全新世天山山脉气候变化与植被多样性动态：来自花粉记录的启示

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Holocene climate change and vegetation diversity dynamics across the Tianshan Mountains: insights from pollen records

　　

摘要

全新世气候变化和天山山脉植被多样性的研究仍不充分。本研究汇编了天山山脉的12条花粉序列，并采用定量气候重建、植被多样性评估和区域综合方法，探究全新世气候与植被动态。结果表明，全新世气候演化存在显著的区域异质性。西天山降水总体呈增加趋势，并与北大西洋振荡的变异性相关；而东天山降水则还受到东亚夏季风的影响。西天山温度呈现显著的海拔分化特征，高山草甸区长期变暖可能与冬季日照强迫有关；而荒漠草原区在全新世早中期则因夏季日照减少而出现渐进式降温。天山山脉植被多样性动态受草本群落强烈影响，并总体上追踪水分可获得性，表明水分条件对长期生态系统动态具有显著印记。这种关系在不同植被区表现各异：草甸和荒漠草原生态系统中的多样性变化密切跟随区域气候条件，而全新世中期森林扩张则调节了森林和草甸区的植被多样性模式。这些发现表明，天山山脉全新世植被动态主要受大尺度气候变化影响，并受海拔依赖的生态过程调节，为理解该地区气候-生态系统相互作用提供了综合认识。

引言

全新世（即过去约11,700年）是地球气候和生态历史上的关键时期，在此期间，各生物地理区域发生了显著的气候变化和植被动态（Mayewski等，2004；Stebich等，2015；Allen等，2020；Mottl等，2021；Zhang等，2022a, Zhang等，2022b）。鉴于当代和预测的未来气候变化是在类似于全新世所经历的条件之下发生的，研究这些变化对于预测持续气候变化条件下的未来生态转变至关重要（Thornalley等，2009；Wanner等，2011；Zhang等，2020；Zhang和Feng，2024）。天山山脉是亚洲最大的干旱山脉，具有多样的气候条件和显著的植被异质性（Fang等，2024）。具体而言，天山山脉是西风驱动的气候（来自西方）和亚洲季风主导的气候（来自东方）的交汇处，使其极易受到气候变化影响（Zhang等，2018；Yang等，2021a；Zhang和Zhang，2025）。此外，这些大气环流不仅影响区域气候格局，还影响不同海拔梯度上的植物群落组成、植被多样性和生态系统稳定性（Hu等，2009；Zhang和Zhang，2017；Jin等，2024）。因此，天山山脉为研究全新世气候格局及其对植被多样性的影响提供了特殊的场地。

天山山脉的全新世气候变化已有广泛研究（例如Wang和Feng，2013；Mathis等，2014；Leroy等，2021；Zhang和Feng，2018；Leroy和Giralt，2020；Lan等，2021；Yang等，2021b；Chen等，2022；Liu等，2023），但其时空格局仍存在争议。首先，天山山脉花粉序列已识别出过去约10,000年间总体降温和持续变湿的趋势，并得到干旱中亚地区多种古气候代用指标的进一步支持（Zhang和Feng，2018；Chen等，2022；Liu等，2023）。其次，Lan等（2021）对包括天山山脉在内的中亚北部多代用指标记录进行了批判性分析，报告全新世早期气候寒冷湿润，全新世中期温暖干燥，全新世晚期寒冷湿润。第三，其他记录表明长期干旱趋势是全新世天山山脉的特征（Ricketts等，2001；Li等，2011；Cheng等，2012；Mathis等，2014）。这些相互矛盾的解读可归因于代用指标敏感性差异、年代学不确定性和各个记录的空间代表性差异（Klinge和Sauer，2019）。此外，缺乏区域可比对的定量重建限制了我们对天山山脉全新世气候演化的理解，强调了需要一致的解析框架以明确区域气候格局和空间异质性的必要性（Cao等，2017；Chevalier等，2020；Tian等，2022；Zhang和Zhang，2025）。

天山山脉的全新世植被多样性研究相对有限（Zhang等，2005；Cheng等，2020；Han等，2024）。在北天山北麓，Zhang等（2005）比较了全新世中晚期荒漠、森林草原过渡带和高山/亚高山草甸的多样性，揭示了海拔依赖的多样性变异。在北天山博尔塔拉河流域，Cheng等（2020）应用花粉多样性追踪森林带迁移，而Han等（2024）采用多种指数（例如Shannon-Wiener、Simpson指数）从荒漠草原区重建了连续的全新世多样性记录。然而，这些研究大多基于单个地点或有限的断面，且多样性指数、年代框架和生态背景的差异使得难以识别区域尺度的植被多样性演化格局。此外，天山山脉植被多样性是否表现出一致的时间变化以及气候变异性如何调节这些变化，仍缺乏明确约束。

为提供天山山脉全新世气候演化和植被多样性动态的区域视角，我们汇编了可用的花粉序列，并采用一致的解析框架重建气候变化和植被多样性。本研究共使用12条花粉序列，包括我们研究小组之前发表的三条高分辨率记录以及文献中发表的其他九条记录。根据地理位置，将这些站点分为西天山和东天山，从而能够一致地评估异质性数据集上的气候-植被多样性关系。具体而言，本研究旨在：（1）定量重建全新世区域温度和降水变化；（2）刻画天山山脉不同区域的全新世植被多样性动态；（3）探索气候变异性与植被多样性之间的关系。12条序列的详细信息见表1。

章节摘要

地形地貌

天山山脉是亚洲最突出的山脉系统之一，东西跨越约2500公里，南邻塔里木盆地，北接准噶尔盆地（Yang等，2021a, Yang等，2021b）。从地缘政治上看，天山山脉横跨中国、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和乌兹别克斯坦（图1），它曾是与亚欧草原丝绸之路连接亚洲与欧洲文化的关键通道（Li等，2016；An等）

化石花粉来源

我们严格筛选了天山山脉内所有可用的全新世花粉序列，并采用一致的解析框架以促进区域比较。筛选标准包括：（1）可靠的时间控制（每条全新世序列至少四个定年数据）；（2）充足的时间分辨率（每个样品不低于200年）；（3）充分的全新世覆盖（跨越至少5000年）。由于来自不同地貌设置的花粉记录可能

重建可靠性

在本研究汇编的十二条花粉序列中，五条被选用于定量气候重建，包括Son-Kul湖、Issyk-Kul湖（岩心C087和IK0011）、BY泥炭和Tuolekule湖。对于Issyk-Kul湖，纳入两个沉积岩心以实现连续的全新世覆盖。IK0011岩心涵盖约12,750至约3,587校准年前，而C087岩心覆盖约5,600校准年前至今。由于两条记录均由同一研究小组使用可比的分析方法

全新世天山山脉降水变化

在本研究汇编的十二条花粉序列中，六条已在之前的研究中用于定量降水重建，包括Sayram湖、Wenquan湿地、Yili河谷、Ili剖面、Chaiwopu泥炭和Balikun湖。首先，西天山Sayram湖重建的Pann（图1b和表1中的站点6；Jiang等，2013）在约10,500至约9,500校准年前显示快速增加，随后在约9,500校准年前之后经历相对较高值时期，并伴随

结论

本研究汇编了天山山脉的多条全新世花粉序列，并使用一致的解析框架重建了区域降水、温度和植被多样性变化。结果表明，该地区气候演化和生态系统响应均存在显著的空间异质性。主要结论如下：

• (1)
  天山山脉全新世降水表现出区域差异。在西天山山脉，降水

CRediT作者贡献声明

Yangyang Zhang（张洋洋）：形式分析、数据整理。Dongliang Zhang（张东亮）：资金获取、写作 – 审阅与编辑。Yunpeng Yang（杨云彭）：数据整理、写作 – 审阅与编辑。yangyang zhang：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿撰写。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被视为影响本文报告的工作。

致谢

感谢所有提供原始花粉数据的同事。本研究得到国家自然科学基金（编号：42571194, 42471183）、中国科学院青年创新促进会（编号：2022447）、中国国家自然科学基金（编号：42220104001）和俄罗斯预算项目（编号：FWRG-2026-0007）、河南省自然科学基金（编号：232300421397）的资助。

张洋洋|张东亮|杨云鹏

中国科学院新疆生态与地理研究所，干旱区生态安全与可持续发展国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011，中国