中亚则克台黄土剖面记录的末次冰期以来的环境演变

鄂崇毅，杨太保，赖忠平，孙永娟，姜莹莹

（1.青海师范大学 青藏高原自然地理与现代过程青海省重点实验室，西宁810008；2. 中国科学院青海盐湖研究所，西宁810008；3.兰州大学 资源环境学院，兰州730000）

中亚则克台黄土剖面记录的末次冰期以来的环境演变

鄂崇毅1,2，杨太保3，赖忠平2，孙永娟2，姜莹莹1

（1.青海师范大学 青藏高原自然地理与现代过程青海省重点实验室，西宁810008；2. 中国科学院青海盐湖研究所，西宁810008；3.兰州大学 资源环境学院，兰州730000）

选取位于中亚伊犁盆地中东部的则克台（ZKT）黄土剖面作为研究对象，基于13个光释光年代构建了ZKT剖面的年代框架，利用黄土沉积速率、粒度以及总有机碳含量重建了伊犁地区末次冰期以来的环境演变记录。结果表明：（1）伊犁地区末次冰期以来的气候演化阶段可划分为寒冷期（74.5～60 ka）、温湿期（60～30 ka）、寒冷期（30～11.5 ka）以及11.5 ka以来的暖湿期，该气候演化特征与深海氧同位素不同阶段气候特征较为一致；（2）MIS4至MIS1阶段则克台剖面沉积速率呈递减趋势，分别为49 cm·ka−1、32 cm·ka−1、13 cm·ka−1和8 cm·ka−1；（3）ZKT剖面代表的伊利地区环境演变特征可与格陵兰冰芯进行良好对比，北大西洋地区的快速气候波动信号在伊犁地区气候记录相对清晰，在时间上呈同步变化。

伊犁盆地；则克台黄土剖面；末次冰期；环境演变

新疆伊犁地区位于亚洲季风控制的东亚气候系统和西风带控制的欧洲气候系统之间。该区分布着大量的风成黄土，对该区风尘沉积的研究将有助于理解北大西洋地区与东亚季风区气候变化的关系和联系机制。现有研究表明：中亚地区黄土沉积在轨道尺度上与东亚黄土是同步的，与深海氧同位素记录具有一致的对应关系，即在冰期沉积黄土，间冰期发育古土壤（Forster and Heller，1994；Dodonov and Baiguzina，1995；Zhou et al，1995；Ding et al，2002；Bronger，2003；Vandenberghe et al，2006；Feng et al，2011）。然而在亚轨道和千年尺度上，中亚黄土与东亚黄土是否存在一致的相位变化还需进一步的工作。本文利用13个OSL年代结果构建则克台黄土剖面年代框架，计算其不同时段的沉积速率，结合粒度、有机质等指标重建该区末次冰期以来的环境演变序列，并探讨其机制。

1 地理环境及剖面特征

则克台剖面位于新源县则克台镇东1 km处的则克台砖厂，伊犁河支流巩乃斯河北岸冲洪积阶地之上，北靠天山山麓（图1）。剖面坐标为43°32′14″N，83°18′50″E，海拔1001 m，剖面所在新源地区年降水量为479.7 mm，四季降水分布较为平均，年平均气温8.1℃，年平均潜在蒸发量1200 mm左右，1500 m以上高空常年为西风气流控制，近地面风以东风为主。伊犁河广泛的河床物质和下游沙漠为该区黄土堆积提供了广泛的物源，盆地中的黄土平均粒径自东而西由细变粗，随海拔增高由粗变细（叶玮，1998，2001，2003；李传想等，2012）。

则克台剖面植被覆盖度较高，为典型的干草原带，植被以禾本科和蒿属为主，草层高度40 cm左右，覆盖度较高，达70%左右，以藜类为主。剖面出露22 m，大约25 m到底，底部为分选较差的砾石、细沙。

图1 则克台剖面地理位置Fig.1 The location of Zeketai loess section

对本剖面从上至下以2 cm间隔采集粒度样品1125个，使用Mastersize 2000型激光粒度仪完成，前处理采用了较彻底的前处理方法（鹿化煜和安芷生，1997）；另以10 cm间距采集总有机碳样品225个，采用重铬酸钾法进行测定。8 m以上样品在青海师范大学青藏高原自然地理与现代过程省级重点实验室完成，8～22.5 m样品在兰州大学西部环境重点实验室完成。

剖面地层具体特征总结如下：

第一层（0～1 m）为灰色现代土壤层，有机质和碳酸盐富集，该层总有机碳含量平均值高达14.7 g·kg−1，碳酸盐含量为16.4%，平均粒径Ф值为6.09，14.7 μm；

第二层（1～6 m）为浅黄色黄土层，较致密，没有明显的生物活动痕迹，总有机碳含量为2.25 g·kg−1，碳酸盐含量为14.1%，平均粒径Ф值为5.95，16.2 μm；

第三层（6～9 m）为弱发育古土壤层，与第二层相比，颜色无显著差别，呈淡黄色，碳酸盐和有机质含量相对较高，该层总有机碳含量为2.76 g·kg−1，碳酸盐含量为14.5%，平均粒径Ф值为5.96，16.1 μm；

第四层（9～18.5 m）为块状成微黄色的黄土层，没有明显的生物活动痕迹，有机质和碳酸盐含量低于上覆的第三层，该层总有机碳含量为2.03 g·kg−1，碳酸盐含量为13.1%，平均粒径Ф值为5.92，16.5 μm；

第五层（18.5～22.5 m）为致密块状黄土层，碳酸盐含量较高达到15.1%，该层总有机碳含量为2.41 g·kg−1，平均粒径Ф值为6.28，12.9 μm，底层出现晶簇状石膏。

2 年代学结果

对则克台剖面共采集光释光（OSL）样品24个，选取15个OSL样品在中国科学院青海盐湖研究所光释光年代实验室完成测定，具体采用中颗粒石英单片再生法测定（E et al，2012），年代结果表明则克台黄土剖面主要记录了伊犁地区末次冰期以来的环境演变特征。该年代结果与前人在本剖面上获得的年代结果一致（叶玮，2001；史正涛，2005），同时该结果与伊犁盆地其他剖面年代结果也存在很好的一致性（宋友桂和史正涛，2010；宋友桂等，2010a；Song et al，2012；Yang et al，2014）。

根据年代结果和地层关系，剔除了两个出现倒置的年代，并计算其沉积速率（表1）。为了便于同其他环境记录进行对比，利用表1中13个结果，获得则克台地层年代深度曲线（图2），对所有环境指标对应深度年代进行了深度年代线性插值外推计算，ZKT底部22.5 m处年龄为77.03 ka。

表1 则克台剖面年代结果和沉积速率Table 1 dating results and accumulation rate of Zeketai prof le

3 结果

3.1 粒度特征

则克台剖面整体粒度组成以粉砂（4 ～ 63 μm）为主，体积分数介于73% ～ 87%，平均含量80.1%，表层土壤和17.5 m以下粉砂含量最高；粒径＜ 4 μm的粘粒次之，体积分数介于8% ～19%，平均含量12.9%，表层土壤和钙积层粘粒含量最高；砂组分（＞ 63 μm）最少，体积分数介于1% ～13%，平均含量6.99%，表层和钙积层砂含量最少（图3）。前人认为则克台剖面粒径＜10 μm的含量指示西风风力强度（叶玮，2000）。图3中粒径＜10 μm的组分与中值粒径 D(0.5)，＜ 2 μm和＜ 4 μm粘粒组分变化趋势较为一致。粒径＜ 2 μm，＜ 4 μm以及＜10 μm组分在底部钙积层含量最高，表层和弱成壤层次之；中值粒径D (0.5)在钙积层最细，表层和弱成壤层次之。总体趋势上，不同粒度指标与黄土–古土壤地层都能较好地对应。

图2 则克台剖面地层和深度–年代图Fig.2 The stratigraphy and depth-age on the Zeketai section

则克台剖面粘粒组分相对稳定，振幅较小，可能以常态形式存在，为自由高空气流搬运的远源粉尘，主要指示高空西风气流强度变化。此外，伊犁黄土矿物组成、石英颗粒扫描电镜、化学风化指数（CIA）、Na/K比等也证实伊犁黄土化学风化作用微弱，化学风化对粘粒组分的贡献相对较小（叶玮，2001；宋友桂和史正涛，2010；宋友桂等，2010b；李传想和宋友桂，2011，2012；曾蒙秀和宋友桂，2013a，2013b；刘文等，2013；Song et al，2014）。因此，进一步确定伊犁则克台剖面粘粒组分变化主要指示高空西风环流强度。而砂粒（＞63 μm）组分主要受控于近地面风的强度，该组分主要是在强风条件下以跃移和蠕移的形式运移（Ding et al，1999），反映区域尘暴强度和近地面大气环流强度。

图3 则克台剖面环境指标深度曲线（粒度指标为3点平滑曲线）Fig.3 Environmental proxies of the loess from Zhaosu section with the depth

3.2 总有机碳特征

则克台剖面表层0.9 m 以上总有机碳（TOC）平均含量高达17.3 g·kg−1，0.9 m 以下无论黄土层、弱成壤层还是钙积层有机质含量变化均较小，介于1.5 ～ 3.7 g·kg−1，弱成壤层TOC含量略高于黄土层和钙积层。表层0.9 m 以上TOC明显高于下部地层，主要是由于降水淋滤作用导致表层腐殖质被不断淋溶至土层下部，随着深度加深，淋溶作用减弱，TOC含量逐渐减少（图3中虚线为顶部至底部TOC含量，实线为0.9 m以下TOC含量）。0.9 m 以下由于分解作用和矿质化作用，有机质含量显著降低并保持稳定，因此在利用TOC讨论则克台剖面环境演变时，本文只讨论末次冰期至全新世环境演变特征。

黄土剖面有机质含量高低受植被状况控制，植被状况则主要依赖于温度和降水。由于则克台剖面所在新源地区多年平均降水量仅为480 mm，潜在蒸发量在1200 mm以上，降水主要集中在冬春季节，植被生长主要受控于夏季和秋季有效降水。因此，剖面总有机碳（TOC）变化曲线主要反映区域有效降水情况。

3.3 则克台环境演变特征

根据年代学结果、地层沉积速率、粘粒、砂粒组分以及总有机碳含量，可以将则克台环境演变记录划分为4个不同的环境演变阶段，在总体趋势上可以与深海氧同位素（MIS）4阶段以来的气候对应（图4）。

图4 则克台剖面环境演变特征Fig.4 Environmental variations in Zeketai section

（1）74.5～60 ka，冷干期，对应MIS4阶段

该段黄土沉积速率高达49 cm·ka−1，为整个剖面沉积速率最高时段。粘粒含量高频高幅波动下降，指示该段气候极不稳定，冷暖波动频繁，西风环流强度不断增强，至61 ka左右西风环流强度达到最大。砂粒组分呈逐渐增多趋势，指示近地面大气环流强度逐渐增强，尘暴逐渐增多增强。TOC高频高幅震荡降低，指示该段随着太阳辐射降低，气候变冷，源地水汽输送也相应减少（与北半球中高纬海洋面积减少，水汽输送距离增加密切相关），从而导致伊犁地区有效降水减少，尘暴强度较大且发生频繁，植物生产力逐渐减弱，干湿波动频繁，有效湿度总体呈波动降低趋势。

（2）60～30 ka，温湿期，对应MIS3阶段

该段黄土沉积速率较前期略有降低，但仍达32 cm·ka−1。粘粒组分在初期（60～53 ka）高频低幅波动，指示西风环流趋于稳定；砂粒组分呈波动增加趋势，但增幅较小，TOC含量保持稳定且趋于增加，指示此阶段从干冷的气候环境逐步向温湿气候环境过渡。53～30 ka，粘粒组分迅速增多至15%左右，砂粒突然减少至5%左右并保持相对稳定，指示该段西风环流和近地面大气环流强度减弱，总体环境趋向稳定；TOC含量快速增加并明显高于其他时段，指示该阶段植被发育较好、有效湿度较高，特别是53～38 ka为该区末次冰期植被发育最好的时段，伊犁盆地昭苏剖面在此时段，黄土平均粒径最小，砂含量最少，粘粒含量最多，同样指示该段为末次冰期内的气候条件最为适宜时段（李传想等，2011）。

（3）30～11.5 ka，冷干期，对应MIS2阶段

该段黄土沉积速率进一步降低，平均为13 cm·ka−1。粘粒含量在早期（28～24 ka）相对较高，24 ka以后粘粒含量波动频繁，且幅度较大，分别在24 ka，15 ka，12 ka出现3次较为明显的粘粒突然减少事件，指示该段早期西风环流相对稳定，后期西风环流波动频繁，出现3次明显环流增强事件。24 ka左右，砂粒组分达到整个剖面最大值，而TOC含量在26～16 ka出现稳定的低值，说明末次盛冰期，该区环境寒冷干燥、植被稀少、有效湿度极低，强劲的地面风和稀疏的植被明显不利于粉尘的沉积，该段粉尘沉积速率明显降低，可能存在风力侵蚀。16 ka以后，粘粒增加、砂粒减少，TOC含量逐渐增加，说明随着进入末次冰消期，太阳辐射逐渐增强，西风环流强度逐渐减弱，尘暴逐渐减少，植被逐渐好转。但在12 ka左右，粘粒组分突然减少、砂粒组分明显增多，TOC含量降低等特征明显的指示了Younger Dryas冷事件。

（4）11.5 ka以来，暖湿期，对应MIS1阶段

该段黄土沉积速率为末次冰期以来最低时段，仅为8 cm·ka−1，环境记录分辨率较低。粘粒在早全新世含量较高，中全新世6 ka和4 ka分别出现两次粘粒组分突然减少事件，但砂粒组分从全新世早期至晚期呈减少趋势，根据孢粉数据，则克台1.5～0 m乔木花粉绝对孢粉浓度大幅增加，草木花粉中菊科紫菀型、唇形科、豆科、毛茛科和蔷薇科等花粉绝对孢粉浓度大幅增加,碳屑浓度也大幅度提高（Feng et al，2011；黄昌庆，2011），以上均指示全新世时段，该区气候湿润，近地面大气环流强度较弱，尘暴频率显著降低，但高空西风环流强度呈低频高幅震荡，特别是中晚全新世波动幅度较大。

4 讨论

4.1 则克台黄土记录的轨道尺度环境演变特征

则克台剖面记录的粘粒组分、砂粒组分以及TOC变化曲线与65°N夏季太阳辐射变化曲线（Laskar et al，2004）较为密切，存在较为一致的变化趋势（图4，图5）。则克台代表的伊犁地区末次冰期以来环境演变特征可与深海氧同位素不同阶段气候记录对应，可能主要受高纬度夏季太阳辐射控制的全球冰量变化驱动。末次冰期初期随着高纬度夏季太阳辐射减弱时，冰盖逐步扩张，西风带逐渐南移，高空西风环流强度增强，挟持粒径增大，粘粒组分减少；高纬度夏季太阳辐射增强，北极冰盖逐渐退缩，西风带逐渐北移，高空西风环流强度逐渐减弱，挟持粒径减小，粘粒组分逐渐增多，并在下风向大量沉降。古气候模拟及对古气候记录的研究也表明（Kutzbach，1980；Fang et al，2002；Sun et al，2003；张小曳，2001；曾蒙秀和宋友桂，2013b），西风环流强度与温度密切相关，西风带随着轨道尺度（冰期–间冰期）、亚轨道尺度（冰段–间冰段）的气候冷暖交替，其位置和强度也相应发生了变化。冰期和冰段时气温低，极地冰原面积扩张，极地冷高压增强，迫使西风环流增强并向中、低纬度扩展，从而中、低纬度地区的低气压活动增强，西部源区输出的大气粉尘量增加；间冰期和间冰段时，气温高，西风环流减弱，西部源区输出的粉尘量则减少。

从现代水汽来源来看，新疆伊犁地区夏季水汽主要来自北冰洋和大西洋（Dai et al，2007；史玉光和孙照渤，2008）。随着间冰期和间冰段夏季高纬度太阳辐射增强，北冰洋以及大西洋、地中海、里海等西风区沿途水汽蒸发增强，输送至伊犁地区的水汽增多，从而导致伊犁地区夏季降水增多，植被增加，土壤TOC含量增加。现代气候观测也证实，在全球变暖的背景下，西风指数持续加强，降水增加，新疆气候由暖干向暖湿转型（施雅风等，2003；Shi et al，2007）。

4.2 则克台剖面记录的末次冰期气候的不稳定性

末次冰期气候以其不稳定性、突变性以及快速的、大幅度的千年级冷暖变化事件而倍受气候学家关注。深海沉积、极地冰芯以及中国黄土高原均记载了末次冰期以来6次寒冷的Heinrich事件和20次D – O冷暖旋回事件（Heinrich，1988；Bond，1993；Dansgaard，1993；Broecker，1994；Porter and An，1995；Fang et al，1995；叶玮，2000；Blunier and Brook，2001）。那么作为西风区和东亚季风区的过渡地区，伊犁地区的风成黄土中是否也记录了相应的气候事件？

考虑到粘粒组分主要依赖于远源搬运，反映西风环流的强度，因此将粘粒组分减少事件按对应年代依次标记为YD、H1–H6，将粘粒组分增多事件以1～20依次标记。从图5中可看出则克台粘粒曲线与格陵兰GRIP冰芯氧同位素记录具有良好的可比性。粘粒减少事件与氧同位素记录的YD和H事件在表现特征和时间位置上可以进行直接对比(图5)；粘粒记录的H2事件并不明显，但砂组分在H2事件达到整个剖面的最高值（图4）。由此可见北大西洋冰筏事件导致的全球变冷事件在伊犁黄土中也有清晰的记录。冰筏事件导致北大西洋传送带从热带海洋输送的暖湿气流的强度减弱、范围减小，高空西风环流强度增强，亚洲内陆干旱化程度加剧，伊犁地区风成黄土则表现为粘粒减少、砂粒增多和沉积速率增加。

图5 则克台剖面末次冰期以来的粒度序列与格陵兰冰芯氧同位素记录（Dansgaard et al，1993）对比Fig.5 Grain size from the Zeketai section and the comparison with the oxygen isotope records from Greenland ice core（Dansgaard et al, 1993）since the last glacial stage

粘粒组分的减少和增多事件同样可以与格陵兰冰芯氧同位素记录的千年尺度冷暖旋回很好的对应，说明末次冰期以来伊犁地区气候存在千年尺度的变化，与北半球高纬地区气候变化具有一致性。格陵兰冰芯记录的20个暖冰阶对应于则克台剖面粘粒增加阶段，冰阶与间冰阶峰谷分明,波动幅度较为一致，冰阶中暖波动粘粒组分快速回返到与间冰阶相当的程度。相比而言，黄土高原黄土记录的暖冰阶波动幅度较小，这是由于黄土高原在末次冰期主要受控于东亚季风系统，离海洋越近，就越易受到低纬热带海洋影响，来自高纬冰盖的信号就越不明显，从而削弱了D – O旋回在黄土高原黄土记录中的强度。而对于冷事件，北大西洋冰筏事件通过加强西风环流和西伯利亚高压强度，增强了冷事件在黄土高原黄土记录的强度。而伊利地区常年处于西风环流控制下，几乎不受夏季风的影响，北大西洋地区的快速气候波动信号在伊犁地区气候记录相对清晰，在时间上呈同步变化。

5 结论

（1）利用光释光年代结果计算了则克台剖面不同时段沉积速率，结果指示MIS4至MIS1则克台剖面沉积速率呈递减趋势，分别为49 cm·ka−1、32 cm·ka−1、13 cm·ka−1和8 cm·ka−1。

（2）结合黄土粒度变化特征和光释光年代学结果，伊犁地区末次冰期以来的气候演化阶段可划分为（74.5 ～ 60 ka）寒冷期、（60 ～ 30 ka）温湿期、（30 ～ 11.5 ka）寒冷期以及11.5 ka以来的暖湿期，该气候演化特征与深海氧同位素不同阶段气候特征较为一致。

（3）则克台剖面代表的伊利地区环境演变在轨道尺度主要受控于北半球高纬太阳辐射控制下的全球冰量变化，北半球冰盖则控制西风环流的范围和强度。在亚轨道千年尺度伊犁地区环境演变存在不稳定性，与北半球高纬地区气候变化具有一致性和同步性。

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The environmental change records since the Last Glaciation at Zeketai loess section, central Asia

E Chong-yi1,2, YANG Tai-bao3, LAI Zhong-ping2, SUN Yong-juan2, JIANG Ying-ying1
(1. Key Laboratory of Qinghai−Tibetan Plateau Physical Geography and Modern Processes, Qinghai Normal University, Xining 810008, China; 2. Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, China; 3. College of Earth and Environmental Science, Lanzhou University, Lanzhou 73000, China)

Based on 13 OSL (optical stimulated luminescence) dating results, accumulation rate, grain size and TOC (total organic content) in Zeketai loess section in central Asia, an environmental evolution record during the Last Glacial Period was reconstructed. The results indicate that: (1) the climatic change in Ili basin during the last glacial period can be divided into 4 stages, i.e. cold stage (74.5～60 ka), mild moist stage (60～30 ka), cold stage (30～11.5 ka) and warm wet stage (11.5 ka～), and the climatic changing characteristics are consistent with marine oxygen isotope records; (2) since the beginning of Last Glacial Period, the loess accumulation rates presented a decreasing trend and are 49 cm·ka−1in MIS4 stage, 32 cm·ka−1in MIS3 stage, 13 cm·ka−1in MIS2 stage and 8 cm·ka−1, respectively; (3) comparing between ZKT loess environmental records and the oxygen isotope records in GRIP ice core, we found that the signals of rapid climatic f uctuation from north Atlantic region are clearly recorded in ZKT loess records synchronously.

Ili river basin; Zeketai loess section; Last Glacial Period; environmental change

P532

：A

：1674-9901(2014)02-0163-10

10.7515/JEE201402014

2014-02-18

国家自然科学基金项目（41361047）；青海师范大学123高层次人才培养项目

鄂崇毅，E-mail: echongyi@163.com