末次冰盛期以来塔里木盆地绿洲演化研究进展与问题

孙爱军， 赵 晖， 刘 冰， 汪克奇,3，晁 倩,3， 史志林， 陈发虎

（1.兰州大学资源环境学院/西部环境教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院西北生态环境资源研究院/沙漠与沙漠化重点实验室，甘肃 兰州 730000；3.中国科学院大学，北京 100049；4.兰州大学敦煌学研究所，甘肃 兰州 730000；5.中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统与资源环境国家重点实验室，北京 100101；6.中国科学院青藏高原研究所古生态与人类适应团队，北京 100101）

绿洲是干旱区和半干旱区荒漠背景条件下，一种具有稳定水源供给的具有较高生产力的非地带性地理和生态景观［1］。中亚干旱区是世界上重要的绿洲分布区和丝绸之路的核心区；穿行于我国河西走廊和新疆地区绿洲之中的丝绸之路是连接东西方文明的纽带［2-3］。长期以来，不同学者对丝路沿线的绿洲分别从沉积特征、年代学、生态学及环境演化等方面开展了大量的研究工作［4-6］。塔里木盆地绿洲是史前东西方文明交汇和文化交流的重要通道，也是历史时期丝绸之路的主要节点，此区域绿洲过去的时空演化深刻地影响了丝路文明的发展进程，绿洲的发育、演化与丝路文明的兴衰休戚相关［2,7］。同时，绿洲也是该区域历史时期和现代人类社会生产及生活的主要场所，是沙漠地区的绿色生命长廊和丝绸之路极其重要的生态屏障，关系到我国“绿色丝绸之路经济带”建设的实现［8］。

绿洲演化是绿洲研究的核心问题，它包含了绿洲范围的扩张和萎缩以及绿洲内部景观的变化，研究绿洲的演化过程有助于正确理解干旱区绿洲化和荒漠化发生、发展机制，从而为巩固扩大绿洲、优化生态环境提供重要的理论支撑［9］。鉴于塔里木盆地绿洲演化的重要性，不同学者已开展了众多研究，主要集中于绿洲的沉积过程和影响绿洲发育的水文过程，认为绿洲的发育过程包括前绿洲沉积阶段和绿洲发育阶段［4］。由于塔里木盆地降水稀少，地表径流的水文过程是控制塔里木盆地绿洲发育的关键因素［10］。研究者发现，在塔里木盆地广泛发育了河湖相沉积，并且有研究认为其属于前绿洲阶段［4］，绿洲沉积多发育在河湖相沉积之上，这一结论也被近期地表过程研究所证实［11］。此外，对河湖相沉积过程和绿洲演化过程进行比对研究，可以更好地理解绿洲演化的过程及其机制［10］。目前，塔里木盆地绿洲演化研究角度主要包括绿洲发育的年龄［10］、绿洲演化过程［4,11］、绿洲演化与气候变化的关系等［12］。本文主要梳理综述了已发表的文献，对塔里木盆地绿洲的主要类型进行总结，依据沉积过程和沉积特征对绿洲沉积物进行分类。同时，按照绿洲和河湖相沉积剖面分布特征，对塔里木盆地末次冰盛期以来绿洲沉积和河湖相沉积时空分布进行划分和总结，对二者发育的年代进行概率密度统计，并与前人研究的古里雅冰芯δ18O记录的温度变化和天山鹿角湾黄土-古土壤序列记录的湿度变化进行对比，尝试探讨塔里木盆地绿洲发育的控制因素。进一步对塔里木盆地不同区域的绿洲发育年代进行讨论，并与塔里木盆地及周边古环境演化记录进行对比，初步探讨了绿洲演化与古环境变化之间的关系。

1 区域概况与研究资料

塔里木盆地（37°～42°N，75°～95°E）位于中国西北干旱区，北部为天山山脉、西部为帕米尔高原、南部为昆仑山山脉。盆地东西长达1400 km，南北最宽距离为520 km，面积约56×104km2，是中国最大的内陆盆地［13］。盆地现今地势由西南向东北倾斜，盆地内部平均海拔900～1000 m，周围高山和高原平均海拔4000～5000 m，盆地地貌格局具有环带分布的特征，由外围向中心依次为山地、丘陵、山前冲积扇、冲积平原、沙漠［14］，在盆地不同区域，环境存在着巨大差异。盆地主体被中国最大的沙漠塔克拉玛干沙漠覆盖（面积33.7×104km2），周围山地发育的河流呈向心状汇入盆地，冲积扇前缘和沿河发育的绿洲镶嵌分布在盆地的周边地带（图1）。在塔克拉玛干沙漠内部的丘间地，广泛分布着河湖相沉积［10-11］。塔里木盆地年平均气温11 ℃，年降水量介于25～40 mm，年潜在蒸发量2100～3400 mm，是我国最干旱的地区之一，属于典型的大陆性气候［13］。

图1 塔里木盆地绿洲沉积剖面和河湖相沉积剖面分布Fig.1 Locations of the oasis and fluvial-lacustrine deposits profiles in Tarim Basin

为了更好地理解塔里木盆地绿洲演化过程，首先应理解绿洲和绿洲沉积的概念及分类。本文整理了6 篇被引超过50 次对塔里木盆地绿洲及绿洲沉积进行定义的文献［1,12,15-18］，3篇对塔里木盆地绿洲进行分类的文献［19-21］，5篇涉及塔里木盆地不同绿洲沉积物划分和分类的成果［11,22-25］。河湖相沉积的出现代表了此区域曾经有地表径流或较长时期的积水，过去研究者将河湖相沉积归类于绿洲沉积或绿洲演化序列中的前绿洲沉积阶段［4］。最近关于塔里木盆地地表过程研究中，表征绿洲沉积的指标体系也指示河湖相沉积属于前绿洲沉积阶段［11］。在本文中，我们仍将河湖相沉积依其原文献归类于绿洲沉积。同时，为了更好地探讨绿洲演化与塔里木盆地水文过程的关系，对河湖相沉积的发育年代进行了单独统计。根据以下2个标准进行筛选：首先，由于28 ka 之前绿洲沉积记录较为零星，本文只统计28 ka 以来的记录以便总结其规律性；其次，记录尽量能涵盖较长时间尺度，有较多的年代控制点，年代可靠。本文梳理了关于塔里木盆地不同区域绿洲演化的24 篇文献，包括绿洲发育年代264 个，其中14C 年代220 个，光释光（OSL）年代32 个，热释光（TL）年代12个；这些绿洲发育年代中包括河湖相沉积年代120 个，其中14C 年代84 个，OSL 年代28 个，TL年代8个。为保持数据一致性，对14C年代进行了日历年代校正，具体情况在表1列出。

表1 记录塔里木盆地末次冰盛期以来绿洲演化过程文献Tab.1 Record documents of the oases evolution process since the Last Glacial Maximum in Tarim Basin

2 研究进展

2.1 塔里木盆地绿洲、绿洲沉积的分类

过去，不同学者从经济学［15］、景观生态学［12,17］和地理学［18,21］等不同学科角度来理解和定义绿洲。其争议点主要在于对绿洲分布范围的划分和绿洲内部有无人类活动2个方面，有观点认为，绿洲是指有一定规模的生命群体居住的与周围环境完全不同的地方，并不局限于干旱区才发育绿洲［1］；也有观点认为，只有人类进行社会经济活动的区域才能称为绿洲［21］。我们认为以下几点是理解干旱区绿洲的关键:首先，绿洲是镶嵌在荒漠区的一种高生产力的特殊地域性景观，绿洲内部可能存在小范围斑块状荒漠［12］；其次，水是绿洲存在的基础，在降水量稀少的干旱区，绿洲需要具有稳定的水源供给；最后，绿洲是一种中小尺度的，分布具有非地带性的地理和生态景观［1］。研究者按照绿洲的形成历史［19］、所在的地貌部位及人类活动的影响程度对塔里木盆地绿洲类型进行了划分［20-21］，在表2列出。

表2 塔里木盆地绿洲划分及主要类型Tab.2 Division and main types of oasis in Tarim Basin

绿洲沉积是指在绿洲生物发育、演化的环境中无机物和有机物在地表和近地表层的沉积或沉淀作用［4］。但是，目前对于塔里木盆地绿洲沉积的划分还未取得统一认识，特别是冲洪积物和河湖相沉积究竟是不是绿洲沉积值得进一步讨论［11］。塔里木盆地独特的地貌和水系格局决定了绿洲呈斑块状沿山前冲积扇和河流分布，加之人类活动的影响，绿洲沉积在时空上具有不连续性。对不同文献记录的塔里木盆地绿洲沉积主要类型进行总结，依据沉积过程和沉积特征的差异进行分类，具体的沉积过程、沉积特征和沉积物类型在表3列出。

表3 塔里木盆地绿洲沉积的主要类型Tab.3 Main types of oasis sediments in Tarim Basin

过去，研究者主要根据沉积相和沉积特征对盆地绿洲沉积进行辨别，但是在剖面中很难区分出具体的绿洲沉积物类型。最近，Liu 等［11］对盆地大范围的表土沉积进行研究，建立了辨别盆地现代绿洲沉积的指标体系，发现相对于沙漠沉积，绿洲沉积粒度较细，土壤养分较高，淋溶系数较低。代表前绿洲沉积阶段的河流沉积物虽有较细的粒度分布（70～90 μm），其全有机碳（TOC）和全氮（TN）含量0.19 g·kg-1和0.24 g·kg-1远低于代表绿洲沉积阶段的湿地TOC含量（0.83 g·kg-1）和TN含量（0.30 g·kg-1）。综合运用这一指标体系可以区分出前绿洲沉积、绿洲沉积和沙漠沉积。后续可将其应用到绿洲沉积序列中，对剖面中的绿洲沉积物和绿洲发育阶段进行划分和研究。

2.2 塔里木盆地绿洲时空演化特征及可能控制因素

通过对前人研究的塔里木盆地绿洲沉积剖面进行梳理，按照剖面分布地域的不同，将图1中绿洲剖面分布位置划分为塔里木盆地南部、塔里木盆地北部、塔里木盆地腹地、罗布泊地区。对不同区域绿洲沉积和其中的河湖相沉积按照分布区域和发育年龄进行总结（图2），发现绿洲沉积的发育在盆地不同区域存在差异性，具体可划分为3个阶段（图2a）：28～16 ka，绿洲沉积记录较少，在罗布泊地区钻孔中可见，在其他区域零星发育；河湖相沉积在塔里木盆地腹地较为发育，在塔里木盆地南部和罗布泊地区发育较为零星。16～6 ka，绿洲和河湖相沉积在塔里木盆地广泛发育，在不同区域都有较多的记录。～6 ka以来，绿洲沉积在塔里木盆地不同区域都广泛发育，而河湖相沉积主要发育于塔里木盆地北部、腹地和罗布泊地区。

为了进一步对绿洲、河湖相沉积发育的规律进行总结，本文对二者发育的年代运用概率密度法进行分析，该方法可以直观表达大量年代数据（包含年代误差）的分布特征［46］，清晰呈现年代数据所指示的地质事件集中发生的时间区间［47］。由于同一考古点中年代往往特别集中，会导致与其他剖面比较时出现偏差；本文对表1文献12和14考古点中年龄相差不超过0.4 ka的年代数据放入同一年代箱中计算其平均值，做为一个年龄数据进行统计，有效地降低了上述影响［48］。最后整理出232个绿洲沉积和其中的120个河湖相沉积发育年代，以0.4 ka为组距进行分组，依据Venkatesan和Ramesh提供的算法在Matlab 程序中进行运算［46］，生成塔里木盆地绿洲（图2b）、河湖相沉积（图2c）发育概率密度曲线。发现绿洲、河湖相沉积发育的概率具有较为一致的变化趋势，即在盆地河湖相沉积发育概率密度高的时期，盆地绿洲沉积发育概率密度也较高。这就说明绿洲沉积与河湖相沉积的发育时间具有较好的一致性，绿洲发育与盆地内部水文过程密切相关。

图2 塔里木盆地绿洲、河湖相沉积年代概率密度及周边山地温度和湿度变化特征Fig.2 Probability density of oasis and fluvial-lacustrine deposits ages and variation characteristics of temperature and humidity around Tarim Basin

过去研究表明，塔里木盆地内部降水量常年不足50 mm，潜在蒸发量达3000 mm［18］，而盆地周围山区降水量为100～400 mm［13］，研究者普遍认为控制塔里木盆地绿洲发育的主要因素是周边山地降水或冰雪融水［29,32,43］。古里雅冰芯δ18O 曲线是反应昆仑山区温度变化的良好记录（图2d）［49］，Chen等［50］对天山鹿角湾黄土-古土壤序列磁学指标反应的全新世湿度变化进行了研究（图2e）。把绿洲沉积发育概率密度曲线与二者进行对比，发现在6 ka之前，绿洲沉积发育概率随着古里雅冰芯δ18O 记录波动变化，即古里雅冰芯δ18O 记录的温度高值阶段，绿洲沉积发育概率也出现了高峰；特别是在20 ka、13 ka、10 ka 和7.5 ka 4个温度较高阶段出现了绿洲沉积发育概率同步增大的情况，这就暗示了在6 ka之前，盆地绿洲发育可能与高原和山区冰雪融水密切相关。在6 ka之后，古里雅冰芯δ18O记录的温度波动降低，天山鹿角湾黄土-古土壤序列磁学指标显示湿度增加，绿洲发育的3 个峰值（5 ka、2 ka 和1 ka）与鹿角湾剖面记录的3 个湿度突然增加的阶段相对应。中晚全新世随着冬、夏季太阳辐射强度的显著增强，中高纬度太阳辐射梯度增加，西风环流持续增强［51］；与此同时，高纬度洋面温度升高使水汽蒸发量增加［52］。较强的西风携带充沛的水汽到达新疆地区，为该地区带来更多的山地降水，而山地降水的增加促进了盆地绿洲发育［53］。因此，中晚全新世控制盆地绿洲发育主要是山地降水。

2.3 塔里木盆地不同区域绿洲演化与环境变化的关系

Shu等［29］通过对克里雅河流域绿洲发育年代的研究，发现塔里木盆地南部30～12 ka 时段较湿润时期与东亚季风增强阶段较为一致。Yang 等［42］通过对塔里木盆地腹地河湖相序列研究表明盆地内部存在明显的干湿变化，积水沉积主要发育于5～2 ka，与西风区湿度变化较为一致［44］。罗布泊地区钻孔资料揭示晚更新世以来，此区域在千年尺度上存在明显的干湿变化［54］。由于塔里木盆地非常广袤，不同区域环境与水文状况存在着巨大差异［13,44］，有必要分区域讨论绿洲演化与气候/环境变化的关系，依据图2 中对塔里木盆地绿洲沉积分布地域的划分，将每个区域绿洲发育的年代进行概率密度统计（图3中绿色曲线），并与盆地及周边分辨率较高的古环境演化记录进行对比，探讨不同区域绿洲演化与古环境变化之间的关系。

分区域来看，塔里木盆地不同区域绿洲发育虽然存在一定差异性，但是在许多细节上具有共同性（图3 阴影）。28～16 ka 期间，塔里木盆地腹地和罗布泊地区出现了绿洲发育高峰期，而在盆地南部和盆地北部绿洲发育都不明显。16 ka左右，罗布泊地区、盆地腹地和盆地北部出现一个绿洲发育期，盆地南部地区绿洲发育不显著。但是，塔里木盆地4个典型区域绿洲在13 ka、7.5 ka、4.5 ka 几乎同时发育，只是在7.5 ka绿洲发育阶段，塔里木盆地北部绿洲发育高峰期出现在8.5 ka。晚全新世（特别是2～1 ka），盆地各区域同时广泛发育绿洲。综合来看，13 ka 以来盆地不同区域绿洲发育的主要时间大体是一致的。通过与塔里木盆地及周边主要的古环境记录对比来看，16 ka 和13 ka 左右绿洲的发育与盆地腹地出现湿润阶段和古里雅冰芯δ18O记录的温度波动升高较一致［44,49］。但13 ka 罗布泊钻孔Al/Ca显示这一时期比较干旱［54］，巴里坤湖相沉积记录的温度较低［55］，说明这2 个时期绿洲的发育可能与山区温度波动升高带来的冰雪融水有关。7.5 ka 和4.5 ka绿洲的发育与罗布泊地区水分指数和巴里坤湖相沉积记录的温度高值阶段对应［55-56］，但7.5 ka古里雅冰芯δ18O 记录的温度较高［49］，绿洲发育可能主要与温度有关；而4.5 ka 鹿角湾剖面磁学指标反应的湿度增加［50］，巴里坤湖相沉积记录的温度也较高［55］，绿洲发育可能与山区湿度的增加和盆地温度升高都有关联。2～1 ka绿洲的发育与天山鹿角湾剖面记录的湿度［50］、盆地腹地湿润阶段和罗布泊湿度高值阶段一致［44,54］，但此阶段郭扎错δ18O记录的冰川融水量降低［57］、绿洲发育可能同时与山区和盆地湿度增加相关。总体来说，塔里木盆地4 个区域绿洲不同时段的发育即有同步性又存在差异性。在4个区域内部，目前高分辨率的环境变化记录较少，并且环境记录之间也存在着不一致性，主要是由于环境记录的载体、代用指标和剖面地理位置不同造成的［44,56］。从区域绿洲发育与环境变化的关系来说，绿洲发育主要响应于湿度还是温度的变化仍不清晰，绿洲发育受控于周围山区还是盆地内部环境变化也有待于进一步研究。

塔里木盆地绿洲是连接河西走廊和中亚地区的重要通道，绿洲演化、人类迁徙和丝路变迁之间具有密切联系［2,58］。根据前文对塔里木盆地绿洲发育年代的总结，结合最新关于盆地遗址14C 测年结果［58］，5 ka左右盆地人类活动开始加强，这与绿洲发育的高峰值相对应，暗示了绿洲发育为人类活动提供了基础。过去对克里雅河主要遗址研究表明，从4 ka 开始，遗址随着克里雅河绿洲的退缩不断南移［59］；对尼雅遗址和罗布泊遗址的研究表明，人类活动与绿洲演化和水文过程密切相关［44,60］。汉代以前大月氏、乌孙、匈奴的西迁和塞人的南下，以及后来西域36 国的发展与消亡无不与绿洲的繁荣和衰退密切关联［61］，2 ka 和1 ka 绿洲发育的2 个高峰期也为丝绸之路的开辟和繁盛提供了基础。

3 主要问题及展望

综上所述，不同学者对塔里木盆地绿洲演化进行了诸多研究，并取得了重要的进展，这为我们认识盆地绿洲演化过程，理解绿洲演化的机制，以及探讨绿洲演化与气候变化的关系提供了重要的资料。但是，随着对亚洲中部干旱区环境演化和丝路文明变迁研究的进一步深入［2,58］，作为丝绸之路的主要通道和节点，塔里木盆地绿洲演化研究显得尤为重要，进一步研究绿洲时空演化特征及其驱动机制，对于认识绿洲演化与“丝路”变迁的关系意义重大。通过对塔里木盆地绿洲演化资料的梳理和总结，目前研究主要存在以下主要问题，在未来的研究中亟待加强。

目前对绿洲定义的理解不断深化和完善［1,15-18］，对塔里木盆地绿洲沉积物的划分还没取得统一的认识，绿洲沉积阶段和绿洲演化阶段对应关系不明确。究其原因，主要是盆地绿洲沉积指标体系还不完善，限制了进一步对绿洲沉积物和沉积阶段的划分和研究。Liu 等［11］通过对盆地大范围不同类型地表沉积物的研究，建立了盆地衡量现代绿洲发育阶段的指标体系，认为粒度、土壤养分、淋溶系数等可以很好地甄别沙漠-绿洲沉积物和反映绿洲演化阶段。后续可将这一指标体系应用到绿洲沉积剖面地层中，对剖面中的绿洲沉积层位和绿洲演化阶段进行划分和研究。

年代学是绿洲演化过程的主要证据，塔里木盆地绿洲演化在时间上是否具有一致性，在空间上是否具有规律性还不清楚，主要原因是盆地绿洲沉积发育的年代框架还不完备。从梳理已发表文献来看，目前对绿洲沉积主要采用14C 测年，但由于适合14C测年的材料只存在于绿洲发育的特定阶段，很难在整个绿洲沉积剖面中建立14C 年代序列［28-29,33］。OSL 测年的主要材料为长石和石英矿物颗粒，在沙漠、绿洲沉积物中广泛存在，近年来OSL 测年技术在干旱区环境演化过程研究中得到了广泛应用，显示出广阔的前景［10,44］。在未来研究中，应该对盆地大范围的不连续绿洲沉积进行OSL 年代测试，结合考古遗址和14C 测年，进行集成研究，构建区域绿洲演化过程和年代框架。

过去，有研究者认为控制盆地绿洲发育的主要因素是山区降水或冰雪融水［53］，但造成盆地水文变化过程的究竟是山区降水还是冰雪融水目前还没有定论。由于盆地内部缺乏高分辨率的研究材料，未来应该对不同区域山区沉积记录加强研究，通过对比盆地内部绿洲演化与周边山区高分辨率的环境记录，能更好地认识区域绿洲演化和环境变化之间的关系，揭示影响盆地不同区域绿洲演化的机制。随着丝绸之路的开辟，人类活动对塔里木盆地绿洲演化过程产生了重大影响，尤其是历史时期大规模的屯垦和水利活动深刻地影响了盆地绿洲分布和演化过程［62］。另一方面，水文过程的改变和绿洲的兴衰又进一步影响了人类活动。因此，未来研究中应该结合历史文献或考古证据，进一步认识人类活动与绿洲演化的互馈机制。

4 结论

通过对研究区已发表文献的梳理，目前对塔里木盆地绿洲的定义和主要类型的划分已比较完善，但是对盆地绿洲沉积物分类还不明确。末次冰盛期以来盆地绿洲在时空演化上存在着差异性，通过把绿洲、河湖相沉积发育年代数据进行概率密度分析，发现绿洲发育与盆地内部水文过程密切关联。把二者的发育概率密度与古里雅冰芯δ18O及区域湿度变化进行对比，发现在不同时段绿洲的发育受控于不同的因素，6 ka 之前可能主要是高原与山区冰雪融水，6 ka 之后可能主要是山地降水。通过对不同区域绿洲发育进行总结，发现不同区域绿洲发育既有一致性也有差异性；通过与不同古环境记录对比，发现各区域绿洲发育与古环境变化的关系比较复杂。在未来研究中，应该进一步完善盆地绿洲沉积序列指标辨别体系；结合多种测年手段对盆地不同区域大范围不连续绿洲沉积记录进行年代测试和集成，构建区域绿洲发育的年代框架。开展盆地周边山地环境记录研究，注重对考古资料和历史文献记录信息的挖掘，进一步辨析绿洲演化与环境变化、人类活动及丝绸之路变迁之间的关系。