中国西北部巴丹吉林沙漠腹地地下补给湖泊沉积物中的植硅体组合及其对古环境重建的启示

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Phytolith assemblages in groundwater-recharged lake sediments from the Badain Jaran Desert hinterland, Northwestern China and their implications for paleoenvironmental reconstruction

　　

梁翔|蒯雨涵|董世培|李萌|姜高磊|李卓伦

中国兰州大学地球与环境科学学院，冰川与沙漠研究中心

摘要

准确识别湖泊沉积物中植硅体组合的环境意义对于古环境重建至关重要。然而，在干旱地区，由于风蚀作用和沉积后过程的影响，湖泊植硅体组合的解释可能变得复杂，从而导致其环境意义不明确。本研究从巴丹吉林沙漠腹地收集了45个湖泊表层沉积物、湖岸土壤和风成砂样品，以及一个43厘米长的沉积物岩芯（BRY）。通过聚类分析和传递函数分析了总共59个植硅体组合，以阐明它们的环境意义。研究结果表明，湖泊沉积物中的植硅体组合具有混合来源，既来源于湖岸植被也来源于大型沙丘植被。这表明它们反映了湖泊流域的水文气候条件，而不仅仅能直接反映降水量。此外，高pH值条件下湖泊沉积物中的植硅体可能会发生溶解，导致GSSCPs（一种特定类型的植硅体）的含量非常低。由于湖岸湿度的影响和选择性溶解作用，直接使用湖泊沉积物中的植硅体组合来重建降水量可能会引入显著偏差。为了解决这个问题，我们对这些沙漠湖泊的植硅体–MAP传递函数应用了一个0.6的实证校准系数，从而使BRY岩芯沉积物中的降水量估计结果与气象数据更加吻合。因此，基于干旱沙漠湖泊沉积物中植硅体组合的古环境重建应考虑局部水文气候和湖水pH值对其环境意义的影响。本研究提高了基于植硅体组合的古环境重建的可靠性。

引言

明确代理指标的环境意义有助于可靠的古环境重建（Li等人，2018；Chen等人，2019；Liu等人，2019）。在这些代理指标中，植硅体（SiO₂·nH₂O）是在植物细胞内和细胞间沉淀的无定形硅颗粒（Piperno，2006）。由于其抗分解性和能够原位保存植被信息的能力（Lu等人，2006；Crifò和Str?mberg，2020；Zuo等人，2021；Ul Rehman等人，2024），植硅体被广泛用于古环境重建（Zuo等人，2021；Ul Rehman等人，2024；Jarl等人，2025）。因此，确定沉积物中植硅体的环境意义对于准确解释古气候记录和增进我们对地球系统对全球变化响应的理解至关重要（Li等人，2025；Zhou等人，2025；Shao等人，2026）。

然而，湖泊沉积物中的植硅体受到多种因素的影响（Li等人，2019a；Plumpton等人，2020；Yost等人，2021），这使得明确其环境意义变得必要。众多研究表明，这些因素包括来源（Aleman等人，2014）、运输（Garnier等人，2013）和沉积后的保存（Qader等人，2023）。在干旱沙漠地区，强风（Dong等人，2013）可以将风成砂输送到湖泊（Li等人，2018），同时也可能将植硅体从受降水影响的周围沙丘植被输送到湖泊。同时，受湖泊流域周围地下水影响的湖岸植被（Sun，2018；Zhang等人，2018）也可能对湖泊沉积物中的植硅体组合有所贡献。因此，湖泊沉积物中的植硅体组合可能具有混合来源，使其环境意义变得复杂。此外，沉积后过程可能会改变原始组合（Piperno，2006；Qader等人，2023）。在碱性湖泊水条件下，选择性溶解可能会优先去除脆弱的形态类型（Piperno，2006；Latorre等人，2012），从而偏置湖泊沉积物中的组合。目前，干旱沙漠湖泊沉积物中植硅体组合的环境意义仍不确定，它们在定量降水重建中的可靠性需要进一步详细研究。

巴丹吉林沙漠位于中国西北部的干旱地区，处于亚洲夏季季风和西风带的气候过渡区内，对气候变化非常敏感。该沙漠腹地的大型沙丘之间分布着110个由地下水补给的湖泊（Wang等人，2016；Dong等人，2018；Li等人，2022），这些湖泊作为基于粒度、花粉和同位素组成等代理指标的古环境重建的宝贵档案（Yang等人，2010；Ning等人，2019；Ning等人，2021；Dong等人，2022；Li等人，2024a）。然而，这些湖泊中植硅体组合的沉积和埋藏过程仍然知之甚少，导致湖泊沉积物中植硅体组合的环境意义不明确。例如，考虑到沙漠中的强风活动（Dong等人，2013），尚不清楚湖泊沉积物中的植硅体是来源于周围的沙丘植被还是非地带性的湖岸植被。此外，植硅体沉积在湖泊沉积物后，在高pH值湖泊水条件下溶解的程度也不清楚。因此，研究这些湖泊沉积物中植硅体组合的环境意义对于提高干旱地区基于植硅体的古环境重建的准确性是必要的。

在本研究中，我们调查了来自巴丹吉林沙漠腹地湖泊表层沉积物、湖岸土壤、风成砂和一个沉积物岩芯的植硅体组合。分析了样品中的总共59个植硅体组合。通过聚类分析和传递函数，我们旨在阐明沙漠湖泊沉积物中植硅体组合的环境意义，并探讨如何利用这些组合准确重建沙漠腹地湖泊的古环境。

章节片段

研究区域

巴丹吉林沙漠位于中国西北部的亚洲季风边缘（图1），海拔范围从900米到1500米（Zhu等人，2010）。这是中国第二大沙漠，总面积达5.2×10⁴平方公里（Zhu等人，2010）。沙漠的南缘被一系列裸露的山脉环绕（Li等人，2022；Dong等人，2022）。从地质上看，该沙漠位于阿拉善高原的一个凹陷盆地内（Ma等人，2004）。

采样

为了确定巴丹吉林沙漠腹地湖泊中植硅体的来源，共收集了45个样品，包括34个湖泊表层沉积物样品、5个湖岸土壤样品和6个风成砂样品。湖泊表层沉积物样品是通过两条交叉采样线使用Bottom Sampler（VG，上海P-NAV Scientific Instruments，中国）从T湖和S湖获取的，从而涵盖了每个湖泊流域的代表性样本。

BRY岩芯沉积物的粒径分布和年代学

粒径分析将BRY岩芯沉积物分为三个主要组分：粘土（< 2微米）、粉砂（2–63微米）和砂（> 63微米）。沉积物中砂的比例最高，占58%到81%（平均74%）。粉砂的比例在17%到39%之间，平均为24%，而粘土的比例最低，介于1%到3%之间（平均2%）（图4）。

BRY岩芯沉积物的¹³⁷Cs活动曲线（图4）展示了典型的

植硅体是在植物细胞内或细胞间隙形成的含水硅颗粒，在母植物分解时释放到土壤中（Piperno，2006）。因此，植硅体组合记录了局部或区域尺度的植被和气候变化（Liu等人，2020；Zuo等人，2021）。然而，土壤和沉积物中的植硅体组合受到多种因素的影响，包括植被组成（Gao等人，2018；Li等人，2024b）、沉积物运输（

结论

巴丹吉林沙漠腹地湖泊沉积物中的植硅体组合来源于湖岸和周围大型沙丘的植被，同时也受到沉积后溶解的影响。因此，这些组合主要反映了湖泊流域的水文气候条件，而不仅仅能直接反映降水量。直接将植硅体–MAP传递函数（基于代表适应该气候的表层土壤开发）应用于湖泊

CRediT作者贡献声明

梁翔：撰写 – 修订与编辑，撰写 – 原始草案，方法论，调查。蒯雨涵：方法论。董世培：撰写 – 修订与编辑，资金获取。李萌：调查。姜高磊：调查。李卓伦：撰写 – 修订与编辑，方法论，调查，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会影响到本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Yama Dixit博士、Howard Falcon-Lang博士以及五位匿名审稿人的建设性评论，这些评论显著改进了手稿。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42271003, 42301001）、甘肃省科技计划资金（24JRRA517）和兰州大学超级计算中心的支持。