摘要
沙漠因其对气候变化的高度敏感性和重要的反馈作用，成为全球变化研究的关键地区。开展沙漠环境重建工作，有助于揭示区域环境对全球变化的响应差异，为我们更好地适应未来气候变化提供科技支撑。但是沙漠地区是环境重建工作的难点区域，由于风蚀强烈，沙漠地区的古环境重建材料相对稀少，尤其是沙漠腹地的古环境重建工作十分薄弱。发掘沙漠地区环境重建的新材料并重建沙漠腹地环境变化历史，有助于进一步推动沙漠环境变化过程及其对全球变化的响应机制研究。 位于中纬度干旱区的阿拉善沙漠，地处亚洲夏季风与西风的交界处，对气候变化响应敏感，是研究不同时间尺度气候变化和环境演变的理想区域。钙质根管是陆生植物根系形成的次生碳酸盐结壳，在阿拉善沙漠腹地具有广泛的分布。由于钙质根管的形成受到土壤水分含量和沙漠中强烈蒸发影响的同时，还会受到植物根系生长和根际微生物活动的控制，使得钙质根管可以有效记录区域古环境和古植被信息。并且，与该地区其他古环境重建材料相比，钙质根管具备测年结果可信度相对较高，在沙漠腹地普遍发育以及环境指示意义相对明确的优势。但是，目前对于阿拉善沙漠丘间洼地发育的钙质根管，仅对其年代学、形成机制、矿物学等进行了研究，并未系统地从中提取古环境信号，用于该地区的古环境重建研究。因此，能否从阿拉善沙漠腹地发育的钙质根管中提取丰富的古环境信号并重建沙漠腹地古环境变化历史，从而揭示该地区特征时期的环境变化和可能的驱动机制，仍有待进一步研究。本研究在明确钙质根管形成年代的基础上，通过测定钙质根管中的元素、正构烷烃以及碳氧同位素等地球化学指标，并提取了钙质根管中的植硅体，重建了该地区全新世古气候和古植被变化，探讨了该地区环境变化模式及其可能的驱动机制。主要得出以下认识： （1）阿拉善沙漠全新世钙质根管的化学元素组成及其含量主要受控于其形成时期的土壤母质中的元素含量以及区域气候变化。其中发生明显迁移和富集的Ca、Mg和Sr三种元素受到气候因素的影响较为明显。根据瑞利分馏模型，元素比值Mg/Ca和Sr/Ca能够用于指示该地区有效湿度变化；而根据Mg和Sr在方解石中分配系数的差异，Mg/Sr比值可用于指示温度的变化。本研究区钙质根管中Mg/Ca和Sr/Ca比值自中全新世至晚全新世逐渐降低指示了该时期有效湿度的降低。同样地，Mg/Sr比值自中全新世至晚全新世的降低指示了该时期温度的降低。 （2）钙质根管中的正构烷烃来源于陆生高等植物根系和根际微生物。来源于高等植物的正构烷烃能够有效区分木本植被和草本植被来源。在本研究中，长链正构烷烃（C＞25）的主峰碳以C27为主，反映了阿拉善沙漠植被在全新世时期以木本植被为主，并且在8.0-2.0calkyrBP阶段，（C27+C29）/（C31+C33）比值升高指示了木本植被生物量的逐渐增加。由于该地区利用孢粉重建古植被存在空间覆盖度不足和代表性存在争议等问题，钙质根管中的正构烷烃数据能够进一步提高该地区重建古植被的可信度。此外，由于短链与长链正构烷烃比值（L/H）变化主要反映了钙质根管中微生物活动强度的高低，进而能够用于指示有效湿度的高低。因此，在8.0-2.0calkyrBP阶段，正构烷烃L/H比值的降低指示了该时期有效湿度逐渐降低。 （3）本研究区钙质根管中几乎未并入原生碳酸盐，并且后期的重结晶作用对于钙质根管内侧碳酸盐层的碳氧同位素的影响可忽略不计，因此，钙质根管内侧碳酸盐层可以被用于该地区的古环境重建。钙质根管中的碳主要来自于C3植物根系呼吸作用产生的CO2与大气CO2的混合，并且钙质根管的δ13C值反映了其来源植被为C3植被，揭示了中晚全新世本研究区均以C3植被为主。钙质根管中的氧同位素来源于夏季降水，由于主要受到“降水量效应”的影响，可以利用钙质根管的氧同位素重建该地区的降水量变化，钙质根管的δ18O值在中全新世偏负，指示了该时期降水量较高；晚全新世δ18O值偏正，则指示了该时期降水量降低。 （4）本研究区钙质根管中的植硅体主要来自钙质根管形成时的地表植被，能够用来定量重建该地区全新世千年尺度降水量变化。利用加权平均偏最小二乘模型（WA-PLS）定量重建的腾格里沙漠千年尺度年降水量如下：在10.0-7.0calkyrBP阶段，年均降水量为138±16-149±18mm；在7.0-5.0calkyrBP阶段，年均降水量为179±26-192±26mm；在5.0-1.0calkyrBP阶段，年均降水量为129±20-161±13mm。上述降水量定量重建结果反映了中国北方季风边缘区早全新世降水较少，中全新世降水逐渐增加并达到最大值（比现代降水多约30%），晚全新世降水逐渐减少的气候变化模式。这一降水变化模式与典型季风区降水变化在早、中全新世呈现“错相位”的关系。 （5）阿拉善沙漠所处的亚洲季风西北缘，全新世千年尺度降水变化主要受到夏季风北界位置变动的影响。在早全新世由于北半球高纬度冰盖的大面积存在造成夏季风北界位置偏南，导致季风边缘区降水较少。而到了中全新世，随着冰盖的融化和海平面的上升，夏季风北界逐渐北移，使得季风边缘区降水达到最大值。根据该地区全新世降水的时空差异，亚洲夏季风北界在中全新世时期至少向西北推进了250km，到达了巴丹吉林沙漠东南部。到了晚全新世，随着北半球夏季太阳辐射的减弱，季风强度减弱，夏季风北界南移，降水减少。 上述研究不仅为沙漠地区古气候与古环境变化研究提供了新的重建材料和研究方向，拓展了干旱沙漠地区古气候和古环境变化的研究领域，而且揭示了干旱沙漠地区对全球气候变化的区域响应差异，为沙漠腹地古气候多源重建和定量重建提供了新的研究视角和研究方法，深化了对高低纬度气候驱动机制的理解。
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