光釋光測年揭示毛烏素與渾善達克沙地晚第四紀氣候變遷一、引言1.1研究背景與意義沙地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其氣候變化對全球變化研究具有不可忽視的作用。毛烏素沙地和渾善達克沙地位于中國北方干旱半干旱地區(qū)，是東亞季風影響的邊緣地帶，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，對氣候變化響應敏感。深入研究這兩個沙地的晚第四紀氣候變化，有助于理解全球氣候變化的區(qū)域響應機制，為預測未來氣候變化趨勢提供關(guān)鍵依據(jù)。毛烏素沙地與渾善達克沙地在地理位置上處于氣候過渡帶，其氣候波動不僅影響當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，還通過沙塵傳輸?shù)冗^程對周邊地區(qū)乃至全球氣候產(chǎn)生影響。沙地生態(tài)系統(tǒng)的變化，如植被覆蓋度的增減、沙丘的活化與固定，與氣候變化密切相關(guān)。過去的研究表明，氣候變化導致的降水和溫度變化，直接影響沙地植被的生長和分布，進而影響沙地的沙漠化進程。在全球氣候變暖的背景下，了解沙地過去的氣候變化規(guī)律，對于評估未來氣候變化對沙地生態(tài)系統(tǒng)的影響至關(guān)重要。此外，沙地地區(qū)是眾多生物的棲息地，也是人類活動的重要區(qū)域。氣候變化對沙地生態(tài)系統(tǒng)的影響，直接關(guān)系到生物多樣性保護和人類的可持續(xù)發(fā)展。例如，干旱化加劇可能導致沙地植被退化，生物多樣性減少，同時也會影響當?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)，威脅人類的生存和發(fā)展。因此，研究沙地氣候變化對于制定科學合理的生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展策略具有重要的現(xiàn)實意義。在沙地晚第四紀氣候變化研究中，準確的年代測定是重建氣候變化歷史的關(guān)鍵。光釋光測年技術(shù)作為一種有效的測年方法，能夠為沙地沉積序列提供可靠的年代框架。通過對沙地沉積物中石英等礦物的光釋光信號測量，可以確定沉積物的最后一次曝光時間，從而推斷沉積年代。該技術(shù)在沙地研究中的應用，為揭示沙地氣候變化的時間序列和演化規(guī)律提供了有力手段，彌補了傳統(tǒng)測年方法在沙地環(huán)境中的局限性，使得我們能夠更精確地了解沙地過去的氣候變化歷史，為深入研究沙地氣候變化與全球變化的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。1.2研究目標與內(nèi)容本研究旨在利用光釋光測年技術(shù)，重建毛烏素沙地和渾善達克沙地晚第四紀以來的精確年代框架，進而揭示兩地沙地在晚第四紀時期的氣候變化規(guī)律及其驅(qū)動機制，具體研究內(nèi)容如下：光釋光測年及年代框架構(gòu)建：在毛烏素沙地和渾善達克沙地選取具有代表性的沉積剖面，系統(tǒng)采集沉積物樣品。運用先進的光釋光測年技術(shù)，對樣品進行精確測年，獲取每個樣品的沉積年代。通過對不同剖面年代數(shù)據(jù)的綜合分析，構(gòu)建兩地沙地晚第四紀以來高精度的年代框架，為后續(xù)氣候變化研究提供可靠的時間標尺。例如，在毛烏素沙地的[具體剖面名稱]，依據(jù)地層特點，每隔一定深度采集樣品，確保能涵蓋不同時期的沉積信息，經(jīng)過嚴謹?shù)墓忉尮鉁y年流程，確定各層沉積物的形成年代。沙地沉積特征與氣候替代性指標分析：對采集的沉積物樣品進行詳細的沉積學分析，包括粒度、磁化率、色度等指標的測試。粒度組成可反映風力強度和物源遠近，粗顆粒含量高通常指示風力較強、氣候干旱；磁化率與成壤作用相關(guān)，較高的磁化率值暗示氣候濕潤、成壤作用較強。通過對這些氣候替代性指標的分析，重建沙地在不同時期的古氣候環(huán)境。如在渾善達克沙地的[具體剖面]，分析發(fā)現(xiàn)某一時期沉積物粒度變粗、磁化率降低，表明當時氣候趨于干旱，風力增強。晚第四紀氣候變化規(guī)律研究：結(jié)合光釋光年代框架和氣候替代性指標數(shù)據(jù)，重建毛烏素沙地和渾善達克沙地晚第四紀時期的氣候變化歷史。劃分不同的氣候階段，分析各階段氣候特征及變化趨勢，探討氣候變化的周期性和突變事件。研究表明，全新世早期，毛烏素沙地可能經(jīng)歷了較為干旱的階段，而全新世中期，氣候相對濕潤，植被覆蓋增加，沙地固定；渾善達克沙地在全新世晚期，可能出現(xiàn)了氣候變干、沙丘活化的現(xiàn)象。氣候變化驅(qū)動機制探討：綜合考慮全球氣候變化背景，如冰期-間冰期旋回、太陽輻射變化等，以及區(qū)域地形、大氣環(huán)流等因素，探討毛烏素沙地和渾善達克沙地晚第四紀氣候變化的驅(qū)動機制。分析東亞季風、西風環(huán)流等大氣環(huán)流系統(tǒng)對兩地沙地氣候的影響，以及地形地貌如何調(diào)節(jié)氣候要素的分布。例如，研究東亞季風強度變化如何影響沙地的降水和溫度，以及地形的阻擋或引導作用對風沙活動和氣候的影響。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1毛烏素沙地研究現(xiàn)狀在毛烏素沙地的研究中，其氣候變化和沙漠化過程一直是重點關(guān)注領(lǐng)域。早期研究多集中于對沙地第四紀地層、時空演化以及古氣候變化的初步探討。董光榮等學者通過對末次間冰期以來特征時期及中全新世沙漠-黃土邊界帶移動及氣候變化的研究，為毛烏素沙地的古氣候研究奠定了基礎(chǔ)。Sun等利用粒度、磁化率等替代性質(zhì)指標及古地磁、熱釋光定年，重建了580kaBP以來毛烏素沙地沙漠-黃土邊界帶古環(huán)境變化，在長時間尺度上對沙地形成及演化的時間框架進行了確定。但由于當時測年技術(shù)的局限性，這些研究多依賴于地層、沉積速率的線性內(nèi)插和替代性氣候指標的對比。隨著研究的深入，對毛烏素沙地氣候變化的認識不斷細化。有研究表明，全新世時期毛烏素沙地經(jīng)歷了多次氣候干濕變化，沙地植被也相應地發(fā)生了改變。在全新世中期，氣候相對濕潤，沙地植被覆蓋度增加，沙丘固定；而在全新世晚期，氣候逐漸變干，沙丘活化，沙漠化加劇。在人類活動方面，不合理的土地利用，如過度開墾、過度放牧等，也對沙地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了顯著影響，加速了沙漠化進程。在測年技術(shù)應用上，光釋光定年技術(shù)逐漸得到應用。光釋光定年技術(shù)能夠?qū)o炭樣品進行年代測定，且解決了熱釋光殘留值導致年代偏老等問題，為毛烏素沙地的研究提供了更準確的年代數(shù)據(jù)。已有學者利用光釋光定年技術(shù)對毛烏素沙地的風成沉積物進行測年，結(jié)合沙丘動態(tài)過程分析，重建了沙地沙丘固定與活化過程。但目前系統(tǒng)測定晚第四紀以來風成沉積物的年代數(shù)據(jù)仍然較少，在空間分布上也不夠均勻，難以全面反映沙地氣候變化的時空特征。1.3.2渾善達克沙地研究現(xiàn)狀渾善達克沙地的研究同樣涵蓋了氣候變化、沙漠化以及生態(tài)環(huán)境等多個方面。劉樹林和王濤利用該地區(qū)8個典型氣象站近50年的氣候資料，以及錫林郭勒盟南部1903-1975年旱澇等級指數(shù)數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)近50年來，渾善達克沙地氣溫升高趨勢顯著，與全球變暖表現(xiàn)一致，且降水量在波動中微弱減少，存在區(qū)域差異。趙媛媛等學者總結(jié)了20世紀80年代以來渾善達克沙地土地沙漠化相關(guān)研究，指出20世紀80年代末期到2000年是區(qū)域沙漠化的快速發(fā)展期，之后植被得到有效恢復，沙漠化減緩，氣候變化是觸發(fā)區(qū)域沙漠化的關(guān)鍵自然因子，而過度放牧和植被建設是區(qū)域沙漠化發(fā)展或逆轉(zhuǎn)的直接人為主導因素。在古氣候研究方面，呂同艷團隊通過對渾善達克沙地桑根達來地區(qū)兩個典型沙丘剖面的光釋光（OSL）測年工作，建立了年代沉積序列，并分析了風成砂的古氣候指標，認為全新世早期，風成沙丘堆積表明氣候干旱，主要由增強的東亞冬季季風驅(qū)動；全新世中期（約8和4ka），受增強的東亞夏季季風影響，相對溫暖和潮濕的氣候更有利于沙丘的固定和古土壤的形成；全新世晚期，從約4ka到現(xiàn)在，氣候恢復到干旱和半干旱階段，以風成沙丘和一些微弱發(fā)育的古土壤為特征。光釋光測年技術(shù)在渾善達克沙地的研究中也取得了一定進展。通過對多個剖面的光釋光測年，建立了渾善達克沙地的光釋光年代序列，發(fā)現(xiàn)該年代序列與氣候指標（如磁化率、粒度、紅度和亮度）以及孢粉分布、海表溫度等其他氣候指標之間存在明顯相關(guān)性。但目前關(guān)于渾善達克沙地的光釋光測年研究，仍存在剖面數(shù)量有限、研究區(qū)域不夠全面等問題，對于一些氣候事件的發(fā)生機制和區(qū)域響應差異的認識還不夠深入。1.3.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足綜上所述，國內(nèi)外學者在毛烏素沙地和渾善達克沙地的氣候變化及光釋光測年應用方面已取得了一系列成果，但仍存在以下不足：年代數(shù)據(jù)精度與覆蓋度不足：盡管光釋光測年技術(shù)已在兩個沙地得到應用，但系統(tǒng)測定晚第四紀以來風成沉積物的年代數(shù)據(jù)總體較少，在空間分布上存在局限性，難以構(gòu)建高精度、全覆蓋的年代框架，限制了對沙地氣候變化精細過程的研究。氣候替代性指標綜合分析不夠：目前對沙地沉積特征與氣候替代性指標的研究，多集中在單一或少數(shù)幾個指標，缺乏對多種指標的綜合分析和相互驗證，難以全面準確地重建古氣候環(huán)境。氣候變化驅(qū)動機制研究有待深入：雖然已認識到全球氣候變化背景和區(qū)域大氣環(huán)流等因素對沙地氣候變化的影響，但對于各因素之間的相互作用關(guān)系和具體驅(qū)動機制，缺乏深入系統(tǒng)的研究，尤其在不同時間尺度上的驅(qū)動機制差異研究較少。對比研究缺乏：毛烏素沙地和渾善達克沙地雖都位于中國北方干旱半干旱地區(qū)，但對二者在晚第四紀氣候變化特征、規(guī)律及驅(qū)動機制方面的對比研究相對較少，不利于全面理解沙地氣候變化的區(qū)域差異性和共性。二、光釋光測年技術(shù)原理與方法2.1光釋光測年基本原理光釋光測年技術(shù)的基礎(chǔ)是礦物晶體在輻射作用下的儲能與釋光現(xiàn)象。當晶體礦物，如常見的石英、長石等，處于自然環(huán)境中時，會不斷受到來自周圍環(huán)境的電離輻射，這些輻射主要源于巖石和土壤中U、Th、K等放射性元素衰變產(chǎn)生的α、β、γ射線以及宇宙射線。輻射與晶體相互作用，導致晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，形成電子陷阱。晶體中的電子在輻射作用下獲得足夠能量，從價帶躍遷到導帶，隨后被陷阱捕獲，從而在晶體中儲存能量。這種儲能過程是一個持續(xù)的積累過程，只要晶體處于輻射環(huán)境中，電子就會不斷被陷阱捕獲，儲存的能量也會逐漸增加。當晶體礦物在埋藏之前被日光長時間照射或被高溫加熱時，其釋光信號會被曬退歸零。這是因為在強烈的光照或高溫條件下，被陷阱捕獲的電子獲得額外能量，從陷阱中逃逸出來，與空穴復合，以光子的形式釋放出儲存的能量，使得晶體中的釋光信號被清空，相當于將光釋光測年的“時鐘”重置為零。Codyfrey-Smith等通過實驗證明了釋光信號存在光曬退現(xiàn)象，把儲存有釋光信號的石英礦物放在太陽光下直接照曬20秒，石英的釋光信號強度就會降為原來的1%，長石在太陽光下照曬約6分鐘釋光信號降為原來的1%，石英的釋光信號經(jīng)幾個小時的太陽光照曬后其釋光信號強度就會降為原來的0.01%。當晶體礦物被埋藏后，它將重新接受來自周圍環(huán)境的電離輻射，其釋光信號就會重新積累。釋光信號積累的強度與所接受的環(huán)境輻射劑量成正比，而環(huán)境輻射劑量又取決于晶體礦物周圍U、Th和K等放射性元素的含量以及宇宙射線的輻射強度。由于宇宙輻射和放射性物質(zhì)的輻射短期內(nèi)（相對于其半衰期而言）是相對穩(wěn)定的，所以在某一特定地點，環(huán)境中的輻射劑量率可近似看作固定值。這意味著同一地點的晶體礦物所接受的環(huán)境輻射劑量與積累時間成正比，積累時間越長，接受的輻射劑量越多，儲存的釋光信號也就越強。光釋光測年正是基于上述原理，通過測量樣品中礦物晶體的釋光信號積累量（等效劑量，De）以及樣品埋藏環(huán)境的放射性輻射劑量率（年輻射劑量，D），來計算樣品的年齡。等效劑量是指在實驗室中，通過人工輻射使樣品產(chǎn)生與天然釋光信號相同強度的光釋光信號時所需要的輻射劑量，它反映了樣品在埋藏期間所積累的環(huán)境輻射劑量總量。年輻射劑量則是樣品在埋藏環(huán)境中單位時間內(nèi)所接受的環(huán)境輻射劑量，通過測定樣品中鈾、釷和鉀的含量，根據(jù)相關(guān)換算關(guān)系計算得出。樣品年齡（A）的計算公式為A=De/D，其中年齡單位通常為千年（Ka）或年（a），等效劑量單位為Gy或mGy，年輻射劑量單位為Gy/Ka或mGy/a。這種基于信號積累與輻射劑量關(guān)系的測年原理，使得光釋光測年能夠為地質(zhì)和考古研究提供重要的時間信息，特別是對于缺乏其他測年手段的沉積物樣品，光釋光測年技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢。2.2光釋光測年實驗流程光釋光測年實驗流程主要包括樣品采集、處理、等效劑量測量及環(huán)境劑量率測定等關(guān)鍵步驟，每個步驟都對測年結(jié)果的準確性起著至關(guān)重要的作用。在樣品采集過程中，為確保獲取具有代表性且光釋光信號未受干擾的樣品，需嚴格遵循特定的方法和要求。對于毛烏素沙地和渾善達克沙地的沉積剖面，選擇在沉積環(huán)境相對穩(wěn)定、地層連續(xù)且無明顯后期擾動的位置進行采樣。使用特制的采樣管，在盡量避免光照的條件下插入地層，迅速采集柱狀樣品。以某一典型剖面為例，從剖面頂部開始，每隔一定深度（如20-50厘米）采集一個樣品，確保覆蓋不同時期的沉積層。采集后的樣品兩端用黑色膠帶密封，以防止光線進入，然后立即放入避光的樣品袋中，并做好詳細記錄，包括采樣地點、經(jīng)緯度、海拔、采樣深度、樣品編號以及地層描述等信息。如在毛烏素沙地的[具體采樣點]，詳細記錄了該點位于[具體地理位置描述]，經(jīng)緯度為[具體經(jīng)緯度]，海拔[具體海拔高度]，采樣深度從地表以下0.5米開始，依次采集了多個樣品，對應不同的地層特征如砂質(zhì)層、粉砂質(zhì)層等。樣品處理在暗室中進行，以防止自然光對樣品光釋光信號的影響。首先，將采集的柱狀樣品從采樣管中取出，削去兩端可能受到光照的部分（一般削去2-3厘米）。接著，使用體積分數(shù)為10%-20%的鹽酸（HCl）溶液浸泡樣品，去除其中的碳酸鹽類物質(zhì)，反應時間約為12-24小時，期間需不斷攪拌以促進反應充分進行。隨后，用體積分數(shù)為30%-50%的雙氧水（H?O?）溶液去除有機質(zhì)，反應時間同樣為12-24小時。在去除碳酸鹽和有機質(zhì)后，采用濕篩法篩選出90-125μm粒度的樣品，這一粒度范圍的樣品具有較好的光釋光特性。對于篩選后的樣品，用40%-50%的氫氟酸（HF）溶液刻蝕1-2小時，以去除其中的長石成分，因為長石的光釋光特性與石英不同，可能會對測年結(jié)果產(chǎn)生干擾?？涛g完成后，用去離子水反復沖洗樣品，直至沖洗液呈中性。最后，將處理后的樣品烘干備用。等效劑量（De）測量是光釋光測年的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本研究采用單片再生劑量法（SAR）在熱釋光/光釋光測量儀（如Ris?-TL/OSL-20）上進行。測量過程如下：將處理好的樣品制成單個顆粒的薄片，放置在測量儀的樣品臺上。首先，對樣品在240℃下預熱10秒，以去除不穩(wěn)定的信號。然后，在樣品溫度為125℃時，用藍色或綠色光源照射樣品40秒，測量其光釋光強度，得到光釋光的衰減曲線。為監(jiān)控測量過程中樣品光釋光靈敏度的變化，給樣品照射一個檢測劑量（通常為1-2Gy）。接著，快速加熱樣品到200℃，去除不穩(wěn)定信號。再在125℃時，測量該檢測劑量產(chǎn)生的光釋光強度。將第一步測量的自然光釋光強度與第五步測量的檢測劑量光釋光強度相除，得到靈敏度校正后的光釋光強度。在完成自然光釋光強度測量后，分別給樣品施加不同的再生劑量（如5Gy、10Gy、15Gy等），重復上述預熱、測量光釋光強度、施加檢測劑量、去除不穩(wěn)定信號、測量檢測劑量光釋光強度的過程，測量不同再生劑量產(chǎn)生的光釋光信號。根據(jù)靈敏度校正后的再生光釋光強度，繪制出該樣品的光釋光生長曲線。通過內(nèi)插法，根據(jù)自然光釋光的強度在生長曲線上求出該樣品的等效劑量。例如，在對渾善達克沙地某樣品的測量中，經(jīng)過多次測量和數(shù)據(jù)處理，得到了其光釋光生長曲線，通過內(nèi)插法準確計算出該樣品的等效劑量為[具體等效劑量值]。環(huán)境劑量率測定對于準確計算樣品年齡同樣不可或缺。環(huán)境劑量率主要由樣品中鈾（U）、釷（Th）和鉀（K）等放射性元素的含量以及宇宙射線的貢獻組成。本研究使用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）測定樣品中U、Th和K的含量。通過對樣品進行消解處理，將其中的元素轉(zhuǎn)化為溶液狀態(tài)，然后利用ICP-MS精確測量溶液中U、Th和K的濃度。根據(jù)Aitken提出的換算關(guān)系，將元素含量轉(zhuǎn)換為相應的輻射劑量率。宇宙射線的劑量率則根據(jù)樣品采集地點的經(jīng)緯度、海拔高度等信息，通過相關(guān)公式進行計算。最終，將放射性元素產(chǎn)生的劑量率和宇宙射線劑量率相加，得到樣品的總環(huán)境劑量率。例如，在毛烏素沙地某樣品的環(huán)境劑量率測定中，通過ICP-MS測得樣品中U、Th和K的含量分別為[具體含量值]，根據(jù)換算關(guān)系計算出放射性元素產(chǎn)生的劑量率為[具體劑量率值]，再結(jié)合樣品采集地點的經(jīng)緯度[具體經(jīng)緯度]和海拔[具體海拔高度]，計算出宇宙射線劑量率為[具體劑量率值]，兩者相加得到總環(huán)境劑量率為[最終環(huán)境劑量率值]。2.3光釋光測年技術(shù)優(yōu)勢與局限性光釋光測年技術(shù)在沙地晚第四紀氣候變化研究中展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢。首先，該技術(shù)的適用樣品范圍廣泛，在毛烏素沙地和渾善達克沙地的研究中，各類風成沉積物、河流相沉積物以及湖泊相沉積物等都能作為測年樣品。例如，風成沙丘砂是沙地常見的沉積物類型，其在搬運和沉積過程中，石英等礦物顆粒受到充分的日光照射，釋光信號被有效曬退，滿足光釋光測年對樣品的要求，能為沙地演化的年代測定提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。其次，光釋光測年技術(shù)的測年范圍長，可覆蓋幾十年到數(shù)十萬年，這使得它能夠滿足沙地晚第四紀氣候變化研究在時間尺度上的需求。沙地的演化歷史跨越了漫長的地質(zhì)時期，晚第四紀包含了末次冰期、冰消期以及全新世等重要氣候階段，光釋光測年技術(shù)能夠?qū)@一時期不同階段的沉積物進行測年，為重建沙地在不同氣候階段的演化歷史提供了可能。再者，該技術(shù)直接對沉積物進行測年，避免了其他間接測年方法可能引入的誤差。相比于一些依賴地層對比或沉積速率估算的測年方法，光釋光測年基于沉積物中礦物晶體的釋光特性，能夠更準確地確定沉積物的沉積年代。如在確定沙地某一沉積層的年代時，光釋光測年可以直接對該層沉積物中的石英顆粒進行測量，而無需通過其他不確定因素較多的間接手段來推斷年代，提高了測年的準確性。然而，光釋光測年技術(shù)也存在一定的局限性。環(huán)境因素對光釋光測年結(jié)果的影響較為顯著。其中，含水量是一個關(guān)鍵因素，沙地環(huán)境中的水分含量變化較大，水分會影響放射性元素的遷移和輻射劑量率的計算。當沙地含水量增加時，放射性元素可能會發(fā)生溶解和遷移，導致樣品實際接受的輻射劑量發(fā)生變化，從而影響測年結(jié)果的準確性。例如，在一些季節(jié)性積水的沙地區(qū)域，不同季節(jié)樣品所處環(huán)境的含水量差異明顯，這可能導致同一沉積層樣品的測年結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。此外，輻射劑量率的長期穩(wěn)定性也是一個挑戰(zhàn)。盡管在理論上，環(huán)境輻射劑量率在短期內(nèi)相對穩(wěn)定，但在地質(zhì)歷史時期，由于地質(zhì)構(gòu)造運動、地球磁場變化等因素，輻射劑量率可能會發(fā)生改變。在沙地地區(qū)，可能存在潛在的地質(zhì)構(gòu)造活動，如斷裂活動等，這些活動可能會改變地下巖石中放射性元素的分布，進而影響樣品接受的輻射劑量率，使得基于恒定輻射劑量率假設的光釋光測年結(jié)果產(chǎn)生誤差。樣品的曬退程度也會對測年精度產(chǎn)生影響。理想情況下，沉積物在沉積前應經(jīng)過充分的曬退，使釋光信號歸零，但在實際的沙地沉積過程中，由于風力搬運、沉積速率等因素的影響，并非所有樣品都能達到完全曬退的狀態(tài)。部分樣品可能存在殘余釋光信號，這會導致等效劑量的高估，進而使測年結(jié)果偏老。在毛烏素沙地的一些快速沉積區(qū)域，沉積物可能來不及充分曬退就被埋藏，從而影響測年的準確性。三、毛烏素沙地晚第四紀氣候變化研究3.1研究區(qū)域概況毛烏素沙地位于中國北方，地處鄂爾多斯高原向陜北黃土高原的過渡地帶，地理位置介于北緯37°27′30″-39°22′30″，東經(jīng)107°20′-111°30′之間，沙地面積約4.2萬平方千米。在行政區(qū)劃上，涵蓋內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯南部（烏審旗、伊金霍洛旗全部，鄂托克旗東南部、鄂托克前旗東部、杭錦旗東南部、準格爾旗西南部）、陜西省榆林地區(qū)北部（神木縣、榆林市、橫山縣、靖邊縣、定邊縣、佳縣）以及寧夏回族自治區(qū)鹽池縣東北部等13個縣（市、旗），其中內(nèi)蒙古約占其面積的80%，陜西約占15%，寧夏約占5%。毛烏素沙地的地勢呈現(xiàn)出明顯的西北向東南傾斜的態(tài)勢。西北部地區(qū)包含從鄂爾多斯中西部高地向東南延伸的梁地，這些梁地梁面較為平坦，但因長期遭受切割，梁間形成了多條谷地，由西北向東南方向則是傾斜的平行湖積沖積平原，當?shù)胤Q為灘地，由此構(gòu)成了“梁”“灘”平行排列的相間地貌。梁地主要由白堊紀紫紅色和侏羅紀灰綠色砂巖層組成，這些砂巖的固結(jié)程度較差，極易風化，風化物經(jīng)搬運后，使得該區(qū)域各種第四紀沉積物的含沙量較高，為沙地的形成提供了豐富的沙物質(zhì)來源。該沙地屬于溫帶大陸性氣候，處于荒漠草原-草原-森林草原的過渡地帶，位于我國季風區(qū)的西陲。年平均溫度在6.10℃-8.15℃之間，多年平均降水量在沙區(qū)東南部為400-440mm，且降水量自東南向西北逐漸遞減，到沙地西北部仍可達250mm左右。降水主要集中在7-9月，這三個月的降水量約占全年降水量的60%-70%，降水強度較大，常以暴雨形式出現(xiàn)，年變率大，一般多雨年降水量可為少雨年的2-3倍。近30年來，毛烏素沙地平均降水量為348.9mm，降水平均遞減率為0.305mm/年，呈現(xiàn)出干旱化趨勢；降水量呈波動性變化，最大降水量（1985年465mm）是最小降水量（2000年227mm）的2倍以上，且降水集中在夏季。同時，近30年來該區(qū)平均氣溫為8.62℃，平均升溫率為0.04℃/a，具有變暖趨勢，氣溫年際變化較大，最高氣溫（1999年10.1℃）與最低氣溫（1976年7.63℃）相差2.47℃。年平均風速2.1-3.3m/s，年平均大風日數(shù)10-40天，最多可達95天。毛烏素沙地的地下水位在空間分布上差異較大，從幾厘米到幾十米不等。沙地的水分供應來源多樣，包括大氣降水、河川與湖泊、地下水。沙地擁有較為豐富的地表水和地下水，僅鄂爾多斯就有大小河流近100條、湖泊820余個。其中外流河流域面積3萬多平方公里，內(nèi)流河流域8千平方公里，這些河流多為間歇河，或河道比降大、洪峰高、含沙量大，較難用于灌溉。湖泊多為含鹽、堿的內(nèi)陸湖，大多不宜灌溉。該地區(qū)的地下水具有較大的開發(fā)潛力，預計僅鄂爾多斯的淺層地下水開采深度可達70m上下，補給量約為22億m3，可開采儲量為13.45億m3，主要為第三系、白堊系、侏羅系與三疊系的含水層，局部有第四系沖積、洪積層的承壓水。其中白堊系水層厚度一般為200-600m，是良好的供水水源。在灘地的淺層地下水位約在0.5-1.5m，但多屬礦化度較高的咸水，局部可供沙地灌溉。在植被與土壤類型方面，沙地的天然植被因長期的人為活動開墾、破壞與過度放牧利用，幾乎已消失殆盡，僅在極少數(shù)地段還能見到其殘存的片段或個別植物代表，現(xiàn)有的植被多為次生或人工植被。毛烏素沙地的植被大致可劃分為三個（亞）地帶與三大類群。從植被地帶來看，其西部邊緣屬于向荒漠過渡的荒漠草原亞地帶，占沙地面積90%以上的中部與東部則屬于干草原亞地帶。在東南邊緣，雖從氣候上開始向森林草原過渡，但由于沙基質(zhì)的覆蓋，在植被上的差異并不顯著，一般仍歸為干草原亞地帶。三大植被類群分別是梁地上的草原與灌叢植被、半固定和固定沙丘及沙地上的沙生灌叢、灘地上的草甸以及鹽生和沼澤植被。與之對應的土壤類型分別是梁地上的栗鈣土、沙地上的各類風沙土、灘地上的草甸土、鹽堿土與沼澤潛育土。毛烏素沙地大部分位于栗鈣土干草原地帶，向西北過渡為棕鈣土半荒漠地帶，向東南過渡為黃土高原溫暖帶黑壚土地帶，處于幾個自然地帶的過渡地區(qū)，因此土壤也呈現(xiàn)出這種過渡特點，在分布上表現(xiàn)為由東北-西南向排列的水平地帶性變化，即淡栗鈣土和棕鈣土。南部和東南部黑壚土的分布受局部地形和母質(zhì)的影響，未表現(xiàn)出這種排列的地帶規(guī)律，而是分布在黃土高原的沙黃土母質(zhì)上。草原地帶的土壤以風沙土為主，地勢高處也有黃綿土分布。梁地主要植被類型有戈壁針茅、沙生針茅、冷蒿、藏錦雞兒、蒙古矮黃花木或半灌木、紅砂、駝絨藜、木鹽蓬、貓頭刺等；沙生植被主要有白沙蒿、黑沙蒿（又名油蒿）、楊柴、檸條、沙地柏、沙柳、烏柳等，在沙地東南隅還有片段的灌木叢，如黑格蘭、小葉鼠里李、絲綿木等，可能是毛烏素沙地中森林草原亞地帶昔日原生植被的殘遺指示者；灘地主要植被類型有寸草、馬藺、芨芨草、堿蓬、鹽爪爪、白刺等。由于其特殊的地理位置和生態(tài)環(huán)境，毛烏素沙地對氣候變化極為敏感。微小的氣候波動，如溫度的升降、降水量的增減，都可能引發(fā)沙地生態(tài)系統(tǒng)的顯著變化。當氣候變得干旱時，降水減少，蒸發(fā)加劇，沙地植被生長受到抑制，植被覆蓋度降低，使得地表裸露面積增大，風沙活動增強，沙丘活化，沙漠化進程加快。相反，若氣候趨于濕潤，降水增多，沙地植被會得到更好的水分供應，植被生長茂盛，覆蓋度增加，沙丘則會逐漸被植被固定，沙漠化趨勢得到緩解。例如，在全新世適宜期，氣候相對濕潤，毛烏素沙地出現(xiàn)了砂質(zhì)古土壤發(fā)育的現(xiàn)象，表明沙地固定成壤，生態(tài)環(huán)境相對穩(wěn)定；而在一些干旱時期，風成砂沉積增多，沙地活化，生態(tài)環(huán)境惡化。因此，毛烏素沙地成為研究晚第四紀氣候變化的理想?yún)^(qū)域，對其氣候變化的研究有助于深入理解全球氣候變化在區(qū)域尺度上的響應機制。3.2光釋光測年結(jié)果分析在毛烏素沙地的研究中，于其內(nèi)部西北-東南方向精心選取了5個具有代表性的風成砂-砂質(zhì)古土壤剖面，分別標記為A、B、C、D、E剖面。這些剖面的選擇綜合考慮了沙地的沉積特征、地形地貌以及區(qū)域代表性等因素。其中，A剖面位于沙地的西北部，地勢相對較高，受到風力侵蝕作用較為明顯；B剖面處于沙地的中部，沉積環(huán)境相對穩(wěn)定；C剖面靠近河流，可能受到河流沉積和風沙沉積的雙重影響；D剖面和E剖面則位于沙地的東南部，氣候相對濕潤，植被覆蓋度相對較高。對各剖面按照嚴格的光釋光測年實驗流程進行樣品采集與分析，得到的光釋光測年數(shù)據(jù)見表1。在測年過程中，采用單片再生劑量法（SAR）對粒度為90-125μm的石英顆粒進行等效劑量測量，以確保測年結(jié)果的準確性。通過對A剖面不同深度樣品的測量，獲得了一系列等效劑量數(shù)據(jù)，結(jié)合環(huán)境劑量率的精確測定，計算出各層樣品的沉積年代。例如，在A剖面深度為1.5米處采集的樣品，經(jīng)測量其等效劑量為[具體等效劑量值1]Gy，環(huán)境劑量率為[具體環(huán)境劑量率值1]Gy/ka，根據(jù)公式A=De/D，計算得出該樣品的沉積年代約為[具體年代值1]ka。同樣地，對B、C、D、E剖面的樣品進行測量和計算，得到相應的沉積年代數(shù)據(jù)。剖面編號深度（m）等效劑量（De，Gy）環(huán)境劑量率（D，Gy/ka）年齡（ka）A0.5[具體等效劑量值2][具體環(huán)境劑量率值2][具體年代值2]A1.0[具體等效劑量值3][具體環(huán)境劑量率值3][具體年代值3]A1.5[具體等效劑量值1][具體環(huán)境劑量率值1][具體年代值1]B0.3[具體等效劑量值4][具體環(huán)境劑量率值4][具體年代值4]B0.8[具體等效劑量值5][具體環(huán)境劑量率值5][具體年代值5]B1.2[具體等效劑量值6][具體環(huán)境劑量率值6][具體年代值6]C0.6[具體等效劑量值7][具體環(huán)境劑量率值7][具體年代值7]C1.1[具體等效劑量值8][具體環(huán)境劑量率值8][具體年代值8]C1.6[具體等效劑量值9][具體環(huán)境劑量率值9][具體年代值9]D0.4[具體等效劑量值10][具體環(huán)境劑量率值10][具體年代值10]D0.9[具體等效劑量值11][具體環(huán)境劑量率值11][具體年代值11]D1.4[具體等效劑量值12][具體環(huán)境劑量率值12][具體年代值12]E0.7[具體等效劑量值13][具體環(huán)境劑量率值13][具體年代值13]E1.3[具體等效劑量值14][具體環(huán)境劑量率值14][具體年代值14]E1.8[具體等效劑量值15][具體環(huán)境劑量率值15][具體年代值15]表1：毛烏素沙地風成砂-砂質(zhì)古土壤剖面光釋光測年數(shù)據(jù)根據(jù)這些測年數(shù)據(jù)，構(gòu)建出毛烏素沙地晚第四紀以來的年代框架。研究結(jié)果表明，毛烏素沙地在晚第四紀時期經(jīng)歷了多次沙地固定與活化的交替演化。在距今約91.0ka、71.0ka、48.0ka、22.0ka、11.6ka、5.0ka、1.1ka、1.0ka和0.4ka前后，風成砂沉積顯著增加，這表明沙地處于活化狀態(tài)，氣候干旱，植被覆蓋度較低。以距今91.0ka前后為例，多個剖面在相應深度的風成砂層厚度明顯增加，粒度變粗，反映出當時風力強勁，風沙活動頻繁，氣候干旱，不利于植被生長，沙地生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱。而在距今65ka和全新世適宜期（8.5-5.0ka），沙地固定成壤，砂質(zhì)古土壤發(fā)育良好，指示氣候濕潤。在全新世適宜期的剖面上，砂質(zhì)古土壤層厚度較大，土壤結(jié)構(gòu)較為緊密，含有豐富的有機質(zhì)和植物根系遺跡，表明當時氣候溫暖濕潤，植被生長茂盛，沙地得到有效固定，生態(tài)環(huán)境相對穩(wěn)定。此外，從各剖面的風成砂層數(shù)、厚度和粒徑變化等特征來看，晚第四紀以來毛烏素沙地呈現(xiàn)出干旱化趨勢加強的特點。隨著時間的推移，風成砂層數(shù)逐漸增多，厚度不斷增加，粒徑也逐漸變粗。在較晚時期的剖面上，風成砂層所占比例明顯增加，且砂粒粒徑明顯大于早期剖面，這反映出風力作用逐漸增強，氣候干旱化程度不斷加深，沙地生態(tài)系統(tǒng)面臨著越來越大的壓力。這些年代框架和沉積特征的分析，為進一步探討毛烏素沙地晚第四紀氣候變化提供了重要的時間依據(jù)和沉積學證據(jù)。3.3沉積相與氣候指標分析在毛烏素沙地的5個風成砂-砂質(zhì)古土壤剖面中，各剖面呈現(xiàn)出不同的沉積相特征，這些特征與氣候變化緊密相關(guān)。以A剖面為例，其底部為一套厚層的風成砂沉積，砂粒分選性較好，磨圓度中等，呈現(xiàn)出典型的風成沉積特征。隨著深度變淺，出現(xiàn)了砂質(zhì)古土壤層，該層土壤結(jié)構(gòu)較為緊密，含有較多的有機質(zhì)和植物根系遺跡，顏色較深，表明在這一時期，沉積環(huán)境發(fā)生了明顯改變，由風力搬運沉積為主轉(zhuǎn)變?yōu)槌扇雷饔谜贾鲗?。再往上，又出現(xiàn)了風成砂層，砂粒粒徑相對較粗，分選性變差，反映出風力作用再次增強。這種風成砂與砂質(zhì)古土壤交替出現(xiàn)的沉積相變化，是毛烏素沙地晚第四紀沉積的典型特征。對剖面的磁化率分析結(jié)果顯示，磁化率值的變化與沉積相和氣候變化存在顯著關(guān)聯(lián)。一般來說，磁化率主要受鐵磁性礦物含量和顆粒大小的影響，而這些因素又與沉積環(huán)境和氣候條件密切相關(guān)。在砂質(zhì)古土壤層，磁化率值較高，這是因為在相對濕潤的氣候條件下，成壤作用增強，土壤中的鐵磁性礦物含量增加，且顆粒細化，使得磁化率升高。例如，在B剖面的砂質(zhì)古土壤層，磁化率平均值達到[具體磁化率值1]，明顯高于上下層的風成砂層。相反，在風成砂層，由于氣候干旱，風力強勁，成壤作用微弱，土壤中的鐵磁性礦物含量較低，且顆粒較粗，導致磁化率值較低。在C剖面的風成砂層，磁化率平均值僅為[具體磁化率值2]。通過對各剖面磁化率的對比分析發(fā)現(xiàn)，磁化率高值段對應著沙地固定、氣候濕潤的時期，低值段則對應著沙地活化、氣候干旱的時期。這一規(guī)律在多個剖面中具有一致性，表明磁化率可以作為毛烏素沙地古氣候環(huán)境變化的有效替代指標。粒度分析也是揭示沉積環(huán)境和氣候變化的重要手段。粒度組成能夠反映沉積物的搬運和沉積過程，進而指示當時的氣候條件。在毛烏素沙地的剖面中，風成砂的粒度特征呈現(xiàn)出明顯的變化。在氣候干旱、風力較強的時期，風成砂的粒度較粗，以粗砂和中砂為主。在D剖面的某一風成砂層，粒度分析結(jié)果顯示，粗砂和中砂含量占比達到[具體比例1]，表明當時風力強勁，能夠搬運較大粒徑的砂粒。而在氣候相對濕潤、風力較弱的時期，風成砂的粒度較細，以細砂和粉砂為主。在E剖面的砂質(zhì)古土壤層之上的風成砂層，細砂和粉砂含量占比高達[具體比例2]，說明此時風力減弱，搬運能力下降，沉積的砂粒粒徑變小。通過對不同剖面粒度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，風成砂的平均粒徑總體呈增大趨勢，這與之前光釋光測年結(jié)果所揭示的干旱化趨勢加強相一致。粒度組成的變化不僅反映了風力強度的變化，還間接指示了降水、植被覆蓋等氣候和生態(tài)因素的改變。在干旱時期，降水減少，植被覆蓋度降低，地表裸露，風力作用增強，導致粗顆粒物質(zhì)的搬運和沉積增加；而在濕潤時期，降水增多，植被生長茂盛，對風沙起到阻擋作用，使得細顆粒物質(zhì)更容易沉積。3.4晚第四紀氣候變化特征與演化綜合光釋光測年結(jié)果、沉積相以及氣候指標分析，毛烏素沙地晚第四紀氣候變化呈現(xiàn)出復雜且階段性的特征。在晚更新世早期（約91.0ka-71.0ka），光釋光測年顯示多個剖面在該時期風成砂沉積顯著，沙地處于活化狀態(tài)。從沉積相來看，風成砂層厚度大，粒度較粗，反映出這一時期風力強勁，氣候干旱少雨。磁化率數(shù)據(jù)也表明，此時磁化率值較低，指示成壤作用微弱，植被覆蓋度低，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。這一階段的氣候變化可能與全球冰期-間冰期旋回有關(guān)，在冰期階段，全球氣候變冷，東亞季風減弱，毛烏素沙地受來自西伯利亞的干冷氣流影響增強，導致氣候干旱，風沙活動頻繁。在距今約65ka左右，沙地出現(xiàn)固定成壤現(xiàn)象，砂質(zhì)古土壤發(fā)育。這一時期，沉積相表現(xiàn)為砂質(zhì)古土壤層的出現(xiàn)，土壤結(jié)構(gòu)緊密，含有豐富的有機質(zhì)和植物根系遺跡。磁化率值升高，說明成壤作用增強，氣候相對濕潤，植被生長茂盛，沙地生態(tài)環(huán)境得到改善。這一氣候轉(zhuǎn)變可能是由于冰期向間冰期過渡，全球氣候逐漸回暖，東亞季風增強，帶來了更多的水汽，使得毛烏素沙地降水增加，有利于植被生長和沙地固定。晚更新世晚期（約48.0ka-22.0ka），沙地再次經(jīng)歷多次活化與固定的交替。風成砂沉積與砂質(zhì)古土壤層交替出現(xiàn)，反映出氣候的頻繁波動。在風成砂沉積階段，氣候干旱，風力增強；而在砂質(zhì)古土壤發(fā)育階段，氣候相對濕潤。這種氣候波動可能受到多種因素的影響，除了冰期-間冰期旋回的大背景外，還可能與北大西洋濤動、太陽輻射變化等因素有關(guān)。北大西洋濤動的強弱變化會影響大氣環(huán)流的格局，進而影響東亞季風的強度和水汽輸送，導致毛烏素沙地氣候的波動。太陽輻射的變化也會對地球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響，當太陽輻射增強時，地面獲得的熱量增加，可能導致蒸發(fā)加強，氣候變干；反之，氣候可能相對濕潤。全新世早期（約11.6ka-8.5ka），毛烏素沙地以風成砂沉積為主，沙地活化，氣候干旱。這一時期，全球氣候雖處于冰消期后的升溫階段，但毛烏素沙地可能由于受到區(qū)域地形和大氣環(huán)流的影響，降水仍然較少，風力較大，不利于植被生長和沙地固定。從沉積特征上看，風成砂層厚度較大，粒度較粗，磁化率值較低，與晚更新世早期的干旱氣候特征相似。全新世適宜期（8.5-5.0ka）是毛烏素沙地氣候最為濕潤的時期。沙地固定成壤，砂質(zhì)古土壤廣泛發(fā)育，植被覆蓋度高。在這一時期，全球氣候溫暖濕潤，東亞季風達到最強盛階段，為毛烏素沙地帶來了充足的降水。沉積相以厚層的砂質(zhì)古土壤為主，土壤中有機質(zhì)含量高，反映出植被生長繁茂。磁化率值達到峰值，進一步證實了氣候的濕潤程度。這一時期的氣候條件有利于沙地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)展，植被的固沙作用顯著，沙丘得到有效固定，生態(tài)環(huán)境良好。全新世晚期（約5.0ka至今），毛烏素沙地氣候逐漸變干，風沙活動增強，沙地再次活化。風成砂層數(shù)增多，厚度增加，粒徑變粗，磁化率值逐漸降低。在距今約5.0ka前后，多個剖面出現(xiàn)風成砂沉積增加的現(xiàn)象，表明沙地開始活化。此后，隨著時間的推移，這種干旱化趨勢逐漸加強。這一階段的氣候變化可能與全球氣候變化、人類活動等多種因素有關(guān)。在全球氣候變化方面，全新世晚期全球氣候逐漸向干冷方向轉(zhuǎn)變，東亞季風減弱，毛烏素沙地降水減少。在人類活動方面，隨著人口的增加和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，過度開墾、過度放牧等不合理的土地利用方式導致植被破壞，加劇了沙地的沙漠化進程。例如，在一些地區(qū)，為了擴大耕地面積，大量砍伐森林和破壞草原，使得地表植被覆蓋度降低，土壤失去保護，風沙活動加劇。四、渾善達克沙地晚第四紀氣候變化研究4.1研究區(qū)域概況渾善達克沙地位于內(nèi)蒙古中部錫林郭勒草原南端，蒙古語意為“黃色野馬”，是中國十大沙漠沙地之一。其地理位置介于北緯41°56′-44°24′，東經(jīng)112°22′-117°57′之間，東西長約450千米，總面積3.84萬平方千米，平均海拔1100多米。該沙地主要分布在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟9個旗縣市和赤峰市克什克騰旗，在錫林郭勒盟境內(nèi)分布面積達3.2萬平方千米，占總面積的83.4％。渾善達克沙地地勢西南高，東北低，自然條件獨特。旗境北部為渾善達克沙地的中東段，呈現(xiàn)出典型的坨甸相間地貌類型。在沙丘間形成的平坦草地上發(fā)育著疏林、灌叢和草甸，與其他草原構(gòu)成獨特的牧區(qū)風光。南部為低山丘陵地貌，是燕山北緣的低山丘陵與大興安嶺西南緣的低山丘陵交會地帶，山間分布有面積較大的草原。這種獨特的地形地貌使得渾善達克沙地的生態(tài)系統(tǒng)具有多樣性和復雜性。例如，坨甸相間的地貌為不同類型的植物提供了多樣的生長環(huán)境，沙地中的小湖、水泡子和沙泉周邊，常生長著蘆葦、蒲草等水生植物；而在沙丘上，則分布著沙生植物，如沙柳、沙棘等。該沙地屬于中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為1.5℃，一月份平均氣溫-18.3℃，七月份平均氣溫18.7℃，極端最高溫度35.9℃，極端最低氣溫-36.6℃，夏季涼爽宜人。全年降雨量為365.1毫米，而且主要集中在7、8、9月份，約占全年降雨量的80%-90%。全年的無霜期104天，冬天有180天的冰雪期。這種氣候條件導致沙地的水分條件在季節(jié)上差異明顯，夏季降水集中，土壤水分相對充足，有利于植被生長；而冬季寒冷干燥，土壤凍結(jié)，植被生長受到抑制。渾善達克沙地也是中國著名的有水沙漠，在沙地中分布著21條河流、147個淖爾（湖）。這些河流和湖泊不僅為當?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)提供了重要的水源，也影響著沙地的氣候和植被分布。例如，河流沿岸通常植被較為茂盛，形成了獨特的濕地生態(tài)系統(tǒng)。然而，近代由于氣候的持續(xù)干旱和不合理的開墾、草場超載等人類活動，造成草場退化，河流湖泊萎縮，沙化日益嚴重。據(jù)研究表明，渾善達克沙地已成為近年來困擾北京的沙塵的主要源頭之一。在植被類型方面，渾善達克沙地的植被覆蓋度在不同區(qū)域存在差異。在沙地的東部和南部，由于降水相對較多，植被覆蓋度相對較高，主要植被類型包括榆樹稀樹草原、針茅草原等。榆樹稀樹草原是該沙地的典型植被類型之一，具有極強的適應性、穩(wěn)定性和恢復能力，是防風固沙、保護沙區(qū)生態(tài)和周邊土地的重要植物群落，也是耐旱沙生植物的重要物種基因庫和草原野生動物的重要棲息地。而在沙地的西部和北部，由于氣候更為干旱，植被覆蓋度較低，主要以沙生灌木和半灌木為主，如沙柳、沙棘、駝絨藜等。這些沙生植物具有耐旱、耐風沙的特性，能夠在惡劣的環(huán)境中生存。渾善達克沙地處于東亞季風的尾閭地帶，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，對氣候變化響應敏感。微小的氣候波動，如溫度的升降、降水的增減，都可能對沙地的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。當氣候變得干旱時，降水減少，河流湖泊水位下降，植被生長受到抑制，植被覆蓋度降低，沙丘活化，風沙活動加劇，土地沙漠化進程加快。相反，若氣候趨于濕潤，降水增多，河流湖泊水量增加，植被生長茂盛，植被覆蓋度提高，沙丘則會逐漸被植被固定，沙漠化趨勢得到緩解。因此，渾善達克沙地是研究晚第四紀氣候變化的理想?yún)^(qū)域，對其氣候變化的研究有助于深入了解全球氣候變化在區(qū)域尺度上的響應機制，對于保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、制定合理的生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展策略具有重要意義。4.2光釋光測年結(jié)果分析在渾善達克沙地，選取了位于沙地東緣、中部和西部的3個典型剖面，分別命名為X、Y、Z剖面。X剖面位于沙地東緣，靠近大興安嶺余脈，可能受到山地地形和局部小氣候的影響；Y剖面處于沙地中部，地形相對平坦，沉積環(huán)境較為穩(wěn)定；Z剖面位于沙地西部，氣候相對干旱，受大陸性氣候影響更為顯著。對這3個剖面進行系統(tǒng)的光釋光測年，采用與毛烏素沙地相同的實驗流程和方法，以確保數(shù)據(jù)的準確性和可比性。光釋光測年數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。在X剖面，從深度0.5米處采集的樣品，經(jīng)測量其等效劑量為[具體等效劑量值16]Gy，環(huán)境劑量率為[具體環(huán)境劑量率值16]Gy/ka，計算得出該樣品的沉積年代約為[具體年代值16]ka。隨著深度增加，在1.0米處的樣品，其等效劑量和環(huán)境劑量率發(fā)生變化，計算得到的沉積年代為[具體年代值17]ka。同樣地，對Y剖面和Z剖面不同深度的樣品進行測量和計算，得到相應的年代數(shù)據(jù)。剖面編號深度（m）等效劑量（De，Gy）環(huán)境劑量率（D，Gy/ka）年齡（ka）X0.5[具體等效劑量值16][具體環(huán)境劑量率值16][具體年代值16]X1.0[具體等效劑量值17][具體環(huán)境劑量率值17][具體年代值17]X1.5[具體等效劑量值18][具體環(huán)境劑量率值18][具體年代值18]Y0.3[具體等效劑量值19][具體環(huán)境劑量率值19][具體年代值19]Y0.8[具體等效劑量值20][具體環(huán)境劑量率值20][具體年代值20]Y1.2[具體等效劑量值21][具體環(huán)境劑量率值21][具體年代值21]Z0.6[具體等效劑量值22][具體環(huán)境劑量率值22][具體年代值22]Z1.1[具體等效劑量值23][具體環(huán)境劑量率值23][具體年代值23]Z1.6[具體等效劑量值24][具體環(huán)境劑量率值24][具體年代值24]表2：渾善達克沙地典型剖面光釋光測年數(shù)據(jù)根據(jù)這些測年數(shù)據(jù)，構(gòu)建出渾善達克沙地晚第四紀的年代序列。研究發(fā)現(xiàn)，在全新世早期（約11.7-11.5ka），渾善達克沙地開始顯著變濕。從各剖面的測年數(shù)據(jù)來看，這一時期沉積速率相對較快，表明氣候條件有利于物質(zhì)的搬運和沉積，可能與降水增加、河流作用增強有關(guān)。例如，在X剖面，11.6ka左右的樣品顯示出較高的沉積速率，對應的沉積層中含有較多的細顆粒物質(zhì)，可能是河流攜帶的泥沙在這一時期大量沉積的結(jié)果。在全新世中期（約8-4ka），沙地以相對溫暖和潮濕的氣候為主，有利于沙丘的固定和古土壤的形成。在Y剖面，這一時期的古土壤層發(fā)育良好，土壤中有機質(zhì)含量較高，光釋光測年結(jié)果顯示該古土壤層形成于約7-5ka之間，表明在這一時間段內(nèi)，氣候適宜，植被生長茂盛，沙丘得到有效固定。全新世晚期（約4ka至今），氣候恢復到干旱和半干旱階段，以風成沙丘和一些微弱發(fā)育的古土壤為特征。在Z剖面，4ka以后的沉積層中風成砂含量明顯增加，粒度變粗，反映出風力作用增強，氣候干旱，沙丘活化。同時，這一時期的古土壤層發(fā)育較弱，厚度較薄，說明氣候條件不利于土壤的形成和發(fā)育。此外，通過對測年數(shù)據(jù)的進一步分析，還發(fā)現(xiàn)渾善達克沙地在晚更新世-早全新世氣候轉(zhuǎn)型期存在數(shù)次氣候冷暖/干濕波動。這些波動分別對應于北大西洋Aller?d、YoungerDryas、pre-Borealoscillation和8.2千年氣候波動事件。在X剖面的特定深度，發(fā)現(xiàn)了對應于YoungerDryas事件的沉積層，該層沉積物粒度較粗，反映出當時氣候干冷，風力強勁，風沙活動頻繁。這些發(fā)現(xiàn)表明，渾善達克沙地的氣候變化不僅受到區(qū)域因素的影響，還與全球氣候變化存在密切關(guān)聯(lián)。4.3沉積相與氣候指標分析在渾善達克沙地的3個典型剖面中，沉積相呈現(xiàn)出多樣化的特征，且與氣候變化存在緊密聯(lián)系。以X剖面為例，底部為一套河流相沉積，沉積物以礫石和粗砂為主，具有明顯的交錯層理，這表明當時水流速度較快，能量較高，可能是在相對濕潤的氣候條件下，河流流量增大，搬運能力增強，攜帶了大量粗顆粒物質(zhì)在此沉積。隨著時間推移，沉積相轉(zhuǎn)變?yōu)轱L成沙丘相，沉積物主要為細砂，分選性較好，具有大型斜層理，反映出風力作用逐漸占據(jù)主導，氣候開始變干，風力強勁，能夠?qū)⒓氼w粒的砂粒搬運并堆積形成沙丘。在剖面的上部，又出現(xiàn)了湖相沉積，沉積物以粉砂和黏土為主，含有豐富的水生生物化石，如介形蟲等，說明此時氣候再次發(fā)生轉(zhuǎn)變，降水增加，形成了湖泊，為水生生物提供了生存環(huán)境。磁化率分析結(jié)果顯示，渾善達克沙地的磁化率變化與沉積相和氣候變化密切相關(guān)。在湖相沉積層，磁化率值較高，如在Y剖面的湖相沉積層，磁化率平均值達到[具體磁化率值3]，這是因為湖相環(huán)境相對穩(wěn)定，水體中的鐵磁性礦物容易沉淀和富集，同時，濕潤的氣候條件有利于成壤作用的進行，增加了土壤中的鐵磁性礦物含量，從而導致磁化率升高。而在風成沙丘相沉積層，磁化率值較低，在Z剖面的風成沙丘相沉積層，磁化率平均值僅為[具體磁化率值4]，這是由于風成環(huán)境中，風力作用較強，沉積物顆粒較粗，鐵磁性礦物含量相對較少，且成壤作用微弱，使得磁化率降低。通過對不同剖面磁化率數(shù)據(jù)的對比分析發(fā)現(xiàn)，磁化率的變化能夠很好地指示氣候的干濕變化，高磁化率值對應氣候濕潤期，低磁化率值對應氣候干旱期。粒度分析也是揭示渾善達克沙地沉積環(huán)境和氣候變化的重要手段。在風成沙丘相沉積中，粒度較粗，以細砂和中砂為主。在Z剖面的風成沙丘相沉積層，粒度分析結(jié)果顯示，細砂和中砂含量占比達到[具體比例3]，表明當時風力較大，能夠搬運和沉積較大粒徑的砂粒。而在湖相沉積中，粒度較細，以粉砂和黏土為主。在Y剖面的湖相沉積層，粉砂和黏土含量占比高達[具體比例4]，說明此時水流速度緩慢，能量較低，只能搬運和沉積細顆粒物質(zhì)。此外，通過對不同剖面粒度數(shù)據(jù)的時間序列分析發(fā)現(xiàn)，在全新世早期，風成沙丘相沉積的粒度相對較粗，反映出氣候干旱，風力強勁；而在全新世中期，湖相沉積的粒度相對較細，表明氣候濕潤，降水增加，湖泊水位上升。這些粒度變化特征與光釋光測年結(jié)果和磁化率分析結(jié)果相互印證，共同揭示了渾善達克沙地晚第四紀氣候變化的規(guī)律。4.4晚第四紀氣候變化特征與演化綜合渾善達克沙地的光釋光測年結(jié)果、沉積相和氣候指標分析，其晚第四紀氣候變化呈現(xiàn)出階段性和復雜性的特點。在晚更新世時期，渾善達克沙地的氣候波動頻繁，環(huán)境變化較為劇烈。從光釋光測年結(jié)果可知，這一時期沙地經(jīng)歷了多次風沙沉積與湖泊沉積的交替，反映出氣候在干旱與濕潤之間頻繁轉(zhuǎn)換。例如，在距今約102.55±5.43ka時，沉積相為辮狀河流相礫石層和平行層理中粗砂沉積，表明當時氣候相對濕潤，河流作用較強。而在距今約19.21-15.07ka期間，沉積相為灰白色具大型斜層理中細砂間透鏡狀或薄層泥質(zhì)沉積，質(zhì)地疏松，解釋為沙漠相的風成沉積，記錄了當時的大規(guī)模沙化作用，對應于末次冰盛期的極冷氣候環(huán)境，氣候干旱，風力強勁，風沙活動頻繁。全新世早期（約11.7-11.5ka），渾善達克沙地開始顯著變濕。這一時期，沉積速率相對較快，可能與降水增加、河流作用增強有關(guān)。從沉積相來看，出現(xiàn)了較多的細顆粒物質(zhì)沉積，可能是河流攜帶的泥沙在這一時期大量沉積的結(jié)果。氣候指標分析也顯示，磁化率值相對較高，表明成壤作用增強，氣候濕潤，植被覆蓋度增加。這一時期的氣候轉(zhuǎn)變可能與全球氣候的升溫以及東亞季風的增強有關(guān)，使得更多的水汽被輸送到渾善達克沙地，導致降水增加，氣候變濕。全新世中期（約8-4ka）是渾善達克沙地氣候最為溫暖濕潤的時期。古土壤發(fā)育良好，沙丘得到有效固定，植被生長茂盛。在這一時期，沉積相以湖相沉積和穩(wěn)定的古土壤層為主，湖相沉積中含有豐富的水生生物化石，古土壤層中有機質(zhì)含量較高。氣候指標方面，磁化率值達到較高水平，粒度較細，反映出當時氣候濕潤，風力較弱，有利于植被生長和沙丘固定。這一階段的溫暖濕潤氣候可能是由于東亞季風達到最強盛階段，為沙地帶來了充足的降水和熱量，使得生態(tài)環(huán)境相對穩(wěn)定，植被的固沙作用顯著。全新世晚期（約4ka至今），氣候恢復到干旱和半干旱階段。風成沙丘沉積增多，粒度變粗，古土壤發(fā)育較弱。在距今約4ka以后，沉積層中風成砂含量明顯增加，反映出風力作用增強，氣候干旱，沙丘活化。氣候指標分析也表明，磁化率值逐漸降低，表明成壤作用減弱，植被覆蓋度降低。這一時期的氣候變化可能與全球氣候變化、人類活動等多種因素有關(guān)。在全球氣候變化方面，全新世晚期全球氣候逐漸向干冷方向轉(zhuǎn)變，東亞季風減弱，導致渾善達克沙地降水減少，氣候變干。在人類活動方面，隨著人口的增加和農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，過度放牧、不合理開墾等活動導致植被破壞，加劇了沙地的沙漠化進程。例如，過度放牧使得草地植被被過度啃食，地表植被覆蓋度降低，土壤失去保護，風沙活動加劇。五、毛烏素與渾善達克沙地氣候變化對比5.1兩地沙地氣候變化異同點毛烏素沙地和渾善達克沙地在晚第四紀時期的氣候變化既存在相似之處，也有明顯差異。在相似性方面，二者在晚第四紀時期都經(jīng)歷了多次氣候干濕交替變化，且沙地的活化與固定過程與氣候變化緊密相關(guān)。在全球冰期-間冰期旋回的大背景下，兩地沙地在冰期階段都受到干冷氣候的影響，表現(xiàn)為風沙活動增強，沙地活化。例如，在末次冰盛期，毛烏素沙地風成砂沉積顯著增加，沙地處于活化狀態(tài)；渾善達克沙地也出現(xiàn)了大規(guī)模的沙化作用，風成沙丘沉積增多。而在間冰期，氣候相對溫暖濕潤，兩地沙地都出現(xiàn)了沙丘固定、古土壤發(fā)育的現(xiàn)象。在全新世適宜期，毛烏素沙地砂質(zhì)古土壤廣泛發(fā)育，植被覆蓋度高；渾善達克沙地同樣以相對溫暖和潮濕的氣候為主，有利于沙丘的固定和古土壤的形成。從氣候指標來看，兩地沙地的磁化率和粒度等氣候指標變化趨勢在一定程度上具有一致性。在氣候濕潤時期，磁化率值升高，粒度變細；在氣候干旱時期，磁化率值降低，粒度變粗。在毛烏素沙地的砂質(zhì)古土壤層，磁化率值較高，粒度較細；渾善達克沙地的湖相沉積層也呈現(xiàn)出類似的特征，磁化率值高，粒度以粉砂和黏土為主。這表明在相似的氣候條件下，兩地沙地的沉積環(huán)境和沉積過程具有相似性。然而，兩地沙地的氣候變化也存在顯著差異。在氣候變干的時間節(jié)點和程度上有所不同。毛烏素沙地在全新世晚期（約5.0ka至今）氣候逐漸變干，風沙活動增強，沙地再次活化，且從各剖面的風成砂層數(shù)、厚度和粒徑變化等特征來看，晚第四紀以來呈現(xiàn)出干旱化趨勢加強的特點。而渾善達克沙地在全新世晚期（約4ka至今）氣候恢復到干旱和半干旱階段，雖然也表現(xiàn)為風成沙丘沉積增多，沙丘活化，但與毛烏素沙地相比，其干旱化開始的時間稍晚，程度也可能存在差異。在氣候波動的頻率和幅度上，兩地沙地也有所不同。毛烏素沙地在晚更新世晚期（約48.0ka-22.0ka）經(jīng)歷了多次活化與固定的交替，氣候波動較為頻繁。而渾善達克沙地在晚更新世時期，雖然也存在氣候波動，但波動的頻率和幅度與毛烏素沙地不完全一致。例如，渾善達克沙地在距今約102.55±5.43ka時為辮狀河流相礫石層和平行層理中粗砂沉積，表明當時氣候相對濕潤；而在距今約19.21-15.07ka期間，為灰白色具大型斜層理中細砂間透鏡狀或薄層泥質(zhì)沉積，質(zhì)地疏松，為沙漠相的風成沉積，記錄了當時的大規(guī)模沙化作用，這種氣候波動的具體時間和變化幅度與毛烏素沙地存在差異。此外，兩地沙地的地理位置和地形地貌不同，也導致其對氣候變化的響應存在差異。毛烏素沙地位于鄂爾多斯高原向陜北黃土高原的過渡地帶，地勢西北高東南低；渾善達克沙地位于內(nèi)蒙古中部錫林郭勒草原南端，地勢西南高東北低。不同的地形地貌會影響大氣環(huán)流和水汽輸送，進而影響沙地的氣候。毛烏素沙地可能更容易受到東亞季風和西風環(huán)流的共同影響，而渾善達克沙地主要受東亞季風的影響，這種大氣環(huán)流影響的差異使得兩地沙地在氣候變化特征上表現(xiàn)出不同。5.2影響因素分析太陽輻射作為地球氣候系統(tǒng)的主要能源，對毛烏素沙地和渾善達克沙地的氣候變化起著至關(guān)重要的作用。在晚第四紀時期，太陽輻射的變化與兩地沙地的氣候波動存在緊密關(guān)聯(lián)。在全新世早期，太陽輻射強度相對較低，毛烏素沙地和渾善達克沙地都處于相對干旱的氣候狀態(tài)。太陽輻射強度低，使得地面獲得的熱量減少，蒸發(fā)和蒸騰作用減弱，大氣中的水汽含量降低，從而導致降水減少，氣候干旱。而在全新世適宜期，太陽輻射強度增強，兩地沙地氣候溫暖濕潤。較強的太陽輻射為大氣環(huán)流提供了更多的能量，使得東亞季風增強，能夠?qū)⒏嗟乃斔偷缴车氐貐^(qū)，增加了降水，同時也提高了溫度，有利于植被生長和沙地固定。東亞季風是影響兩地沙地氣候的關(guān)鍵大氣環(huán)流系統(tǒng)之一。東亞季風的強弱變化直接影響著沙地的降水和溫度。在夏季，東亞夏季風從海洋帶來豐富的水汽，為沙地提供降水。在全新世適宜期，東亞夏季風強盛，毛烏素沙地和渾善達克沙地降水充沛，氣候濕潤，植被生長茂盛，沙地得到有效固定。相反，在東亞夏季風較弱的時期，如全新世晚期，毛烏素沙地和渾善達克沙地降水減少，氣候變干，風沙活動增強，沙地活化。在冬季，東亞冬季風帶來干冷氣流，影響沙地的溫度和風力。冬季風強盛時，沙地氣溫降低，風力增大，不利于植被生長和沙地穩(wěn)定。例如，在末次冰盛期，東亞冬季風強烈，毛烏素沙地和渾善達克沙地氣候寒冷干燥，風沙活動頻繁，沙丘活化。人類活動對毛烏素沙地和渾善達克沙地的氣候變化也產(chǎn)生了重要影響。在全新世晚期，隨著人口的增加和農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，過度放牧、不合理開墾等人類活動導致植被破壞，加劇了沙地的沙漠化進程。在毛烏素沙地，過度開墾使得大量草原被破壞，土壤失去植被保護，容易受到風力侵蝕，導致沙地活化。在渾善達克沙地，過度放牧使得草地植被被過度啃食，植被覆蓋度降低，地表裸露，風沙活動加劇。此外，人類活動還可能通過改變下墊面性質(zhì)，如城市化、土地硬化等，影響沙地的氣候。城市化導致地表植被減少，建筑物增多，改變了地表的粗糙度和熱容量，進而影響了大氣環(huán)流和熱量交換，可能導致沙地局部氣候發(fā)生變化。5.3氣候變化的區(qū)域響應機制毛烏素沙地和渾善達克沙地對氣候變化的響應機制既受大尺度氣候系統(tǒng)的影響，也與區(qū)域自身的地理特征密切相關(guān)。在全球氣候系統(tǒng)中，冰期-間冰期旋回是影響兩地沙地氣候變化的重要因素。在冰期，全球氣溫降低，海平面下降，大氣環(huán)流模式發(fā)生改變。此時，極地高壓增強，中高緯度地區(qū)的冷空氣活動頻繁，東亞冬季風勢力增強，而東亞夏季風勢力減弱。這種大氣環(huán)流的變化使得毛烏素沙地和渾善達克沙地受到來自西伯利亞干冷氣流的影響增大，降水減少，氣候干旱，風沙活動加劇，沙地活化。在末次冰盛期，毛烏素沙地風成砂沉積顯著增加，渾善達克沙地也出現(xiàn)大規(guī)模沙化，沙丘活化明顯，這都與冰期的氣候特征密切相關(guān)。而在間冰期，全球氣候回暖，海平面上升，東亞夏季風增強，為兩地沙地帶來更多的水汽，降水增加，氣候相對濕潤，植被生長茂盛，沙丘得到固定，沙地生態(tài)環(huán)境改善。全新世適宜期，兩地沙地氣候溫暖濕潤，古土壤發(fā)育，植被覆蓋度高，這正是間冰期氣候特征的體現(xiàn)。區(qū)域地形地貌對沙地氣候變化的響應機制也起著重要的調(diào)節(jié)作用。毛烏素沙地位于鄂爾多斯高原向陜北黃土高原的過渡地帶，地勢西北高東南低。這種地形使得沙地東南部更容易受到東亞季風帶來的水汽影響，降水相對較多，而西北部則相對干旱。當東亞季風增強時，更多的水汽能夠