巴丹吉林沙漠南緣高臺(tái)鹽湖記錄的中晚全新世氣候變化

伏夢(mèng)璇，于世永，吳金甲，陳詩越，侯戰(zhàn)方,4，周瑞文，李政，魏本杰

1.聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，聊城 252000

2.江蘇師范大學(xué)地理測(cè)繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，徐州 221116

3.聊城大學(xué)運(yùn)河學(xué)研究院，聊城 252000

4.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061

全新世氣候變化研究作為過去全球變化（PAGES）關(guān)注的核心內(nèi)容之一，不僅對(duì)深入認(rèn)識(shí)過去百年、千年尺度氣候變化和氣候異常事件規(guī)律和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，而且對(duì)評(píng)估現(xiàn)代氣候變化，預(yù)估未來的氣候變化等都具有重要的科學(xué)價(jià)值[1-2]。全新世是與人類關(guān)系最為密切的一個(gè)地質(zhì)時(shí)期，深入研究其氣候變化過程和機(jī)制對(duì)了解未來全球變暖的趨勢(shì)是科學(xué)界關(guān)注的重要科學(xué)問題之一[3]。在全球變暖的背景下，我國西北地區(qū)沙漠化和生態(tài)系統(tǒng)退化日益嚴(yán)重，已引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-6]。前人研究表明，沙漠化是全球變化直接作用的結(jié)果，并強(qiáng)調(diào)沙漠化與全球氣候變化有直接聯(lián)系[4,7]。

國內(nèi)學(xué)者就全新世期間我國西部地區(qū)干旱化的起始時(shí)間和成因開展了廣泛研究，并取得了諸多成果[8-12]，但仍存在一些爭(zhēng)議。如Yu等[13]認(rèn)為，我國西部地區(qū)的湖泊在6.0 cal.kaBP之后顯著變干，沙漠化嚴(yán)重，并強(qiáng)調(diào)東亞夏季風(fēng)衰退南撤主導(dǎo)了該時(shí)期的干旱；但近年來，陳發(fā)虎等[14-16]研究指出，中晚全新世期間（6.0～1.5 cal.kaBP）我國西部地區(qū)存在高湖面，氣候達(dá)到全新世期間最濕潤期，并強(qiáng)調(diào)亞洲中部受西風(fēng)影響的地區(qū)全新世氣候變化框架與亞洲季風(fēng)區(qū)的變化模式顯著不同，具有近似反相位的變化特征，可能受西風(fēng)環(huán)流和高緯度北大西洋的變化驅(qū)動(dòng)。因此，我國西北地區(qū)的干旱化過程和其驅(qū)動(dòng)機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

我國西北內(nèi)陸干旱區(qū)處于氣候響應(yīng)敏感地帶，基于高分辨率的湖泊沉積物，利用多環(huán)境代用指標(biāo)重建過去的古氣候古環(huán)境具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)深入理解干旱區(qū)氣候變化過程和驅(qū)動(dòng)機(jī)制具有重要意義[14-18]。巴丹吉林沙漠，位于現(xiàn)代東亞夏季風(fēng)的北部邊緣區(qū)和西風(fēng)環(huán)流過渡地帶，對(duì)氣候變化響應(yīng)十分敏感，該地區(qū)高分辨率的湖泊沉積記錄為重建亞洲中部氣候變化歷史提供了極佳材料[19-21]。本文選擇巴丹吉林沙漠南緣的高臺(tái)鹽湖剖面作為研究對(duì)象，通過光釋光（OSL）定年建立年代學(xué)框架，并進(jìn)行高分辨率的碳酸鹽含量、色度等多代用指標(biāo)分析，結(jié)合沉積物粒度端元模擬，探討中晚全新世高臺(tái)鹽湖地區(qū)氣候變化過程，為重建我國西北內(nèi)陸干旱地區(qū)氣候變化歷史、揭示其驅(qū)動(dòng)機(jī)制、闡釋沙漠化過程及全球變化研究提供重要資料。

1 研究區(qū)概況

高 臺(tái) 鹽 湖 （39°43'～39°45'N、99°10'～99°22'E）（圖1）地處黑河中游沖積平原腹地，河西走廊中段，祁連山中段山前凹陷盆地，為黑河流域馬營河與豐樂河的終閭湖。高臺(tái)鹽湖流域內(nèi)河網(wǎng)密度較小，均為季節(jié)性河流，主要靠季節(jié)性降水和地下水補(bǔ)給，雨期常形成短暫性洪水，攜帶流域碎屑物質(zhì)注入湖盆[20]。高臺(tái)鹽湖周圍主要分布白堊紀(jì)的砂巖和礫巖[22]，其沉積物主要由黑河上游和周圍干燥剝蝕山地和戈壁流域碎屑物質(zhì)、大氣粉塵和湖泊自生沉積組成，為重建該區(qū)的氣候變化提供了理想材料[20-21]。高臺(tái)鹽湖處于亞洲夏季風(fēng)的北界，主要受西風(fēng)帶影響，屬北溫帶大陸性氣候，冬季寒冷、干燥，夏季干熱、少雨。年均溫約為7.4 ℃。最高氣溫在7月，為22.7 ℃；最低氣溫在1月，為-10.4 ℃。年平均降水量不足100 mm，主要集中在6-8月份，年蒸發(fā)量高達(dá)2 000 mm[21-22]。

圖1 高臺(tái)鹽湖及采樣點(diǎn)位置Fig.1 Study area and location of the sampling sites in Lake Gaotai

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2011年11 月在高臺(tái)鹽湖北岸（39°46′42″N、99°12′38″E）開挖深度為 357.5 cm 的探槽剖面。對(duì)該剖面黏土層以2 cm、砂層以5 cm為間隔進(jìn)行系統(tǒng)采樣，共獲得136個(gè)散樣，并對(duì)樣品進(jìn)行粒度、碳酸鹽、色度測(cè)試分析；光釋光樣品采用直徑5 cm、長度20 cm的鋼管采集，并用黑色塑料袋密封避免曝光，共采集OSL年代樣品5個(gè)。

從高臺(tái)鹽湖剖面沉積物巖性特征來看，沉積剖面可能包含有淺湖相、濱湖相、深湖相、風(fēng)成沉積，自下而上分為4層（圖2），具體描述如下：

第1層：357.5～285 cm，淺棕色粉砂，質(zhì)地較均一；

第2層：285～85 cm，淺灰色黏土與粉砂互層，黏度較高，具明顯水平層理；

第3層：85～15 cm，深褐色細(xì)砂，具有交錯(cuò)層理；第4層：15～0 cm，淺褐色細(xì)砂，現(xiàn)代沙丘。

2.2 OSL測(cè)年

含水量樣品采集用鋁盒密封包裝，最大程度防止水分蒸發(fā)，之后在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得其濕重和干重。對(duì)采集的5個(gè)光釋光樣品，根據(jù)前人建立的一套完善的前處理方法[23-24]：首先在實(shí)驗(yàn)室弱紅光條件下將不銹鋼管兩端可能曝光的約3 cm的樣品取出，測(cè)量其放射性同位素U、Th、K含量。將中間部分約100 g樣品取出加入到1 000 mL的燒杯中，并加入500 mL的蒸餾水?dāng)嚢杞?2 h。再使用30%的HCl和30%的H2O2分別去除樣品中碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)，并使用蒸餾水洗至中性。然后利用靜水沉降法分離出4～11 μm的細(xì)顆?；旌系V物，加入30%的H2SiF6，在超聲波中浸泡3～5天，去除長石類礦物，提純細(xì)顆粒石英礦物。最后使用酒精將提純石英顆粒放到9.7 mm不銹鋼盤上，以備測(cè)量使用。

細(xì)顆粒石英的釋光信號(hào)和β輻照在美國生產(chǎn)的Daybreak 2200型釋光儀上測(cè)量，其紅光激發(fā)源波長為（880±60）nm 和藍(lán)光激發(fā)源波長為（470±5）nm，激發(fā)溫度為125 ℃。樣品釋光信號(hào)通過EMI 9235QA-光電倍增管并在其前后段附加兩個(gè)3 cm的U-340濾光片（290～370nm）進(jìn)行檢測(cè)。樣品β放射源輻照的再生劑量率和等效劑量測(cè)定采用楊銘等[25]描述的實(shí)驗(yàn)方法。OSL測(cè)年在中國科學(xué)院黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

圖2 高臺(tái)鹽湖剖面巖性及深度、年代關(guān)系Fig.2 Lithology and depth-age relationship of the Lake Gaotai section

2.3 物化指標(biāo)測(cè)試

對(duì)采集的136個(gè)散樣樣品進(jìn)行粒度、碳酸鹽、色度測(cè)試分析。每個(gè)樣品取約0.3～0.5 g，加入濃度為10%的稀鹽酸去除碳酸鹽，再加入30%的H2O2去除有機(jī)質(zhì)，然后加入去離子水洗至中性，之后加入0.05 mol/L的（NaPO3）6離散劑并超聲震蕩。最后使用英國馬爾文儀器公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000激光衍射粒度儀進(jìn)行測(cè)試，重復(fù)測(cè)量誤差≤0.2%。碳酸鹽含量測(cè)試采用氣量法測(cè)定，具體實(shí)驗(yàn)步驟詳見楊波等[26]描述的方法。色度分析采用MINOLTA CM-508i分光光度計(jì)測(cè)定，共測(cè)得a*、b*、L*三個(gè)參數(shù)，其中a*代表紅度，b*代表黃度，L*代表亮度，每個(gè)樣品測(cè)量3次，求平均值來表征每個(gè)顏色參數(shù)的實(shí)際值。樣品處理和測(cè)試均在中國科學(xué)院黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。對(duì)粒度數(shù)據(jù)，采用Yu等[27]開發(fā)的分層貝葉斯模型（BEMMA）進(jìn)行粒度端元分離，以便判別高臺(tái)鹽湖沉積物的來源或傳輸過程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 年代學(xué)框架

高臺(tái)鹽湖剖面不同深度的5個(gè)年代樣品結(jié)果見表1和圖2。從年代結(jié)果來看，高臺(tái)鹽湖剖面年齡覆蓋了中晚全新世，其底界年代約為7.12 ka。除2.86 m處樣品外，其余4個(gè)樣品的年齡符合下老上新的特點(diǎn)。2.86 m處年齡發(fā)生倒轉(zhuǎn)的原因可能是環(huán)境劑量率的改變。已有的研究表明，沉積物中放射性核素的新近吸收會(huì)影響環(huán)境劑量率[28]。環(huán)境劑量率是指埋藏礦物顆粒在一定時(shí)間內(nèi)接受本身及其周圍沉積物中放射性核素40K、238U、232Th的α、β和γ衰變以及宇宙射線產(chǎn)生的放射性劑量。研究表明，含水量、宇宙射線、a值的改變以及氡逃逸等也會(huì)影響環(huán)境劑量率[29-30]，從而產(chǎn)生局部的OSL年代倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。本研究將2.86 m處的OSL年齡作為異常值進(jìn)行剔除[22]。利用Origin8.5軟件對(duì)其他4個(gè)OSL年代數(shù)據(jù)進(jìn)行二項(xiàng)式擬合回歸分析，得到年代深度方程：Y=aX2+bX+c，其中Y代表年齡，X代表深度（圖2）。

3.2 環(huán)境代用指標(biāo)特征

高臺(tái)鹽湖沉積物CaCO3含量為3.00%～15.02%（圖3），平均值為9.68%。CaCO3曲線呈現(xiàn)明顯的階段性變化特征：第 1階段（357.5～285 cm，7.1～5.3 ka），CaCO3含量為5.17%～9.75%，平均值為6.78%，低于剖面的平均值；第 2 階段（285～85 cm，5.3～1.2 ka），CaCO3含量急劇升高并表現(xiàn)快速震蕩的特征，其值為3.00%～15.02%，平均值為10.89%，為剖面最高值；第 3階段（85～15 cm，1.2～0.2 ka），與第 2階段相比，CaCO3含量呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，為4.18%～8.21%，平均值為5.63%，為剖面最低值；第4階段（15～0 cm，0.2 ka～現(xiàn)代），CaCO3含量較第3階段略有升高，平均值為7.02%，但仍低于剖面平均值。

沉積物中色度參數(shù)同樣呈現(xiàn)階段性變化特征（圖3），a*和b*表現(xiàn)出相同的變化特征，而L*呈現(xiàn)反位相的變化：第 1階段（357.5～285 cm，7.1～5.3 ka），a*和b*平均值分別為4.99、16.03，為剖面較高值，L*平均值為63.00，為剖面較低值；第2階段（285～85 cm，5.3～1.2 ka），a*和 b*值呈現(xiàn)快速降低的趨勢(shì)，平均值分別為2.25、13.35，為剖面最低值，L*值的平均值為64.21，為剖面最高值；第3階段（85～15 cm，1.2～0.2 ka），相對(duì)第2 階段，a*和 b*值呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，平均值分別為4.79、15.92，為剖面較高值，而L*值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，平均值為61.19；第4階段（15～0 cm，0.2 ka），a*和 b*值再次升高，平均值分別為6.94、17.72，為剖面最高值，而L*值呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，平均值為55.61，為剖面最低值。

表1 高臺(tái)鹽湖剖面OSL測(cè)年數(shù)據(jù)Table 1 OSL ages of the Gaotai Lake section

圖3 高臺(tái)鹽湖沉積物CaCO3，色度，粒度平均粒徑隨深度的變化Fig.3 Changes in carbonate content,color,and the mean grain size with depth for the Gaotai Lake

將高臺(tái)鹽湖沉積物粒度進(jìn)行端元分離[22]，共分離出3個(gè)端元（End-Member，EM）。各端元粒度分布頻率曲線如圖4所示。除EM1外，EM2、EM3均為單主峰，接近正態(tài)分布。EM1呈非對(duì)稱分布，且分布范圍寬，主峰峰值在40 μm（粗粉砂），次峰在5 μm（細(xì)粉砂），該端元眾數(shù)粒徑均屬于懸移組分[27]；EM2近似對(duì)稱分布，主峰的眾數(shù)粒徑為125 μm（細(xì)砂），在4 μm（黏土）處有1次峰，主體部分為躍移組分，較細(xì)的次峰屬于懸移組分[31-32]；EM3為雙峰分布，主峰在 4 μm（黏土），并在 150 μm（細(xì)砂）左右有1次峰，主體部分為懸移組分，較粗的次峰為躍移組分[31-32]。

圖4 高臺(tái)鹽湖粒度端元分析Fig.4 Grain-size end-member spectra for the Lake Gaotai section

高臺(tái)鹽湖粒度平均粒徑（圖3）和粒度端元（圖5）隨深度變化表現(xiàn)出階段性變化特征：第1階段（357.5～285 cm，7.1～5.3 ka），該時(shí)段沉積物平均粒徑平均值為76.9 μm，為剖面較大值，EM2與EM3組分在剖面中處于較高值，平均值分別為0.43、0.46，而EM1組分平均值為0.11，在剖面中處于較小值；第 2 階段（285～85 cm，5.3～1.2 ka），沉積物平均粒徑快速減小，平均值為18.9 μm，為剖面最小值，EM1組分快速升高，平均值為0.64，達(dá)到剖面的最高值，EM3組分呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，平均值較上一階段有所降低，EM2組分急劇減少，平均值僅為0.04，為剖面最低值；第 3階段（85～15 cm，1.2～0.2 ka），沉積物平均粒徑快速增大，平均值達(dá)到100.2 μm，為剖面較高值，EM2組分快速升高，平均值為0.50，相反EM1、EM3組分均呈下降趨勢(shì)；第4階段（15～0 cm，0.2 ka），沉積物粒徑再次增大，平均值為 154.0 μm，為剖面最大值，EM2組分繼續(xù)升高，達(dá)到0.80，而EM1和EM3組分均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖5 高臺(tái)鹽湖粒度端元隨深度的變化Fig.5 Changes in end members with depth for the Gaotai Lake

4 討論

4.1 環(huán)境代用指標(biāo)的指示意義

4.1.1 碳酸鹽的環(huán)境意義

湖泊沉積碳酸鹽主要由自生碳酸鹽和碎屑碳酸鹽組成，前者為化學(xué)和生物沉積，后者主要為外源輸入。因高臺(tái)鹽湖處于西北內(nèi)陸地區(qū)，且湖水鹽度較高，生物量較少，生物成因碳酸鹽可忽略不計(jì)；外源主要由地表徑流搬運(yùn)的流域內(nèi)化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)生的碎屑碳酸鹽組成[33]。沉積物碳酸鹽主要受流域氣候和湖水量變化影響，同時(shí)要考慮流域的侵蝕環(huán)境和湖泊沉積環(huán)境的影響。在我國西北干旱區(qū)，當(dāng)沉積環(huán)境為淺湖相和風(fēng)成沉積時(shí)，碳酸鹽來源主要以流域碎屑碳酸鹽或遠(yuǎn)源碎屑碳酸鹽為主，碳酸鹽含量較低，反映較干的氣候環(huán)境[34]。但沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樯詈喑练e時(shí)，地表徑流將流域范圍內(nèi)較多的Ca2+攜帶至湖盆內(nèi)，考慮西北內(nèi)陸地區(qū)的蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，造成湖水中Ca2+過飽和，碳酸鹽易發(fā)生化學(xué)沉淀[33]。因此，高臺(tái)鹽湖沉積物中碳酸鹽含量的變化可以用來重建沉積環(huán)境的變化。沉積物中碳酸鹽含量較低，可能對(duì)應(yīng)沉積環(huán)境為淺湖相沉積或風(fēng)成沉積，指示氣候較為干旱；相反，沉積物中碳酸鹽含量較高，反映沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)楹喑练e，指示流域降水增多，氣候濕潤。

4.1.2 色度的環(huán)境意義

色度作為沉積物環(huán)境指標(biāo)中最直觀的特征之一，近年來被廣泛用于古氣候古環(huán)境重建中，并取得諸多成果[35-38]。前人[37-38]對(duì)湖泊沉積物色度研究發(fā)現(xiàn)，色度參數(shù)a*值與沉積物中的Mg含量正相關(guān)，b*值與Fe3+含量正相關(guān)，可以反映湖泊的氧化還原條件與湖泊水位情況。當(dāng)湖面水位較低時(shí)，氧化作用較強(qiáng)，有利于Mg2+和Fe3+形成，a*值與b*值較大，氣候較干旱；反之，當(dāng)湖泊水位較高時(shí)，氧化作用減弱，a*值與b*值較小，氣候濕潤。L*值與沉積物中碳酸鹽呈正相關(guān)，沉積物中的L*值可以直觀反映碳酸鹽含量的變化[37]。

4.1.3 粒度端元的環(huán)境意義

碎屑物質(zhì)在水中主要通過滾動(dòng)、躍移和懸移3種方式進(jìn)行傳輸，并伴隨搬運(yùn)介質(zhì)速率減小，顆粒物依次發(fā)生沉降[39]。EM1組分為雙峰態(tài)，峰值分別為5 和40 μm，都為懸移搬運(yùn)，前人[39]將細(xì)顆粒組分歸因?yàn)楹粗械幕瘜W(xué)沉積，而粗顆粒組分是地表徑流攜帶來的流域侵蝕碎屑物經(jīng)湖水改造作用之后的沉積物[22]。因此，我們將EM1組分歸結(jié)為湖泊內(nèi)生沉積，懸移粒度的含量主要取決于由降水量控制的地表徑流量的大小[39]。因此，EM1組分含量指示了流域氣候干濕的變化，EM1組分含量較高，指示流域降水增多，氣候較濕潤；相反，EM1組分含量較低，指示流域降水較少，氣候較干旱。EM2為雙峰分布，主峰眾數(shù)粒徑為125 μm（極細(xì)砂），次峰眾數(shù)粒徑為4 μm（黏土），分別代表躍移和懸移組分粒徑，躍移和懸移組分粒徑具有較大的差別且不同組分粒度分布范圍幾乎不重疊，反映了淺湖相或?yàn)I湖相沉積物的基本特征[39-40]。EM3為雙峰分布，主峰眾數(shù)粒徑為 4 μm（黏土），次峰為 150 μm（細(xì)砂），分別代表懸移和躍移組分粒徑，分別代表了高空西風(fēng)輸送攜帶的遠(yuǎn)源粉塵沉積以及對(duì)流層湍流擾動(dòng)近地源沉積[41]，反映風(fēng)成沉積過程。

4.1.4 粒度端元與物理指標(biāo)的關(guān)系

沉積物的粒度端元分析結(jié)果表明高臺(tái)鹽湖沉積物來源較為復(fù)雜。因此，各物理指標(biāo)的環(huán)境意義需進(jìn)一步明確。我們將各物理指標(biāo)與粒度端元進(jìn)行相關(guān)性分析（圖6）：EM1與L*呈正相關(guān)，而與a*和b*呈反相關(guān)，EM1組分主要反映流域降水和湖水位環(huán)境指標(biāo)，EM1組分較高，流域降水增多，風(fēng)化侵蝕加強(qiáng)，地表徑流攜帶更多的Ca2+進(jìn)入湖盆，碳酸鹽易于沉積。L*增大，同時(shí)造成湖泊水位上升，沉積物處于還原環(huán)境，a*和b*值減小。EM2與各環(huán)境指標(biāo)無明顯相關(guān)關(guān)系，可能與EM2代表淺湖相或?yàn)I湖相沉積，流域侵蝕較弱，主要為流域碎屑沉積，與氣候指示不明顯相關(guān)；EM3與CaCO3和亮度L*呈反相關(guān)，與a*和b*呈正相關(guān)，EM3與EM1的曲線變化呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)（圖6），可能指示了兩種物質(zhì)來源彼此消長的變化。

圖6 高臺(tái)鹽湖剖面各粒度端元與各物理指標(biāo)的相關(guān)性Fig.6 Relationship between grain-size end members and environmental proxies of the Gaotai Lake

4.2 湖泊演變與古氣候重建

基于建立的年代框架，綜合高臺(tái)鹽湖剖面沉積物平均粒徑、粒度端元、碳酸鹽含量、色度等環(huán)境代用指標(biāo)的變化特征，可以將高臺(tái)鹽湖中晚全新世氣候變化序列劃分為4個(gè)階段（圖3，圖5）：

第1階段（7.1～5.3 ka）：該時(shí)段沉積物巖性為淺棕色細(xì)砂，平均粒徑為剖面的較大值，高于剖面的平均值，主要以EM2和EM3組分為主，EM1組分為剖面較低值，表明沉積物主要由河流沖積攜帶的流域碎屑物質(zhì)和西風(fēng)帶攜帶的細(xì)顆粒以及對(duì)流層湍流擾動(dòng)的近源物質(zhì)組成，為淺湖相或?yàn)I湖相沉積，湖泊水位較低，較粗顆粒物易于到達(dá)采樣點(diǎn)[42-43]；CaCO3含量和L*值均為剖面較小值，反映流域侵蝕較弱，水中Ca2+濃度較低，CaCO3難以沉積，主要以流域碎屑碳酸鹽和遠(yuǎn)距離的黏土碳酸鹽沉積[33]；a*值和b*平均值為剖面較高值，表明沉積環(huán)境為氧化條件[36-37]，沉積物易于暴露在地表，水位較低。以上環(huán)境指標(biāo)均指示了該時(shí)段高臺(tái)鹽湖地區(qū)降水較少，流域侵蝕較弱，氣候相對(duì)干旱。來自巴丹吉林沙漠西部的居延澤和騰格里沙漠西部的潴野澤孢粉記錄也表明，本區(qū)在7.0～5.0 ka期間發(fā)生了明顯的氣候干旱，湖泊干涸[44]。在7.4～6.0 ka期間，蒙古高原南部旗蓋努爾湖的花粉記錄也表明區(qū)域氣候較為干冷，湖泊水位較低[45]。亞洲中部的博斯騰湖巖性和孢粉記錄也指示了8.0～6.0 ka期間的氣候相對(duì)干旱，湖泊水位相對(duì)較淺[46]；博斯騰湖孢粉記錄顯示，該湖在8 ka開始形成現(xiàn)代湖泊，區(qū)域氣候逐漸變濕，但是相比6.0～1.5 ka最濕潤階段，氣候相對(duì)干旱[15]。

第2階段（5.3～1.2 ka）：該時(shí)段沉積物巖性為淺灰色黏土和深灰色粉砂，平均粒徑為剖面最小值，EM1組分急劇上升，達(dá)到了0.64，粒度端元EM2組分為全剖面最低值，指示該時(shí)期高臺(tái)鹽湖沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)楹喑练e，流域來水增多，湖泊水位快速升高，較粗顆粒沉積物不易達(dá)到采樣點(diǎn)[42-43]。CaCO3含量和L*值均為剖面最大值，也表明該時(shí)期降水量增多，流域侵蝕加強(qiáng)，地表徑流攜帶更多的Ca2+進(jìn)入湖盆。研究區(qū)蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量[21-22]，Ca2+易于飽和，CaCO3易于沉淀；a*值和b*值為剖面的最低值，表明沉積環(huán)境處于還原環(huán)境，湖泊水位較高。以上環(huán)境指標(biāo)均指示該時(shí)期高臺(tái)鹽湖水源增多，流域侵蝕較強(qiáng)，氣候濕潤。造成湖泊水位增高的原因可能有兩個(gè)方面：其一，中晚全新世期間大氣降水增多，如天山中段巴音布魯克剖面地層結(jié)果顯示，5.0～1.6 ka期間，古土壤發(fā)育，指示我國西北地區(qū)在該時(shí)段氣候濕潤[47]；內(nèi)蒙古北部的金努爾湖沉積物記錄表明，在約5.6～2.5 ka期間，沉積物中TOC含量明顯增多，指示該時(shí)期氣候明顯轉(zhuǎn)濕[48]；來自內(nèi)蒙古中北部的特爾曼湖孢粉證據(jù)顯示，在4.5～2.5 ka期間，該湖泊水位明顯升高，氣候最濕潤[49]；其二，高臺(tái)鹽湖通過弱水河與高山冰川相連，溫暖的氣候造成周邊高山冰川融水增多，入湖水量增多[50]。

第3階段（1.2～0.2 ka）：該時(shí)段沉積物巖性為深褐色交錯(cuò)層狀細(xì)砂，平均粒徑較第1階段較粗，主要以EM2組分為主，EM1組分快速減少，為全剖面較低值，沉積物物源主要為河流沖積攜帶的流域碎屑物質(zhì)，為河流相或?yàn)I湖相沉積，水位急劇下降，較粗顆粒物易于到達(dá)采樣點(diǎn)[42-43]。CaCO3含量為剖面最低值，L*值為剖面較低值，反映流域侵蝕較弱，水中Ca2+濃度快速降低，CaCO3不易沉積，主要反映流域碎屑碳酸鹽含量[33]；a*值和b*值呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，較第1時(shí)段值更高，表明沉積環(huán)境處于氧化環(huán)境，水位更低，更容易暴露地表。綜合以上環(huán)境指標(biāo)，該時(shí)期氣候發(fā)生轉(zhuǎn)型，流域降水急劇減少，侵蝕較弱，氣候干旱。該時(shí)期氣候轉(zhuǎn)型在西北地區(qū)其他湖泊也有諸多記錄，如陳發(fā)虎等[14]對(duì)亞洲中部的博斯騰湖盤星藻、孢粉A/C比值研究發(fā)現(xiàn)，在1.5 ka以來，湖泊開始萎縮，氣候變干；Tian等[51]對(duì)內(nèi)蒙古南部戈登努爾湖多環(huán)境指標(biāo)分析表明，1.9 ka以來，湖泊開始收縮，氣候開始轉(zhuǎn)干；唐曉宏等[52]通過分析新疆巴里坤湖地球化學(xué)元素指標(biāo)表明，在1.0 ka以后，氣候轉(zhuǎn)為干旱。

第4階段（0.2 ka～）：該時(shí)段沉積物巖性為淺棕色細(xì)砂，平均粒徑為全剖面最大值，EM2組分為剖面最大值，達(dá)到0.8，EM1組分和L*值為剖面最小值，CaCO3含量為剖面較小值，L*值為剖面最小值，a*和b*值達(dá)到剖面最高值。綜合以上環(huán)境指標(biāo)表明，該時(shí)期湖泊處于強(qiáng)氧化環(huán)境，沉積物可能完全暴露地表，流域侵蝕較弱，降水極少，氣候十分干旱，為風(fēng)成沙丘沉積，高臺(tái)鹽湖消亡。陶士臣等[53]通過新疆巴里坤湖孢粉記錄研究表明，在0.53 ka以來，我國西北地區(qū)出現(xiàn)荒漠植被景觀，氣候干旱。近0.1 ka以來新疆伊犁河谷氣候也趨于暖干[54]。

4.3 研究區(qū)環(huán)境變化模式探討

可靠的年代學(xué)是古氣候記錄的基礎(chǔ)，是過去環(huán)境與氣候變化重建的關(guān)鍵，沉積年代測(cè)定有多種方法，加速器14C質(zhì)譜測(cè)年方法（AMS-14C）與OSL測(cè)年是較為常見的兩種測(cè)年方法。然而AMS-14C在西北干旱貧有機(jī)質(zhì)地區(qū)存在較大的測(cè)年誤差，F(xiàn)eng等[55]論述了亞洲干旱區(qū)風(fēng)成地層和湖相地層放射性碳測(cè)年值得注意的一些問題，指出湖相沉積物容易受到生物干擾和植物生長的影響，容易造成測(cè)年的不確定性。例如，青藏高原西部的班公錯(cuò)受湖水大量老碳的輸入影響，存在6 000多年的碳庫效應(yīng)[56]。陳天源等[57]對(duì)巴丹吉林沙漠湖泊沉積物進(jìn)行了14C測(cè)年研究，發(fā)現(xiàn)沙漠中湖泊植物殘?bào)w來源存在很大的不確定性，可能來源于地層較老的植物殘?bào)w再沉積，導(dǎo)致測(cè)年結(jié)果整體偏老。因此，巴丹吉林沙漠附近湖泊沉積物進(jìn)行AMS-14C測(cè)年時(shí)，由于受各種確定性因素影響，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇AMS-14C作為測(cè)年方法。

高臺(tái)鹽湖剖面多代用指標(biāo)記錄（粒度端元、CaCO3、色度）表明，研究區(qū)從中全新世開始由干轉(zhuǎn)向濕潤再轉(zhuǎn)為干旱，在5.3～1.2 ka氣候達(dá)到中全新世以來的最濕潤期，在晚全新世中期（約1.2 ka）開始轉(zhuǎn)干。陳發(fā)虎等[14]對(duì)亞洲中部干旱區(qū)博斯騰湖記錄研究表明，約6.0～1.5 ka期間代用指標(biāo)A/C值指示的流域濕度增加，盤星藻指示湖泊深度最大，為全新世以來的最濕潤時(shí)段，并在1.5 ka之后氣候明顯干旱，與本研究結(jié)果相一致（圖7），反映了中亞內(nèi)陸干旱區(qū)環(huán)境演變的“西風(fēng)模式”[15]。Yu等[22]通過高臺(tái)鹽湖剖面的全有機(jī)質(zhì)AMS-14C測(cè)年和光釋光測(cè)年對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該湖泊剖面的AMS-14C測(cè)年同樣出現(xiàn)多次的年齡倒轉(zhuǎn)，可能存在最大11 000±2 000 a的碳庫效應(yīng)，原因主要來自于外源老碳輸入和湖泊內(nèi)源貧無機(jī)碳經(jīng)光合作用轉(zhuǎn)化的有機(jī)碳，并強(qiáng)調(diào)在西北地區(qū)的鹽湖使用14C測(cè)年應(yīng)充分考慮“碳庫效應(yīng)”的影響，本論文選擇光釋光測(cè)年建立年代序列可有效避免這一問題。

圖7 高臺(tái)鹽湖CaCO3含量 （a） 與EM1 （b）、博斯騰湖濕潤指數(shù)[15]（c）、博斯騰湖孢粉A/C比值[15] （d）、Gun Nuur有機(jī)質(zhì)含量[48] （e）、西風(fēng)模式 （f）、季風(fēng)模式[14] （g） 對(duì)比Fig.7 Comparison of the carbonate content of Gaotai Lake (a) and EM1 (b) with Holocene moisture records from Bosten Lake (c),Pollen A/C index from Bosten Lake (d),organic matter content in Gun Nuur (e),patterns in westerly Central Asian (f)and monsoonal Asia (g)

高臺(tái)鹽湖曲線降水指標(biāo)EM1和湖泊水位指標(biāo)CaCO3曲線與博斯騰湖A/C、濕潤指示及西風(fēng)指數(shù)曲線階段性變化的一致性（圖7），可能表明在中晚全新世之間區(qū)域氣候受到相似氣候系統(tǒng)的控制，具有明顯的“西風(fēng)模式”特征。因此，高臺(tái)鹽湖中晚全新世氣候變化可能受到了西風(fēng)環(huán)流和高緯度大西洋變化的共同驅(qū)動(dòng)。

5 結(jié)論

高臺(tái)鹽湖中晚全新世氣候變化可以劃分為4個(gè)階段：早中全新世期間（7.1～5.3 ka），沉積物物源主要以河流沖積攜帶的流域碎屑物質(zhì)和西風(fēng)帶攜帶的細(xì)顆粒以及對(duì)流層湍流擾動(dòng)的近地源物質(zhì)為主，為淺湖相或湖濱相沉積環(huán)境，氣候相對(duì)干旱；5.3～1.2 ka期間，沉積物物源主要以地表徑流攜帶的近地源物質(zhì)經(jīng)湖水改造沉積為主，流域降水增多，湖泊水位較高，氣候暖濕，為中全新世以來的最濕潤期；1.2～0.2 ka期間，沉積物物源主要以河流沖積攜帶的流域碎屑物質(zhì)為主，為河流相或?yàn)I湖相沉積環(huán)境，湖泊萎縮，水位降低，氣候轉(zhuǎn)為干旱；約0.2 ka以來，湖泊消亡，湖盆廣泛接受風(fēng)沙沉積。

區(qū)域古氣候記錄對(duì)比表明，高臺(tái)鹽湖中晚全新世氣候變化與中亞干旱區(qū)湖泊反映的氣候變化具有一致性；高臺(tái)鹽湖中晚全新世濕潤期可能受西風(fēng)環(huán)流與高緯度北大西洋共同驅(qū)動(dòng)造成，反映了亞洲內(nèi)陸干旱區(qū)氣候環(huán)境演變的“西風(fēng)模式”。

致謝：中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所李祥忠研究員、藍(lán)江湖博士、馮添博士參與了野外采樣，吳旭龍研究員、杜金花博士在光釋光測(cè)試中提供了幫助，謹(jǐn)此感謝！

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