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天山仙女湖沉积物记录的晚全新世极端沙尘事件及其驱动机制研究

第一作者与机构
该研究由兰州大学资源环境学院、西部环境教育部重点实验室的Min Zheng（郑敏）与Xiaozhong Huang（黄小忠）教授团队主导，合作单位包括云南师范大学地理学部、北京大学城市与环境学院、四川师范大学地理科学学院等。研究成果发表于Quaternary Science Reviews期刊（2025年卷368期，文章编号109568）。

学术背景
中亚干旱区是全球第二大沙尘源区，贡献了约40%的全球沙尘排放量。沙尘活动对地表系统变化高度敏感，并通过影响辐射平衡和生物地球化学循环调控全球气候动态。然而，过去对晚全新世（Late Holocene）百年尺度沙尘变率及其驱动机制的认识受限于高分辨率记录的缺乏。本研究以中亚天山地区仙女湖（Xiannv Lake）的沉积物为核心载体，通过多指标分析重建了约2600年以来的沙尘活动历史，旨在：（1）揭示区域沙尘活动的百年尺度特征；（2）解析沙尘事件的驱动因素；（3）评估极端干旱与沙尘事件对历史时期人类社会的影响。

研究方法与流程
1. 样品采集与年代框架构建
- 研究团队于2020年10月在天山伊犁河谷上游的仙女湖（海拔2440米）钻取3.71米长的沉积岩芯（XN20D），采样点位于湖心最深处（水深12.7米）。
- 采用改进活塞取样器（piston corer）获取未扰动的连续沉积序列，通过放射性碳测年（AMS 14C）建立高精度年代模型（Qiu, 2024; Chen et al., 2025），分辨率达40年。

1. 多指标实验分析

   • XRF元素扫描：使用Avaatech XRF岩芯扫描仪以1毫米分辨率测定19种元素（如Ti、Al、Ca、Sr等）的相对含量（计数率cps），区分陆源输入与自生沉积组分。
     
   • 粒度分析：对369个样品进行激光粒度仪测试，重点关注4–63 μm的粉砂组分（silt content），其峰值反映风力搬运的沙尘输入。
     
   • 花粉组合：对117个样品进行高分辨率花粉分析（平均分辨率40年），统计>500粒陆生花粉/样品，计算蒿属/藜科比值（A/C ratio）作为低海拔干旱区湿度指标，并排除Artemisia和Chenopodiaceae以重建高海拔植被动态。

2. 现代过程对比

   • 采集仙女湖周边4个表土花粉样品，结合已发表的161个伊犁河谷表土花粉数据，建立花粉-植被-气候的现代关系模型，验证长距离沙尘传输对湖泊花粉组合的影响。

3. 数据整合与驱动机制解析

   • 将Ti峰值、粒度参数、花粉浓度及A/C比值等指标耦合，识别沙尘事件；
     
   • 对比西伯利亚高压（Siberian High, SH）、北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation, NAO）等大气环流指标，分析气候动力学的驱动作用；
     
   • 结合历史文献与考古证据（如楼兰王国衰亡时间），探讨环境压力与社会脆弱性的关联。

主要结果
1. 沙尘事件序列
沉积记录显示7次显著的沙尘事件，分别发生于约2.6 ka、1.75 ka、1.6 ka、1.1 ka、0.9 ka、0.4 ka和0.25 ka。其中：
- Ti含量峰值（如1.75 ka时增加35%）与粉砂组分增加（均值从5.15 μm升至7.2 μm）、花粉浓度降低（最低2.1×10^4粒/克）同步出现，指示低海拔沙漠源的沙尘输入；
- A/C比值骤降（如1.75 ka时从2.5降至1.2）反映同期干旱加剧，植被退化加剧沙尘释放。

1. 驱动机制

   • 西伯利亚高压主导：沙尘事件与SH强化期（如格林兰冰芯非海盐K+峰值）高度吻合，冷空气入侵增强地表风蚀；
     
   • NAO调制作用：太阳辐射增强（如2.6 ka的TSI峰值）与北大西洋海温（AMV正相位）通过削弱NAO，导致乌拉尔阻塞高压发展，促进沙尘向伊犁河谷的南北向传输。

2. 1.75 ka极端事件与楼兰衰亡

   • 区域对比显示，该事件在博斯腾湖（Bosten Lake）表现为硅藻群落向咸水种演替，罗布泊（Lop Nur）湖面急剧萎缩；
     
   • 历史文献与考古定年（如汉代木简记载的粮食短缺）表明，楼兰王国（约公元前500–公元400年）在200–250 CE期间因持续干旱导致的农业崩溃而衰落，与仙女湖记录的沙尘-干旱事件存在150年时间偏差（可能源于碳库效应校正误差）。

结论与价值
1. 科学意义
- 首次提供天山地区晚全新世高分辨率沙尘序列，证实百年尺度沙尘活动主要受控于大气环流（SH/NAO）而非单纯干旱化；
- 提出“湿度-风力协同驱动”模型，挑战了传统“干旱主导”假说，为理解中亚粉尘-气候反馈提供新视角。

1. 应用价值
   
   • 为预测未来气候变化下沙尘暴频率提供历史相似型；
     
   • 揭示环境压力与文明崩溃的关联性，警示干旱区社会应对极端气候的脆弱性。

研究亮点
1. 方法创新：整合XRF扫描、花粉排除法（高/低海拔植被信号分离）和现代过程验证，突破湖泊沉积物中沙尘与本地信号的解耦难题。
2. 跨学科证据链：将沉积记录、大气环流模拟与历史考古学交叉验证，增强结论可靠性。
3. 区域对比意义：发现伊犁河谷与塔里木盆地沙尘事件的时空异质性，凸显中亚气候系统的复杂性。

其他有价值内容
- 研究指出中世纪暖期（Medieval Warm Period, MWP）与小冰期（Little Ice Age, LIA）的沙尘活动差异（LIA更强），支持SH强度对粉尘排放的长期调控作用；
- 提出仙女湖作为高海拔“稳定沉积档案”的优势，相较于易受侵蚀的黄土剖面，能更完整保存百年尺度事件。

（注：全文专业术语如XRF-X射线荧光光谱、A/C ratio-蒿属/藜科比值等均按首次出现标注英文原文）