末次盛冰期以来库布齐沙漠有效湿度变化及其对全球变化的响应

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2022.035

地球科学进展 ›› 2022, Vol. 37 ›› Issue (12): 1232 -1244. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.035

张小梅 ¹ ^, ²(

), 靳鹤龄 ¹(

), 刘冰 ¹, 梁晓磊 ³, 梁爱民 ⁴, 孙爱军 ¹ ^, ² ^, ⁵

^1.中国科学院西北生态环境资源研究院沙漠与沙漠化重点实验室，甘肃兰州 730000
^2.中国科学院大学，北京 100049
^3.太原师范学院管理系，山西晋中 030619
^4.陕西师范大学地理科学与旅游学院，陕西西安 710119
^5.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室，甘肃兰州 730000

收稿日期:2022-01-03 修回日期:2022-03-03 出版日期:2022-12-10
通讯作者: 靳鹤龄 E-mail:xmzhang_123@163.com;jinhl@lzb.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目“鄂尔多斯高原风成沉积记录的全新世冬夏季风演变及相位关系研究”(41977393)

Effective Moisture Variation in the Kobq Desert Since the Last Glacial Maximum and Its Response to Global Change

Xiaomei ZHANG ¹ ^, ²( ), Heling JIN ¹( ), Bing LIU ¹, Xiaolei LIANG ³, Aimin LIANG ⁴, Aijun SUN ¹ ^, ² ^, ⁵

^1.Key Laboratory of Desert and Desertification, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
^2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
^3.Department of Management, Taiyuan Normal University, Jinzhong Shanxi 030619, China
^4.School of Geography and Tourism, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China
^5.Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems, Ministry of Education, College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

Received:2022-01-03 Revised:2022-03-03 Online:2022-12-10 Published:2022-12-16
Contact: Heling JIN E-mail:xmzhang_123@163.com;jinhl@lzb.ac.cn
About author:ZHANG Xiaomei (1994-), female, Xinzhou City, Shanxi Province, Ph.D student. Research area includes desert environment evolution. E-mail: xmzhang_123@163.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China “Holocene winter and summer monsoonal evolutions and their phase relationship recorded by the aeolian deposits in the Ordos Plateau”(41977393)

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中国北方季风边缘区沙漠对气候变化响应极其敏感，是研究气候环境变化的理想区域，其环境演变研究对理解全球变化的区域响应具有重要科学意义。研究表明末次盛冰期以来季风边缘区沙漠环境演变主要受控于亚洲夏季风强度变化及其所带来的降水量的多寡，然而库布齐沙漠却存在早全新世风沙活动和季风降水同时增强的矛盾。以库布齐沙漠北缘WK剖面为例，对风成沉积进行了释光年代控制的多指标分析。结果表明：区域有效湿度变化总体遵循“季风”模式，经历了相对较低（28~26 ka）—显著低值［末次盛冰期（26~18 ka）］—逐渐增加［末次冰消期和早全新世（18~8 ka）］—总体较高［中全新世（8~2 ka）］—逐渐降低［晚全新世（2~0 ka）］的过程。对比研究发现末次盛冰期—全新世尺度北半球太阳辐射和冰量变化同时影响着区域有效湿度，此结果进一步支持中国北方季风边缘区环境变化高低纬双重驱动的观点。

关键词: 末次盛冰期, 库布齐沙漠, 有效湿度变化, 成因机制

Deserts in the northern monsoon margin of China are extremely sensitive to climate change and are, therefore, ideal for studying climate and environmental change. Specifically, their environmental evolution is scientifically important for understanding the regional responses to global change. Studies have shown that the environmental evolution of deserts in the monsoonal fringe, since the Last Glacial Maximum, is mainly controlled by variations in the Asian summer monsoon intensity and precipitation. However, in the Kobq Desert, there is a mismatch between the simultaneous increase in aeolian sand activity and monsoonal precipitation during the early Holocene. Taking the WK profile at the northern edge as an example, we applied multi-proxy analysis of the chronological sequence of aeolian deposition. The results indicate that the effective moisture variation generally follows the “monsoon” pattern：relatively low (28~26 ka)—significantly low [the Last Glacial Maximum (26~18 ka)]—gradually increasing [the Last Deglaciation and Early Holocene (18~8 ka)]—generally high [the Middle Holocene (8~2 ka)]—gradually decreasing [the Late Holocene (2~0 ka)]. Based on comparative analysis, we found that the regional effective moisture is controlled by the variability of solar insolation and ice volume in the Northern Hemisphere during the Last Glacial Maximum and Holocene, this further supports the view that environmental changes in the northern monsoonal margin of China are driven by high and low latitudes.

Key words: Last Glacial Maximum, Kobq Desert, Effective moisture variation, Forming mechanisms

中图分类号:

P941.73

图1 库布齐沙漠地理位置

Fig. 1 Geographical location of the Kobq Desert

图2 WK剖面野外照片（a）、地层岩性特征（b）及年代序列（c）

Fig. 2 Field photo （a）、lithostratigraphic characteristics （b） and chronological sequences （c） of the WK profile

表1 WK剖面 OSL测年结果及其相关参数

Table 1 Results of the OSL dating and related parameters for the WK profile

实验编号	深度/cm	测年材料	样品粒度/μm	U/×10^-6	Th/×10^-6	K/%	等效剂量/Gy	含水量/%	总剂量率/（Gy/ka）	年代/ka
WK-1	15	K-Fs	90~180	1.22±0.10	5.91±0.24	1.63±0.05	0.11±0.05	5±3	3.22±0.25	0.03±0.02
WK-2	65	K-Fs	90~180	1.56±0.05	7.23±0.20	1.69±0.05	0.20±0.08	5±3	3.33±0.25	0.06±0.02
WK-3	130	K-Fs	90~180	1.90±0.07	9.20±0.15	1.65±0.02	3.83±0.22	5±3	3.48±0.25	1.10±0.10
WK-4	190	K-Fs	90~180	1.96±0.11	8.15±0.32	1.63±0.03	11.57±2.69	5±3	3.39±0.25	3.41±0.83
WK-5	280	K-Fs	90~180	2.53±0.07	11.78±0.34	1.58±0.02	35.50±2.52	5±3	3.70±0.25	9.59±0.95
WK-6	350	K-Fs	90~180	1.82±0.08	8.37±0.30	1.52±0.02	63.69±6.80	5±3	3.23±0.25	19.72±2.60
WK-7	400	K-Fs	90~180	2.58±0.07	10.02±0.40	1.50±0.00	83.94±5.07	5±3	3.49±0.25	24.03±2.26
WK-8	465	K-Fs	90~180	2.39±0.08	10.05±0.18	1.54±0.05	92.04±2.63	5±3	3.48±0.25	26.46±2.08
WK-9	500	K-Fs	90~180	1.94±0.11	9.08±0.31	1.57±0.01	95.71±3.20	5±3	3.33±0.25	28.75±2.37

表1 WK剖面 OSL测年结果及其相关参数

Table 1 Results of the OSL dating and related parameters for the WK profile

实验编号	深度/cm	测年材料	样品粒度/μm	U/×10^-6	Th/×10^-6	K/%	等效剂量/Gy	含水量/%	总剂量率/（Gy/ka）	年代/ka
WK-1	15	K-Fs	90~180	1.22±0.10	5.91±0.24	1.63±0.05	0.11±0.05	5±3	3.22±0.25	0.03±0.02
WK-2	65	K-Fs	90~180	1.56±0.05	7.23±0.20	1.69±0.05	0.20±0.08	5±3	3.33±0.25	0.06±0.02
WK-3	130	K-Fs	90~180	1.90±0.07	9.20±0.15	1.65±0.02	3.83±0.22	5±3	3.48±0.25	1.10±0.10
WK-4	190	K-Fs	90~180	1.96±0.11	8.15±0.32	1.63±0.03	11.57±2.69	5±3	3.39±0.25	3.41±0.83
WK-5	280	K-Fs	90~180	2.53±0.07	11.78±0.34	1.58±0.02	35.50±2.52	5±3	3.70±0.25	9.59±0.95
WK-6	350	K-Fs	90~180	1.82±0.08	8.37±0.30	1.52±0.02	63.69±6.80	5±3	3.23±0.25	19.72±2.60
WK-7	400	K-Fs	90~180	2.58±0.07	10.02±0.40	1.50±0.00	83.94±5.07	5±3	3.49±0.25	24.03±2.26
WK-8	465	K-Fs	90~180	2.39±0.08	10.05±0.18	1.54±0.05	92.04±2.63	5±3	3.48±0.25	26.46±2.08
WK-9	500	K-Fs	90~180	1.94±0.11	9.08±0.31	1.57±0.01	95.71±3.20	5±3	3.33±0.25	28.75±2.37

表2 WK剖面气候代用指标在不同岩性中的变化

Table 2 Variation of climatic proxies in different lithologies of the WK profile

指标		全剖面	风成砂	古土壤
碳酸盐含量/%	范围	3.40~13.37	3.40~13.37	3.80~8.38
	均值	7.48	8.01	6.38
	标准差	2.69	3.02	1.23
有机质含量/%	范围	0.010~0.025	0.010~0.024	0.013~0.025
	均值	0.018	0.016	0.020
	标准差	0.004	0.004	0.003
低频磁化率/（×10^-8 m³/kg）	范围	2.04~5.60	2.04~4.85	2.73~5.60
	均值	3.78	3.46	4.44
	标准差	0.86	0.74	0.70
CIA	范围	31.04~45.09	31.04~45.09	37.58~44.43
	均值	38.76	38.11	40.13
	标准差	4.23	4.76	2.25
C值	范围	0.79~1.29	0.79~1.29	1.03~1.25
	均值	1.05	1.02	1.10
	标准差	0.14	0.16	0.07
Re	范围	2.86~3.93	2.86~3.93	3.05~3.29
	均值	3.31	3.40	3.13
	标准差	0.25	0.26	0.07
Rb/Sr	范围	0.23~0.42	0.23~0.41	0.38~0.42
	均值	0.35	0.33	0.40
	标准差	0.06	0.06	0.01

表2 WK剖面气候代用指标在不同岩性中的变化

Table 2 Variation of climatic proxies in different lithologies of the WK profile

指标		全剖面	风成砂	古土壤
碳酸盐含量/%	范围	3.40~13.37	3.40~13.37	3.80~8.38
	均值	7.48	8.01	6.38
	标准差	2.69	3.02	1.23
有机质含量/%	范围	0.010~0.025	0.010~0.024	0.013~0.025
	均值	0.018	0.016	0.020
	标准差	0.004	0.004	0.003
低频磁化率/（×10^-8 m³/kg）	范围	2.04~5.60	2.04~4.85	2.73~5.60
	均值	3.78	3.46	4.44
	标准差	0.86	0.74	0.70
CIA	范围	31.04~45.09	31.04~45.09	37.58~44.43
	均值	38.76	38.11	40.13
	标准差	4.23	4.76	2.25
C值	范围	0.79~1.29	0.79~1.29	1.03~1.25
	均值	1.05	1.02	1.10
	标准差	0.14	0.16	0.07
Re	范围	2.86~3.93	2.86~3.93	3.05~3.29
	均值	3.31	3.40	3.13
	标准差	0.25	0.26	0.07
Rb/Sr	范围	0.23~0.42	0.23~0.41	0.38~0.42
	均值	0.35	0.33	0.40
	标准差	0.06	0.06	0.01

图3 WK剖面气候代用指标及主成分随年代变化
PCA1和PCA2是通过对7个气候代用指标（碳酸盐、有机质、低频磁化率、化学蚀变指数CIA、湿润指数C值、干旱指数Re及Rb/Sr）进行主成分分析建立的

Fig. 3 Variation of climatic proxies and principal components with age in the WK profile
PCA1 and PCA2 were established by principal component analysis of seven climate proxies （carbonate， organic matter， low frequency magnetization， chemical alteration index CIA， wetness index C value， drought index Re and Rb/Sr）

图4 主成分载荷图

Fig. 4 Principal components loading diagram

图5 库布齐沙漠有效湿度变化与季风边缘区沙漠气候记录对比

Fig. 5 Comparison of effective moisture variation in the Kobq Desert and climate records of deserts in the monsoonal margin region

图6 末次盛冰期以来库布齐沙漠有效湿度变化的成因机制
（a）65°N夏季太阳辐射 ^{［

45
］}；（b）董哥洞和葫芦洞石笋 ^{［

48
-

49
］}；（c）宝鸡剖面 ¹⁰Be降水量 ^{［

50
］}；（d）榆林剖面TOC含量 ^{［

51
］}；（e）公海年降水量 ^{［

46
］}；（f）TB剖面磁化率 ^{［

52
］}；（g）库布齐沙漠有效湿度变化（PCA1）；（h）库布齐沙漠风成砂概率密度 ^{［

53
］}；（i）库布齐沙漠古土壤概率密度 ^{［

53
］}；（j）海平面变化 ^{［

54
］}；（k）北半球冰量 ^{［

55
］}

Fig. 6 Forming mechanisms of effective moisture variation in the Kobq Desert since the Last Glacial Maximum
（a） Summer insolation at 65°N ^{［

45
］}；（b） Dongge Cave and Hulu Cave stalagmites ^{［

48
-

49
］}；（c） Precipitation based on ¹⁰Be in Baoji profile ^{［

50
］}；（d） TOC content in Yulin profile ^{［

51
］}；（e） Annual precipitation in Gonghai Lake ^{［

46
］}；（f） Magnetic susceptibility in TB profile ^{［

52
］}；（g） Effective moisture variation in the Kobq Desert （PCA1）；（h） Probability density curve of aeolian sand in the Kobq Desert ^{［

53
］}；（i） Probability density curve of paleosol in the Kobq Desert ^{［

53
］}；（j） Sea level change ^{［

54
］}；（k） Ice volume in the Northern Hemisphere ^{［

55
］}

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