中国沙黄土带15万年以来沙地演化的千年尺度波动及其驱动机制

本文推荐研究人员针对中国沙黄土带风沙活动强度分级与沙地进退机制不明的问题，通过粒度端元模型、磁化率与古降水重建等多指标分析，揭示了东亚冬季风(EAWM)与西风环流对沉积动力的控制作用，重建了毛乌素沙地(MUSL)东南缘自150 ka以来三次沙地扩张与固定阶段，为理解千年尺度风沙灾害与生态恢复提供了关键科学依据。

　　

在广袤的中国北方，沙黄土带作为沙漠与黄土高原之间的过渡区域，记录了地球历史上风沙活动与气候变化的丰富信息。毛乌素沙地（Mu Us Sandy Land, MUSL）作为中国四大沙地之一，其东南缘的沉积序列如同翻开的史书，保存了古风沙活动的珍贵档案。理解风沙活动的演变规律和沙漠/沙地环境的变迁机制，不仅对阐明其发生机理至关重要，更能为当前生态恢复和风沙灾害防治提供科学依据。尽管中国沙黄土带的黄土和湖泊记录已揭示了东亚冬季风（East Asian Winter Monsoon, EAWM）在沙尘暴活动中的作用，但这些记录难以清晰划分强度等级和物质组分变化，也无法解释其内在机制。

为解决这些问题，研究人员对位于毛乌素沙地东南缘的莲花沟（Lianhua Gully, LHG）剖面开展了系统研究。该剖面地处典型的半干旱半湿润过渡带，保存了15万年以来（150 ka）的古土壤-黄土-风成沙交替序列。研究人员通过粒度分析、磁化率（Magnetic Susceptibility, MS）测量、SiO₂/Al₂O₃比率分析，结合粒度端元（End-Member, EM）模型、分形维数（Fractal Dimension, Dv）和基于MS的古降水重建等方法，揭示了风沙活动强度的分级标准、沙地扩张与固定的演变过程及其驱动机制。研究发现，风沙活动强度可根据沙含量划分为弱（<25%）、中（25-50%）和强（>50%）三个等级，分别对应古土壤、黄土和风成沙层。自150 ka以来，该区域经历了三次主要的沙地扩张阶段和三次固定/收缩阶段，其中末次冰期的风成沙层（L₁F）持续时间最长、强度最大。研究还发现，在L₁F早期，年均降水量（Mean Annual Precipitation, MAP）低至164.49 mm，沙地环境转变为典型沙漠环境。沙漠/沙地演化受水分、植被和风场条件共同制约，这些因素由太阳辐射和冰盖动力学驱动，并同步记录了冰期-间冰期和千年尺度的气候振荡。这项研究不仅深化了对区域生态环境变化的认识，也为风沙灾害监测和防治提供了重要参考。相关成果发表在《Geoderma》上。

为开展这项研究，作者主要应用了以下几项关键技术方法：首先，通过激光粒度分析仪（Master Sizer 3000）测量了样品的粒度组成，并计算了中值粒径（M_d）和分形维数（Dv）；其次，使用巴廷顿磁化率仪（Bartington MS2）测量了低频磁化率（χlf），并基于Lv等建立的函数关系重建了古降水；第三，采用X射线荧光光谱仪（WDXRF）测定了SiO₂和Al₂O₃含量，计算了风化强度指标SiO₂/Al₂O₃比率；第四，利用端元模型（End-Member Model）对粒度数据集进行分解，识别出四个端元组分（EM1-EM4），揭示了沉积动力过程；最后，通过将磁化率和粒度曲线与已定年的中国石笋δ¹⁸O记录对比，建立了剖面的年代框架。所有样品均来自莲花沟剖面（38.10°N, 109.81°E）的系统采样，古土壤层以5 cm间隔采样，黄土和风成沙层以10 cm间隔采样。

粒度分布特征与风沙活动强度

通过分析粒度参数，研究发现莲花沟剖面的平均粒度（M_z）变化介于27.01至117.05 μm之间，平均值为50 μm。古土壤层以粗粉砂为主，平均粒度34.35 μm，风成沙层以砂为主，平均粒度71.31 μm。根据沙含量变化，将风沙活动强度划分为三个等级：弱活动（沙含量<25%，对应古土壤层）、中等活动（沙含量25-50%，对应弱发育古土壤和黄土层）和强活动（沙含量>50%，对应风成沙层）。这一分级系统为理解风沙活动强度及其与沙尘天气的关系提供了直接指标。

磁化率、古降水与SiO₂/Al₂O₃比率

磁化率（χlf）在古土壤层最高（61.94 × 10^?8 mg·kg^?1），风成沙层最低（31.53 × 10^?8 mg·kg^?1）。基于磁化率重建的古降水显示，古土壤层MAP为457.62 mm，风成沙层为265.27 mm，表明古土壤形成于相对暖湿的气候，而风成沙堆积于干冷环境。SiO₂/Al₂O₃比率在风成沙层最高（9.74），古土壤层最低（8.92），进一步证实干冷气候利于风沙活动。

分形特征

粒度分形维数（D_V）变化介于2.06至2.45之间，平均2.25。风成沙层的D_V最高（平均2.30），黄土层最低（平均2.19），表明分形维数不仅能反映气候变化和成壤作用，还与物源和沉积动力过程相关。

端元分解方法

通过端元模型分析，识别出四个端元组分：EM1（模态粒度7.41 μm，代表西风环流搬运的细颗粒和成壤作用）、EM2（模态粒度40.15 μm，粗粉砂组分）、EM3（模态粒度66.90 μm，极细砂组分）和EM4（模态粒度126.65 μm，细砂组分，代表强EAWM和严重沙尘暴事件）。EM1和EM3+4的变化分别可靠指示沙地的收缩和扩张。

基于粒度端元的沉积动力揭示

研究表明，EM1主要由西风环流和成壤作用贡献，EM2和EM3由近地面冬季风搬运，EM4代表强EAWM和严重沙尘事件。西风环流和EAWM共同控制了沙黄土带的风沙活动，其中EAWM主要搬运粗颗粒，西风环流输送细颗粒。EM3+4的高值对应沙地扩张阶段，EM1的高值对应沙地固定阶段。

风沙活动强度分级与沙地进退变化

通过>63 μm粒度组分和EM3+4的变化，识别出自150 ka以来的三次沙地扩张事件（对应L₁F、S₁F和L₂F风成沙层）和三次固定/收缩阶段（对应S₀、S_1-1和S_1-2古土壤层）。其中，L₁F阶段（60.95-27.61 ka B.P.）持续时间最长，风沙活动最强。

基于MS的古降水重建

古降水重建显示，S₀阶段MAP达488.11 mm，比现代高90.11 mm，气候相对湿润。L₁F早期MAP仅164.49 mm，沙地环境转变为典型沙漠环境。降水变化与植被类型密切相关，古土壤期发育草甸草原，风成沙期则为荒漠草原。

气候动力学与风沙活动及沙地演化的千年尺度变化

研究发现，风沙活动增强和沙地扩张与冷干气候事件同步，如北大西洋Heinrich事件（H1-H6）。这些事件通过增强EAWM和西风环流，触发强风沙活动和沙地扩张。轨道尺度上，太阳辐射变化驱动了冰期-间冰期气候旋回，影响了风沙活动和成壤过程。

非气候因素对LHG剖面形成的影响

分析表明，莲花沟剖面的形成主要受气候因素控制，非气候因素（如构造抬升、局部沉积动力和人类活动）影响较小。剖面位于大沟中上部，缺乏河流作用的沉积构造，粒度分布曲线与大气降尘和沙丘沉积相似，确认其为风成沉积。

沙黄土过渡带沙地演化机制

沙地演化受EAWM和西风环流共同驱动，其强度受冰盖变化和太阳辐射调控。冷干气候下，植被稀疏，地表抗风蚀能力降低，利于风沙活动和沙地扩张；暖湿气候下，植被覆盖增加，风沙活动减弱，沙地固定或收缩。千年尺度变化与北大西洋冷事件密切相关，西风环流在信号传递中起关键作用。

本研究通过多指标综合分析，揭示了毛乌素沙地东南缘15万年以来风沙活动的强度分级、沙地进退演变及其驱动机制。研究发现，风沙活动强度可分为弱、中、强三个等级，分别对应古土壤、黄土和风成沙层。自150 ka以来，该区域经历了三次沙地扩张和三次固定阶段，其中末次冰期的风成沙活动最为强烈。沙漠/沙地演化受水分、植被和风场条件制约，这些因素由太阳辐射和冰盖动力学驱动，并同步记录了冰期-间冰期和千年尺度的气候振荡。EAWM和西风环流共同控制了沉积动力过程，其中EAWM主要搬运粗颗粒，西风环流输送细颗粒。北大冷事件（如Heinrich事件）通过增强EAWM和西风环流，触发强风沙活动和沙地扩张。

这项研究不仅深化了对区域风沙活动演变规律的认识，还为风沙灾害监测和防治提供了重要科学依据。通过建立风沙活动强度分级系统，为理解沙尘天气与沉积记录的关系提供了新视角。多指标综合分析方法减少了单一指标的局限性，提高了研究结果的可靠性。此外，研究揭示的千年尺度气候与风沙活动关联，为预测未来风沙环境变化提供了历史相似型。最终，这些成果对指导沙黄土带的生态恢复和可持续发展具有重要实践意义。