中国东北哈尔滨黄土轨道尺度上的物源变化及其对多种风场的响应

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Provenance changes on orbital-scale of the Harbin loess in Northeast China and their responses to multiple wind regime

　　

## 摘要

黄土的物源及其在冰期-间冰期循环中的变化，对于理解粉尘运输过程和重建轨道尺度上的大气环流模式具有重要的科学意义。然而，由于缺乏高精度年代学框架以及单一示踪方法在物源识别中的局限性，当前对中国东北松嫩平原黄土物源变化的认识仍显不足。松嫩平原位于欧亚黄土带最东缘及季风边缘地带。特别是，在季风、西风带和区域气候系统相互作用下，风系的动态响应机制尚不明确。为弥补这一研究空白，本研究对松嫩平原东部哈尔滨黄土-古土壤序列进行了系统的碎屑锆石U-Pb定年。通过整合潜在物源区碎屑锆石U-Pb年龄和Sr-Nd同位素组成的汇编数据集，以及哈尔滨黄土钻芯的Sr-Nd同位素组成，定量重建了过去约200 ka黄土序列物源动力学的演化过程。结果表明，哈尔滨黄土主要来自西南方向的沙地区域（即西南松嫩沙地、科尔沁沙地、乌兰布统沙地），贡献率为64.6%至95.65%。西北方向（西北松嫩沙地）贡献为次要来源，占比4.31%至35.36%。冰期-间冰期循环在运输方向（西南/西北）和运输距离（近源/远源）上均表现出显著的周期性。间冰期以西南方向的远源贡献为主，而在冰期，西北方向和近源贡献大幅增加。本研究表明，所观测到的粉尘物源变化是轨道尺度上多种环流系统动态耦合的结果，包括东亚季风、西风带和蒙古气旋。在冰期，增强的东亚冬季风（EAWM）增加了来自西北物源区的贡献。相反，在间冰期，增强的东亚夏季风（EASM）与低层西风带及蒙古气旋的南侧气流共同驱动了西南风，显著增强了来自西南沙地区的贡献。此外，季风强度调节物源区的地貌变化并影响粉尘发射潜力，导致冰期以近源为主、间冰期以远源为主的黄土物源模式。本研究系统地阐明了哈尔滨黄土物源变化的双风系控制机制，为理解中高纬度寒冷地区冰期-间冰期变化过程中大气环流耦合、地表过程响应和区域粉尘循环提供了关键实证证据和新范式。

## 引言

广泛分布于欧亚大陆的黄土沉积序列，不仅全面记录了新生代亚洲粉尘的起源和内陆干旱化历史（An, 2000; Guo et al., 2002; Zhu et al., 2021），还为研究季风环流、古气候和环境变化提供了高分辨率的地质档案（如Lu et al., 2004; Wu et al., 2022; Li et al., 2024; Da et al., 2025; Li et al., 2026）。准确理解黄土的物源对于解释气候波动和风成地表过程，以及研究气候-构造耦合机制至关重要（Li et al., 2025）。在过去半个世纪中，研究者利用多种示踪方法在不同尺度、不同区域重建了黄土的物源，包括粒度分析、地球化学、Sr-Nd同位素和锆石U-Pb定年，激发了广泛的科学关注（如Zhu et al., 2021; Wu et al., 2022; Zhang et al., 2022a; Wu et al., 2023a; Wei et al., 2025）。这些开创性研究主要集中在西北干旱区和中亚地区，而关于中国黄土高原（CLP）的物源仍存在持续争议，特别是冰期-间冰期循环中是否发生了物源转变（Nie and Peng, 2014; Zhang et al., 2015）。这些研究表明，东亚黄土和粉尘环流的起源与区域或全球动力学密切相关，包括青藏高原隆升、东亚季风和西风带的变化（如An et al., 1991; Sun et al., 1998; Ding et al., 1999; Guo et al., 2002; Nie and Peng, 2014; Kang et al., 2024）。然而，与上述经典区域的黄土物源研究相比，位于欧亚黄土带最东端的松嫩平原黄土的物源及其轨道尺度变化和主控因素，至今仍是一个高度争议的话题（如Wu et al., 2022; Wei et al., 2026; Zhang et al., 2025）。更重要的是，上述研究争议的根源往往在于黄土高分辨率年代学重建不足，或仅依赖单一物源示踪方法。

松嫩平原是中国东北的核心组成部分，位于半干旱至半湿润的季风边缘地带，是季风环流和西风带的汇聚区，以复杂的大气环流变化为特征（图1b和2e）。因此，该研究区对区域环境和全球气候变化都高度敏感。其内部环境变化以及广泛发育的沙地（即松嫩沙地，SN）和黄土等地貌，与全球大气环流和东亚季风环流密切相关（Liu et al., 2025; Wang et al., 2025; Wu et al., 2025）。传统上，这些风成地貌被认为是亚洲季风在不同时间尺度上演化的产物，气候振荡驱动的粉尘变化影响着北太平洋海洋粉尘沉积，甚至全球气候系统（Uno et al., 2009; Zan et al., 2022; Liu et al., 2025）。松嫩平原东部的哈尔滨黄土沉积，是目前已知晚中更新世以来松嫩沙地（SN）下风向最厚、最老、沉积连续性最强的典型风成黄土堆积（图1b、e和f；Wu et al., 2022; Wang et al., 2025; Zhang et al., 2025）。因此，准确解读哈尔滨黄土物源的空间和时间变化，对于揭示东北亚粉尘活动变化、理解干旱和半干旱地区的风成地表过程、重建东亚季风环流和古气候变化，以及理解区域到全球的粉尘循环具有重要意义（Han et al., 2019; Li et al., 2021; Wu et al., 2022; Wang et al., 2025）。

哈尔滨黄土一般被认为接收来自中国东北沙区的粉尘沉积，具体包括乌兰布统沙地（OD）、科尔沁沙地（HQ）、松嫩沙地（SN）和呼伦贝尔沙地（HL）。据信其物源来自西北和西南两个方向（如Wu et al., 2022; Wei et al., 2026）。该地区同时受到东亚夏季风（EASM）、东亚冬季风（EAWM）、西风带和各种区域天气系统的影响（Wu et al., 2022）。以往对哈尔滨黄土的研究揭示，冰期和间冰期之间的物源和沉积模式存在显著变化，表明这些轨道尺度变化与东亚冬季风的减弱有关，后者由北半球冰量减少和夏季太阳辐射减少共同控制（Xie and Chi, 2016; Wu et al., 2022）。近期研究表明，西风带的纬度位移也影响着松嫩平原乃至更广泛的中国东北地区的粉尘活动变化，显著改变了哈尔滨黄土的物源组成（Pratte et al., 2024; Wei et al., 2026）。更重要的是，基于现代气象分析，蒙古气旋外围环流引起的西南气流进一步显著影响西南风的强度，从而影响粉尘运输能力（Wu et al., 2022）。蒙古气旋已被证实受到上层大气环流（如低层西风）和北大西洋海表温度等的显著影响。蒙古气旋在春季频繁发生，导致华中和东北地区出现沙尘暴天气（Ma et al., 2024; Mu and Fiedler, 2025）。因此，我们对松嫩平原风成过程、哈尔滨黄土在轨道时间尺度上的物源历史变化及其与气候系统的相互联系的理解仍显著不完整。特别是在采用多种示踪方法的综合调查以及大气动力学背景的系统探索方面更是如此。

在本研究中，我们首次对哈尔滨黄土-古土壤序列的不同层位进行了碎屑锆石U-Pb定年，并利用逆蒙特卡洛模型定量重建了过去约200 ka哈尔滨黄土在轨道时间尺度上的物源变化，结合了对哈尔滨黄土潜在物源区（如中国东北沙地，NESL）碎屑锆石U-Pb和Sr-Nd同位素数据的全面数据集汇编。通过比较定量锆石结果与Sr-Nd同位素示踪结果，我们进一步阐明了该区域的风成地表过程。此外，我们还研究了该地区粉尘物源-汇动态变化如何响应和记录东亚季风环流变化和区域气候因素的综合影响。本研究为理解亚洲内陆干旱化过程和欧亚黄土带的地表过程提供了新视角。此外，它为理解受季风环流、西风带和区域气候系统相互作用影响下复杂大气动力学和动态变化的地表过程如何共同影响东亚粉尘运输模式和区域环境演化，提供了关键证据。

## 节选片段

### 区域背景

哈尔滨黄土位于中国东北松嫩平原东部，东北毗邻小兴安岭，西北毗邻大兴安岭，东南毗邻长白山（图1；Wu et al., 2022）。在区域地质构造方面，东北平原是发育在白垩纪裂谷盆地上的冲积-湖积平原，位于华北克拉通和西伯利亚克拉通之间，代表了中亚构造单元的最东部。

### 采样

黄山黄土剖面（HS；45°47′21.78″ N, 126°47′32.44″ E）位于松嫩平原东部，坐落在松花江第二级堆积阶地上，距离哈尔滨市区约16公里（图1）。剖面的海拔高度约为198米（Xie et al., 2020a）。以往研究已证实哈尔滨黄土的风成因（如Wu et al., 2021; Wu et al., 2022）。该剖面的完整露头厚度为54.8米，上部29.9米为哈尔滨……

### 结果

HS黄土剖面及潜在物源区的碎屑锆石U-Pb年龄和Sr-Nd同位素组成数据集见附表S3。

### 哈尔滨黄土潜在物源区识别

作为风成地表过程的终端产物，黄土沉积通常经历粉尘的初始生成、发射、运输和最终沉积（Wang et al., 2025）。此外，风成黄土沉积一般被认为源自主要近源和次要远源运输的混合（如Wu et al., 2022; Wu et al., 2023a），特别是在上风向物源端元相对复杂的地区更是如此。众多研究表明，CLP黄土……

### 结论

本研究首次对位于季风边缘地带和多种大气环流系统交汇处的松嫩平原东部HS剖面的黄土-古土壤序列进行了碎屑锆石U-Pb定年分析。通过将HS剖面钻芯的Sr-Nd同位素组成与潜在粉尘物源区的碎屑锆石U-Pb年龄和Sr-Nd同位素数据集进行整合，我们定量重建了物源组成及其……

### 作者贡献声明（CRediT）

Yehui Wang：原稿撰写、可视化、验证、软件、方法学、调查、形式分析、概念构思。Yuanyun Xie：审稿和编辑、方法学、调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念构思。Lei Sun：可视化、验证、监督、软件、方法学、调查、数据管理、概念构思。Yanru Wang：可视化、监督、软件、方法学、调查、概念构思。

### 利益冲突声明

作者声明他们对这项工作没有利益冲突。

我们声明，在提交的工作方面，我们不拥有任何构成利益冲突的商业或关联利益。

致谢

本研究由黑龙江省自然科学基金（项目编号：ZD2023D003）和国家自然科学基金委员会（项目编号：42171006）共同资助。我们要感谢彭丽、张燕子和刘明平在锆石U-Pb分析方面给予的帮助。我们要感谢徐金玉和陈文在数据收集和参考文献整理方面提供的协助。

王亚辉 | 谢园园 | 孙磊 | 王燕茹 | 魏振宇 | 刘海金 | 齐浩东 | 张亮辰 | 魏楚岩 | 康承国
哈尔滨师范大学地理科学学院，中国哈尔滨 150025