中亞干旱區(qū)作為全球重要的粉塵源區(qū)，對區(qū)域、全球氣候和人類活動產(chǎn)生了深遠影響。粉塵的起源、傳輸和沉積過程，是理解區(qū)域及全球氣候變化的關(guān)鍵所在。然而，中亞地區(qū)地形復(fù)雜、黃土和沙漠分布不均，氣候多樣。盡管前人對中亞東部即我國新疆的沙漠、黃土和氣候變遷進行了大量研究，但對中亞四國開展的工作不多，對區(qū)域差異性的關(guān)注較少，導致對中亞黃土與古氣候的認識尚不完整。最近，地球環(huán)境研究所黃土與古氣候研究團隊聯(lián)合中亞和歐洲等國內(nèi)外學者，以中亞西風影響區(qū)的準噶爾盆地、伊犁盆地、典型西風區(qū)烏茲別克斯坦兩河流域（錫爾河和阿姆河）及西風與印度季風影響區(qū)的塔吉克 - 阿富汗盆地的黃土、沙漠和表土為研究對象（圖 1），開展了物源、粉塵活動和古氣候研究，在GPC、GRL、Geomorphology等國際重要學術(shù)期刊上連續(xù)發(fā)表了系列成果。這些成果不僅深化了對中亞粉塵活動和氣候環(huán)境變化的理解，也為全球變化研究提供了重要的數(shù)據(jù)支持和科學認知。

圖1 中亞黃土分布與研究區(qū)/剖面位置

在中亞南部，研究團隊對塔吉克 - 阿富汗盆地的恰什馬尼加爾（CMG）末次冰期黃土剖面進行了粒度和磁學特征分析（圖2），揭示了中亞南部粉塵動力學機制。研究表明，塔吉克斯坦的黃土主要由塵暴產(chǎn)生的浮塵和西風攜帶的細粒風塵構(gòu)成，其粒度變化主要受沙塵暴活動的頻率影響。在排除西風對近地表沙塵活動的影響后，研究人員發(fā)現(xiàn)全球冰量的變化能夠通過調(diào)節(jié)里海與興都庫什/帕米爾地區(qū)之間的海平面氣壓差異，進而影響塔吉克斯坦南部的大氣粉塵動力學。同時指出冰量變化不僅影響了粉塵活動的頻率，還增加了快速氣候波動的幅度，進一步證實了大氣不穩(wěn)定性對冰量邊界條件的敏感性。研究認為冰量的增加對大氣變化幅度影響更大，會造成粉塵活動更加頻繁，對大氣變化幅度影響更大，但對降水的影響相對較小（Li et al, 2024a, Geomorphology）。這項研究填補了塔吉克斯坦黃土沉積的風成動力學及其與氣候系統(tǒng)的物理聯(lián)系方面的空白，對于理解中亞南部黃土地貌的發(fā)展具有重要的科學意義。

圖2 塔吉克CMG黃土剖面環(huán)境代用指標與冰量指標對比

在中亞西風核心區(qū)，研究團隊基于烏茲別克斯坦東部錫爾河支流Karasu河河流階地上的KA黃土剖面的沉積記錄，運用光釋光定年、粒度分析和微量元素地球化學等多種分析手段，重建了中亞核心區(qū)全新世的粉塵活動歷史。研究發(fā)現(xiàn)，在早至中全新世期間，烏茲別克斯坦的粉塵活動較為強烈，但其暴發(fā)頻率較低；而在晚全新世，粉塵活動的強度有所降低，但頻率卻有所升高。這種變化模式與北半球高緯度地區(qū)的氣候變化記錄相吻合（圖3），表明中亞的粉塵活動受控于北半球高緯度氣候系統(tǒng)。通過對比發(fā)現(xiàn)，粉塵活動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階段粉塵活動潛在的驅(qū)動機制（圖4），并預(yù)估烏茲別克斯坦東部未來粉塵活動可能會進一步減弱（Song et al., 2024, GPC）。這項研究不僅增進了我們對中亞地區(qū)粉塵活動歷史的理解，而且為預(yù)測未來粉塵變化趨勢提供了重要依據(jù)，對于理解全球氣候變化對區(qū)域粉塵循環(huán)的影響具有重要的科學意義和實用價值。

圖3 烏茲別克斯坦東部全新世沙塵活動和沙塵暴記錄與全球記錄對比圖

圖4 烏茲別克斯坦東部早中全新世(a)和晚全新世(b)粉塵活動潛在驅(qū)動機制模型圖

研究團隊還利用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA - ICP - MS）方法，對烏茲別克斯坦沙漠、兩河流域和西天山等區(qū)域的表土樣品進行了碎屑鋯石 U - Pb 年代學分析（圖5）。分析結(jié)果顯示，克孜勒庫姆沙漠的主要物質(zhì)來源是西南天山，而錫爾河及其支流系統(tǒng)（包括阿姆河和澤拉夫尚河）是這些物質(zhì)的主要運輸通道。由于風力搬運和循環(huán)作用較弱，導致克孜勒庫姆沙漠的物質(zhì)成分分布不均勻。此外，研究還發(fā)現(xiàn)克孜勒庫姆沙漠的沙塵物質(zhì)能夠被風力搬運至天山山麓地區(qū)，其搬運和沉積過程主要受到地形因素的影響（Zhang et al, 2024, GRL）。這項研究不僅為理解克孜勒庫姆沙漠沙塵物質(zhì)的起源和運輸過程提供了關(guān)鍵證據(jù)，而且對揭示區(qū)域風成過程和環(huán)境變化具有重要意義。

圖5 烏茲別克斯坦表土樣品碎屑鋯石多維標度分析(MDS，a和b）及混合模型結(jié)果(c-f)

中亞東北部的伊犁盆地是近年來黃土古氣候研究的重點區(qū)域之一。研究團隊通過對該盆地尼勒克（NLK）末次冰期黃土剖面進行碳酸鹽礦物的XRD分析，并利用隨機森林回歸模型定量獲取了碳酸鹽及白云石含量（Li et al, 2024b, GPC）。分析結(jié)果表明，碳酸鹽礦物含量的變化主要受到物源變化的影響，由此通過消除白云石記錄中的物源信號建立了一個降水指標，進而揭示了末次冰期的降水變化特征。研究發(fā)現(xiàn)，相對于深海氧同位素階段（MIS）2，MIS 3期間降水量較低（圖6A），這可能與地軸傾斜度和歲差驅(qū)動的中緯度西風南北遷移和強度變化有關(guān)，其中歲差變化起主要作用。通過對比發(fā)現(xiàn)，伊犁盆地的千年尺度降水變率與北大西洋濤動（NAO）模式呈正相關(guān)，而在中亞南部的塔吉克斯坦地區(qū)呈負相關(guān)（圖6B），這表明西風南北遷移對中亞地區(qū)降水變率產(chǎn)生了重要影響。此外，研究團隊還利用隨機森林回歸模型和自回歸積分滑動平均模型預(yù)估了未來5000至10000年降水呈現(xiàn)波動上升的變化趨勢（圖7），這一發(fā)現(xiàn)為該地區(qū)水資源管理和農(nóng)業(yè)適應(yīng)性調(diào)整提供了重要的科學依據(jù)，并對該區(qū)域氣候變化應(yīng)對策略的制定具有實際指導意義。

圖6 伊犁盆地NLK剖面白云石重建末次冰期降水指數(shù)與其他指標對比圖（A: 軌道尺度、B：千年尺度）

圖7 伊犁盆地NLK剖面未來降水預(yù)測圖

在中亞東北部西風和西伯利亞高壓氣候系統(tǒng)共同作用區(qū)域，研究團隊對準噶爾盆地古爾班通古特沙漠、周邊表土以及潛在源區(qū)進行了采樣（圖8），并進行地球化學元素的主成分分析。分析結(jié)果表明，古爾班通古特沙漠北部和西部的物質(zhì)分別來源于阿爾泰山和準噶爾山脈，而北天山對該沙漠的貢獻相對較小。此外，研究還發(fā)現(xiàn)古爾班通古特沙漠并非北天山北麓黃土沉積物（粉砂）的主要物源（圖9），這可能和沙漠本身磨蝕產(chǎn)生的粉砂粒級物質(zhì)不足有關(guān)（Li et al, 2024c, GPC）。這些粉砂粒級物質(zhì)可能主要來源于黃土與沙漠之間的沖洪沖積扇與河湖相沉積物，但仍需要進一步研究來驗證。這項研究對于深入理解沙漠物質(zhì)的起源、運輸路徑以及風塵循環(huán)具有重要的科學意義，為中亞地區(qū)粉塵循環(huán)及風塵遠距離傳輸?shù)难芯刻峁┝诵抡J識。

圖8 區(qū)域地理位置及采樣點圖；古爾班通古特沙漠及其潛在物源的微量元素主成分分析；1979-2022年北疆地區(qū)地表潛在輸沙路徑和沙通量

圖9 基于主成分分析的古爾班通古特沙漠與北天山北麓黃土元素組成對比

這些研究通過綜合運用粒度分析、元素地球化學、碎屑鋯石U-Pb定年技術(shù)、隨機森林回歸模型等多種方法，揭示了不同區(qū)域粉塵的物源、傳輸路徑和沉積過程，為深入理解中亞地區(qū)風成沉積物的形成機制、粉塵活動模式以及它們與全球氣候變化之間的聯(lián)系提供了新證據(jù)，為預(yù)測未來的粉塵活動和氣候變化趨勢提供了基礎(chǔ)。

上述研究是由中國科學院地球環(huán)境研究所牽頭，烏茲別克斯坦地質(zhì)科學大學地質(zhì)與地球物理研究所、塔吉克斯坦科學院地質(zhì)、地震工程與地震學研究所、中亞大學、希臘西馬其頓大學以及浙江大學、福建師范大學等單位的科研人員共同完成的，李越、張明玉副研究員等為第一作者，宋友桂研究員為通訊作者。本系列研究得到了國家自然科學基金、青藏高原第二次綜合考察研究、中國科學院先導專項 B、中科院青促會以及中國科學院國際合作局合作交流計劃等多個項目的聯(lián)合資助，以及黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室和中國科學院中亞生態(tài)與環(huán)境研究中心的支持。

相關(guān)論文清單與鏈接：

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 .

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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.

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