2011年6月18~20日,在实地调查的基础上,选择典型红柳沙包,从上至下逐层采集沉积纹层样品,对纹层不清晰层段,按平均厚度采集。本文所分析的3组样品均为塔南地区不同地点的3个红柳沙包沉积纹层中的枯枝落叶。其中,A采样点(地理坐标：37.83°N,83.71°E,剖面深度约为1.5 m；)位于安迪尔故城,该故城唐代中后期逐渐被废弃,目前遗址区内多为流动沙丘,分布有红柳、芦苇( Phragmites australis)等,代表较接近沙漠的环境；B采样点(地理坐标：37.72°N,83.82°E,剖面深度约为5.0 m)位于安迪尔牧场,属于安迪尔河下游三角洲现代绿洲,分布有胡杨( Populus euphratica)、红柳、芦苇、骆驼刺( Alhagi sparsifoliaShap.)等；C采样点(地理坐标：37.09°N,81.08°E,剖面深度约为4.5 m)位于策勒县达玛沟乡,属于达玛沟下游三角洲现代绿洲,分布有胡杨、红柳、芦苇等。采样点具体位置如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 塔克拉玛干沙漠南缘地区红柳沙包采样点位置图Fig.1 The location map of Tamarix cone sampling sites in southern region of Taklimakan desert

采用²¹⁰Pb CIC模式^{[ 12]},依据沙物质²¹⁰Pbex随深度变化的对数拟合曲线方程,计算各采样点沉积纹层的平均沉积速率,再根据各采样点的平均沉积速率和样品沉积的深度估算其年代,并结合纹层计年、¹³⁷Cs测年和¹⁴C测年数据进行校正,最终建立各采样点红柳沙包沉积纹层的年代序列。

分离出的红柳落叶经纯化、烘干、称量、清洗、研磨、消解等处理后,利用电感偶合等离子体质谱仪(ICP-MS)和原子吸收分光光度计(WFX-1F2B2)进行阳离子Na⁺,Mg²⁺,K⁺,Ca²⁺含量进行测定。

4.1.1 沉积纹层的年代序列

建立的A采样点序列时段为1792—2010年,共219年；B采样点序列时段为1600—2010年,共411年；C采样点序列时段为1590—2010年,共421年(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 塔克拉玛干沙漠南缘采样点红柳沙包沉积纹层的年代序列Fig.2 Age sequence of Tamarix cone sedimentary veins at sampling sites in southern region of Taklimakan desert

4.1.2 阳离子含量测定结果

3个采样点阳离子含量测定结果如图3~图5。

如图3所示,A采样点红柳落叶4种阳离子总量平均值为51.633 mg/g；Ca²⁺含量最多,平均值为32.013 mg/g,变化范围为13.010~70.387 mg/g；Na⁺和Mg²⁺含量较多,Na⁺含量的平均值为13.067 mg/g,变化范围为5.767~28.570 mg/g,Mg²⁺含量的平均值为4.869 mg/g,变化范围为3.026~7.296 mg/g；K⁺含量最少,平均值为1.684 mg/g,变化范围为0.718~3.607 mg/g。

图3

Fig.3

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	图3 A采样点阳离子含量年际变化Fig.3 Inter-annual variation of positive ion content in sampling site A

如图4所示,B采样点红柳落叶4种阳离子总量平均值为83.353 mg/g；Ca²⁺含量最多,平均值为47.360 mg/g,变化范围为22.683~1006.519 mg/g；Na⁺和Mg²⁺含量较多,Na⁺含量的平均值为21.399 mg/g,变化范围为0.157~68.802 mg/g,Mg²⁺含量的平均值为12.629 mg/g,变化范围为5.579~23.690 mg/g；K⁺含量最少,平均值为1.964 mg/g,变化范围为0.370~6.538 mg/g。

图4

Fig.4

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	图4 B采样点阳离子含量年际变化Fig.4 Inter-annual variation of positive ion content in sampling site B

如图5所示,C采样点红柳落叶4种阳离子总量平均值为84.734 mg/g；Ca²⁺含量最多,平均值为59.065 mg/g,变化范围为4.531~158.332 mg/g；Na⁺和Mg²⁺含量较多,Na⁺含量的平均值为13.482 mg/g,变化范围为0.960~41.897 mg/g,Mg²⁺含量的平均值为9.037 mg/g,变化范围为0.859~16.004 mg/g；K⁺含量最少,平均值为3.151 mg/g,变化范围为0.334~13.286 mg/g。

各样点阳离子含量平均值由高到低的顺序为：A采样点< B采样点< C采样点。A采样点处于河流下游,地势较低,再加上盆地地形使得水分汇聚于此,地下水位升高,水量丰富,阳离子含量低。而B、C采样点处于沙漠边缘的绿洲地区,人为活动影响比较比较大,生产生活及农业灌溉等大量引水,导致地下水位降低,水量减少,阳离子含量高。

各样点阳离子含量从大到小依次为：Ca²⁺ > Na⁺ > Mg²⁺ > K⁺。罗布泊地区红柳沙包沉积纹层中红柳落叶阳离子含量变化幅度排序为Ca²⁺ > K⁺ > Mg²⁺ > Na⁺,与本研究区相比K⁺和Na⁺含量相反。研究表明,Na⁺的高度积累严重影响K⁺的吸收,K⁺/Na⁺比值急剧降低,但Na⁺和Ca²⁺之间的拮抗作用并不明显^{[ 13]}。在正常情况下,Na⁺含量会高于K⁺和Mg²⁺含量,Na⁺含量由于受水分胁迫影响而主动积累。红柳K⁺主动积累有利于植物在干旱胁迫条件下调节关闭气孔,减少水分损失,红柳K⁺积累在干旱严重时,含量达到最高。本文研究区处于沙漠边缘,与极端干旱的罗布泊地区相比气候相对好些,因此阳离子含量变化会出现这种差别。

图5

Fig.5

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	图5 C采样点阳离子含量年际变化Fig.5 Inter-annual variation of positive ion content in sampling site C

4.1.3 不同阳离子含量变化的相关性

运用SPSS软件对各采样点红柳沙包不同阳离子含量之间以及与阳离子总量做线性相关分析,具体相关系数见表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 各阳离子含量之间以及与阳离子总量变化的相关系数 Table 1 Correlation coefficients between positive ion content and their total content 相关系数 Na+ Mg2+ K+ Ca2+ 阳离子总量 A采 样点 Na+ 1.000 0.152 0.796** -0.328** 0.244* Mg2+ 1.000 0.433** 0.423** 0.614** K+ 1.000 -0.175 0.331** Ca2+ 1.000 0.830** B采 样点 Na+ 1.000 0.596** -0.329** -0.022 0.756** Mg2+ 1.000 -0.138 0.333** 0.761** K+ 1.000 -0.209* -0.340** Ca2+ 1.000 0.626** C采 样点 Na+ 1.000 0.198* 0.411** 0.057 0.403** Mg2+ 1.000 0.308** 0.665** 0.744** K+ 1.000 -0.068 0.155 Ca2+ 1.000 0.931** 注：*表示通过置信度为0.05的检验,**表示通过置信度为0.01的检验

表1 各阳离子含量之间以及与阳离子总量变化的相关系数 Table 1 Correlation coefficients between positive ion content and their total content

由表1可以看出,A,B和C采样点各个阳离子与阳离子总量变化相关系数范围分别为0.244~0.830,-0.340~0.761和0.155~0.931,其中Ca²⁺含量的变化与阳离子总量变化的相关系数最高,分别为0.830(p<0.01),0.626(p<0.01)和0.931(p<0.01),说明Ca²⁺含量变化与阳离子总量之间存在显著的线性关系。

植物中钙反应灵敏,若有触感,病原体感染,植物激素,逆境(通常有盐胁迫,低温和干旱等),均可以引起细胞内Ca²⁺水平的变化,钙对许多环境信号刺激,内源激素的信号变化会很敏感^{[ 14]}。在受到胁迫时,Ca²⁺会做出响应,细胞中Ca²⁺含量通常会有明显的增多,通过增多Ca²⁺含量启动基因表达,进而激发相应的生化机制,最终使得植物能够顺利地在胁迫环境中生。Ca²⁺含量变化又与阳离子总量的变化趋势高度一致,因此可以用来分析气候环境变化。

4.2.1阳离子含量与区域平均气温

红柳落叶中钙离子含量变化与温度有一定的相关性^{[ 6]}：当气温升高时,高山上的冰雪融水产生较多径流,使得塔南地区地下水位升高、矿化度降低,红柳落叶阳离子含量随之下降。反之,当气温降低时,冰雪融水产生的径流随之减少,地下水位下降、矿化度升高,红柳落叶阳离子含量也随之增加。

塔南地区气温的波动大致分为3个时期 ,1903—1940年的低值波动期,l941—1970年的高值稳定期,1971—1992年的中值高波动期^{[ 15]}。克里雅河流域胡杨生长年轮研究结果也表明,1848—1907年为增温期,1907—1939年为降温期,1939—1986年为增温期^{[ 7]},以上结果与阳离子的含量变化有较好对应(表2)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 采样点钙离子含量变化与塔南地区温度之间的关系 Table 2 The relationship between Ca2+ content change at sampling sites and the temperature in southern region of Taklimakan desert 时期 温度 钙离子含量变化趋势 1903-1940年 1941-1970年 1971-1992年 低温 高温 中高温 钙离子含量呈逐渐升高的态势,有波峰存在。 钙离子含量呈逐渐降低的态势,有波谷存在。 钙离子含量波动幅度不大,总体呈增高态势。

表2 采样点钙离子含量变化与塔南地区温度之间的关系 Table 2 The relationship between Ca2+ content change at sampling sites and the temperature in southern region of Taklimakan desert

4.2.2 阳离子含量与冷暖期划分

水分条件是干旱、半干旱地区环境植物生长的重要限制因子^{[ 16]}。在极端干旱环境中,植物生长对地下水有着非常强的依赖性^{[ 17]},而本地区地下水多来源于周边山区的冰雪融水,气温升高融水量增加,红柳沙包红柳落叶阳离子含量与气温呈负相关。因此,可以通过采样点Ca²⁺含量的距平及累积距平变化,划分出塔南地区近400多年来的冷暖期。

图6中累积距平曲线向下倾斜段所在的区间表示该时段Ca²⁺含量偏低,反之则偏高。

图6

Fig.6

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	图6 采样点红柳落叶Ca2+含量距平值变化Fig.6 Anomaly curve of Ca2+ content at sampling sites

依据图6,划分研究区近400多年来气候的冷期和暖期,结果如表3。

由表3可以看出,B和C采样点的冷暖期划分较为一致,与其他地区冷暖期均有相对应的部分(表4)。其中,B采样点的1643—1798年、1829—1894年、1916—1926年、1938—1956年的冷期与C采样点的1691—1797年、1823—1894年、1911—1914年,1926—1927年的冷期,与姚檀栋等的古里雅冰芯记录^{[ 18]}、赵兴云的天目山树轮δ¹³C记录^{[ 19]}、张治家的通过树木年轮对额尔齐斯河流域温度的重建记录^{[ 20]}、王承义等利用树木年轮对伊犁地区温度的重建记录^{[ 21]}、李江风通过对塔里木河流域胡杨年轮研究对温度进行的重建记录^{[ 22]}的冷期对应较好。B采样点的1600—1642年、1799—1828年、1895—1915年、1927—1937年、1957—2010年的暖期和C采样点的1590—1690年、1798—1822年、1895—1910年、1915—1925年、1928—2010年的暖期与姚檀栋等的古里雅冰芯记录^{[ 18]}、赵兴云的天目山树轮δ¹³C记录^{[ 19]}、张治家的通过树木年轮对额尔齐斯河流域温度的重建记录^{[ 20]}、王承义等利用树木年轮对伊犁地区温度的重建记录^{[ 21]}、李江风通过对塔里木河流域胡杨年轮研究对温度进行的重建记录^{[ 22]}的暖期对应较好。

图6

Table 3

图6(Table 3)

图6 塔南地区气候冷暖期划分 Table 3 The division of temperature periods in southern region of Taklimakan desert 冷暖期 A采样点 B采样点 C采样点 冷期 1807-1897 1930-1940 1992-1995 1643-1798 1829-1894 1916-1926 1938-1956 1691-1797 1823-1894 1911-1914 1926-1927 暖期 1792-1806 1898-1929 1941-1991 1995-2010 1600-1642 1799-1828 1895-1915 1927-1937 1957-2010 1590-1690 1798-1822 1895-1910 1915-1925 1928-2010

图6 塔南地区气候冷暖期划分 Table 3 The division of temperature periods in southern region of Taklimakan desert

采样点冷暖期都有不同的对应现象,这说明利用采样点Ca²⁺含量的距平及累积距平变化分析划分出的塔南地区近400多年来的冷暖期,既具有同大范围冷暖一致的变化特征,又具有塔南地区的地方特色。本文研究区处于干旱的盆地,主要水分来源为冰雪融水和地下水,而其他地区处于山区或较大河流附近,主要水分来源为山地降水或河水。不同区域的自然地理背景导致了气候变化区域差异。将3个采样点Ca²⁺含量的距平值标准化,并对其进行拟合分析,得出塔南地区近400多来年的气候的冷暖期：1590—1691年为暖期,1692—1896年为冷期(其中暖波动为1799—1808年,1825—1829年,1878—1881年,1887—1891年),1897—2010年为暖期(其中冷波动为1939—1941年,1992—1998年)。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 新疆及周边地区气候变化冷暖期 Table 4 Cold and warm periods of climate change in different areas of Xinjiang and its surrounding area 代用指标 冷期 暖期 古里雅冰芯 记录 14世纪,16世纪 17世纪末-1920波动频繁(其中暖波动为1691-1790,1880-1990) 15世纪,17世纪 17世纪末-1920波动频繁(其中冷波动为1791-1880) 1920-今 天目山树轮 δ13C记录 1685-1708 1800-1894(其中暖波动为1840-1867) 1709-1799(其中冷波动为1722-1750,1760-1770)； 1895-1985(其中冷波动为1940-1964) 塔里木河中游 胡杨树轮记录 1829-1866 1880-1930 1949-1969 1807-1828,1867-1879, 1931-1948,1970-1988 额尔齐斯河流 域树轮记录 1831-1857 1890-1904 1932-1975 1782-1830,1858-1889, 1905-1931 伊犁地区树轮 记录 1763-1846 1859-1880 1903-1927 1735-1762,1847-1858, 1881-1902,1928-1985

表4 新疆及周边地区气候变化冷暖期 Table 4 Cold and warm periods of climate change in different areas of Xinjiang and its surrounding area

4.2.3 阳离子含量与年降水量

根据相关气象记录资料,B采样点所在地民丰县降水量主要集中在6~8月,年降水量为29.48 mm,年蒸发量为2 862.00 mm；C采样点所在地策勒县降水量主要集中在4~9月,年降水量为38.75 mm,年蒸发量为2 595.30 mm。分别将采样点红柳落叶Ca²⁺含量与降水量做相关性分析,结果表明两者相关性较差,均未达到90%的置信限。说明塔南地区气候干旱,降水量远远小于蒸发量,降水量的变化不足以引起红柳落叶阳离子含量的变化。

4.2.4 阳离子含量与洪水事件

红柳落叶中阳离子含量与水分状况对应性良好。塔南地区光、热条件非常充裕,水分是影响红柳生长的主要因子。由于上游截流用于农业生产及河流下渗等因素影响,导致下游水量逐渐减少,因此红柳的生长与汛期洪水密切相关,当洪水年发洪量较大时,下泄水量较大,地下水位升高,矿化度降低,红柳叶中阳离子含量随之下降。由3个采样点阳离子的含量变化(当年或下一年阳离子含量较低),可以推测出塔南地区近400多年间可能发生洪水的年份(表5)。

据记载,位于策勒县与民丰县之间的克里雅河在1941年,1963年,1971年,1972年,1981年,1987年,1996年,2000年和2001年为洪水年。3个采样点所在地距离克里雅河都有一定的距离,个别年份都有阳离子低值的滞后现象出现。在下一年阳离子含量减少,可能是由于个别年份的洪水发生时间较晚,对次年红柳的生长有影响。在个别洪水年份(A采样点在1963年,1981年,1987年；B采样点在1971年；C采样点在1981年,2000年,2001年)红柳落叶阳离子当年及接下来的年份的含量没有受到影响,可能由于河流的发洪量较小,不至于影响到采样点当年及下一年的落叶阳离子含量。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 塔南地区洪水发生年份 Table 5 Flood years in southern region of Taklimakan desert A采样点 B采样点 C采样点 洪水发 生年份 1799,1812,1832,1857,1869,1889,1902,1910,1931,1941,1945,1948,1958,1971,1972,1977,1986,1996,2000,2001 1784,1799,1812,1834,1857,1866,1869,1889,1896,1915,1931,1935,1941,1948,1958,1963,1969,1972,1975,1981,1987,1996,2000,2001, 2004 1784,1799,1812,1834,1857,1862, 1866,1869,1889,1892, 1903,1911 1915,1931,1941,1948,1963,1966,1969,1971,1972,1987,1996,2010,

表5 塔南地区洪水发生年份 Table 5 Flood years in southern region of Taklimakan desert

克里雅河流域胡杨树轮宽窄与洪水发生年份有较好对应,但个别洪水年份轮宽有滞后现象^{[ 23]}。在1931年和1948年,轮宽达到了高值,但是据记载这两年没有洪水发生,而红柳落叶阳离子含量在1931年3个采样点均处于低值；在1948年C采样点的阳离子含量较低,而A和B采样点在1949年含量降低,有滞后现象。3个采样点虽然都处于塔南地区,但由于A、B采样点与C采样点距离较远,区域气候存在差异,导致两地降水量有所不同,所以会出现滞后现象。

特别指出,1966年C采样点阳离子总量达到最低值,仅为6.685 mg/g,而A和B采样点阳离子总量变化均比较平稳,此年没有发生洪水记录。通过查阅气象站资料发现,C采样点从1961年到1966年降水量一直保持较高水平,比A和B采样点年降水量高出36.07 mm/a,可以推断由于局地降水量持续偏多导致C采样点红柳落叶阳离子含量在1966年达到最低。