楊 銳，李建勇,2，王寧練,2,3，陳小俊，杜建峰，劉劍波，韓岳婷

（1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127；2.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710127；3.中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101）

西風(fēng)環(huán)流影響顯著的新疆地區(qū)［1］，地處我國(guó)西北干旱區(qū)，因其生態(tài)環(huán)境體系脆弱和自然環(huán)境結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)氣候響應(yīng)敏感，自然而然成為古氣候?qū)W者們探討區(qū)域氣候演化模式的熱點(diǎn)［2］。新疆全新世氣候模式主要兩種觀點(diǎn)，即季風(fēng)模式［3-4］和西風(fēng)模式［5-6］。為進(jìn)一步探討西北地區(qū)（主要是新疆地區(qū)）氣候演變模式，學(xué)者們以湖泊沉積物為研究載體，先后在艾比湖［7］、博斯騰湖［8-11］、瑪納斯湖［4,12-13］、巴里坤湖［14-15］、烏倫古湖［16-20］等區(qū)域開展古氣候古環(huán)境研究工作并取得豐碩成果。

盡管已有相當(dāng)一部分學(xué)者總結(jié)了西北地區(qū)全新世時(shí)期氣候演化模式［21-25］，但依舊存有許多不同觀點(diǎn)，尤其是全新世以來(lái)新疆地區(qū)的水熱組合模式還存在較大分歧。為解決這些分歧，一些學(xué)者就西北地區(qū)氣候演變及其機(jī)制開展相關(guān)研究，并嘗試從不同角度揭示其變化機(jī)制［26-28］，如Wang等［26］認(rèn)為新疆全新世濕度變化可能與北大西洋冬季溫度有關(guān)；Zhang 等［27］的研究表明，北疆全新世中晚期濕度的增加是溫度降低與降水增加共同作用的結(jié)果；而Zhao等［28］則認(rèn)為，中亞地區(qū)8 ka出現(xiàn)的升溫與區(qū)域濕度增加有關(guān)，可能是Laurentide 冰蓋和其他高緯度冰蓋影響大氣環(huán)流所致。這些爭(zhēng)議和差異要求更多來(lái)自新疆地區(qū)的高分辨率氣候記錄，以進(jìn)行更深入的古氣候重建，這將對(duì)理解西風(fēng)區(qū)古氣候環(huán)境演化產(chǎn)生重大意義［1］。

沉積物中元素組合因元素性質(zhì)、沉積環(huán)境不同而千差萬(wàn)別，可用于揭示沉積物物源、控制因素及其沉積環(huán)境，是研究環(huán)境演變的重要替代指標(biāo)之一。干旱條件下的沼澤濕地多發(fā)育于負(fù)地貌中［29］，低洼地勢(shì)有利于化學(xué)元素富集，因此可通過(guò)濕地沉積物化學(xué)元素的時(shí)空分布反映其發(fā)育過(guò)程與區(qū)域環(huán)境演變［30］。目前，利用化學(xué)元素反演古氣候在我國(guó)濕地沉積物中已有相當(dāng)廣泛應(yīng)用［30-34］，充分表明某些特征化學(xué)元素比值有潛力反演濕地古氣候演變過(guò)程。

本文基于新疆溫泉濕地沉積物地球化學(xué)元素比值分析，旨在重建10300 cal a BP以來(lái)中國(guó)新疆地區(qū)的環(huán)境和氣候變化，通過(guò)區(qū)域?qū)Ρ闰?yàn)證新疆地區(qū)水熱組合，促進(jìn)對(duì)西北地區(qū)全新世氣候模式的認(rèn)識(shí)和了解。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)椴査訃?guó)家濕地公園（44°58′～45°12′N，80°53′～81°39′E），位于新疆溫泉縣（圖1）。天山山區(qū)是新疆降水最充沛區(qū)域［46］，西天山的溫泉縣因地形所限，降水較少，屬大陸性中溫帶干旱半干旱氣候，主要受中緯度西風(fēng)環(huán)流控制［47］，四季不分明，冬季漫長(zhǎng)不嚴(yán)寒，夏季短暫不炎熱［48］。博爾塔拉河和鄂托克賽河是縣境內(nèi)兩條主要河流，以降水和冰川融水補(bǔ)給。草原植被主要分布在海拔1200～2400 m 處，山地及山間盆地和谷地降雨量相對(duì)稀少，草原植被覆蓋度低于65%［48］。根據(jù)溫泉?dú)庀笳举Y料，溫泉縣氣溫低，濕度大，蒸發(fā)量小［49］，其多年平均降水量為223.5 mm，最大年降水量為394.3 mm，最小年降水量為77.8 mm，多年年均氣溫為3.7 ℃，多年平均年蒸發(fā)量為1540.3 mm，干旱指數(shù)為3.9［47］。

圖1 新疆地區(qū)沉積物代用指標(biāo)記錄全新世濕度變化Fig.1 Holocene humidity changes recorded by the sediment proxy index in Xinjiang

2 材料和方法

2017 年9 月，使用內(nèi)徑5 cm 的半管泥炭巖芯取樣器從溫泉濕地中心（44°58′N，80°01′E，海拔1300 m）提取長(zhǎng)126.75 cm的沉積序列（WQ-1）［50］，并以0.25～1 cm間距在WQ-1中取樣，分割后樣品裝入已標(biāo)記聚乙烯塑封袋保存，最終得到89 個(gè)樣品（干重1～2 g·樣-1）。頂部至50.25 cm處，因含水量高且泥炭層松散壓實(shí)而未完全恢復(fù)，將以下長(zhǎng)約76.5 cm部分用于本次研究。鉆孔巖芯由上部的棕黑色泥炭（長(zhǎng)34.75 cm）和下部的黑灰色粉土（長(zhǎng)41.75 cm）兩部分組成［50］（圖2a）。8個(gè)樣品用于14C測(cè)年［50］，并基于Bacon 包建立年齡-深度模型［51］（圖2b）。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將89 個(gè)樣品研磨至200 目，然后以105 ℃恒溫烘干，取0.120～0.125 g 樣品硝化，利用美國(guó)電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（Leeman Labs Profile ICPAES）測(cè)定Rb、Ti、Sr、Zr、Mg、Ca 6 種元素濃度，平行分析誤差小于±5%［52-53］。實(shí)驗(yàn)于2019 年5 月，在澳實(shí)礦物實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

圖2 溫泉濕地WQ-1巖芯年代深度模型圖［50］Fig.2 WQ-1 core age depth model of Wenquan wetland［50］

3 結(jié)果與分析

3.1 地球化學(xué)元素比值的環(huán)境指示意義

在表生地球化學(xué)過(guò)程中，Rb弱遷移而殘留于風(fēng)化殼內(nèi)，Sr 易遷移，可隨地表徑流遷移并在低洼匯集。因此，Rb/Sr 比值可用于指示流域化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度，比值越高，反映流域化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度越弱，降雨量減少、氣候相對(duì)干旱［54-55］。升溫條件下Mg更易沉淀，因此在干旱區(qū)，常用沉積物中的Mg/Ca 比值指示冷暖變化［56］，比值較高，氣候相對(duì)干旱，反之亦然［57-58］。沉積物中Zr/Sr 或Ti/Sr 的變化主要取決于Sr的丟失程度［59］，Ti或Zr元素性質(zhì)穩(wěn)定，常賦存于礦物中，屬惰性元素，而Sr易在低洼聚集，使Zr/Sr或Ti/Sr 比值降低。因此，Zr/Sr或Ti/Sr比值可能指示了雨水淋溶程度，即降雨量大?。?0］。降雨量增多、氣候相對(duì)濕潤(rùn)時(shí)，Zr/Sr、Ti/Sr 比值較低，反之亦然［60-61］。水介質(zhì)中Ca2+的碳酸鹽或硫酸鹽溶解度相對(duì)較低，沉淀析出在早期階段，而Sr 的鹽類溶解度相對(duì)較高，一般在Ca2+沉淀之后繼續(xù)濃縮析出，故Sr/Ca比值可以反映氣候變化。Sr/Ca 比值高時(shí)，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候相對(duì)干旱，區(qū)域有效濕度較低；Sr/Ca 比值低時(shí)，蒸發(fā)減弱，氣候相對(duì)濕潤(rùn)，區(qū)域有效濕度較高［62-63］。

3.2 溫泉濕地全新世環(huán)境演變過(guò)程重建

依據(jù)Rb/Sr、Ti/Sr、Mg/Ca、Zr/Sr、Sr/Ca 5種地球化學(xué)元素比值的氣候環(huán)境指示意義及變化特征（圖3），結(jié)合14C 測(cè)年，將WQ-1 巖芯所記錄的全新世以來(lái)古氣候環(huán)境演化劃分為5個(gè)階段：

圖3 溫泉濕地WQ-1巖芯化學(xué)元素比值變化趨勢(shì)Fig.3 Change trend graph of chemical element ratio in WQ-1 core section of Wenquan wetland

（1）第一階段：暖干氣候期（126.75～112.75 cm，10300—7700 cal a BP）

在此期間，5 種元素比值在整個(gè)剖面最高且相對(duì)穩(wěn)定，表明溫泉濕地在該時(shí)期內(nèi)氣溫較高，降雨量較少。這種水熱條件下，流域內(nèi)風(fēng)化強(qiáng)度較弱，Sr、Ca 輸入減少，引起Rb/Sr、Ti/Sr、Zr/Sr 比值升高。同時(shí)，較高氣溫，有利于Mg沉淀，Sr的鹽類溶解度相對(duì)Ca2+較高，故導(dǎo)致Mg/Ca、Sr/Ca比值升高。

（2）第二階段：暖干到溫濕的過(guò)渡期（112.75～109.00 cm，7700—7000 cal a BP）

此期間內(nèi)，5種元素比值快速下降，可能指示了氣溫快速降低，降雨量明顯增加，氣候較上一階段適宜。該時(shí)期水熱條件有利于化學(xué)風(fēng)化的進(jìn)行，流域內(nèi)風(fēng)化強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，水動(dòng)力增大，Sr、Ca匯入量增加，促使Rb/Sr、Ti/Sr、Zr/Sr 比值明顯降低。同時(shí)，由于氣溫降低，Mg 沉淀減少，Sr 相對(duì)Ca 沉淀減少，使得Mg/Ca、Sr/Ca比值降低。

（3）第三階段：溫濕氣候期（109.00～89.25 cm，7000—4200 cal a BP）

該時(shí)期，5種元素比值表現(xiàn)為“兩峰夾一谷”，比值略降，表明氣溫持續(xù)降低，降雨量有所增加，風(fēng)化強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。地表徑流進(jìn)一步增加，促進(jìn)Sr、Ca累積，使得Rb/Sr、Ti/Sr、Zr/Sr比值降低；氣溫持續(xù)降低，導(dǎo)致Mg/Ca、Sr/Ca比值的降低。

（4）第四階段：溫干氣候期（89.25～83.25 cm，4200—2900 cal a BP）

這一時(shí)期，5種元素比值升高，表明研究區(qū)氣溫上升，降雨量減少，風(fēng)化強(qiáng)度減弱，水動(dòng)力減小，Sr、Ca輸入量減少，引起Rb/Sr、Ti/Sr、Zr/Sr比值增大；氣溫的升高導(dǎo)致Mg/Ca、Sr/Ca 比值增大。Ti/Sr、Sr/Ca、Mg/Ca 3種比值在3300 cal a BP前后出現(xiàn)峰值，指示可能存在干旱事件。

（5）第五階段：冷濕氣候期（83.25～50.25 cm，2900—81 cal a BP）

全新世晚期，5 種元素比值持續(xù)降低并達(dá)到最低值，表明溫泉濕地在晚全新世時(shí)期氣溫持續(xù)降低，降雨量持續(xù)增加，風(fēng)化強(qiáng)度逐步增強(qiáng)。降雨的增加，徑流輸入增多，Sr、Ca輸入量增加，導(dǎo)致Rb/Sr、Ti/Sr、Zr/Sr比值逐步降低；氣溫持續(xù)降低引起Mg/Ca、Sr/Ca比值的降低。

3.3 區(qū)域氣候記錄對(duì)比分析

本文基于沉積物化學(xué)元素比值，重建了研究區(qū)全新世以來(lái)氣候演變過(guò)程，揭示了新疆地區(qū)全新世早期溫干、中晚期逐漸濕潤(rùn)的氣候演替類型。這種氣候模式與新疆地區(qū)的其他替代性指標(biāo)所指示的全新世氣候特征具有較高一致性［20,26,35-45,64］。

（1）第 一 階 段（126.75～112.75 cm，10300—7700 cal a BP）

10300—7700 cal a BP 期間，溫泉濕地5 種元素比值反映區(qū)域蒸發(fā)強(qiáng)烈、高溫干旱、有效濕度低等氣候特征在鄰近區(qū)域有跡可循，如烏倫古湖（圖4f）在10000—7000 cal a BP時(shí)期出現(xiàn)明顯湖退［20］，艾比湖［35］（圖4g）和博斯騰湖［41］在早全新世時(shí)期為沼澤或風(fēng)沙沉積，賽里木湖［36］（6000 cal a BP之前）和巴里坤湖［44］（7800 cal a BP之前）A/C值較低（圖4h、k）。

圖4 其他代用指標(biāo)記錄的新疆全新世濕度變化對(duì)比Fig.4 Holocene humidity changes in Xinjiang recorded by other proxy indicators

（2）第 二 階 段（112.75～109.00 cm，7700—7000 cal a BP）

7700—7000 cal a BP期間，溫泉濕地5種元素比值指示區(qū)域有效濕度快速增加，氣溫快速降低，可能是對(duì)8.2 ka 全球冷期氣候事件的響應(yīng)［65］，這在新疆的其他全新世記錄中也有所體現(xiàn)。如8170—7630 cal a BP前后烏倫古湖介形類穩(wěn)定同位素反映的冷濕環(huán)境事件［17］；8250—7900 cal a BP時(shí)期，艾比湖指示的強(qiáng)烈冷濕事件［66］。此外，Gun Nuur 湖［67］、岱海［68］也記錄了氣候由暖干快速向冷濕的轉(zhuǎn)變。由圖4可知，早全新世后，新疆地區(qū)大范圍有效濕度增加，眾多湖泊開始發(fā)育形成［20,35,41］。

（3）第 三 階 段（109.00～89.25 cm，7000—4200 cal a BP）

5 種元素比值反映7000—4200 cal a BP 期間區(qū)域氣候溫濕，這可能是溫泉濕地全新世氣候最適宜期。類似的，賽里木湖6500—3500 cal a BP 期間氣候溫濕［36］（圖4h）；艾比湖［35］、烏倫古湖［20］濕度自7000 cal a BP 以來(lái)漸增（圖4g、f）；巴里坤湖7800—4300 cal a BP 期間A/C 值較高，也指示有效濕度較高［44］（圖4k）。鹿角灣［37］、柴窩堡湖［39］、托勒庫(kù)勒湖［45］（圖4i～j、l）均指示中全新世期間氣候較濕潤(rùn)。

（4）第 四 階 段（89.25～83.25 cm，4200—2900 cal a BP）

然而4200—2900 cal a BP 期間，溫泉濕地5 種元素比值反相變化，在3300 cal a BP時(shí)達(dá)峰值，指示可能出現(xiàn)高溫干旱事件，這可能與敦德冰芯指示的3.0—2.9 ka BP的全新世次高溫事件相關(guān)［69］。同樣，賽里木湖［36］、巴里坤湖［44］的A/C 值分別反映3500—2000 cal a BP 和4300—2300 cal a BP 期間氣候相對(duì)干旱（圖4h、k）；柴窩堡湖泥炭纖維素的δ13C 值在3000—2800 cal a BP 期間突然降低，也表明發(fā)生高溫事件［39］（圖4j）。

（5）第五階段（83.25～50.25 cm，2900—81 cal a BP）

2900 cal a BP 以后，5 種元素比值降低，并達(dá)全新世最低值，反映區(qū)域有效濕度較高，氣溫較低。晚全新世時(shí)期，艾比湖［35］、賽里木湖［36］、巴里坤湖［44］、托勒庫(kù)勒湖［45］的A/C 值增加（圖4g～h、k～l），新疆鹿角灣黃土-古土壤［41］的XARM/SIRM（10-5mA-1）漸增（圖4i），柴窩堡湖δ13C值降低［39］（圖4j），均指示晚全新世氣候濕潤(rùn)；烏倫古湖［20］、瑪納斯湖［42］同樣支持該結(jié)論。

新疆地區(qū)全新世逐漸濕潤(rùn)的趨勢(shì)，也得到氣候模擬數(shù)據(jù)支持。如基爾氣候模型模擬的全新世中亞干旱區(qū)（40°～55°N，70°～97.5°E）年均有效濕度表明，10000—1200 cal a BP期間，濕度波動(dòng)上升［70］（圖4m）。中亞北部平均湖水位、區(qū)域平均蒸發(fā)量和降水量的模擬結(jié)果表明，區(qū)域全新世降水量和平均湖水位均有明顯上升，蒸發(fā)量則小幅下降［71］（圖4n～p）。然而，溫泉濕地的濕度變化與東亞季風(fēng)區(qū)濕度變化在時(shí)間上呈反相位變化。如東亞季風(fēng)邊緣區(qū)濕度重建結(jié)果表明，全新世早期逐漸濕潤(rùn)，中晚期濕度明顯降低［72］（圖4q）。Cheng 等［73］認(rèn)為，暖期夏季太陽(yáng)輻射高時(shí)石筍δ18O 處于低值，可能是亞洲季風(fēng)直接或間接影響所致（圖4r）。

4 討論

有研究認(rèn)為夏季風(fēng)可能在中全新世時(shí)期深入到新疆地區(qū)［74］，而Ran 等［75］整理了新疆地區(qū)幾個(gè)氣候替代性指標(biāo)記錄，結(jié)果表明新疆地區(qū)仍以西風(fēng)模式為主。溫泉濕地5種化學(xué)元素比值表明全新世早期暖干，中晚期逐漸冷濕，這一氣候演變過(guò)程與Wang等［26］、Zhang等［27］的研究相吻合，即類似于西風(fēng)模式，而與典型季風(fēng)氣候區(qū)、東亞季風(fēng)氣候邊緣區(qū)濕度變化異相。此外，沉積環(huán)境在4200—2900 cal a BP時(shí)期出現(xiàn)粉土/泥炭轉(zhuǎn)換，而泥炭形成與累積有賴于穩(wěn)定充足水源補(bǔ)給［76］。這可能是7700 cal a BP以來(lái)氣溫有所回升，高山冰川融水補(bǔ)充水源，促進(jìn)植被生長(zhǎng)，為泥炭層形成累積豐富有機(jī)物，3300 cal a BP前后高溫干旱事件過(guò)后氣候轉(zhuǎn)溫濕，水源補(bǔ)給充足，前期大量生長(zhǎng)植物在淹水條件下，泥炭快速累積。因此，泥炭層的形成也印證了溫泉濕地逐步濕潤(rùn)的趨勢(shì)。

對(duì)新疆全新世氣候變化機(jī)制研究表明氣候濕潤(rùn)變化可能與冬季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和冬季溫度上升有關(guān)［26,75］。由于北半球冬季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度自全新世以來(lái)逐步增強(qiáng)，中、高緯地區(qū)增速差異，造成中高緯地區(qū)早全新世太陽(yáng)輻射梯度增大，進(jìn)而導(dǎo)致溫度梯度增大，西風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)［37,77-78］。同時(shí)，里海、黑海、地中海等地蒸發(fā)量增加，更多水汽進(jìn)入西風(fēng)系統(tǒng)，為新疆地區(qū)帶來(lái)更多水分［35,78］。數(shù)值模擬下冬季西風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)也增加了上游水汽的蒸發(fā)和輸送［79］。因此冬季降雪量增加促進(jìn)天山山系冰進(jìn)，冰川作為天山地區(qū)水資源重要組成部分，在高溫干旱的暖期提供更多冰川融水，使得流域變得更加濕潤(rùn)，有效水分增加［80-82］。

此外，西北干旱區(qū)的有效濕度是降水量、蒸發(fā)量和溫度季節(jié)變化相互作用的結(jié)果［36,70］。早全新世時(shí)期，北半球夏季溫度相對(duì)較高，副熱帶高壓北移，導(dǎo)致西北干旱區(qū)相對(duì)干旱少雨，全新世中晚期，副熱帶高壓帶逐步南移，對(duì)西北干旱區(qū)影響減弱，間接增加區(qū)內(nèi)降水［37,78］。早全新世時(shí)期，北半球較高夏季溫度使高緯地區(qū)更多冰川融水進(jìn)入北大西洋，導(dǎo)致海表溫度降低，蒸發(fā)減弱，西風(fēng)系統(tǒng)水汽較少，使得新疆地區(qū)較干旱；中全新世后，進(jìn)入北大西洋的冰川融水減少，蒸發(fā)加強(qiáng)，更多水汽進(jìn)入西風(fēng)系統(tǒng)使得新疆地區(qū)逐漸濕潤(rùn)［25,78］。同時(shí)，全新世以來(lái)夏季太陽(yáng)輻射降低，新疆地區(qū)蒸發(fā)減弱，有效濕度增加［70］。溫泉濕地全新世氣候變化與鄰近地區(qū)在氣候轉(zhuǎn)濕潤(rùn)時(shí)間及最適氣候期略有差異，但整體變化趨勢(shì)上相似。這種一致性表明，太陽(yáng)輻射是區(qū)域溫度變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，而溫度變化對(duì)區(qū)域濕度變化的影響是顯著的［36］。故溫泉濕地的氣候變化原因與鄰近區(qū)域相似，可能與溫度降低和降水的增加相關(guān)［50］（圖5）。

圖5 西風(fēng)區(qū)濕度變化可能驅(qū)動(dòng)機(jī)制Fig.5 Possible forcing mechanisms of Holocene moisture evolution in the westerly area

5 結(jié)論

（1）溫泉濕地沉積物化學(xué)元素比值變化表明，自10300 cal a BP以來(lái)，新疆地區(qū)氣候環(huán)境經(jīng)歷了暖干（10300—7700 cal a BP）-暖干至溫濕的過(guò)渡期（7700—7000 cal a BP）-溫 濕（7000—4200 cal a BP）-溫干（4200—2900 cal a BP）-冷濕（2900 cal a BP以來(lái)）的變化過(guò)程。

（2）溫泉濕地氣候演變與賽里木湖、艾比湖、烏倫古湖、巴里坤湖等湖泊記錄的氣候環(huán)境變化相吻合，驗(yàn)證了新疆地區(qū)的水熱組合為暖（冷）干（濕）模式，即類似于西風(fēng)模式。

（3）7700—7000 cal a BP時(shí)期指示的降溫事件，可能是8200 cal a BP 全球變冷事件的響應(yīng)；4200—2900 cal a BP時(shí)期指示的升溫事件也可能與敦德冰芯指示的3000—2900 cal a BP的全新世次高溫事件相關(guān)。與鄰近地區(qū)其他替代指標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新疆地區(qū)逐漸濕潤(rùn)趨勢(shì)可能是全新世溫度降低與降水增加共同決定。