幅上升且数值较高,1 ka处出现峰值,古土壤概率密度显著降低,风成砂概率密度明显高于古土壤。图4D显示风成砂出现在剖面KBQ1、K4和KA,年代分别为1±0.05 ka、1.30±0.14 ka和0.24±0.04 ka。1.9 ka和0.91 ka古土壤在KA剖面发育。KB-1剖面的TOC含量呈现低值,CaCO3含量相对较高35。这表明2 ka以来风沙活动增强,风成砂沉积明显增多,古土壤发育程度显著下降,反映气候相对干旱。

综合以上分析发现:27.6—10 ka,库布齐沙漠风沙活动强烈,沙丘多流动状态,古土壤不发育,气候显著干旱;早全新世(10—6 ka)沙丘逐渐被固定,古土壤开始发育,湿度有所增加;中全新世(6—2 ka)沙丘多固定状态,古土壤大规模发育,风成砂被土壤取代,气候显著湿润;晚全新世(2—0 ka)风沙活动强度增加,古土壤发育减少,气候总体逐渐趋于干旱。风成砂最早在沙漠西北部开始沉积,之后向东南扩张,最后覆盖整个沙漠,而古土壤最早在沙漠东南部开始发育,之后向西北递变。

但需要强调的是:①年代样品的取样位置可能影响环境信息的解读:风成砂与古土壤概率密度数值高低反映年代数据的集中程度,并不代表风沙活动与土壤发育的绝对强度3147。本文重建的27.6—10 ka风成砂概率密度处于明显低值,但空间上反映此时风沙活动非常强烈;2 ka以来风成砂概率密度显著高于10—6 ka,但是空间上反映早全新世风沙活动明显强于晚全新世。②沙漠景观存在空间异质性:中国北方沙漠地区植被对气候变化反映非常敏感,但同一沙漠内可能同时呈现流动与固定-半固定并存的状态19。因此,探究沙漠环境演化需要综合分析风成沉积时空分布及代用指标的变化,仅考虑年代数据的数量对比得到的环境信息可能存在偏差。

3.1.2 湖泊沉积记录的环境演化过程

盐海子8 cal ka BP之前TOC含量呈明显高值,8.0—4.3 cal ka BP TOC含量整体较低,4.3 cal ka BP之后TOC含量逐渐降低,反映8 cal ka BP之前气候最为湿润,之后气候逐渐变干36图5A)。泊江海子11.39—7.51 cal ka BP阔叶孢粉含量呈增加趋势,植被为阔叶疏林草原,表明气候暖湿,其中10.5—8.5 cal ka BP阔叶孢粉含量为剖面最高值,气候暖湿程度最高,7.51 cal ka BP以来阔叶孢粉含量为明显低值,指示植被覆盖明显变差,气候趋于干旱37图5B)。而周边气候记录与之明显不同,如Xu等49认为岱海早全新世年降水量比现在低50—100 mm,年平均气温比现在低1—2 ℃,气候较为冷干;中全新世年降水量比现在高100—200 mm,年平均气温比现在高1—3 ℃,气候总体暖湿,其中6.2—5.1 cal ka BP年降水量超过550 mm,年平均气温大于6.5 ℃,气候最为暖湿;晚全新世年降水量比现在低50—100 mm,气候逐渐趋于干旱(图5C)。Xiao等50和Sun等51的结论与之一致。Chen等40研究发现公海地区8 cal ka BP之前夏季风较弱,降水偏低,~7.8—5.3 cal ka BP夏季风最强,降水量最高,比现在高30%,~3.3 cal ka BP以后夏季风快速衰退,降水随之减少(图5D)。干海多指标气候记录显示中全新世~8.0—5.8 cal ka BP夏季风最强,降水最高,气候最为暖湿52。柒盖淖9.2 cal ka BP之前降水波动较大,植被在草原森林和干草原之间转换;9.2—2.8 cal ka BP降水量最高,植被以森林草原为主,气候总体暖湿;2.8—0.85 cal ka BP降水偏低,植被以干草原为主,气候相对干旱53图5E)。巴汗淖多指标分析的结论与之相似54。沙漠黄土过渡带JB剖面10—7.0 cal ka BP TOC含量总体较低,7.0—5.5 cal ka BP TOC含量逐渐增加,其中5.5—2.7 cal ka BP TOC含量最高,2.7—1.5 cal ka BP TOC含量逐渐降低,表明7 cal ka BP以来植被盖度和生物量有所提高,气候趋于暖湿化,5.5—2.7 cal ka BP植被盖度和生物量最高,气候暖湿程度最高55图5F)。榆林剖面8 ka之前TOC含量呈现明显低值,8—3 ka TOC含量为剖面最高值,3 ka以来TOC含量逐渐降低,指示8—3 ka植被覆盖最好,季风降水最高,气候最为湿润56图5G)。这些记录与库布齐沙漠风成砂和古土壤概率密度曲线具有较好的相似性(图5H、I)。按照大尺度季风环流来讲,沙漠腹地湖泊沉积记录的气候湿润期应该与周边众多古气候记录具有较好的对应关系,然而,结果显示盐海子和泊江海子气候记录显示早全新世气候湿润,而周边不同载体古气候记录显示中全新世气候湿润。我们认为湖泊沉积年代序列构建可能存在误差,如折家梁海子未去除碳库效应的影响且剖面只测得两个有效年代数据,岩芯年代序列是根据沉积速率推年得到的38;泊江海子尽管减了碳库年龄(420年),但是钻孔位于湖泊岸边且存在沉积间断37;盐海子尽管减去了879年的碳库效应,但其是通过不同沉积岩芯年代综合构建的总体年代序列36,考虑到湖泊不同位置岩芯沉积速率存在一定程度的差异,构建的年代序列可能存在一定误差。

图5

图5   盐海子、泊江海子与周边气候记录对比

A:盐海子36;B:泊江海子37;C:岱海49;D:公海40;E:柒盖淖53;F:沙漠黄土过渡带JB剖面55;G:榆林剖面56;H:库布齐沙漠风成砂概率密度曲线;I:库布齐沙漠古土壤概率密度曲线

Fig.5   Comparison of climate records between Yanhaizi, Bojianghaizi and surrounding areas


3.2 末次盛冰期以来库布齐沙漠与季风边缘区中东部沙地环境演化过程对比

10 ka之前:总体上风沙活动强烈,以流动沙丘为主,古土壤不发育,气候显著干旱。如Zhao等26发现科尔沁沙地10 ka之前以大规模的流动沙丘为主,Yang等57认为科尔沁沙地9.6 ka之前为以流沙为主的沙漠环境;Gong等58认为浑善达克沙地~11.8 ka之前风沙大量堆积;Jia等59研究发现毛乌素沙地11 ka之前为流动沙漠;Sun等2认为库布齐沙漠11.5—8.2 ka风沙活动强烈。这表明10 ka之前库布齐沙漠与周边沙地风沙大量堆积,气候极其干旱(图6)。

图6

图6   末次盛冰期以来库布齐沙漠与季风边缘区中东部沙地环境演化过程的对比

Fig.6   Comparison of the environmental evolution process of the Hobq Desert and the sandy lands in the middle and east of the monsoonal margin region since the Last Glacial Maximum


10—8 ka:总体上沙丘逐渐被固定,古土壤开始发育,湿度有所增加。如Zhao等26发现科尔沁沙地10—7.5 ka以半固定沙丘为主;Yang等60认为浑善达克沙地中西部10 ka古土壤开始发育;Jia等59研究发现毛乌素沙地11—8.5 ka沙丘逐渐向半固定转变。相比10 ka之前,库布齐沙漠与周边沙地土壤开始发育,以半固定沙丘为主,表明环境已经有所改善。

8—3 ka:总体上风沙沉积明显减少,沙丘多固定状态,古土壤广泛发育,风成砂被土壤所取代,气候明显湿润。对科尔沁沙地的研究:Yang等5761发现该沙地8—3 ka沙丘主要固定成壤;Zhao等26发现科尔沁沙地7.5—2.0 ka以固定沙丘为主,黑钙土发育。对浑善达克沙地的研究:Gong等58认为该沙地6.2—4.3 ka气候湿润,古土壤发育;Lu等11认为浑善达克沙地8/7—2.4 ka气候湿润,沙丘被固定;Yang等60发现浑善达克沙地9—6 ka降水量最高,古土壤最为发育。对毛乌素沙地的研究:Sun等2研究表明该沙地9—5.6 ka气候暖湿,土壤发育;Liu等28研究发现毛乌素沙地7.5—4.6 ka沙丘固定成壤;Jia等59发现毛乌素沙地8.5—4 ka古土壤广泛发育。Sun等2认为库布齐沙漠8.2—5.7 ka气候暖湿,沙丘固定成壤。这些记录揭示中全新世为库布齐沙漠及周边沙地的主要固定成壤期,气候最为湿润。

3 ka以来:尽管不同沙地晚全新世风沙活动增强的具体时间存在早晚的差别,但总体上流沙面积逐渐扩大,土壤发育程度显著降低,气候逐渐趋于干旱。如Zhao等26发现科尔沁沙地2 ka之后沙丘重新流动,Yang等5761发现科尔沁沙地3 ka之后沙丘开始急剧移动,并存在多次移动与固定;Yang等60发现浑善达克沙地4 ka以来气候变干,不同地点开始出现风沙沉积,Gong等58认为浑善达克沙地4 ka以来风成砂和弱发育古土壤交替出现;Sun等2研究表明毛乌素沙地~5.6 ka之后气候变干,沙丘流动,Liu等28研究发现毛乌素沙地4.6 ka之后风沙活动增强,Jia等59发现毛乌素沙地4 ka之后沙丘再次流动。Sun等2认为库布齐沙漠5.7 ka之后气候变干,风沙活动增强。这表明3 ka以来沙漠活化扩张,气候相对干旱。

尽管不同研究者认为库布齐沙漠与季风边缘区中东部沙地出现风沙堆积和古土壤发育的具体时期存在差别,但末次盛冰期以来的环境演化过程总体一致:10 ka之前和3 ka以来总体上风沙堆积强烈,以流动沙丘为主,气候相对干旱;10—8 ka,古土壤开始发育,沙丘逐渐被固定,气候条件有所改善;8—4/3 ka,沙丘固定成壤,气候明显湿润。

3.3 末次盛冰期以来库布齐沙漠环境演变驱动机制

中国北方季风边缘区沙漠地处北半球中纬度,同时受到亚洲夏季风强弱变化及其带来降水量多寡和北半球冰量变化的影响40-41。中国南方石笋氧同位素记录可以指示夏季风强度与雨量变化,其变化总体遵循北半球夏季太阳辐射62-65,反映早中全新世夏季风最强,而中晚全新世以来夏季风逐渐减弱,季风雨量显著减少(图7A、B)。基于巴彦查干孢粉的定量气候重建显示10.5 cal ka BP之前气候干冷,10.5—6.5 cal ka BP气候最为湿润,年降水量比现在高30%—60%66。盐海子磁化率、有机质及地球化学等指标分析显示早全新世降水最高,为气候适宜期36。泊江海子孢粉记录显示11.39—7.51 cal ka BP阔叶疏林草原发育,降水较高,气候暖湿,中晚全新世气候逐渐趋于干旱37。这些记录反映早全新世夏季风增强,区域湿度变化主要受北半球夏季太阳辐射的驱动3766。而Chen等40认为以石笋氧同位素反映夏季风降水变化仍存在不确定性,其对公海降水量的定量重建表明:7.8—5.3 cal ka BP公海夏季风最强,降水量最高,反映中全新世夏季风最强,显然滞后于太阳辐射最高时期(10 ka前后,图7C)。中国北方季风边缘区其他气候记录,如TB和YL 黄土剖面显示9—3 ka前后磁化率和TOC含量显著增加,指示夏季风最为强盛5667图7D、E)。库布齐沙漠古土壤大规模发育时期(6—2 ka)也明显滞后于太阳辐射最高时期(图7I),这些记录均表明夏季风强度并非受到单一低纬太阳辐射驱动。由于北半球高纬度残余冰量的存在,其冰量变化也能通过影响亚洲冬季风的强弱变化对季风边缘区沙漠环境演变产生影响68-73,如达里湖孢粉记录表明由于高纬冰量的制约,季风边缘区8 ka前后夏季风才开始增强41;岱海49、柒盖淖53、巴汗淖54气候指标分析结果与之较为一致。这些记录表明中全新世夏季风最为强盛,降水量最高,早全新世区域相对干旱的环境同时受控于夏季太阳辐射和北半球高纬残余冰量的制约40

图7

图7   末次盛冰期以来库布齐沙漠环境演变的驱动机制

A:60°N太阳辐射39;B:董哥洞和葫芦洞石笋6365;C:公海40;D:TB剖面磁化率67;E:YL剖面TOC含量56;F:腾格里沙漠≥40μm含量29;G:大地湾平均粒径68;H:库布齐沙漠风成砂概率密度曲线;I:库布齐沙漠古土壤概率密度曲线;J:GISP2 K+浓度74;K:北半球冰量6975

Fig.7   Driving mechanisms of environmental evolution in the Hobq Desert since the Last Glacial Maximum


具体来讲,全新世之前特别是末次盛冰期,由于北半球夏季太阳辐射的显著减弱,亚洲夏季风总体较弱,而北半球高纬度冰量显著增加,导致亚洲冬季风强度空前强烈6974-75图7F、J、K),包括库布齐沙漠在内的中国北方季风边缘区沙漠风沙活动非常强盛,风沙沉积不能被堆积而保存OSL信号,气候显著干旱48。这一干旱的环境状态可能一直持续到全新世之前。

进入全新世8/7 ka前后,尽管低纬夏季太阳辐射显著增加,夏季风强度有所提升,但该时期北半球冰量仍然较高,其挤压夏季风雨带北上的空间,给区域带来的降水仍然较差40-41图7C、D、E、K);同时,北半球冰量的持续性降低,导致亚洲冬季风强度的逐渐减弱,风沙沉积逐渐被堆积下来,进而记录OSL信号48,导致风沙沉积PDF小幅提升(图7H)。此外,高纬冰量的存在使得海平面降低,增加了夏季风输送水汽的距离,水汽输送量减少41。因此,7 ka之前由于北半球高纬地区冰盖的存在,夏季风相对较弱,库布齐沙漠季风降水偏低,气候明显干旱,植被覆盖较差,风沙活动强烈,古土壤发育较少。

8/7—2 ka:7 ka以来随着北半球高纬冰盖的消失,冰量强迫对夏季风强度的影响降至最低甚至不产生作用,夏季风强度随之显著增加,降水在中全新世达到最高69。同时,大量冰川消融导致海平面上升,缩短了夏季风输送水汽的距离,使得水汽输送量增加41,这些因素共同导致中全新世库布齐沙漠气候环境最优,植被盖度明显增加,风沙活动显著减弱,古土壤广泛发育。

2 ka以来:北半球夏季太阳辐射逐渐减弱导致季风衰退73,季风雨量显著减少,气候逐渐趋于干旱。此外,人类活动增强进一步加剧了沙漠环境的干旱化。人口急剧增加,人类在沙漠的活动范围明显扩大,如过度开垦、放牧、樵采等人为活动以及战乱等因素142445576176破坏地表植被,使得植被覆盖相对较差,生态环境逐渐恶化,进而风沙活动明显增强,土壤发育程度显著降低。

因此,末次盛冰期以来库布齐沙漠环境演变过程同时受控于低纬太阳辐射和高纬冰量变化的双重制约。7 ka之前,由于北半球高纬地区冰盖的存在抑制了东亚夏季风强度,使得降水减少,气候明显干旱,风沙活动强烈,古土壤发育较少。8/7—2 ka,北半球高纬冰盖消失,夏季风强度增加并达到最大,季风降水最高,气候最为湿润,古土壤广泛发育。2 ka以来随着太阳辐射逐渐减弱,夏季风衰退,降水量明显减少,人类活动叠加在自然气候变化之上,共同导致气候相对干旱,风沙活动显著增强,土壤发育程度显著下降。

此外,黄河水文变化可能对库布齐沙漠演化存在一定程度的影响,一方面,黄河及十大孔兑在丰水期携沙量增加,堆积于入黄河道附近,这些沙物质在气候干旱时期,随着黄河径流的减少,可以作为沙源为库布齐沙漠提供沙漠扩张的物质基础35;另一方面,在沙漠固定时期,碎屑物质由于地表植被覆盖的增加,而较少受到侵蚀和搬运,使得沙漠环境改善时期沙漠扩张物源相对减少24。但是在气候变化条件下黄河以及区域黄河支流如何影响库布齐沙漠演化过程较为复杂,不同时期黄河水文及携沙量变化目前还缺少确切的定量数据,两者之间的耦合关系仍有待深入研究。

4 结论

末次盛冰期以来库布齐沙漠与季风边缘区中东部沙地环境演化过程总体一致。27.6—10 ka和晚全新世(2—0 ka),风沙堆积强烈,以流动沙丘为主,气候相对干旱;早全新世(10—6 ka)风沙沉积明显增多,沙丘逐渐被固定,古土壤渐次发育,区域湿度增加,气候条件有所改善;中全新世(6—2 ka)古土壤大规模发育,沙丘固定成壤,气候明显湿润。区域环境演变过程同时受控于低纬太阳辐射和高纬冰量变化的双重制约。

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