殷志強(qiáng)，秦小光，張磊，李康康，彭超

1) 中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京，100081； 2) 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京，100029； 3) 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)地質(zhì)勘查中心，烏魯木齊，830002； 4) 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京，100083

內(nèi)容提要: 全新世氣候變化一直是科學(xué)界關(guān)注的熱點問題，尤其是羅布泊地區(qū)多次大規(guī)模的環(huán)境變化導(dǎo)致小河文明和樓蘭文明等古文明的消失。筆者等通過對葉爾羌河流域的阿克奇河左岸黃土剖面系統(tǒng)采樣和粒度、磁化率及年代學(xué)測試，重建了該地區(qū)5 ka BP以來的古氣候環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上分析了昆侖山北區(qū)黃土沉積記錄的古氣候環(huán)境與塔里木河下游羅布泊地區(qū)小河文明之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示4.5～3.58 ka BP，昆侖山區(qū)次生黃土快速堆積，氣候較濕潤，降水量較多，塔里木河上游水源充足，為下游羅布泊地區(qū)提供了大量水資源，也為小河文明的孕育和初期發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)；3.58 ka BP以后，昆侖山區(qū)的剖面沉積物由次生黃土轉(zhuǎn)為風(fēng)成黃土，顯示氣候開始轉(zhuǎn)向干冷，因降水量減少導(dǎo)致流入到羅布泊地區(qū)的有效水資源逐步減少，羅布泊生態(tài)環(huán)境開始惡化，小河文明開始衰退，直至消失。因此小河文明的孕育與昆侖山區(qū)全新世濕潤期氣候有著非常密切的聯(lián)系。

新疆南疆全新世氣候變化一直是科學(xué)界高度關(guān)注的問題，尤其是羅布泊地區(qū)經(jīng)歷了多次環(huán)境大規(guī)模變化，造成小河文明、樓蘭文化等消失(伊弟利斯等，1998；夏訓(xùn)誠等，2007；王富葆等，2008；呂厚遠(yuǎn)等，2010；Qiu Zhenwei et al.，2014)。南疆地區(qū)的水源主要依靠地表河流和地下水補(bǔ)給，地表河流主要是塔里木河、車爾臣河、孔雀河等流入到羅布泊地區(qū)，而河水又主要源自于昆侖山區(qū)的冰雪融水和大氣降水(圖1)。因此，昆侖山區(qū)河流流域的水文氣候變化會直接影響到羅布泊地區(qū)水資源的豐枯，進(jìn)而影響樓蘭地區(qū)古文明的興衰演化。那么，昆侖山區(qū)在全新世中后期氣候變化特征如何？陳忠等(2007)認(rèn)為柴達(dá)木盆地東部中全新世氣候濕潤穩(wěn)定，之后夏季風(fēng)迅速衰退，氣候向干旱化發(fā)展；劉進(jìn)峰等(2011)通過研究葉爾羌河上游全新世階地，認(rèn)為該地區(qū)的階地沉積形成于距今4.3～7.3 ka，河流快速下切可能與高山快速隆升或第四紀(jì)冰川作用有關(guān)；滕曉華等(2015)認(rèn)為塔里木盆地南緣的氣候在8.5～3.6 ka BP較為濕潤且穩(wěn)定，3.6 ka BP以來氣候急劇變干旱化和不穩(wěn)定性；賈紅娟等(2017)研究發(fā)現(xiàn)羅布泊地區(qū)全新世以來至少經(jīng)歷了4次氣候干濕冷暖的交替和至少6次干旱事件；Qiu Zhenwei等(2014)通過對小河墓地古代植物群落的生物多樣性研究，認(rèn)為在3.4～3.7 ka BP小河墓地的環(huán)境條件和與現(xiàn)在不同，屬于典型的綠洲區(qū)；Zhang Yifei等(2017)通過對小河墓群附近沉積物剖面取樣分析，指出該區(qū)域曾在4.8～3.5 ka BP、2.6～2.1 ka BP和1.2～0.9 ka BP期間有湖泊發(fā)育。

圖1 新疆南疆主要水系分布圖及黃土剖面位置Fig. 1 Distribution map of major river systems in the southern Xinjiang and location of loess profile

黃土的粒度和磁化率記錄了古環(huán)境變化的信息，被用來指示季風(fēng)的強(qiáng)弱和降水量的多少(劉東生，1985)，也能夠反映河流來水量和水動力強(qiáng)度的大小(殷志強(qiáng)等，2009)。位于昆侖山區(qū)的和田—喀什段黃土沉積較厚，為討論該地區(qū)全新世中期的古氣候變化提供了理想的材料。前人在克里雅河上游開展了一些黃土沉積物的研究工作，但在其西邊300 km以外的葉爾羌河流域研究較少，缺乏該區(qū)域5000 a以來的沉積記錄和古氣候資料。本文是筆者2017年在新疆工作期間，通過對位于葉爾羌河流域的阿克奇河左岸上游黃土剖面野外調(diào)查，結(jié)合14C定年和粒度指標(biāo)，探討了昆侖山區(qū)黃土沉積記錄的環(huán)境變化與塔里木河下游的羅布泊地區(qū)小河文明的聯(lián)系。

1 樣品采集與測試

研究剖面(77°18′12″ E，37°5′40″ N，海拔2830 m)位于昆侖山區(qū)的葉城二牧場二連上方5.4 km處的阿克奇河左岸(圖 1)，剖面厚度3.3 m(圖2)，該地區(qū)地表整體為風(fēng)成黃土，其中河谷區(qū)風(fēng)成黃土堆積后有被水流改造的痕跡。研究剖面上部為風(fēng)成黃土，中部為水成的粘土層，下部為風(fēng)成黃土。其中0～120 cm為全新世風(fēng)成黃土，含草根，腐殖質(zhì)含量高，其中48～50 cm含泥層；120～285 cm 為粉質(zhì)粘土(被流水改造后形成的次生黃土)，層理明顯，部分含河流相水平砂層(河谷區(qū)降水增加形成)，反映水動力條件較強(qiáng)；285～330 cm為風(fēng)成黃土。整個剖面按2 cm間隔取樣環(huán)境樣品，共取樣品165個，編號為YC 001～165。

粒度和磁化率測試均是在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所粒度實驗室完成，并選取6 cm、52 cm、100 cm、190 cm和310 cm處全巖樣品送美國Beta實驗室進(jìn)行加速器(AMS)14C年代測定，測試結(jié)果見表1。年齡擬合套用貝葉斯方法(Blaauw et al., 2011, 2018)，通過WinBacon2.2和R統(tǒng)計軟件了構(gòu)建年齡深度模型，底部20 cm由平均沉積速率推斷，5000 a BP以來的剖面年齡擬合曲線見圖3。

圖2 新疆南疆葉城阿克奇河谷黃土—河流沉積剖面Fig. 2 The full loess—river sedimentary profile landscape picture of the Akqi River Valley in Yecheng County, southern Xinjiang

表1 新疆南疆葉城剖面樣品14C測年結(jié)果Table 1 14C dating results of loess profile of Yecheng County, southern Xinjiang

圖3 昆侖山區(qū)阿克奇河左岸黃土—河流沉積剖面照片、粒度特征及年齡曲線Fig. 3 Photographs, grain size distribution characteristics on different depth and age of loess—river sedimentary profile on the left bank of Akeqi River in the north of Kunlun Mountains

2 結(jié)果

2.1 沉積物粒度特征分析

沉積物粒度是沉積環(huán)境及其變化反演的一個重要代用指標(biāo)，通過分析沉積物粒度曲線變化可以判斷動力條件的強(qiáng)弱(秦小光等，2017；殷志強(qiáng)等，2019)。根據(jù)葉城黃土剖面沉積物粒度測試數(shù)據(jù)，繪制出粒度概率累積曲線圖(圖3)。由圖可見，剖面頂部0～120 cm段的粒度組分主要由3個組分組成，優(yōu)勢粒徑集中在70 μm左右，以單峰模式為基本特征(圖3a)，為風(fēng)成沉積的粗懸浮組分，與我國西北地區(qū)的黃土粒度分布特征一致(殷志強(qiáng)等，2009)，結(jié)合該段無層理結(jié)構(gòu)、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)明顯、發(fā)育鈣結(jié)核和白色假菌絲體的特點，可以確認(rèn)這部分地層是階地形成后堆積形成的風(fēng)成黃土；剖面中部120～285 cm段的粒度分布曲線呈現(xiàn)出雙峰模式，優(yōu)勢粒徑主要集中在50～90 μm(圖3b)，反映有一定的水動力強(qiáng)度，結(jié)合該段剖面的層理結(jié)構(gòu)，可推斷其為經(jīng)流水作用改造的黃土，屬于次生黃土類型；剖面底部285～330 cm段與頂部0～120 cm段曲線形態(tài)類似，亦以單峰模式為主要特征(圖3c)，可能為推斷為風(fēng)成黃土。

圖4 新疆南疆葉城阿克奇河谷黃土—河流沉積剖面不同沉積深度粒度、磁化率與年齡曲線特征Fig. 4 Grain size, magnetic susceptibility and ages distribution characteristics on different depth of loess—river sedimentary profile of the Akqi River Valley in Yecheng County, southern Xinjiang

2.2 沉積物磁化率指示的環(huán)境變化

黃土—古土壤磁化率具有良好的地層學(xué)指示意義，是反映降水量或夏季風(fēng)強(qiáng)度的替代性指標(biāo)(秦小光等，2017)，同時也是研究古氣候和古環(huán)境演化的重要手段。通常在暖濕環(huán)境下，黃土物質(zhì)的成壤過程中鐵氧化物含量增加，致使磁化率值升高；反之，在冷干環(huán)境下黃土沉積物的磁化率值降低。

根據(jù)葉城黃土剖面沉積物磁化率測試數(shù)據(jù)，繪制出磁化率變化曲線圖，剖面從底部到頂部大致可劃分為3個不同的階段:

第Ⅰ階段(330～240 cm)，該階段磁化率曲線呈現(xiàn)出波動中逐漸下降的趨勢，且波動的幅度相對較小，反映出該階段氣候從暖濕逐步轉(zhuǎn)為干冷；

第Ⅱ階段(240～105 cm)，該階段磁化率曲線波動頻繁、周期短，且在深度150 cm處曲線快速升高至極大值，反映出該階段的氣候冷暖干濕更迭頻繁且可能有極端氣候事件出現(xiàn)，總體氣候較為暖濕；

第Ⅲ階段(105～0 cm)，該階段磁化率曲線波動較小且沒有明顯的周期性，但在深度48cm的泥層處曲線快速降低至極小值，反映出該階段氣候總體較為穩(wěn)定，氣候趨于干冷。

3 討論

小河文化主要分布于塔里木盆地中東部地區(qū)，存續(xù)時間約為4.1～3.3 ka BP (Li Kangkang et al., 2021)?，F(xiàn)已有學(xué)者從考古學(xué)、生物學(xué)等方面對小河文化的興衰與氣候的關(guān)系進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明小河文化的興起、繁榮和衰落均與該地區(qū)的氣候環(huán)境變化有關(guān)(Qiu Zhenwei et al., 2014，Zhang Yifei et al., 2017，Zhang Guilin et al., 2017)。筆者通過該剖面的粒度和磁化率研究發(fā)現(xiàn)，指標(biāo)以粒度控制為主，因此筆者主要用粒度分布來討論氣候變化特征以及探討小河文化的興衰與氣候環(huán)境變化之間的關(guān)系。

由圖4可見，在4.5～3.58 ka BP階段該剖面所處的河谷區(qū)次生黃土快速堆積，次生黃土主要是由降雨和地表水從昆侖山區(qū)沖刷搬運堆積形成，這說明這一時期的昆侖山區(qū)有豐富的降水或冰雪融水；此外，沉積物中值粒徑曲線波動明顯且分布在15～60 μm，平均中值粒徑為38.7 μm，細(xì)粒組分明顯增多，磁化率曲線呈現(xiàn)出上升的趨勢，也證明了該階段昆侖山區(qū)氣候較為濕潤。由于羅布泊地區(qū)水源的主要來自于塔里木河、車爾臣河等河流補(bǔ)給(圖1)，而這些河流的上游來水均依靠昆侖山區(qū)的冰雪融水和大氣降水，剖面反映的昆侖山區(qū)的豐富降水時期與塔里木河下游的樓蘭小河文明是同一個時期，因此，上游濕潤的氣候和豐富的降水為下游的羅布泊地區(qū)提供了大量水資源，改善了羅布泊的生態(tài)環(huán)境，逐步發(fā)展為綠洲環(huán)境，到4.1 ka BP左右，綠洲增多適宜人類居住，從而出現(xiàn)了小河文化。可見，羅布泊地區(qū)小河文化出現(xiàn)在昆侖山北區(qū)降水增多的后期階段，該階段豐富的水資源支撐了小河文化近900 a的發(fā)展延續(xù)。

3.58 ka BP以后，剖面沉積物由次生黃土轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)成黃土，說明昆侖山區(qū)由濕潤氣候逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊禋夂?，降水量開始減少；此外，中值粒徑值逐漸增大，平均中值粒徑為45.96 μm，粗粒組分開始增多，磁化率曲線也呈下降趨勢，同樣證明了該階段昆侖山區(qū)開始進(jìn)入冷干氣候環(huán)境。昆侖山區(qū)降水的減少，由于沒有了水源補(bǔ)給，導(dǎo)致塔里木里河的水量也相應(yīng)減少，最終流入到羅布泊地區(qū)的有效水資源逐步減少，生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，小河文明開始衰落，直至3.3 ka BP最終消失。由此，可以推測昆侖山區(qū)降水量的多寡可能直接影響了羅布泊地區(qū)小河文化的繁盛與衰落。

4 結(jié)論

在對昆侖山區(qū)葉城黃土剖面古氣候反演基礎(chǔ)上，研究了氣候變化與塔里木下游小河文明的響應(yīng)關(guān)系，取得的主要認(rèn)識如下：

(1)4.5～3.58 ka BP時期，昆侖山區(qū)次生黃土快速堆積，氣候較濕潤，塔里木河上游的來水量較大，為下游羅布泊地區(qū)提供了大量水資源，也為小河文明的孕育和初期發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

(2)3.58 ka BP以后，昆侖山區(qū)沉積物由次生黃土轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)成黃土，氣候開始轉(zhuǎn)向干冷，降水量的減少導(dǎo)致流入到羅布泊地區(qū)的有效水資源逐步減少，由于沒有了水源補(bǔ)給，羅布泊地區(qū)生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，可能造成小河文明逐漸衰亡和消失。

(3)樓蘭小河文明孕育與昆侖山區(qū)的降水有著非常密切的聯(lián)系，羅布泊地區(qū)小河文化位于昆侖山北區(qū)降水增多的后期階段，豐富的水資源支撐了小河文化數(shù)百年的發(fā)展延續(xù)。