东北沙地表土<10 μm粒径组分揭示的化学风化特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00015

东北沙地表土<10 μm粒径组分揭示的化学风化特征

曲文欣^,¹, 王艳茹^,¹^,², 谢远云¹^,², 孙磊¹^,², 刘海金¹, 魏振宇¹, 汪烨辉¹, 祁昊东¹, 吴鹏³, 张艳⁴

1.哈尔滨师范大学，地理科学学院，黑龙江哈尔滨 150025

2.哈尔滨师范大学，寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室，黑龙江哈尔滨 150025

3.湖南科技大学地球科学与空间信息工程学院，湖南湘潭 411201

4.自然资源部第二地理信息制图院，黑龙江哈尔滨 150081

Chemical weathering characteristics as revealed by the <10 μm particle fraction in surface soils of the Northeastern China Sandy Lands

Qu Wenxin^,¹, Wang Yanru^,¹^,², Xie Yuanyun¹^,², Sun Lei¹^,², Liu Haijin¹, Wei Zhenyu¹, Wang Yehui¹, Qi Haodong¹, Wu Peng³, Zhang Yan⁴

1.College of Geographic Science /, Harbin Normal University，Harbin 150025，China

2.Heilongjiang Province Key Laboratory of Geographical Environment Monitoring and Spatial Information Service in Cold Regions, Harbin Normal University，Harbin 150025，China

3.School of Earth Sciences and Spatial Information Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，Hunan，China

4.The Second Institute of Geographic Information Cartography，Ministry of Natural Resources，Harbin 150081，China

通讯作者: 王艳茹（E-mail： 350055788@qq.com）

收稿日期: 2025-11-24 修回日期: 2026-01-19

基金资助:

黑龙江省自然科学基金项目.  ZD2023D003
国家自然科学基金项目.  42171006
哈尔滨师范大学博士启动基金项目.  XKB202312

Received: 2025-11-24 Revised: 2026-01-19

作者简介 About authors

曲文欣（2001—），女，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，主要研究方向为第四纪地质与环境变化E-mail：1781137653@qq.com , E-mail：1781137653@qq.com

摘要

化学风化作用是地表元素循环的关键环节，其过程记录了气候环境演化信息。本研究对浑善达克沙地、科尔沁沙地和松嫩沙地表土<10 μm粒径组分的元素地球化学特征进行分析，探讨其化学风化程度，揭示化学风化强度的空间分布规律，剖析其主控因素，并探索基于地球化学指标定量重建气候的潜力。结果表明：东北沙地整体处于化学风化的初级阶段，且3个沙地的风化强度均呈现显著的空间异质性。浑善达克沙地和松嫩沙地的风化作用主要受年降水量的控制，基于α^AlMg、α^AlSr等指标成功构建了定量气候转换函数；而科尔沁沙地的风化过程则受降水、温度等多种气候因子的协同驱动，无单一主导因素，导致无法建立有效的单一指标气候函数。本研究证实，在气候驱动模式相对单一的沙地，<10 μm组分的地球化学指标能够作为有效的气候代用指标，这为深入理解该区地表过程及开展古环境定量重建提供了关键依据。

关键词： 东北沙地 ; 元素地球化学 ; 气候函数 ; 化学风化

Abstract

Chemical weathering serves as a critical component in the surface elemental cycle， faithfully recording information on climatic and environmental evolution. This study conducted elemental geochemical analyses on the <10 μm particle-size fraction of surface soils from the Hunshandake Sandy Land， Horqin Sandy Land， and Songnen Sandy Land. The objectives were to investigate the degree of chemical weathering， reveal the spatial distribution patterns of chemical weathering intensity， identify the main controlling factors， and explore the potential for quantitatively reconstructing paleoclimate using geochemical indicators. The results indicate that the sandy lands of Northeastern China are generally in the initial stage of chemical weathering， with significant spatial heterogeneity in weathering intensity observed across the three regions. In the Hunshandake and Songnen Sandy Lands， chemical weathering is primarily controlled by mean annual precipitation. Based on indicators such as α^AlMg and α^AlSr， quantitative climate transfer functions were successfully established. In contrast， the weathering process in the Horqin Sandy Land is jointly driven by multiple climatic factors， including precipitation and temperature， with no single dominant factor， which prevents the development of an effective single-indicator climate function. This study confirms that in sandy lands where the climate-driven pattern is relatively simple， geochemical indicators of the <10 μm fraction can serve as effective paleoclimate proxies. This provides a crucial basis for deepening the understanding of surface processes in the region and for conducting quantitative paleoenvironmental reconstructions.

Keywords： Northeastern China Sandy Lands ; elemental geochemistry ; climate transfer function ; chemical weathering

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本文引用格式

曲文欣, 王艳茹, 谢远云, 孙磊, 刘海金, 魏振宇, 汪烨辉, 祁昊东, 吴鹏, 张艳. 东北沙地表土<10 μm粒径组分揭示的化学风化特征. 中国沙漠[J], 2026, 46(2): 323-335 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00015

Qu Wenxin, Wang Yanru, Xie Yuanyun, Sun Lei, Liu Haijin, Wei Zhenyu, Wang Yehui, Qi Haodong, Wu Peng, Zhang Yan. Chemical weathering characteristics as revealed by the <10 μm particle fraction in surface soils of the Northeastern China Sandy Lands. Journal of Desert Research[J], 2026, 46(2): 323-335 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00015

0 引言

沙地和沙漠起源于亚洲内陆干旱化与季风演化之间复杂的耦合过程^［1］，是在特定气候和物源供给下，经过长期演化的产物^［2］。作为干旱-半干旱地区分布最广的地貌类型之一，约占全球陆地面积的20%^［3-4］，其形成和演化过程记录了区域乃至全球气候变化的重要信息^［5］。对沙地或沙漠开展系统的地球化学指标研究，不仅有助于揭示过去气候环境的演变规律，也为预测未来气候变化趋势提供了关键科学依据。

地球化学指标对区域环境变化具有高度灵敏性，能有效揭示从区域到全球尺度的气候演化过程^［6］。这些指标与气候要素之间存在显著的耦合关系，已有研究基于地表和古土壤的地球化学参数，实现了对北方中纬度地区古气候的定量重建。Liu等^［7］基于地表风成沉积物的地球化学指标，重建了共和盆地中晚全新世的降水变化，揭示了该区域的古气候演化历史；Liu等^［8］通过构建鄂尔多斯高原表土地球化学参数与降水量之间的定量关系，重建了该区全新世以来的降水演变序列；Wang等^［5］进一步分析了阿拉善荒漠的Na/K比值与降水量之间的负相关关系，为北方干旱区沙漠古降水量的定量估算提供了新方法。上述研究均表明，地球化学指标在干旱半干旱环境中具有可靠的适用性，对揭示古气候演变具有重要的指示意义。

中国的沙地和沙漠主要分布于北方干旱半干旱地区，以西北干旱区和黄土高原最为典型，相比之下，针对半干旱半湿润区沙地的相关研究尚显不足^［9］。处于东亚夏季风边缘的东北沙地（科尔沁沙地、浑善达克沙地等）对气候变化响应十分敏感^［10］，前人基于东北沙地表土的磁化率、色度、赤铁矿与针铁矿比值等指标描述了其与现代气候参数的关系。王蜜娇等^［3］揭示松嫩沙地地表沉积物的赤铁矿和针铁矿比值及百分比频率磁化率与温度呈正相关关系，色度参数a^*和b^*及磁化率在河流砂与风成砂中与气候因子呈现不同的耦合关系；郭凤战等^［11］揭示了浑善达克沙地表层沉积物的色度（a^*、b^*）及赤铁矿和针铁矿比值与年降水量呈负相关关系，与温度呈现正相关关系；Sun等^［12］发现，东北沙地表土的低频磁化率、赤铁矿和针铁矿比值均与年降水量呈负相关关系；Zhou等^［13］发现东北沙地表土的色度参数（a^*/b^*）与年均温呈正相关关系，通过构建相应的气候转换函数，重建了松嫩平原195 ka以来的古降水和古温度序列。赵婉婷等^［10］分析了东北沙地<63 μm的风成砂和河流砂的元素地球化学特征，指出该区域表土的形成主要受气候因素控制，且化学风化强度与温度和降水等气候参数之间存在显著相关性。与<63 μm组分相比，粒径更细的<10 µm组分对气候变化的响应可能更为敏感，能够更准确地记录沉积物的化学风化过程。这类细颗粒组分常以悬浮形式通过西风环流进行远距离搬运，可迁移至远离源区数千千米以外的区域，如太平洋及格陵兰岛等地^{［1，14-16］}。然而，目前针对东北沙地<10 μm组分化学风化特征的研究仍相对缺乏。为此，本研究选取浑善达克沙地（OD）、科尔沁沙地（HQ）、松嫩沙地（SN）的表层沉积物（包括风成砂和河流砂）为研究对象，提取其<10 μm组分进行元素地球化学分析，并结合采样点的年平均气温、年降水量及年平均潜在蒸发量等气候数据，旨在阐明该区域化学风化特征的空间分布规律，探讨化学风化的主要控制因素，建立地球化学指标与气候因子之间的定量关系，为理解东亚季风边缘表土化学风化过程及其古环境指示意义提供重要依据。

1 研究区概况

浑善达克沙地位于内蒙古锡林郭勒草原南部（图1），是中国四大沙地之一，地貌以固定-半固定沙丘为主，海拔1 000~1 500 m^{［11，17］}。该区属于温带干旱半干旱大陆性季风气候，降水主要集中于夏季^［18-19］；年平均气温-1.8~5.4 ℃，年降水量185~474 mm。科尔沁沙地分布于松辽盆地南部，是中国北方面积最大的半固定沙地^［20］，地处内蒙古高原与东部平原的过渡带，整体地势西高东低，中部低洼^［21］。该沙地属于温带半干旱大陆性季风气候，降水多集中在7—9月^{［20，22］}；年平均气温3.6~7.4 ℃，年降水量343~575 mm。西拉沐沦河自西部浑善达克沙地，向东流经科尔沁沙地^［22］。松嫩沙地位于松嫩平原西部，地势平坦，主要由半固定-固定沙丘组成，活动沙丘较少^［23-24］。该沙地属于半湿润半干旱温带大陆性季风气候，受东亚夏季风气候影响显著^［3］；年平均气温2.2~6.5 ℃，年降水量387~620 mm。

图1

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图1 研究区概况

注：基于自然资源部标准地图服务网站审图号GS（2023）2763号标准地图制作，底图边界无修改

Fig.1 Geomorphological map of the study area

2 样品采集与实验方法

2.1　样品采集

本研究于2011—2016年，在科尔沁沙地（30个风成砂）、浑善达克沙地（19个风成砂）和松嫩沙地（8个风成砂，31个河湖相沉积物）分别采集了表层沉积物样品。科尔沁和浑善达克沙地的采样点多为固定-半固定风成沙堆，少量活动风成沙堆，岗丘状地貌，植被覆盖率较低（<30%）。样品以中—细砂为主，浅黄—白色，净砂结构，分选好，无层理，具有风成砂的典型特征。松嫩沙地的河湖相沉积物采集自现代河漫滩，为河流冲积砂，浅棕黄色，具杂砂结构，含少量泥质，偶见植物残体。研究中所涉及风成砂样品主要为下伏河湖相沉积物经过风力作用改造，就地堆积形成，与下伏河流砂同源，因此二者可用于地球化学参数的对比分析。为避免人类活动的影响，采样时远离人类活动区域，并刮开地表土取样，每个样品重量不少于5 kg。在室内使用1 300目筛，干筛处理样品，获得<10 μm粒级组分用于地球化学分析。为了探究沉积分异作用和物源对<10 μm组分的影响，本研究还引用了已发表的上述3个沙地的<63 μm组分数据^［10］。

2.2　实验方法

2.2.1　元素地球化学分析

为减小矿物效应的影响，常量元素分析采用玻璃熔片法制备样品。该方法能有效避免样品不均一性和颗粒差异引起的偏差，且标样制备较为简便^［25］。样品制备后使用荷兰帕纳科XRF光谱仪进行测量。分析精度如下：SiO₂的相对偏差控制在±0.5%以内，Al₂O₃不超过±0.2%，其他常量元素的相对偏差均低于0.2%。微量元素及稀土元素采用酸溶法处理，并使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）进行分析，误差范围在2%以内^［26-27］。

2.2.2　元素地球化学指标

由于不同元素在风化过程中的地球化学行为存在显著差异，其组合和比例常被用作反映气候变化的重要代用指标^［5］。基于常量元素比值（如CIA、CIW、α^AlE指数）和微量元素比值（如Rb/Sr）建立的地球化学指标，可用于评估化学风化强度。然而，Chen等^［28-29］发现，在中国北方沙漠/沙地中，物源与粒度是影响地球化学指标的关键因素，因此，在使用上述指标前需对其有效性进行评估。本研究选取了14项常用的地球化学指标，如CIA、CIW、ba₂、ba₃、Mg/Al、Na/K、Ca/Al、Rb/Sr、α^AlE 指数等，综合评估东北沙地沉积物的化学风化强度。

化学蚀变指数CIA被广泛用于描述化学风化强度。CIA与化学风化程度正相关，CIA越大，化学风化作用越强^［30］。根据其数值范围，可对风化程度进行划分：CIA为50~60反映低等化学风化程度，60~80反映中等化学风化程度，80~100反映强烈的化学风化作用^［31］。

CIA=［Al₂O₃/（Al₂O₃+CaO^*+K₂O+Na₂O）］×100（1）

式中：各变量均为相应氧化物分子摩尔数，CaO^*仅表示硅酸盐矿物内的摩尔含量，碳酸盐和磷酸盐中的CaO排除在外。采用Fedo等^［31］的方法去除磷灰石中所含的CaO后，再采用Bock等^［32］提出的CaO校正方法进行CIA值的计算。

化学风化指数CIW在CIA的基础上去除了K₂O，目的是消除成岩过程中的钾交代作用的影响^［33］：

CIW=［Al₂O₃/（Al₂O₃+CaO^*+Na₂O）］×100（2）

ba₂和ba₃^［34-35］由于不同元素的化学性质不同（Al元素相对稳定，Na、Ca、Mg、K易迁移），与化学风化强度负相关^［36］（式中均为摩尔含量）：

ba₂=（CaO^*+MgO）/Al₂O₃（3）

ba₃=（K₂O+Na₂O+MgO）/Al₂O₃（4）

元素迁移指数α^AlE 是难迁移元素Al和易迁移元素（如Na、Ca、K、Mg、Sr、Rb）在样品与在UCC（大陆上地壳）中的比值：

α^AlE=（Al_sample/E_sample）/（Al_UCC/E_UCC）（5）

式中：α^AlE>1表示元素E相对于UCC是亏损的，α^AlE<1则表示富集^［37］，α^AlE值越大，化学风化作用越强^［38］。

帕克风化指数WIP指示样品中保留的碱金属和碱土金属元素，可用于判断沉积物的化学风化程度^［39］：

\begin{array}{l} W I P = (2 N a_{2} O / 0.35 + M g O / 0.9 + 2 K_{2} O / 0.25 + \\ C a O / 0.7) \times 100 \end{array}

（6）

2.2.3　气候数据

本研究基于1970—2000年全球气候（年均温、年降水量）的栅格图层（https：www.worldclim.org/data/index.html），借助ArcGIS软件，将各采样点的实际经纬度与气候栅格图层进行提取，从而获取对应的年均温数据和年降水量数据（图2）。潜在蒸发量数据来源于国家青藏高原科学数据中心（http：//data.tpdc.ac.cn/）^［40-44］，提取出1970—2000年每个月采样点实际经纬度的潜在蒸发量数据，计算31年的平均年潜在蒸发量值，通过空间插值获得年潜在蒸发量图（图2）。

图2

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图2 浑善达克沙地（A、D、G）、科尔沁沙地（B、E、H）、松嫩沙地（C、F、I）1970—2000年年均温（A~C）、年降水量（D~F）、年潜在蒸发量（G~I）

Fig.2 The annual mean temperature （A-C）， mean annual precipitation （D-F）， and mean annual potential evaporation （G-I） from 1970 to 2000 in Hunshandake Sandy Land （A， D， G）， Horqin Sandy Land （B， E， H）， Songnen Sandy Land （C， F， I）

2.2.4　统计学分析

为分析各指标变量之间以及指标与气候要素之间的关系，本研究采用皮尔逊相关性分析，并以相关系数（r）衡量变量间线性相关，|r|越大表明相关性越强。再进一步通过线性与非线性回归分析，建立地球化学指标与气候变量之间的定量关系。相关性分析在SPSS 26.0中完成，回归模型的构建、转换函数的选择及图片绘制均在Origin 2024 中实现。在计算各沙地微量元素平均值时，由于部分样品的部分元素存在数据缺失，本研究将数据完整的元素基于全部样品计算，存在缺失的元素则仅使用数据完整的样品进行计算。

3 结果

3个沙地的常量元素组成呈现高度相似的分布模式，SiO₂的含量最高，Al₂O₃次之。其中，科尔沁沙地的TiO₂以及浑善达克沙地的CaO含量较高。与上地壳（UCC）标准含量^［45］相比，3个沙地均表现出MnO和TiO₂明显富集，Al₂O₃轻微亏损，K₂O、Fe₂O₃、Na₂O、CaO、MgO、P₂O₅明显亏损的特征，而SiO₂含量与UCC接近（图3A）。

图3

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图3 东北沙地表土的元素标准化模式图示

注：UCC、PAAS、球粒陨石（Chondrite）数值遵循Taylor等^［45］

Fig.3 Standardization patterns of sediments major elements （A），trace elements （B），rare earth elements （C） in the sandy lands of Northeast China （normalization values for UCC， PAAS， and Chondrite are from Taylor et al.^［45］）

3个沙地的微量元素组成虽存在差异，但其标准化配分模式呈现相似的变化趋势。相较于上地壳（UCC），过渡金属元素（TTE）中，Sc、Ga含量与UCC相当或中度亏损，Co、Ni变化大，Zn为中度亏损，Cr明显富集，Cu、V呈中度富集；低场强元素（LFSE）中，Rb、Sr中度亏损，Ba轻微富集，Cs中度富集，Pb含量变化较大；高场强元素（HFSE）中，Ta明显亏损，Y、U中度富集，Zr、Hf明显富集或与UCC含量相当，Nb中度亏损，Th明显富集（图3B）。

沉积物样品的稀土总量 $(\sum R E E)$ 为128.96~679.14 mg·kg^-1，平均值为237.85 mg·kg^-1。其中科尔沁沙地的稀土总量最高（均值为262.06 mg·kg^-1），松嫩沙地次之（均值为238.25 mg·kg^-1），浑善达克沙地最低（均值为200.11 mg·kg^-1），三者均显著高于UCC和后太古宙澳大利亚页岩（PAAS）。3个沙地的稀土元素配分模式均表现为左陡右缓的特征，与UCC和PAAS相似，指示轻稀土元素富集、重稀土元素亏损。沉积物轻稀土元素总量 $(\sum L R E E)$ 为116.48~619.47 mg·kg^-1，平均值为213.84 mg·kg^-1；重稀土元素总量 $(\sum H R E E)$ 为12.49~59.67 mg· kg^-1，平均值为24.01 mg· kg^-1。LREE/HREE比值6.97~10.77，平均值为8.85，进一步印证了轻稀土元素相对富集的特征。除一个样品表现为Eu正异常外，其余样品均表现为负异常；Ce在多数样品中呈负异常，部分样品为正异常，整体负异常特征不显著（图3C）。

4 讨论

4.1　化学风化特征

化学风化过程是影响干旱地区景观动态和土壤发育的关键因素^［46］，硅酸盐的化学风化作用可以为沙漠/沙地等干旱环境提供重要的物质来源。在风化过程中，沉积物存在明显的“粒度效应”：粗粒沉积物因富含抗风化能力较强的石英，Si含量相对较高；相反，铝硅酸盐矿物在化学风化过程中粒度会逐渐变细，使得Al在粒度较细颗粒中富集^［47］。然而，风成砂的成壤作用较弱，较少或几乎不含黏土矿物，且<10 μm组分常以悬浮状态进行长距离搬运^［48］，其风化指数不仅指示风化强度，还具有明显的远源特征。因此，本文对比分析了<63 μm与<10 μm组分的各项风化指标，以探讨源区信息对不同粒级组分化学风化强度的影响。

化学蚀变指数（CIA）和化学风化指数（WIP）的分析结果表明（图4），浑善达克沙地、科尔沁沙地和松嫩沙地<63 μm和<10 μm组分的整体化学风化程度均较弱（<10 μm组分的CIA值为49.5~62.4，WIP为33.8~60.1；<63 μm组分的CIA值为47.1~58.4，WIP为41.2~66.2）。在A-CN-K图解中，3个沙地的样品点均集中在大陆地壳平均值（UCC）附近，且其分布趋势线与A-CN连线平行（图5A），表明两种粒度组分主要处于化学风化的初级阶段^［30-31］；在MFW图中（图5B），<63 μm和<10 μm组分均沿岩浆岩组成线分布，进一步说明其源区化学风化微弱^［49］。然而，不同粒度组分的风化指数对比显示，<10 μm组分的CIA值普遍高于<63 μm组分，而WIP值略低（图4）。这一差异可能反映<10 μm组分经历了更强的化学风化，但也有可能源于细粒组分携带并保留了更显著的源区地球化学信号。由于同一采样点的不同粒级组分通常具有相同的初始风化背景，若二者风化指数差异较小，则可推断其物源背景基本一致。为了区分源区效应与化学风化强度对地球化学指标的影响，本研究从3个沙地中各选取9个代表性样品，系统比较同一样品的<63 μm与<10 μm组分的CIA、CIW、WIP指数。表1显示，绝大多数样品中两种粒级的风化指数差值范围较窄，CIA差值-0.5~2.8，CIW差值-2.4~2.9，WIP差值-9.8~0.14，说明两种粒径组分的物源背景具有高度一致性。其中，有6个样品<10 μm的WIP指数显著低于<63 μm组分（差值>5），可能暗示着<10 μm组分经历了相对较强的化学风化过程，导致长石中的Na、K、Ca等易溶组分的淋失。整体上，与<63 μm组分相比，大多数样品的<10 μm组分的风化指数更高，表明其经历了相对更强的化学风化过程。

图4

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图4 东北沙地不同粒级的CIA及WIP箱线图

Fig.4 Box plot of CIA and WIP values for different grain sizes in the sandy lands of Northeast China

图5

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图5 东北沙地化学风化判别

Fig.5 Diagrams for chemical weathering identification in the sandy lands of Northeast China

表1 东北沙地不同粒级的CIA、CIW、WIP值

Table 1 CIA，CIW，and WIP values for different grain-size fractions in the sandy lands of Northeast China

样品编号	CIA	CIW	WIP	样品编号	CIA	CIW	WIP
OD8(<63)	49.40	56.48	57.81	OD8(<10)	50.89	57.51	54.86
OD9(<63)	53.08	61.79	56.95	OD9(<10)	54.32	62.47	54.41
OD12(<63)	55.47	64.00	51.93	OD12(<10)	56.57	64.57	49.07
OD15(<63)	50.71	57.70	52.51	OD15(<10)	53.38	60.56	52.52
OD16(<63)	55.92	63.86	50.85	OD16(<10)	56.93	64.65	50.18
OD17(<63)	52.26	59.20	51.15	OD17(<10)	53.95	60.85	50.68
OD18(<63)	51.93	58.64	41.16	OD18(<10)	53.34	59.96	33.77
OD19(<63)	50.92	58.50	52.34	OD19(<10)	52.71	59.93	50.17
OD20(<63)	50.54	57.46	50.73	OD20(<10)	52.82	59.64	44.01
HQ1(<63)	49.22	57.19	56.89	HQ1(<10)	51.39	58.62	53.82
HQ2(<63)	52.91	62.43	56.99	HQ2(<10)	53.02	61.18	56.14
HQ12(<63)	52.79	62.11	57.02	HQ12(<10)	53.28	61.36	54.47
HQ13(<63)	53.39	62.30	55.66	HQ13(<10)	53.40	61.17	53.42
HQ15(<63)	53.58	62.98	56.60	HQ15(<10)	53.73	61.77	54.23
HQ16(<63)	52.66	62.63	57.50	HQ16(<10)	52.35	60.40	54.68
HQ17(<63)	53.79	63.15	55.72	HQ17(<10)	53.60	61.70	54.52
HQ18(<63)	53.50	62.50	55.74	HQ18(<10)	53.82	61.73	53.69
HQ22(<63)	52.44	62.59	57.86	HQ22(<10)	51.94	60.24	55.53
SN3(<63)	49.00	56.09	61.94	SN3(<10)	50.83	57.49	55.99
SN4(<63)	53.24	60.48	55.56	SN4(<10)	55.88	62.83	49.18
SN5(<63)	51.41	58.72	57.64	SN5(<10)	54.19	61.27	51.94
SN6(<63)	49.41	56.47	59.11	SN6(<10)	50.94	57.48	54.85
SN9(<63)	51.08	58.20	59.14	SN9(<10)	53.09	60.00	54.75
SN11(<63)	53.75	62.16	60.90	SN11(<10)	54.05	61.95	60.06
SN12(<63)	55.27	63.62	57.55	SN12(<10)	54.95	62.36	47.72
SN13(<63)	54.52	63.10	58.47	SN13(<10)	54.67	62.36	56.82
SN15(<63)	53.82	61.25	55.31	SN15(<10)	53.39	60.18	55.45

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4.2　化学风化程度的空间分布格局

作为大陆地表圈层相互作用的关键纽带，化学风化作用深刻影响着元素地球化学循环，并为重建古气候和古环境演化提供重要依据^［50］。明确化学风化程度的空间分布格局，是理解东北沙地风化状况的首要步骤。为深入揭示东北沙地沉积物的地球化学指标与气候因子之间的耦合关系，本研究选取Mg/Al、Na/K、Ca/Al、Rb/Sr、CIA等14项常用化学风化指标，将其与年降水量和年均温进行相关性分析。通过比较各指标与气候因子的相关系数，筛选出关联性最高的参数作为化学风化强度的代表指标，进而刻画东北沙地化学风化程度的空间分布格局。

相关性分析结果显示，将本研究涉及的3个沙地作为整体进行分析时，未发现任何一个化学风化指标与气候因子呈现显著相关。这一结果表明，在大空间尺度下，依赖单一指标来表征整个区域的化学风化强度可能存在局限性^［10］。因此，后续将分别对各沙地化学风化程度的空间分布格局进行探讨。

4.2.1　浑善达克沙地

相关性分析结果显示，浑善达克沙地多个化学风化指标（如α^AlMg、α^AlCa、ba₂等）与温度和降水因子均显著相关（表2，表3），其中α^AlMg与年降水量显著正相关（相关系数为0.81），α^AlCa与年均温显著负相关（相关系数为-0.73），表明降水和温度共同控制着浑善达克沙地的化学风化作用，但降水的影响更强，因此本文选用α^AlMg值来表征浑善达克沙地的化学风化强度。

表2 地球化学指标与年降水量相关系数

Table 2 Correlations between geochemical indices and mean annual precipitation

化学指标	浑善达克沙地	科尔沁沙地			松嫩沙地
化学指标	浑善达克沙地	西部	中部	东部	松嫩沙地
Mg/Al	-0.77^**	-0.66	-0.05	-0.56	0.33^*
Na/K	0.21	-0.76^*	0.11	-0.03	-0.32^*
Ca/Al	-0.66^**	-0.59	0.00	-0.70^*	-0.14
Rb/Sr	0.58^**	0.58	-0.43	0.80^**	0.60^**
CIA	0.26	0.48	-0.16	0.70^*	0.48^**
CIW	0.38	0.54	-0.15	0.66^*	0.47^**
α^AlNa	-0.48^*	-0.04	-0.09	0.42	0.33^*
α^AlCa	0.71^**	0.51	-0.05	0.74^**	0.24
α^AlSr	0.64^**	0.73^*	-0.60	0.88^**	0.64^**
α^AlMg	0.81^**	0.62	0.08	0.41	-0.43^**
α^AlK	-0.58^**	-0.82^*	-0.02	0.68^*	0.32^*
α^AlRb	0.30	-0.22	-0.02	0.20	-0.04
ba₂	-0.78^**	-0.61	0.02	-0.67^*	0.01
ba₃	-0.67^**	-0.52	0.15	-0.87^**	-0.07

注：*表示P<0.05， **表示P<0.01。

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表3 地球化学指标与年均温的相关系数

Table 3 Correlations between geochemical indices and mean annual temperature

化学指标	浑善达克沙地	科尔沁沙地			松嫩沙地
化学指标	浑善达克沙地	西部	中部	东部	松嫩沙地
Mg/Al	0.48^*	-0.61	0.72^*	0.33	0.48^**
Na/K	-0.25	-0.71^*	-0.18	0.01	-0.16
Ca/Al	0.32	-0.57	0.74^*	0.26	0.20
Rb/Sr	-0.16	0.62	0.18	-0.23	0.06
CIA	-0.69^**	0.50	-0.34	-0.11	0.04
CIW	-0.71^**	0.55	-0.53	-0.19	0.02
α^AlNa	0.15	0.04	0.59	0.20	0.18
α^AlCa	-0.73^**	0.54	-0.79^**	-0.40	-0.15
α^AlSr	-0.37	0.59	0.14	-0.17	0.01
α^AlMg	-0.53^*	0.60	-0.72^*	-0.51	-0.47^**
α^AlK	-0.11	-0.74^*	0.64^*	0.38	0.15
α^AlRb	-0.70^**	-0.48	-0.15	0.42	-0.18
ba₂	0.63^**	-0.59	0.82^**	0.43	0.38^*
ba₃	0.56^*	-0.52	0.32	0.18	0.44^**

注：*表示P<0.05， **表示P<0.01。

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在风化淋滤作用下，Mg元素化学性质活泼，易于迁移，因此，α^AlMg值与化学风化强度呈正相关关系，即α^AlMg值越大，化学风化作用越强^［38］。浑善达克沙地α^AlMg值的空间分布格局显示，α^AlMg值具有东部高、西部低的特征，中西部最低（图6A），与该区的年降水量空间分布格局较为相似。浑善达克沙地位于东亚季风区的边缘，具有较强的大陆性特征，降水集中在夏季^［51-52］，东部的年降水量可达400 mm左右（图2D），为沉积物的化学风化提供了充足的流体环境，能够有效促进阳离子溶解与迁移^［53-54］；此外，浑善达克沙地东部地表径流较为发育，地表水资源相对集中，植被覆盖度也较高，进一步加剧了化学风化作用^［55-57］；而该沙地西部受东部的大兴安岭山脉和南部的阴山山脉阻挡，东亚夏季风输送的水汽无法抵达，导致年降水量显著减少（图2D），且西侧湖泊以盐碱湖为主，植被覆盖度较差，致使西部的化学风化相对较弱^［55-56］。虽然地形、水文与植被等因素对浑善达克沙地的化学风化过程均具有一定影响，但从风成砂的成因来看，降水仍然是控制该区化学风化强度的主导因素。受降水空间分布不均的影响，浑善达克沙地的化学风化强度呈现出明显的区域差异，整体表现为东部最强、中部与西部次之、中西部地区最弱的空间格局。

图6

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图6 浑善达克沙地（A，α^AlMg）、科尔沁沙地（B，α^AlK）、松嫩沙地（C，α^AlSr）化学风化强度空间分布

Fig.6 Spatial distribution of chemical weathering intensity in Hunshandake Sandy Land （A， α^AlMg）， Horqin Sandy Land （B， α^AlK）， Songnen Sandy Land （C， α^AlSr）

4.2.2　科尔沁沙地

前人研究指出，科尔沁沙地化学风化强度存在显著的东西空间差异^［10］。为此，本研究将该沙地划分为西部、中部和东部3个区域，分别计算各区域风化指标与气候因子的相关性。结果表明，科尔沁沙地西部的α^AlK、α^AlSr、Na/K等参数与年降水量呈强相关，中部的Ca/Al、Mg/Al、α^AlCa、α^AlMg、α^AlK、ba₂等参数与年均温相关性较高，东部则表现为ba₃、α^AlCa、α^AlSr、α^AlK、Ca/Al、Rb/Sr等参数与年降水量相关性较好（表2，表3）。尽管各分区与气候因子最相关的指标并不一致，但α^AlK在西部、中部和东部均表现出较好的相关性（相关系数分别为-0.82、0.64和0.68）。因此，本研究选取α^AlK作为科尔沁沙地化学风化强度的代用指标，并用以表征不同区域的化学风化强度。

通常情况下，α^AlK值与化学风化强度呈正相关，即α^AlK值越大，化学风化作用越强^［38］。在科尔沁沙地，α^AlK值与气候因子的相关性存在区域差异，西部与年降水量呈强负相关，东部与年降水量呈正相关，而中部则与年均温呈正相关。上述结果表明，降水可能是控制沙地西部和东部化学风化的主要因素，而温度则对中部风化过程具有主导作用。

α^AlK值在科尔沁沙地整体上呈现东部最高、西部次之、中部最低的空间分布格局（图6B）。从地貌特征来看，该沙地地势西高东低^［58］，西部毗邻大兴安岭，地势起伏较大；东部以平原为主。受地形影响，降水空间分异明显，表现为东多西少（图2E）。东部降水充沛、河网较密、植被覆盖度高^［59］，优越的水分条件与活跃的生物作用共同促进了化学风化过程，使其风化强度显著高于中、西部。西部虽降水偏少，但西拉沐沦河输送的细粒物质使其沉积物组成与浑善达克沙地较为相似^［60］，因而西部的化学风化仍表现出与降水的较强关联。此外，尽管各区域年均温差异不大，但中部潜在蒸发量较高，温度上升可加速化学反应速率，从而增强风化作用；同时，中部采样点距离西拉沐沦河较远，受外源输入影响较小，使得温度成为控制该区域化学风化的关键因子。综上所述，科尔沁沙地的化学风化强度具有明显的空间分异特征，总体表现为东部最强、西部次之、中部最弱。其中，西部和东部的风化过程主要受降水调控，而中部则主要受温度控制。

4.2.3　松嫩沙地

相比于浑善达克和科尔沁沙地，松嫩沙地各风化指标与气候因子的相关性较弱，其中，α^AlSr值与年降水量的相关性最高（相关系数为0.64），且呈正相关；各指标与年均温的相关性均较弱（最高相关系数仅为0.48），表明降水可能是控制松嫩沙地风化强度的主要因素。因此，本研究选用α^AlSr值来评估松嫩沙地的化学风化程度。

由于Sr在风化过程中易于迁移，α^AlSr值通常与化学风化强度正相关^［38］。从空间分布来看，松嫩沙地东南部的α^AlSr值最高，西南部最低，北部处于中等水平（图6C）。这种分布格局与区域降水差异相一致。松嫩沙地位于中国东部季风区，受夏季风影响显著^［3］，东南部年降水量最大，较充沛的降水为化学风化作用提供了必要的水分条件；西南部降水相对较少（图2F），风化强度也最弱。此外，区内发育的嫩江、松花江等河流与湖泊系统^［61］，以及较高的植被覆盖度，进一步促进了地表风化作用的进行。综上所述，松嫩沙地的化学风化强度主要受降水控制，空间上呈现东南部最强、西南部最弱、北部中等的分布特征。

4.3　基于地球化学指标的气候函数重建

前述分析表明，浑善达克沙地、科尔沁沙地和松嫩沙地<10 μm组分的化学风化强度呈现出显著的空间分异，除了受气候要素的控制，还可能与其各自的物源体系有关。地球化学和Sr-Nd同位素证据显示，浑善达克沙地与科尔沁沙地存在明显的物源差异，其中浑善达克沙地更接近华北克拉通燕山山脉的物质组成，而科尔沁沙地更接近中亚造山带大兴安岭山脉的物质组成^［60］。而松嫩沙地西北部的主要物源来自大兴安岭北部，西南部的主要物源为松辽地块和大兴安岭南部^［19］。鉴于物源与风化过程共同塑造了地表沉积物的地球化学指纹，而这些地球化学指标又与温度、降水等区域气候条件具有明确的指示意义，为了进一步量化气候对风化过程的影响，定量重建沙地气候，本研究在各个沙地分别选取了最能够反映风化强度的指标，尝试与气候因子构建函数模型，以揭示不同物源体系下，气候驱动化学风化过程的具体模式与差异。

基于对<10 μm组分风化指标的分析，浑善达克沙地的α^AlMg值与松嫩沙地α^AlSr值均与年降水量呈显著相关（表2，表3）。然而，科尔沁沙地不同区域的风化指标与气候参数之间的关系复杂，未能筛选出适用于全区的、稳定的指标。因此，本研究仅选取浑善达克沙地与松嫩沙地，基于其有效的风化指标，分别构建气候函数模型，以定量重建沙漠的降水变化。

浑善达克沙地的α^AlMg（x）与年降水量（y）呈显著正相关关系，据此可构建二者之间的线性回归模型（图7A）：y=56.42x+257.77（R²=0.66，P<0.01）。使用Origin软件进行回归分析，所得模型的相关系数（r）为0.81，决定系数（R²）为0.66，调整后的决定系数为0.64，两者数值接近，表明模型具有中等程度的解释力。残差分析显示，其频率分布近似正态分布，且残差散点图中未观察到明显的线性趋势或聚类模式，表明模型拟合较好，残差符合随机性假设。

图7

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图7 浑善达克沙地（A）和松嫩沙地（B）的转换函数

Fig.7 Transfer functions of the Hunshandake Sandy Land （A） and Songnen Sandy Land （B）

松嫩沙地的α^AlSr（x）与年降水量（y）呈显著正相关，基于该关系，我们采用非线性回归建立了二者之间的定量模型（图7B）：y=24.31x^4.11+406.26（R²=0.56，P<0.01）。回归结果显示，模型的决定系数（R²）为0.56，调整后的决定系数为0.53，两者数值接近，表明模型具有中等的解释力度。残差分析显示，其频率分布大致符合正态分布，且残差散点未呈现明显的趋势性或聚类特征，表明模型拟合良好，残差满足随机性假设。

本研究在浑善达克沙地和松嫩沙地分别构建了风化指数与年平均降水的转换函数，表明在单一主导气候因子（如降水）控制化学风化过程的区域，<10 μm细粒沉积物的地球化学指标能够有效甄别并记录气候信号，可作为可靠的气候代用指标。然而，科尔沁沙地未能建立有效模型，主要归因于其受到温度、降水等多种气候因子的共同影响，化学风化过程由多因素协同驱动。在此背景下，加之各沙地普遍存在的多物源混合背景，单一地球化学指标难以解析出与气候参数的函数关系。因此，在利用沙地沉积物的地球化学指标进行气候定量重建前，必须优先厘清研究区化学风化过程的主导气候驱动模式，谨慎建立和应用气候方程。此外，本研究还存在一定局限性，如浑善达克沙地西部样品缺失、样品总量有限等，对模型的区域代表性和精度有一定的影响。未来需要通过更系统、密集的采样网络，对本研究建立的函数进行验证与优化，并进一步探索在多物源区分离气候与物源信号的有效方法。

5 结论

东北沙地（浑善达克沙地、科尔沁沙地、松嫩沙地）<10 μm组分的地球化学特征表明，其整体处于较低的化学风化阶段。同一样品中<10 μm与<63 μm组分的风化差异较小，排除了远距离搬运带来的物源干扰。因此，<10 μm相较于<63 μm组分表现出更高的风化指标值，反映其对风化过程具有更高的敏感性，能够有效地指示区域化学风化强度。

浑善达克沙地、科尔沁沙地、松嫩沙地的化学风化强度呈现出显著的空间异质性。浑善达克沙地东部风化最强、中部与西部次之、中西部地区最弱，这种风化格局主要受区域降水的控制；科尔沁沙地东部风化最强、西部次之、中部最弱，西部和东部的风化过程主要受降水调控，而中部则主要受温度控制；松嫩沙地东南部风化最强、西南部最弱、北部中等，主要受降水的控制。

浑善达克沙地和松嫩沙地的化学风化过程主要受年降水量的控制，根据α^AlMg、α^AlSr等指标成功构建了定量气候转换函数；而科尔沁沙地的化学风化受降水、温度等多种气候因素的共同影响，其驱动模式不具备单一气候要素主导性，导致地球化学指标无法与气候参数建立显著的函数关系。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

Zhang

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The formation and development history of the Songnen Sandy Land，NE China since the late Middle Pleistocene：insights from the grain-size characteristics of the Harbin loess succession

［J］.Catena，2026，263：109689.

[本文引用: 2]

[2]

， Zhang

Characterization and regional variations in the mineralogical maturity of aeolian sands in northern China

［J］.Scientific Reports，2025，15（1）：27240.