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干旱区高-低基面对应的湿润期同步性与反相假说反驳，基于天山西麓 Junggar 盆地磁参数重建末次冰期以来气候演变，揭示 14-10.5 ka 和 5-0.5 ka 两次湿润期，与天山黄土记录一致，证实山地-盆地系统气候耦合，为欧亚农业传播提供环境证据。
刘成英|郭本宏|李源|张国东|徐恒明|常东明|李在军|胡文曦|聂俊生
中国甘肃省兰州大学地球科学学院西部矿产资源重点实验室，兰州730000
摘要
了解中亚全新世的水文气候演变对于理解欧亚大陆上人类文化交流的历史非常重要；然而，目前尚不确定山区与相邻流域的水分变化是否同步发生。本文利用来自中国准噶尔盆地南部的高分辨率磁参数古环境记录，阐明了末次冰盛期以来盆地与山区之间的水分变化及其动态。研究结果显示存在两个湿润阶段：晚更新世至早全新世（约14–10.5千年前）和中全新世至晚全新世（约5–0.5千年前），其中后期阶段比早期阶段更为湿润。这一模式与天山山脉约1500米高度地区的黄土-古土壤记录中的独立证据一致，表明全新世的水文气候变化在不同海拔范围内具有共性。结合考古证据，我们认为自5千年前以来的湿润条件促进了农牧业的扩张，并加强了跨欧亚的文化交流。
引言
干旱的中亚（ACA）是地球上最大的连续干旱地带，它连接了西亚和东亚的农业发源地（Chen等人，2016；Taylor等人，2021）。全新世期间水分的波动反复扩张或收缩了该地区的绿洲和草原，从而影响了新石器时代的扩散速度和路径（An等人，2001；Lan等人，2021；Taylor等人，2021）。该地区东部以复杂的海盆-山地地形为特征，典型的例子包括天山山脉以及相邻的准噶尔盆地和塔里木盆地。由于远离主要海洋水分来源，ACA的水文气候极易受到全球和地区大气环流动态的影响（Chen等人，2008；Thompson等人，2018）。高山地区作为重要的“水塔”，通过冰川融水和地形降水为干旱的低地提供必要的淡水（Jia等人，2013；Thompson等人，2018；Miao等人，2024）。因此，重建这一综合的海盆-山地系统的气候演变对于解决关于区域气候动态的基本争议以及预测全球干旱地区的未来环境变化至关重要。
ACA古气候学中的一个核心争论是高山与山间盆地之间水分变化是否同步。有一种假说认为全新世期间两者呈反相关系（Rao等人，2019）：高山地区长期趋于干旱——这归因于夏季季风的影响减弱——而盆地地区则同期出现湿润趋势。该框架认为盆地的水分变化主要由温度调节的蒸发作用驱动，而非直接降水的增加。然而，这一解释受到了质疑（Jia等人，2021）。这种观点依赖于空间有限且有时具有不确定性的地质记录；例如，石笋中的δ18O值同时反映了水分来源和温度的信息，使其难以作为直接的局部降水量代理指标（Liu等人，2015；Cheng等人，2016；Gao等人，2024）。
相比之下，利用连续陆地黄土-古土壤序列的研究提供了支持耦合气候演变的证据（Li等人，2015；Chen等人，2016；Xie等人，2018；Kang等人，2020；Sun等人，2020；Jia等人，2021）。例如，在天山-伊犁地区进行的多指标研究表明，大约7–5千年前，山区和盆地地区的土壤形成过程同时增强，表明有效水分增加。这些发现直接反驳了反相假说，表明该地区对气候变化的响应是一致的。
尽管取得了这些进展，但仍存在关键的知识空白。来自盆地内部极端干旱地区的古气候记录仍然稀缺，且适合用于识别这些干旱沉积系统中水分驱动信号的具体环境指标需要进一步验证。在环境变化显著的绿洲-沙漠生态过渡带，需要可靠的指标来区分风成碎屑输入和在不同湿度条件下的原位化学风化作用。
为填补这些空白，我们提供了来自准噶尔盆地南部GB02钻孔岩心的古水分记录（图1）。通过结合光释光（OSL）年代测定、环境磁学和粒径分析的方法，我们首先建立了可靠的矿物磁学指标，然后利用这些指标重建了过去2万年的水文气候。通过将我们的记录与天山和阿尔泰山脉已发表的序列进行比较，我们明确测试了反相气候假说。我们的目标是验证水分变化的趋势是否同步，并确定驱动ACA水文气候变化的主要机制——冰川融水还是西风降水。这项工作提供了一个经过验证的框架，有助于解决关于区域气候动态的长期争议。
地质背景和采样
准噶尔盆地位于中国西北部（图1a），是该国第二大内陆盆地，南部被天山山脉环绕，北部和东部被阿尔泰山脉环绕，西北部被准噶尔山脉环绕（图1b）。这些具有不同地质历史的山脉由多种岩石构成，是盆地内碎屑沉积物的主要来源（Qian等人，2003；Rao等人，2015）。它们的山麓地区覆盖着...
环境指标：粒径和环境磁学指标
为了重建沉积物中的古环境条件，我们采用了一系列粒径和环境磁学分析方法。对于粒径分析，我们预先处理了约0.6克的样品以去除有机物和碳酸盐。粒径分布使用Malvern Mastersizer 2000激光粒径分析仪进行测量。为了分离控制沉积物沉积的水动力过程，粒径数据被划分为不同的...
沉积相和古环境解释
GB02岩心顶部15米的粒径分析显示两种主要沉积相的明显交替（图2，图3）。粗粒层的中值粒径为63–220微米，形成了3.99至7.9米和10.34至12.53米厚的层，被解释为风成沙漠砂。这些粗粒层之间夹杂着细粒层（中值粒径：1.7–60微米），其中超过74%的颗粒直径小于10微米。这些细粒层主要集中在0.1–2.72米深度...磁学指标作为可靠的水分指示器
GB02钻孔的地层记录了过去约2万年的变化，显示了粗粒沙漠相和细粒绿洲/湖泊相之间的交替（图2），反映了这一敏感绿洲-沙漠生态过渡带的动态环境历史。这两种相的独特磁学特性（图4，图5，图6）为解码潜在的环境过程提供了可靠的依据。虽然两种相都以磁铁矿为主要磁载体，但它们的磁学特性不同...结论
我们从准噶尔盆地获得的记录表明，在过去约2万年中，干旱的中亚山区-盆地系统的水文气候是同步变化的，从而反驳了反相假说。记录显示存在两个湿润阶段：晚更新世至早全新世阶段（约14–10.5千年前）和更湿润的中全新世至晚全新世阶段（约5–0.5千年前）。这一水分模式与伊犁盆地和天山山脉（海拔约1500米）的独立黄土-古土壤证据一致，证明了水文气候的连贯性...
CRediT作者贡献声明
刘成英：撰写初稿，数据管理。郭本宏：方法学研究，正式分析。李源：撰写初稿，数据管理。张国东：可视化处理，验证。徐恒明：可视化处理，调查。常东明：可视化处理，调查。李在军：资源协调。胡文曦：可视化处理，调查。聂俊生：项目管理，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项工作得到了第三次新疆科学考察计划（2023xjkk0100）和国家自然科学基金（42274100，42372208）的财政支持。我们感谢古地磁学与地质年代学实验室（PGL）、中国科学院地质与地球物理研究所提供的实验室设施支持。同时，我们也感谢罗崇文在野外采样和图表制作方面的协助。
