范義姣，馬簫憶，劉 慧，王樹源，楊軍懷，陳梓炫，高福元，賈 佳，夏敦勝

（1.蘭州大學 資源環(huán)境學院西部環(huán)境教育部重點實驗室，甘肅蘭州 730000；2.蘭州城市學院 地理與環(huán)境工程學院，甘肅蘭州 730070；3.浙江師范大學 地理與環(huán)境科學學院，浙江金華 321004）

0 引言

新疆天山地區(qū)位于歐亞大陸內(nèi)部、距離各大洋較遠，屬于亞洲中部干旱區(qū)的重要組成部分。受地形地勢的影響，黃土多分布于河谷階地和山前平原［1］，如伊犁盆地、準噶爾盆地南緣和塔里木盆地北緣。新疆天山地區(qū)黃土研究對于揭示亞洲內(nèi)陸干旱化、粉塵搬運堆積、大氣環(huán)流和氣候環(huán)境變化具有重要意義［2-3］。

作為黃土研究中常用的氣候代用指標，磁學參數(shù)（χARM/SIRM）和亮度（L*）在黃土高原和中亞干旱區(qū)黃土古氣候研究中得到了廣泛的應用，在指示成壤強度與有機質(zhì)含量、揭示濕度演化方面具有重要意義［4］。前人通過對全新世多個黃土沉積的磁學參數(shù)、亮度、粒度、地球化學等指標的對比研究，指出中亞干旱區(qū)的濕度演化在中晚全新世以來呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢［5-6］。然而，以上基于磁學參數(shù)、亮度等重建的黃土古氣候研究僅集中于濕度演化，關于區(qū)域植被和生態(tài)系統(tǒng)對相應氣候環(huán)境的響應變化研究較少。土壤有機碳/氮同位素（δ13Corg和δ15N）主要來源于上覆植被的貢獻［7-9］，利用土壤中的碳/氮同位素組成可以重建古植被和古氣候環(huán)境的演化。Rao等［10］較早對伊犁盆地黃土δ13Corg進行研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域至少在末次冰期以來都是由C3植物占據(jù)主導地位，并根據(jù)地層與δ13Corg變化的關系進一步提出該指標在重建降水方面具有較大潛力，并得到了廣泛的應用［11-12］。此外，來自黃土高原和西歐黃土研究表明土壤δ15N組成在揭示地表生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化與示蹤方面具有重要指示意義［13］，但是目前在中亞干旱區(qū)黃土中的應用較少，這在一定程度上限制了人們對中亞干旱區(qū)東部地質(zhì)歷史時期以來的氣候及生態(tài)環(huán)境響應的理解。

鑒于此，本文對新疆伊犁盆地KS16黃土剖面進行磁學、亮度和有機碳/氮同位素等多指標綜合分析，結合天山北麓LJW10剖面已發(fā)表的δ13Corg記錄、同時測定該剖面的δ15N指標，探討了新疆天山地區(qū)地表植被和生態(tài)系統(tǒng)變化及其對氣候環(huán)境的響應，旨在更好地理解中亞干旱區(qū)東部地區(qū)全新世時期的氣候變化和生態(tài)環(huán)境的協(xié)同作用。

1 研究區(qū)與剖面概況

新疆天山位于中亞干旱區(qū)東部，黃土多呈條帶狀分布于天山北坡的山麓帶和伊犁河谷的河流階地上［1］。該區(qū)域屬于溫帶大陸性氣候，常年受到西風控制：春夏季降水相對較多，主要來自西風環(huán)流攜帶的北大西洋及沿途湖泊水汽，部分水汽由北冰洋貢獻；冬季受西伯利亞高壓的影響，西風帶北支向南移動導致降水較少［14］。天山北部為準噶爾盆地，氣候相對干旱，分布有廣闊的沙漠和戈壁，為北坡黃土沉積提供潛在粉塵物源。從準噶爾盆地到天山北坡，氣候呈現(xiàn)明顯的垂直地帶性分布，溫度隨海拔的升高逐漸降低，降水量相應地從150 mm逐漸增加至500 mm［15］。伊犁盆地氣候相對濕潤，開口向西的喇叭狀地形有利于北大西洋水汽的長驅直入，受地形阻擋，西部平原地區(qū)降水量在200～500 mm之間，東部山區(qū)高達800 mm，年平均氣溫大約在2.6～9.2℃之間［16］。

本研究選取的KS16和LJW10剖面分別位于伊犁盆地東部和天山北坡（圖1）。其中KS16剖面（43°25′56″N，83°56′35″E，海拔1 314 m）厚2 m，上部0.3 m為古土壤層，下部1.7 m為黃土層。團隊成員采用石英單片再生劑量法對14個光釋光樣品進行定年，建立的年代框架表明該剖面底部年代大致為12 ka，具體年代結果及年齡深度模型參見文獻［17］。LJW10剖面（43°58′29″N，85°20′10″E，海拔1 462 m）厚2.8 m，其中2.8 m～1.7 m為黃土沉積，1.7 m以上為全新世地層，又可以劃分為黃土-古土壤亞層［4，18］。Li等［18］采用粗顆粒石英單片再生劑量法，結合中粒徑和粗粒徑鉀長石紅外激發(fā)后紅外釋光測年方法（post-IR IRSL）對該剖面進行定年研究，底部年代約為16 ka。前人對該剖面的磁學、亮度［4］，粒度［19］以及有機碳同位素［11］等進行了系統(tǒng)研究，本文主要對其δ15N進行測定和分析。

圖1 研究區(qū)與剖面位置Fig.1 Study area and location of sections

2 實驗方法

本研究對KS16剖面的磁學參數(shù)（χARM、SIRM）、亮度（L*）以2 cm間隔進行測定，有機碳/氮同位素（δ13Corg和δ15N）以4 cm間隔測定；LJW10剖面δ15N以4 cm間隔測定。磁學參數(shù)和亮度在蘭州大學西部環(huán)境教育部重點實驗室完成，δ13Corg和δ15N在蘭州大學草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室完成。

非磁滯剩磁（ARM）是在直流磁場強度為0.05 mT疊加逐漸減弱的交變磁場（峰值為100 mT）后，使用Molspin Minispin小旋轉磁力儀（JR-6A）測量，并換算為非磁滯剩磁磁化率（χARM）；等溫剩磁（IRM）使用ASCIM-10-30型脈沖強磁儀獲得，樣品在外加1 T磁場后使用JR-6A進行測量，所獲得的等溫剩磁為飽和等溫剩磁（SIRM）。亮度使用X-Rite 948型分光色度計量器，將研磨至粉末的樣品連續(xù)測試三次，以保證誤差小于0.07。

δ13Corg和δ15N測定之前，采用酸洗法去除樣品中碳酸鹽部分［11］，所有處理好的樣品根據(jù)碳、氮含量確定稱樣量。使用裝有連續(xù)進樣裝置的Finnigan MAT253穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測定樣品δ13Corg和δ15N，測試過程中每隔5個樣品加入1個標樣［尿素標樣，δ13CV-PDB=（-27.46±0.11）‰，δ15NAIR=（6.70±0.15）‰］確保儀器穩(wěn)定、測試結果準確可靠。樣品的δ13Corg和δ15N組成分別相對于VPDB（Vienna Pee Dee Belemnite）和大氣N2標準的千分之一（‰）變化。

3 各指標的氣候環(huán)境指示意義

3.1 χARM/SIRM和L*

χARM能夠靈敏反映磁性礦物中的單疇（SD）顆粒含量，SIRM指示樣品中亞鐵磁性礦物和不完全反鐵磁性礦物的含量［20］。二者比值χARM/SIRM通常被用于指示成壤作用，高值表明較細磁性顆粒所占比例大，成壤作用增強。亮度L*反映土壤發(fā)育程度，與有機質(zhì)含量密切相關，L*值越低，指示有機質(zhì)含量較高，進而反映區(qū)域植被覆蓋和生物量［21-22］。χARM/SIRM和L*指標已被廣泛應用于恢復和重建干旱、半干旱地區(qū)的氣候環(huán)境演化［4-5］。

3.2 δ13Corg

土壤有機質(zhì)主要來源于上覆植被，因此黃土δ13Corg很大程度依賴于上覆植被δ13C［23-24］。陸地植被主要分為C3、C4和CAM植物，其中C3植物δ13C位于-22‰～-32‰，平均值為-27‰，C4植物δ13C位于-9‰～-19‰，均值為-13‰［25］。植物在進行光合作用過程中，碳同位素分餾很大程度受氣候的影響，根據(jù)Farquhar等［26］提出的C3植物δ13C分餾模式，在相對潮濕的條件下，C3植物的δ13C通常更偏負，因為在濕潤環(huán)境中C3植物的氣孔導度相對較高，進而增加細胞間的CO2分壓，導致δ13C值偏負；在干旱條件下，植物為了維持水分供應關閉氣孔，使得植物的氣孔導度低，植物葉片細胞間的CO2濃度降低，植物固定CO2能力減弱，最終導致植物δ13C值升高。因此植被δ13C變化與水分條件密切相關，大量的現(xiàn)代植被和表土δ13Corg研究發(fā)現(xiàn)中亞干旱區(qū)主要由C3植物占據(jù)主導地位，并且δ13Corg與降水量之間呈現(xiàn)明顯的負相關性［11-12，27-28］，這一關系被廣泛應用于該區(qū)域降水量的重建［11-12，29］，并得到數(shù)值模擬結果的支持［11］。此后，中亞干旱區(qū)黃土δ13Corg多用于討論區(qū)域濕度的演化，如新疆天山地區(qū)LJW10［11］、TLD剖面［30］，伊朗YE剖面［29］和哈薩克斯坦VA剖面［31］δ13Corg記錄都表明中亞干旱區(qū)中晚全新世濕度逐漸增加（圖2）。因此，本研究將δ13Corg作為區(qū)域降水量變化的指標，進而指示濕度演化。

圖2 中亞干旱區(qū)黃土δ13Corg記錄對比Fig.2 The comparison of loessδ13Corg records in arid Central Asia

3.3 δ15N

中亞干旱區(qū)關于土壤δ15N與氣候環(huán)境之間的現(xiàn)代過程研究幾乎空白，無法區(qū)分單一的溫度、降水對土壤δ15N的影響。盡管在全球尺度上，上覆植被及土壤δ15N與溫度呈正相關、與降水量呈反相關［32］，但這一關系存在區(qū)域差異性：如黃土高原地區(qū)，現(xiàn)代植被和表土δ15N隨降水量的增加逐漸偏負［13］；而在年均降水量小于600 mm的草原生態(tài)系統(tǒng)中，土壤δ15N隨降水量的增加逐漸偏正［33］。由于缺少區(qū)域現(xiàn)代過程的研究，土壤δ15N無法用于重建單一氣候因子的變化。但是，黃土高原西峰［8］和渭南［9］剖面，西歐Belotinac［34］、Tokaj［35］和Crvenka［36］等剖面黃土δ15N研究都表明，間冰期和相對暖濕的環(huán)境與δ15N高值相對應，同時生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力相對提高以及氮循環(huán)相對開放，而冰期和相對冷干的環(huán)境則相反（圖3）。因此，本研究將土壤δ15N作為指示地表生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的指標，進而反映區(qū)域環(huán)境演化。

圖3 黃土高原［8-9］（a，b）和西歐［34-36］（c，d，e）黃土-古土壤序列δ15N變化（灰色陰影表示間冰期和暖濕期）Fig.3 Variation ofδ15N of loess-paleosol sequences in Chinese Loess Plateau［8-9］（a，b）and Western Europe［34-36］（c，d，e）（Thegrey shaded areas represent interglacial and warm-humid periods）

4 結果與分析

4.1 χARM/SIRM和L*

如圖4所示，KS16剖面χARM/SIRM與χlf、χfd［15］變化較為一致，峰谷變化整體與地層對應［圖4（a）～（c）］。在2.0～1.0 m，χARM/SIRM值較低，在6.73×10-5～11.6×10-5mA-1之間變化；1.0 m以上地層尤其是0.6 m以上，χARM/SIRM逐漸增大，指示成壤作用增強。KS16剖面L*在53.7～70.5之間變化［圖4（d）］，與磁學指標的變化相似，從0.6 m開始L*值逐漸降低，說明有機質(zhì)含量逐漸增加。

圖4 KS16剖面地層和磁學參數(shù)、亮度變化（年代結果、χlf和χfd來自文獻［17］）Fig.4 Stratigraphy and variation of magnetic parametersand lightnesson KS16 section（The age results，χlf andχfd were modified from Reference［17］）

4.2 δ13Corg和δ15N

如圖5（a）所示，KS16剖面δ13Corg在-25.31‰～-22.68‰之間波動，均值為-23.43‰，表明C3植物占據(jù)主導。下部地層δ13Corg整體波動較小，0.6 m之上的δ13Corg與χARM/SIRM、L*變化一致，越往上部地層越偏負；該剖面δ15N在2.15‰～5.00‰之間變化，均值為4.00‰，整體呈現(xiàn)偏正的變化趨勢。LJW10剖面δ15N在3.63～7.14‰之間變化，均值為5.49‰，下部2.0～1.7 m黃土層δ15N值最低，1.5 m以上地層黃土δ15N逐漸偏正［圖5（b）］。需要指出的是，由于地層下部樣品氮含量特別低，導致儀器無法準確測定土壤δ15N，因此KS16剖面僅測定上部1 m，LJW10剖面測定上部1.7 m。

圖5 KS16和LJW10剖面地層與δ13Corg、δ15N變化（KS16剖面年代來自文獻［17］，LJW10剖面年代來自文獻［18］、δ13Corg來自文獻［11］）Fig.5 Stratigraphy and variations ofδ13Corg andδ15N on KS16 and LJW10 sections（The ages of KS16 are from Reference［17］，the ages andδ13Corg of LJW10 section are from Reference［18］and Reference［11］，respectively）

5 全新世氣候與環(huán)境演化

為了更好地理解新疆天山地區(qū)氣候環(huán)境演變及其與中亞干旱區(qū)和北半球高緯地區(qū)氣候的聯(lián)系，將本研究的結果與周邊區(qū)域及北半球高緯度記錄進行對比討論（圖6）。KS16剖面黃土δ13Corg在-22.5‰～-25.5‰之間變化，盡管植物凋落、腐爛、埋藏過程中會發(fā)生1‰的分餾［37］，剖面δ13Corg記錄仍然表明全新世期間該區(qū)域植被由C3植物主導。根據(jù)δ13Corg與降水量的關系，早全新世時期δ13Corg相對高值指示低降水量，而在中晚全新世逐漸偏負的δ13Corg則指示降水相應增加［圖6（c）］。兩個剖面δ15N記錄都表現(xiàn)為偏正變化趨勢，指示中晚全新世地表生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力增強［圖6（d）～（e）］。結合KS16剖面各指標的變化，早全新世χARM/SIRM、L*、δ13Corg記錄的低濕度表明此時新疆天山地區(qū)氣候相對冷干，有機質(zhì)和植被覆蓋度低、成壤微弱；中晚全新世，χARM/SIRM、L*和δ13Corg記錄的濕度顯著增加，同時δ15N呈現(xiàn)偏正變化［圖6（a）～（d）］，指示相對開放的地表生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，說明該區(qū)域在濕度增加背景下，植被覆蓋增多、有機質(zhì)含量增加、成壤增強。盡管兩個剖面下部地層的δ15N無法測定，但間接反映當時氣候環(huán)境整體干旱，地表植被覆蓋度低，生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力較弱，土壤氮含量較低；中晚全新世，在溫度［38］和濕度［39］增加的背景下［圖6（g）～（h）］，地表植被環(huán)境改善，生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和氮循環(huán)開放程度相應增強，土壤δ15N逐漸偏正變化，這也進一步說明該區(qū)域氣候適宜期出現(xiàn)在晚全新世［40-41］。

新疆天山其他地區(qū)黃土記錄的全新世氣候環(huán)境與本研究的結果較為一致：Duan等［42］基于天山北麓多個黃土剖面及地層年代結果發(fā)現(xiàn)古土壤形成時期主要發(fā)生在晚全新世，基于燒失量反映的碳酸鹽含量及粒度端元模型分離出來的西風組分的變化都指示全新世以來呈現(xiàn)逐漸濕潤的趨勢；陸生蝸?；瘮?shù)量能夠反映植被生態(tài)及蝸牛生存環(huán)境，早全新世的蝸?；瘮?shù)量較低而在晚全新世達到最高值［圖6（f）］，逐漸偏負變化的δ13Corg和顯著增加的燒失量都表明晚全新世濕潤的氣候環(huán)境為蝸牛生長提供適宜的生存環(huán)境和充足的食物來源［30］；Kang等［6］對該區(qū)域多個黃土剖面的磁化率、粒度參數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)中晚全新世有效濕度逐漸增加。此外，多個黃土剖面的各項環(huán)境指標進一步證實新疆天山地區(qū)黃土沉積記錄了中晚全新世濕度環(huán)境的增強［4，19，41］，有利于古土壤發(fā)育、植被覆蓋增加及地表生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的增強。

本研究中黃土沉積記錄的區(qū)域環(huán)境呈現(xiàn)早全新世期間相對干旱，中晚全新世濕度逐漸增加的特征。Chen等［4，43］結合地質(zhì)記錄與數(shù)值模擬，認為早全新世較強的夏季太陽輻射［圖6（j）］，使得溫度升高，加速北半球高緯度地區(qū)剩余冰蓋的撤退與融化［圖6（i）］，大量冰融水進入北大西洋進而抑制表層水汽的蒸發(fā)；而相對較弱的冬季太陽輻射使中-高緯度之間的經(jīng)向溫度梯度減小，降低西風環(huán)流的強度，同時該區(qū)域上風向的水體（地中海、里海和黑海）蒸發(fā)減弱，導致西風環(huán)流攜帶至新疆天山地區(qū)的水汽減少。此外，外部邊界條件（大氣CO2）［46］以及較強的夏季太陽輻射使得該區(qū)域地表蒸發(fā)增強［47］對早全新世干旱環(huán)境也有重要影響。相反，在中晚全新世北半球高緯度冰蓋基本融化的背景下，隨著夏季太陽輻射的減弱和冬季太陽輻射的增強，較強的西風環(huán)流攜帶更多水汽致使該區(qū)域降水增加［43］，為生物、植被生長和土壤發(fā)育提供充足條件，因此這一時期普遍發(fā)育古土壤，地表植被覆蓋增加且生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力增強。

圖6 兩個剖面記錄的全新世氣候環(huán)境（a～d為KS16剖面記錄，e為LJW10剖面記錄）與區(qū)域及北半球記錄對比（f為TLD剖面蝸牛化石總數(shù)［30］，g為新疆區(qū)域濕度集成曲線［38］，h為基于阿爾泰山泥炭α-纖維素δ13C重建的溫度曲線［39］，i為北半球高緯度冰蓋面積變化［44］，j為北半球高緯度太陽輻射［45］）Fig.6 Regional climatic environment during the Holocene recorded by two loess sections（a～d are records from KS16 section，e isfrom LJW10 section）and their comparison with regional and northern hemisphererecords（f is thetotal count fossils from TLD section［30］，g is the synthesis of moisture changes in Xinjiang region［38］，h is the reconstructed temperature variation from the peatα-celluloseδ13Cof Altai Mountains［39］，i is the variation of northern hemisphere high-latitude ice sheets in million km2［44］，j is the northern hemisphere summer insolation［45］）

6 結論

本研究以新疆天山地區(qū)的KS16和LJW10黃土剖面為研究對象，結合常規(guī)指標（χARM/SIRM、L*）和δ13Corg、δ15N記錄對研究區(qū)內(nèi)全新世氣候環(huán)境進行重建。研究結果表明：早全新世，χARM/SIRM、L*與δ13Corg記錄表明成壤較弱，植被覆蓋少，有機質(zhì)含量低，說明該時期呈現(xiàn)相對干旱的氣候環(huán)境；中晚全新世，偏正變化的δ15N指示地表生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力增強，植被覆蓋增多，與χARM/SIRM、L*和δ13Corg記錄的濕度增加近乎同步，反映該區(qū)域處于全新世適宜期。本研究結果與區(qū)域其他黃土剖面記錄的全新世氣候環(huán)境演化相一致，表現(xiàn)為早全新世相對干旱，中晚全新世濕度逐漸增加、地表生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力增強，這種氣候環(huán)境演化特征與北半球高緯冰蓋面積、太陽輻射強度的變化密切相關。

謹以此文，紀念李吉均院士！