青海-西藏高原东北部共和盆地抑郁层的形成过程：一种估算末次冰期期间沙尘排放量的方法

《Geomorphology》：Depression development in the Gonghe Basin, northeastern Qinghai-Tibetan Plateau: An approach to estimating dust emission during the last glacial

　　马云强|强明瑞|邓雅云|徐柳兵|王思琪|李志伟|胡恒远|张家玲|哈西二顿
中国华南师范大学地理学院，广州，510631

**摘要**
亚洲的沙尘排放不仅是对全球气候变化的响应，还影响全球气候系统的变异性，相关的过程和机制对于解释不同时间尺度上的大气沙尘记录至关重要。然而，由于源区的强风侵蚀作用，能够反映沙尘排放过程的地质记录往往保存不佳。在这里，我们报告了青藏高原东北部贡河盆地的一个大型凹地，并尝试利用风蚀地貌来推断上一个冰期期间的沙尘排放动态。通过基于数字高程模型的地形分析，我们识别出凹地内的五个层次的地形。地貌证据表明，该凹地的形成始于第二次塔拉表面，风蚀是导致贡河地层物质排出的唯一作用力。同时，周围贡河地层的河流和湖岸侵蚀可能产生了大量疏松沉积物，为湖泊干涸后的后续风蚀提供了可侵蚀的地基。我们认为，由温暖湿润状态向寒冷干燥状态的气候转变所驱动的交替性水和风蚀共同塑造了该凹地及其内的层次地形。根据贡河盆地西部不同海拔处河流砾石下方风成砂的光释光（OSL）测年结果，我们大致将第二次塔拉表面的形成时间限定在9万至15千年前，风蚀速率为约1.5毫米/年，沙尘排放通量为约850.9克/平方米/年。尽管这个通量可能是一个最低估计值，但它为评估上一个冰期亚洲源区的沙尘排放量提供了关键参考，特别是对于北太平洋远洋沉积物记录的沙尘变异性提供了洞见。我们的结果有助于深入理解亚洲源区的沙尘排放机制和景观演变。

**引言**
矿物尘埃气溶胶是全球气候系统的重要组成部分（Shao等人，2011年），它有可能调节地球的辐射平衡（Tegen等人，1996年），通过铁肥效应调整大气中的二氧化碳预算（Martin等人，1991年），并为陆地生态系统提供土壤养分（例如磷）（Chadwick等人，1999年）。相反，大气中的尘埃负荷与各种时间尺度上的气候变化高度相关（Shao等人，2011年；Maher等人，2010年）。这些因素，如风的传输能力、源区的干旱程度以及水力过程带来的细颗粒物供应，通常会导致沙尘的变异性（Goudie，1983年；Pye，1995年；Mahowald等人，1999年；Tau等人，2021年）。

在中亚，北半球中纬度地区分布着最大的干旱和半干旱地带，这是由于内部地区降水量较少（Yang等人，2011年）。沙尘从这些地区被卷起，并输送到下风向地区形成外围的黄土沉积（Liu，1985年；Derbyshire等人，1998年），甚至到达远距离地区，如北太平洋和格陵兰冰盖（Nagashima等人，2016年；Parrington等人，1983年；Bory等人，2002年）。因此，来自不同地质档案的亚洲沙尘记录被用来解读过去陆地环境和大气环流模式的变化（Rea，1994年；Biscaye等人，1997年；Guo等人，2002年；Sun等人，2012年；Abell等人，2023年）。中国黄土高原的黄土沉积是理解全球变化的关键陆地记录之一。中国黄土的粒度和质量积累率（MAR）表现出同期变化，其特征是在冰期期间粒度较大、通量较高（Ding等人，2001年）。然而，这两个指标似乎彼此独立，这一点通过北太平洋的远洋沉积物得到了证实（Rea，1994年）。这两个指标之间的不一致表明可能存在不同的气候环流模式（例如西风），将细颗粒亚洲沙尘输送到远距离地区（Ding等人，2001年）。最近，Serno等人（2017年）指出，北太平洋远洋沉积物中记录的轨道尺度沙尘变异性与东亚长期沙尘暴季节高度相关。当亚北极纬度的夏季太阳辐射较低时，西伯利亚的冷空气库增强，导致中纬度源区的沙尘排放量大大增加。此外，北太平洋沉积物的化学性质表明，在寒冷时期高山冰川扩张导致的活跃融水径流可能增加了进入远距离海洋的风成通量（Zhang等人，2020a）。这项工作强调了间歇性湿润的源区对长距离沙尘排放的作用，而非源区的干旱程度。

同样，格陵兰冰盖冰芯记录的沙尘变化也提出了不同的机制。Biscaye等人（1997年）通过限定GISP2沙尘的潜在来源区域的大小和位置，指出风速在上一个冰期沙尘通量和粒度的突然变化中起着重要作用。然而，Zielinski和Mershon（1997年；Mahowald等人，1999年）提出，植被对干旱和低二氧化碳浓度的反馈可以解释冰川最大期（LGM）冰芯记录的较高沙尘通量。此外，西风的路径变化也会导致亚洲沙尘源区下风向地区的沙尘沉积变化（Lim和Matsumoto，2008年；Nagashima等人，2013年；Abell等人，2021年）。

沙尘从源区的排放是沙尘循环的初始步骤，决定了大气中的沙尘负荷量（Shao等人，2011年）。因此，沙尘携带强度的变化对于理解不同时间尺度上的沙尘变异性至关重要（Y. Li等人，2023年；H.W. Li等人，2023b）。然而，由于源区普遍存在的强风侵蚀作用，沉积序列保存不佳，重建沙尘排放历史是不现实的。一些尝试利用沙尘源区的湖泊沉积物来恢复风成活动（例如，An等人，2011年；Chen等人，2013年；Qiang等人，2014年；Qiang等人，2022年），但这些研究中应用的指标仅限于定量评估粉砂和粘土粒径的沙尘排放。总体而言，关于沙尘排放长期演变的信息几乎缺失。

风蚀是干旱地区地貌形成的重要因素。由此产生的负地形和沉积物去除被用来估算区域风蚀率和沙尘排放率（Bristow等人，2009年；Farebrother等人，2017年；Zhang等人，2020b；Marx等人，2022年）。鉴于河流过程在将细颗粒物从风蚀地形系统中输送出去的过程中可忽略不计，这种方法可以用来评估源区的潜在沙尘排放量。虽然目前针对亚洲干旱盆地（例如哈密盆地（Rohrmann等人，2013年；Wu等人，2019年）和柴达木盆地（Pullen等人，2018年；Zhang等人，2020b；Zhang等人，2022年）的研究已经量化了风蚀率及其时间变化，主要目的是将这些率与区域景观演变联系起来，但由于难以准确定义侵蚀前的古地表及其年代，这些源区与风蚀强度相关的沙尘排放率仍未量化。

在本文中，我们试图限定风蚀在贡河盆地西部凹地（GHB）中搬运沉积物的唯一作用。通过地貌分析描绘了沙尘的来源和沉积物去除的潜在过程。根据地貌表面形成时间和从凹地去除的沉积物体积，估算了上一个冰期的沙尘排放通量。我们的结果可能为亚洲源区的沙尘排放量提供估计值，这对于解释沙尘记录和地质时期的沙尘模型的输出至关重要。

**研究区域**
GHB是一个位于青藏高原东北部的NE-SW走向的新生代断层盆地（图1A）。它北临青海南山，东接西青山，南靠埃尔拉山，面积为13,800平方公里，海拔高度在2400至3200米之间（图1B）。该盆地位于昆仑山、祁连山和秦岭造山带的交界处，其发育深受断层构造的影响（Craddock等人，2014年；Su等人）。

**地形和地貌分析**
我们使用了日本宇宙航空研究开发的三维DEM数据集（AW3D30，分辨率为30米，垂直精度为4.4米（Tadono等人，2016年），并结合Google Earth?卫星图像进行了地表切割深度和坡度分析。

**第二次塔拉表面的地表切割深度**
通过从2×2到23×23像素的逐步增加的窗口大小提取了第二次塔拉的表面切割深度。如图3A所示，统计单元大小与平均地表切割深度之间的关系可以用对数函数拟合。平均变化点分析显示，最大的SSi值出现在第10个数据点，此时拟合曲线显示出明显的拐点（图3B）。这个拐点对应于一定的窗口大小。

**凹地形成的地貌证据**
负地形（如凹地）可以由构造活动（Santos等人，2000年；Lu等人，2020年）或外生侵蚀过程形成。GHB的凹地由于其位于盆地中央，远离任何相邻的活跃断层（图1B）。尽管盆地内形成了两条盲断层，但它们似乎沿着凹地的边缘延伸，并位于数百米厚的贡河地层之下（Xu，1987年）。

**结论**
在这项研究中，我们利用DEM数据集和卫星图像进行了地形和地貌分析，明确了青藏高原东北部贡河盆地西部一个大型凹地的风成起源。此外，我们大致确定了该凹地的形成时间，讨论了其发育的潜在动态，并估算了凹地的最小沙尘排放通量。主要结论如下：
（1）该凹地主要由风蚀形成。

**作者贡献声明**
马云强：撰写——初稿，可视化，验证，方法论，调查，数据管理，概念化。
强明瑞：撰写——审阅与编辑，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，正式分析。
邓雅云：撰写——初稿，可视化，软件，调查，正式分析。
徐柳兵：验证，资源，方法论，概念化。
王思琪：可视化，软件，调查，正式分析。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的工作。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42071109）的支持。我们衷心感谢编辑A.A. Beylich、李志伦教授和一位匿名审稿人的宝贵建议，这些建议极大地提高了本文的质量。