地球环境研究所在中亚黄土、沙漠物质来源与气候变化研究获系列新进展

中亚干旱区作为全球重要的粉尘源区，对区域、全球气候和人类活动产生了深远影响。粉尘的起源、传输和沉积过程，是理解区域及全球气候变化的关键所在。然而，中亚地区地形复杂、黄土和沙漠分布不均，气候多样。尽管前人对中亚东部即我国新疆的沙漠、黄土和气候变迁进行了大量研究，但对中亚四国开展的工作不多，对区域差异性的关注较少，导致对中亚黄土与古气候的认识尚不完整。最近，地球环境研究所黄土与古气候研究团队联合中亚和欧洲等国内外学者，以中亚西风影响区的准噶尔盆地、伊犁盆地、典型西风区乌兹别克斯坦两河流域（锡尔河和阿姆河）及西风与印度季风影响区的塔吉克 - 阿富汗盆地的黄土、沙漠和表土为研究对象（图 1），开展了物源、粉尘活动和古气候研究，在GPC、GRL、Geomorphology等国际重要学术期刊上连续发表了系列成果。这些成果不仅深化了对中亚粉尘活动和气候环境变化的理解，也为全球变化研究提供了重要的数据支持和科学认知。

图1 中亚黄土分布与研究区/剖面位置

在中亚南部，研究团队对塔吉克 - 阿富汗盆地的恰什马尼加尔（CMG）末次冰期黄土剖面进行了粒度和磁学特征分析（图2），揭示了中亚南部粉尘动力学机制。研究表明，塔吉克斯坦的黄土主要由尘暴产生的浮尘和西风携带的细粒风尘构成，其粒度变化主要受沙尘暴活动的频率影响。在排除西风对近地表沙尘活动的影响后，研究人员发现全球冰量的变化能够通过调节里海与兴都库什/帕米尔地区之间的海平面气压差异，进而影响塔吉克斯坦南部的大气粉尘动力学。同时指出冰量变化不仅影响了粉尘活动的频率，还增加了快速气候波动的幅度，进一步证实了大气不稳定性对冰量边界条件的敏感性。研究认为冰量的增加对大气变化幅度影响更大，会造成粉尘活动更加频繁，对大气变化幅度影响更大，但对降水的影响相对较小（Li et al, 2024a, Geomorphology）。这项研究填补了塔吉克斯坦黄土沉积的风成动力学及其与气候系统的物理联系方面的空白，对于理解中亚南部黄土地貌的发展具有重要的科学意义。

图2 塔吉克CMG黄土剖面环境代用指标与冰量指标对比

在中亚西风核心区，研究团队基于乌兹别克斯坦东部锡尔河支流Karasu河河流阶地上的KA黄土剖面的沉积记录，运用光释光定年、粒度分析和微量元素地球化学等多种分析手段，重建了中亚核心区全新世的粉尘活动历史。研究发现，在早至中全新世期间，乌兹别克斯坦的粉尘活动较为强烈，但其暴发频率较低；而在晚全新世，粉尘活动的强度有所降低，但频率却有所升高。这种变化模式与北半球高纬度地区的气候变化记录相吻合（图3），表明中亚的粉尘活动受控于北半球高纬度气候系统。通过对比发现，粉尘活动和北大西洋的冰筏事件在千年尺度上有很好的一致性。研究提出了全新世不同阶段粉尘活动潜在的驱动机制（图4），并预估乌兹别克斯坦东部未来粉尘活动可能会进一步减弱（Song et al., 2024, GPC）。这项研究不仅增进了我们对中亚地区粉尘活动历史的理解，而且为预测未来粉尘变化趋势提供了重要依据，对于理解全球气候变化对区域粉尘循环的影响具有重要的科学意义和实用价值。

图3 乌兹别克斯坦东部全新世沙尘活动和沙尘暴记录与全球记录对比图

图4 乌兹别克斯坦东部早中全新世(a)和晚全新世(b)粉尘活动潜在驱动机制模型图

研究团队还利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA - ICP - MS）方法，对乌兹别克斯坦沙漠、两河流域和西天山等区域的表土样品进行了碎屑锆石 U - Pb 年代学分析（图5）。分析结果显示，克孜勒库姆沙漠的主要物质来源是西南天山，而锡尔河及其支流系统（包括阿姆河和泽拉夫尚河）是这些物质的主要运输通道。由于风力搬运和循环作用较弱，导致克孜勒库姆沙漠的物质成分分布不均匀。此外，研究还发现克孜勒库姆沙漠的沙尘物质能够被风力搬运至天山山麓地区，其搬运和沉积过程主要受到地形因素的影响（Zhang et al, 2024, GRL）。这项研究不仅为理解克孜勒库姆沙漠沙尘物质的起源和运输过程提供了关键证据，而且对揭示区域风成过程和环境变化具有重要意义。

图5 乌兹别克斯坦表土样品碎屑锆石多维标度分析(MDS，a和b）及混合模型结果(c-f)

中亚东北部的伊犁盆地是近年来黄土古气候研究的重点区域之一。研究团队通过对该盆地尼勒克（NLK）末次冰期黄土剖面进行碳酸盐矿物的XRD分析，并利用随机森林回归模型定量获取了碳酸盐及白云石含量（Li et al, 2024b, GPC）。分析结果表明，碳酸盐矿物含量的变化主要受到物源变化的影响，由此通过消除白云石记录中的物源信号建立了一个降水指标，进而揭示了末次冰期的降水变化特征。研究发现，相对于深海氧同位素阶段（MIS）2，MIS 3期间降水量较低（图6A），这可能与地轴倾斜度和岁差驱动的中纬度西风南北迁移和强度变化有关，其中岁差变化起主要作用。通过对比发现，伊犁盆地的千年尺度降水变率与北大西洋涛动（NAO）模式呈正相关，而在中亚南部的塔吉克斯坦地区呈负相关（图6B），这表明西风南北迁移对中亚地区降水变率产生了重要影响。此外，研究团队还利用随机森林回归模型和自回归积分滑动平均模型预估了未来5000至10000年降水呈现波动上升的变化趋势（图7），这一发现为该地区水资源管理和农业适应性调整提供了重要的科学依据，并对该区域气候变化应对策略的制定具有实际指导意义。

图6 伊犁盆地NLK剖面白云石重建末次冰期降水指数与其他指标对比图（A: 轨道尺度、B：千年尺度）

图7 伊犁盆地NLK剖面未来降水预测图

在中亚东北部西风和西伯利亚高压气候系统共同作用区域，研究团队对准噶尔盆地古尔班通古特沙漠、周边表土以及潜在源区进行了采样（图8），并进行地球化学元素的主成分分析。分析结果表明，古尔班通古特沙漠北部和西部的物质分别来源于阿尔泰山和准噶尔山脉，而北天山对该沙漠的贡献相对较小。此外，研究还发现古尔班通古特沙漠并非北天山北麓黄土沉积物（粉砂）的主要物源（图9），这可能和沙漠本身磨蚀产生的粉砂粒级物质不足有关（Li et al, 2024c, GPC）。这些粉砂粒级物质可能主要来源于黄土与沙漠之间的冲洪冲积扇与河湖相沉积物，但仍需要进一步研究来验证。这项研究对于深入理解沙漠物质的起源、运输路径以及风尘循环具有重要的科学意义，为中亚地区粉尘循环及风尘远距离传输的研究提供了新认识。

图8 区域地理位置及采样点图；古尔班通古特沙漠及其潜在物源的微量元素主成分分析；1979-2022年北疆地区地表潜在输沙路径和沙通量

图9 基于主成分分析的古尔班通古特沙漠与北天山北麓黄土元素组成对比

这些研究通过综合运用粒度分析、元素地球化学、碎屑锆石U-Pb定年技术、随机森林回归模型等多种方法，揭示了不同区域粉尘的物源、传输路径和沉积过程，为深入理解中亚地区风成沉积物的形成机制、粉尘活动模式以及它们与全球气候变化之间的联系提供了新证据，为预测未来的粉尘活动和气候变化趋势提供了基础。

上述研究是由中国科学院地球环境研究所牵头，乌兹别克斯坦地质科学大学地质与地球物理研究所、塔吉克斯坦科学院地质、地震工程与地震学研究所、中亚大学、希腊西马其顿大学以及浙江大学、福建师范大学等单位的科研人员共同完成的，李越、张明玉副研究员等为第一作者，宋友桂研究员为通讯作者。本系列研究得到了国家自然科学基金、青藏高原第二次综合考察研究、中国科学院先导专项 B、中科院青促会以及中国科学院国际合作局合作交流计划等多个项目的联合资助，以及黄土与第四纪地质国家重点实验室和中国科学院中亚生态与环境研究中心的支持。

相关论文清单与链接：

Li, Y., Song, Y.*, Li, X., Xie, X., Kaskaoutis, D.G., Aminov, J., Yatimov, S., 2024a. Aeolian dust dynamics in southern Central Asia revealed by the multi-timescale loess records in southern Tajikistan. Geomorphology 467, 109461. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2024.109461 .

Li, Y., Song, Y.*, Xiao, J., Zong, X., Li, Y., 2024b. Precipitation changes during the last glacial period in the Ili Basin, northern Central Asia, as inferred from the records of loess dolomite. Global Planet. Change 242, 104599. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2024.104599.

Li, Y., Song, Y.*, Guo, Y., Liang, P., Chen, X., Xiao, J., Shukurov, S., Li, Y., 2024c. Re-evaluating the origins of sands in the Gurbantunggut Desert and its role as an aeolian dust contributor. Global Planet. Change 239, 104482. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2024.104482.

Song, Y.*, Wei, H., Xie, M., Kang, S., Zong, X., Shukurov, N., Shukurov, S., Li, Y., Li, Y., Zhang, M., 2024. New insights into Holocene dust activity in eastern Uzbekistan. Global Planet. Change 243, 104633. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2024.104633.

Zhang, M., Song, Y.*, Shukurov, S., Zhao, L., Shukurov, N., Zong, X., 2024. Provenance and Fluvial‐Aeolian Process of Kyzylkum Desert: Constrained by Detrital Zircon U–Pb Dating. Geophys. Res. Lett. 51(13), e2024GL108951. https://doi.org/10.1029/2024gl108951