新疆巴里坤湖记录的深海氧同位素3阶段（MIS3）至早全新世（~60–9 ka BP）区域植被和气候演化历史 中文摘要
新疆深居内陆，处于亚洲中部干旱区的核心地带，区域干旱少雨，植被稀疏，生态脆弱(秦大河等, 2005; Narisma et al., 2007)。这里的气候变化与西风等大气环流变化密切相关，并通过粉尘的释放和沉降影响着全球海陆气相互作用，因而在全球变化研究中具有重要意义(Martin et al., 1991; Maher et al., 2010; Uno et al., 2009)。该地区晚更新世以来（特别是MIS3到早全新世）植被和气候变化研究相对较少，且已有研究多集中在黄土、河流阶地和古湖岸堤，但因为沉积间断(例如, Rhodes et al., 1996; Zhao et al., 2013)和年代控制差等原因(Lai et al., 2014; Long et al., 2015; Song et al., 2015)，使其对新疆晚更新世以来植被和气候变化认识不足。已有研究表明，在西风环流主导下的亚洲中部干旱区（包括我国新疆地区），其现代气候、近千年气候及全新世亚轨道气候变化模式与亚洲东部季风区存在显著差异(Chen et al., 2008; Huang et al., 2013; Chen et al., 2015; Chen et al., 2016)。那么，在晚更新世的其它时段西部干旱区气候变化模式是怎样的，又是如何响应全球气候变化的？在不同的时间尺度上（轨道和亚轨道尺度等）与东部季风区是否存在差异？要回答这些问题，首先需要得到年代可靠的长尺度古气候和植被变化序列。深海氧同位素3阶段是距离现今最近的一个间冰期（弱的间冰期），气候边界条件与现在有许多相似之处，又是末次冰期人类活动比较活跃的时期(Imbrie et al., 1989; Dansgaard et al., 1993; Voelker
et al., 2002; North Greenland Ice Core Project Members, 2004; Lisiecki and Raymo, 2005)，是进行古气候研究的重要时段。之后的末次盛冰期期间全球气候边界条件（全球冰盖和CO2含量等）发生剧烈变化(Mix et al., 2001; Clark et al., 2009)，与现代气候形成鲜明的对比。因此对晚更新世关键时段（MIS3和LGM）冷、暖巨大反差下地球表层环境特征的重建和模拟，有利于加深对西部干旱区和季风区晚更新世以来不同空间尺度气候环境系统运行机制的理解。相对于其它研究材料而言，湖泊记录因为沉积连续和测年材料丰富的原因，是进行晚更新世古气候和植被重建的理想材料。 馒头国家标准
本研究选取位于新疆东部哈密地区的巴里坤湖（位于西北干旱区的中心区域）做为研究对象，该湖晚更新世以来沉积连续(Ma et al., 2004)，因此比较适合进行长时间尺度植被和气候重建。研究组于2011年在巴里坤湖的中心区域钻取了长62.53 m的沉积岩芯（BLK11A），岩芯连续且保存完整，在实验室按照1 cm间
距分样后冷藏保存。本文着重分析顶部2.9–20.0 m，选取的沉积物岩芯覆盖了深海氧同位素3阶段到全新世早期。利用多种测年手段（AMS14C、光释光和古地磁）相结合的方法建立了可靠的年代框架，在此基础上通过孢粉、XRF岩芯扫描元素、粒度、烧失量和易溶盐含量等气候代用指标对巴里坤湖MIS3至早全新世区域植被、水文和气候进行了高分辨率的重建工作。主要结论如下：
1．MIS3到早全新世巴里坤盆地植被演化历史
通过对钻孔孢粉的分析，重建了MIS3到早全新世该区域的植被演化历史。结果表明在研究时段的大部分时间内，区域以蒿属和藜科主导的荒漠/荒漠草原为主，区域气候较为干旱。具体表现为：1）MIS3早期（59.0–51.7 ka BP），区域喜温湿环境的草本植物（例如，毛茛科、莎草科和香蒲）发育，较高含量的桦木科花粉（~15–20%）表明当时在湖泊周围或者沿河流两岸生长着小范围的桦木林，温湿的气候状况与该区域“全新世适宜期”环境较为相似；2）MIS3中后期（51.7–26.5 ka BP），区域环境恶化，荒漠灌丛植被（例如，鼠李科、白刺属和霸王属）广泛分布，植被覆盖度较低，指示区域由暖湿向干冷的冰期环境转变；3）末次盛冰期（LGM，26.5–19.2 ka BP），区域气候进一步恶化，干冷的气候背景下植被以蒿属-藜科-菊科-鼠李科-沙棘属主导的荒漠草原为主，植被覆盖度低；4）区域植被退化最严重的时段发生在~17.0–15.2 ka BP 期间，区域生物量和植被覆盖度极低，推测巴里坤地区极端干冷的气候与北大西洋地区记录的Heinrich 1冷事件有很大的关系；5）在15.2–12.6 ka BP期间，区域气候好转，蒿属-藜科-禾本科-麻黄属草原植被扩张，禾本科植物明显增多，区域温暖湿润；6）早全新世（12.6–8.9 ka BP）区域以藜科-蒿属-麻黄属主导的荒漠/荒漠草原，区域湿度较低。
张翼德大闹长坂桥2．MIS3到早全新世巴里坤湖演化过程
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通过对沉积物易溶盐、碳酸盐的分析，并结合岩芯XRF元素扫描结果重建了该湖泊MIS3到早全新世的演化过程。研究结果表明：巴里坤湖演化过程遵循干旱区盐湖演化的一般规律，即在盐湖发育的早期先出现碳酸类沉积，而后是硫酸盐类沉积，最后是石盐，湖泊的演化过程是区域气候干旱化的结果。
具体而言：1）MIS3早期（59.0–51.7 ka BP），以碳酸盐类沉积为主，湖泊水位较高，伴随着硫酸盐类沉积的增多，湖泊水位呈下降趋势；2）MIS3中期（51.7–39.3 ka BP），盐层和浅灰粉砂交互出现，湖泊发展到盐湖阶段，含硫蒸发盐和石盐等出现沉积，这是末次间冰期以来的第一次成盐期。推测此时巴里坤湖面较浅（类似于现在的巴里坤湖状况，水深约1 m左右）；3）MIS3后期（39.3–26.5 ka BP），在（39.3–36.7 ka BP）期间，盐度降低湖泊淡化（持续~2000 yr），其间伴随着碳酸盐和含硫矿物的形成，此时巴里坤湖是一个微咸水/咸水湖，是区域湿度增加的
美乐托宁结果。随后盐度频繁波动，碳酸盐和硫酸盐含量逐渐降低，湖泊水位较低；4）巴里坤湖水盐度在MIS2维持在较低的状态，为淡水或者微咸水湖，这可能和MIS2低温造成的低的蒸发量有关，湖泊水位较浅。从19.2 ka BP开始，湖泊盐类沉积类型变化较大，在较暖的两个时段19.2–17.0 ka BP和15.2–12.6 ka BP，以碳酸盐沉积为主，与冰消期升温以及BA暖期有很大的关系。在冷的时段H1(17–15.2 ka BP)和MIS2/1(12.6–8.9 ka BP)以碎屑沉积为主，区域气候干冷。
通过对粒度、岩芯XRF元素扫描的分析，重建了巴里坤流域MIS3到早全新世风化强度的变化。研究结果表明沉积物岩芯Rb/Sr比值能够很好的反映流域风化状况，Ti、Si等主要分布在较细颗粒中，外源碎屑多以粉尘方式输入湖泊，同时也有河流输送进入湖泊的贡献。具体表现为：1）MIS3早期（59.0–51.
7 ka BP），流域化学风化较强，与温暖湿润的环境有关，而且区域较高的植被盖度降低了粉尘颗粒的输入；2）MIS3中后期到LGM（51.7–19.2 ka BP），流域以物理风化为主，粉尘输入量增加，与流域退化的环境和低的植被覆盖度关系密切；3）随着冰消期的开始（~19.2 ka BP），流域环境好转，化学风化在~19.2–17 ka BP 和BA期间显著增强，与升高的区域温度和增加的降水（或冰川融水）有关。而在H1和MIS2/1时段，流域以物理风化为主，植被覆盖度低，主要是由低的区域温度和干旱的环境导致的。
4．MIS3到早全新世巴里坤区域年降水定量重建、总体气候特征及其可能的机制
基于中国及蒙古现代花粉数据数据集，采用“加权平均偏最小二乘法（WA-PLS）”对巴里坤BLK11A钻孔化石花粉进行了年平均降水量的定量重建。重建结果表明在MIS3早期、冰消期和BA期间巴里坤区域年降水量明显增加，而在MIS3中后期、LGM和MIS2/1区域年降水量较低。该研究是迄今为止新疆地区第一次基于花粉结果的长尺度（超过全新世）古气候定量重建，对该地区定量重建工作有很大的参考价值。
结合定量重建的年降水量变化、植被、湖泊演化和流域风化强度变化，可以将MIS3到早全新世巴里坤区域气候变化特征总结如下：1）在轨道/亚轨道尺度上区域植被和气候变化响应于北半球高纬度太阳辐射变化，以“暖湿–冷干”的气候组合类型为主；2）MIS3早期，较高的太阳辐射背景下区域年降水较
高，温暖湿润气候背景下木本植物桦木属和喜温湿环境的草本植被发育，植被覆盖度高。巴里坤湖以碳酸盐类沉积为主，湖泊水位较高。流域化学风化较强；3）MIS3中后期，随着太阳辐射的减弱，区域年降水量逐渐降低，环境逐渐恶化，进而导致了荒漠植被广泛发育、含硫蒸发盐和石盐沉积增加、流域物理风化加强；4）MIS2
大村智特别是LGM，区域以冷干的气候为主导，表现为植被退化、湖泊萎缩、流域物理风化进一步增强；5）冰消期随着太阳辐射的增加，区域温度回升，降水和冰川融水增加，增加了湖泊的补给量，环境好转流域化学风化增强，湖泊以碳酸盐沉积为主。除此之外，北大西洋气候通过西风对巴里坤湖植被和水文状况也产生显著影响，比如H冷事件发生时，巴里坤区域整体以冷干的气候为主，植被退化，湖面降低且沉积了较多分选较差粗颗粒物质，流域物理风化加强。BA期间区域环境好转，草甸植被发育，流域化学风化加强。
综合而言，巴里坤湖地区MIS3后期没有出现类似“青藏高原或内蒙古大湖期”温暖湿润的气候状态，却在MIS3早期该区域气候温暖湿润、植被发育良好、湖泊扩张、流域化学风化较强，MIS3中后期气候逐渐恶化，植被退化、湖泊萎缩、流域物理风化加强，研究结果与新近发表的文献较为一致。再者，通过对比已研究发现在LGM时期，中国西部干旱区乃至亚洲中部干旱区气候以冷干的气候组合为主，荒漠植被扩展、湖泊萎缩、流域物理风化增强，不存在之前研究认为的LGM湖泊淡化、区域湿度增加的现象。
关键词：中国西部干旱区，巴里坤湖，孢粉，风化，定量重建，MIS3，LGM博司捷
Vegetation and climate history around Balikun region from MIS3 to early Holocene (~60–9 ka BP) documented by multi-proxy data of Balikun Lake
Abstract
Arid western China, including Xinjiang, is mainly dominated by the Westerlies at present. It is one of the driest regions in the world, with scarce water resources, sparse vegetation cover, and vulnerable ecosystems (Qin et al., 2005; Narisma et al., 2007). As the main content of the Arid Central Asia, the arid western China plays a vital role in the parts of atmospheric radiation balance and ocean fertilization, hence the global climatic variations (Maher et al., 2010; Martin et al.1991; Uno et al.2009) through its releasing and/or absorbing the aeolian dust of the Northern Hemisphere (Biscaye et al.,1997; Pye and Zhou 1989). However, the evolution of vegetation and climate are poorly documented in arid western China at a longer temporal-scale beyond Holocene, thus our understanding of past arid ecosystems and their responses to changing climate is still insufficient. Furthermore, existing studies are faced with problems such as the frequent presence of erosional hiatuses (e.g. Rhodes et al., 1996; Zhao et al., 2013) and uncertainties in the chronology (Lai et al.,
2014, Long et al., 2015; Song et al., 2015), especially for terrace and loess deposits, masking our understanding of moisture evolution and its main controlling factor during the late Pleistocene. A synthesis of evidence from lake sediments indicates that the pattern of moisture evolution in arid west ern China exhibits an “out-of-phase” relationship with the pattern of monsoonal evolution in eastern monsoonal Asia on various time scales (Chen et al., 2008). What’s the climate pattern in the arid western China beyond Holocene, and how it responds to the global climate? What’s the differences in mechanism between arid western China and monsoon dominated areas on various time scales (e.g. orbital or sub-orbital orbital) during the late Pleistocene. To answer these question, the first priority is to obtain longer palaeo-records with robust age control. MIS3 is an interstadial in the late Quaternary with the characteristics of substantially reduced, although not completely degraded, continental ice sheets that can be compared with the Holocene and present climate (Imbrie et al., 1989; Dansgaard et al., 1993; Voelker et al., 2002; North Greenland Ice Core Project Members, 2004; Lisiecki and Raymo, 2005). The period also marks the entry of modern humans into Europe and the sub-sequent demise of the Neanderthals. The subsequent LGM is an interval of mostly cold climate conditions along with low sea level and vast ice masses in Europe and North America (Mix et al., 2001; Clark et al., 2009). These two intervals thus are valuable materials for the comparison
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