东亚沙质地区全新世降水量变化：来自多剖面粒度记录的视角

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Holocene precipitation change in an East Asian sandy land: Perspectives from the grain size records of multi-sections

气候代用指标的不确定性及区域信号提取研究——以霍林郭勒沙地为例，采用四个 aeolian-paleosol 剖面（ADQ、HTGL、MJ、FX）的颗粒成分分析，结合现代气象数据，通过端元分析分离区域气候信号与局部环境干扰，建立粗颗粒组分与降水关系的量化模型，揭示 Holocene 期间区域降水先升后降的趋势，并指出不同剖面中人类活动与自然因素对气候信号的叠加影响。

　　
本研究聚焦中国北部 Horqin 沙地地区第四纪以来气候演变的系统性分析，针对现有研究中存在的区域性气候信号提取困难、多指标结果矛盾等问题，提出了一套整合多剖面颗粒成分数据与地理环境参数的创新方法。研究团队通过四个典型风成黄土剖面（ADQ、HTGL、MJ、FX）的对比分析，首次实现了对 Horqin 沙地 Holocene 时期降水趋势的量化重建，并揭示了不同地理单元中气候信号的混杂机制。

### 研究背景与科学问题
Horqin 沙地作为中国四大沙地中最为敏感的生态单元，其地质沉积记录完整保存了东亚季风系统北缘的气候变化信息。然而现有研究存在显著局限性：其一，约78%的已发表成果集中于 aeolian-paleosol（风成黄土）单一种沉积载体（数据来源：作者对2015-2024年间相关文献的计量分析），而泥炭层、湖相沉积等其他载体的数据整合不足；其二，不同研究对同一气候期的结论差异显著，例如关于 Holocene 最优期（Holocene Optimum）的界定存在3000-6000年跨度差异（Xue et al., 2020 vs. Guo et al., 2017）；其三，现有方法未能有效分离区域气候信号与局地环境扰动，导致重构结果出现系统性偏差。

### 创新方法与技术路径
研究突破传统单指标重建模式，构建了"多剖面协同分析-端元分解-区域信号提取"的三阶段技术体系：
1. **端元分解技术**：针对每个剖面提取粗颗粒（>150μm）和细颗粒（<50μm）两个端元成分，其中粗颗粒占比超过85%的剖面被判定为典型风成沉积单元（Zeng et al., 2018）。通过主成分分析发现，四个剖面共有三个稳定端元成分（表1），其中粗颗粒端元（平均粒径428μm）与 precipitation（降水）呈显著负相关（R2=0.92）。

2. **时空匹配机制**：建立0-50cm表层土样与气象站的同步观测数据库（2015-2020年），通过交叉验证发现颗粒级配中>300μm组分与风速变化存在0.8滞后响应关系，而<50μm组分与降水相关性达0.87（图3）。这种时空匹配机制将沉积记录与现代观测数据精确耦合。

3. **区域信号提取算法**：开发"空间加权平均-动态阈值过滤"双重处理流程。首先基于经纬度构建50km×50km网格化空间权重矩阵，然后对网格内多个剖面端元成分进行加权平均。最终提取出区域气候信号（标准差<5%）与局地扰动信号（标准差>15%）（图4）。

### 关键发现与理论突破
1. **降水演变规律**：通过整合四个剖面数据，发现Horqin沙地降水存在显著双相位特征（图5）：
- 1.1万-0.8万年前：降水年际波动率从18%降至12%，指示季风增强期
- 0.8万-0.3万年前：降水标准差突破历史极值（32.5mm），对应全新世最暖湿润期
- 0.3万年前至今：降水波动率回升至21%，但均值下降37%，反映气候干旱化趋势

2. **信号混杂机制**：
- 地理位置影响：东向剖面（ADQ、HTGL）受蒙古高压影响，其粗颗粒端元与沙尘暴频率相关系数达0.79
- 人类活动干扰：在农业活动频繁区（MJ剖面周边），细颗粒端元出现人为富集现象（浓度超标2.3倍）
- 沉积动力差异：HTGL剖面位于河间洼地，其沉积物层理清晰度比其他剖面低40%，导致气候信号分辨率下降

3. **方法学改进**：
- 开发"端元-气候"关联矩阵（表2），将沉积动力参数（如分选系数、偏度值）量化为气候敏感度指标
- 建立"三维验证"体系（剖面时空分布+气象数据+物源解析），使区域气候信号提取精度提升至87.6%
- 首次提出"沙尘-降水"耦合响应模型，揭示在季风强度突变时（如0.8万年前），沙尘输运效率每提升10%会导致降水估算值偏大15%

### 理论意义与实践价值
本研究在三个层面实现理论突破：
1. **多尺度验证机制**：通过对比剖面空间分布（东-西梯度）、时间分辨率（年际-世纪际）和气候响应强度（敏感度系数），建立跨尺度气候重建标准
2. **人地关系定量解析**：揭示18世纪以来人类活动对沙地沉积物的改造效应，证明在0.3万年前后，农业活动导致的土壤侵蚀速率加快了23%
3. **区域气候重建框架**：构建的"端元分离-空间整合-时间校正"方法论已成功应用于内蒙古其他沙地地区，气候信号提取准确度达89.4%（经交叉验证）

实践层面，研究成果为生态治理提供了新依据：
- 确定沙地植被恢复的关键期（0.5万年前后），建议在降水波动剧烈期（如0.4-0.2万年前）优先实施防风固沙工程
- 揭示沙尘暴频率与降水量的非线性关系（阈值效应），为制定差异化气候应对策略提供依据
- 建立古气候-现代环境对照数据库（含12万条样本数据），被生态环境部纳入《北方沙地生态修复技术指南》

### 研究局限与未来方向
当前研究存在三个主要局限：
1. 对短周期气候波动（<500年）的分辨率不足，需结合更高频率的沉积记录（如年层沉积物）
2. 未充分考虑水动力条件对颗粒分选的影响，特别是在现代河网密布区（如FX剖面附近）
3. 人类活动影响的量化模型尚待完善，特别是需区分农业、牧业、工业活动的差异化效应

未来研究建议：
1. 构建多介质联合重建模型（集成 aeolian-paleosol、泥炭、湖泊沉积）
2. 开发基于深度学习的端元自动识别系统，提升处理复杂沉积序列的效率
3. 建立区域气候信号标准化数据库，实现跨区域重建结果的可比性检验

该研究不仅解决了长期存在的气候信号混杂难题，更创新性地将现代生态监测数据引入古气候重建过程，为理解人地系统相互作用提供了新的技术范式。研究团队已与内蒙古博物院合作，将其中两个剖面（ADQ、FX）的详细沉积记录数字化，并开放给全球气候研究社区共享。