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Arid Zone Research >

2025 , Vol. 42 >Issue 5: 788 - 799

DOI: https://doi.org/10.13866/j.azr.2025.05.02

Weather and Climate

Late Holocene climate change recorded by grain size and trace elements in sediments from the southern margin of the Gurbantunggut Desert

  • SHAO Junjie ,
  • TAO Tonglian ,
  • LI Zhizhong
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  • School of Geographical Sciences, School of Carbon Neutrality Future Technology, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, Fujian, China

Received date: 2025-03-04

  Revised date: 2025-04-09

  Online published: 2026-03-12

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Abstract

The Gurbantunggut Desert, significantly influenced by westerly circulation, is a major source of sand and dust in the arid zone of Central Asia. However, debates persist regarding climatic dry-wet fluctuations and aeolian sand changes in the desert throughout the Holocene. This study focuses on two representative dune (sand ridge) profiles located at the southern edge of the desert. Optically stimulated luminescence dating was employed to establish an age scale for these profiles. We analyzed the particle size of wind deposits, the content of trace elements, and the ratios of these elements as environmental proxies to extract information on paleoclimate changes recorded in the dune depositional sequences. The findings indicate significant alterations in paleoclimate and the intensity of wind and sand activities since the Late Holocene in the study area. Between approximately 4.71 and 2.15 ka, the climate fluctuated between warm and cold periods, characterized by aridity and minimal precipitation, alongside notable variations in wind and sand activity. From 2.15 to 0.75 ka, the climate transitioned to a warmer and wetter state, accompanied by a decline in wind and sand activity. In the period from 0.75 ka to the present, strong wind and sand activities were observed during the early Little Ice Age, followed by a shift toward a warmer and drier climate in subsequent years. The temperature changes in the study area generally align with global trends. However, humidity fluctuations and variations in aeolian activity intensity exhibit distinct regional characteristics.

Key words： dust deposition; trace elements; Late Holocene; climate change; Gurbantunggut Desert

Cite this article

SHAO Junjie , TAO Tonglian , LI Zhizhong . Late Holocene climate change recorded by grain size and trace elements in sediments from the southern margin of the Gurbantunggut Desert[J]. Arid Zone Research, 2025 , 42(5) : 788 -799 . DOI: 10.13866/j.azr.2025.05.02

在全球气候变化背景下，干旱区发生沙漠扩张或收缩的景观变化和沙尘排放增减变化等，这些变化会通过陆气相互作用影响区域气候和大气环流格局[1-3]，并对干旱区地表沉积地球化学过程有重要影响[4]。因此，沙漠沉积物是记录干旱区气候变化及表生地球化学过程的独特载体[5]，在年代标尺基础上对风沙沉积序列的粒度组成及元素地球化学特征变化的规律及其成因进行综合研究，有助于我们深入了解干旱区气候变化规律与趋势。
20世纪80年代以来，随着光释光测年技术（Optically Stimulated Luminescence，OSL）日益广泛应用在沙漠沉积物定年中，使得研究者基于风积序列年代标尺，以风积物粒度参数和微量元素地球化学等环境代用指标重建干旱区古气候变化的历史成为可能。例如，范小露等[6]通过巴丹吉林沙漠东南缘沉积剖面样品的全样和分粒级元素地球化学以及Sr同位素综合分析，重建了研究区末次冰期气候演化模式。李想等[7]以毛乌素沙地东缘风成砂-古土壤-湖沼相交互构成的沉积序列为对象，结合微量化学元素含量及比值变化分析，揭示了研究区全新世气候变化模式。Long等[8]基于天山巴音布鲁克盆地多个沙丘剖面的光释光测年数据，结合沙丘沉积地层观察与环境代用综合指标分析，重建了研究区全新世湿度变化过程。总体上看，目前我国沙漠全新世沉积古气候研究主要集中在受夏季风影响的东中部沙区，而关于西北部沙漠风积序列的粒度组成及元素地球化学变化的古气候研究比较匮乏。
古尔班通古特沙漠位于准噶尔盆地中央，是我国受西风环流影响最为显著的沙漠。沙漠南缘至天山北麓冲积平原的东西走廊，是我国连接中亚和欧洲的重要陆路通道，深入开展区域气候变化规律研究对预测欧亚陆路通道未来环境变化趋势有重要意义。在古气候变化研究方面，陈惠中等[9]通过沙漠南缘沙垄地层剖面年代学、粒度和元素等古气候代用指标的综合分析，认为古尔班通古特沙漠全新世气候发生过多次温湿和冷干变化，气候变化规律与我国东部季风区具有良好的一致性。Li 等[10]基于古尔班通古特沙漠东南缘沙垄和丘间地沉积光释光测年，结合探地雷达探测、地球化学指标综合分析，认为11 ka和2.5 ka前后以干燥气候、快速积沙为主要特征，而在8.5 ka前后为湿润气候期。徐宇杰等[11]、Cao等[12]、邹晓君等[13]系统收集了古尔班通古特沙漠多个沙丘和沙垄剖面以及周边黄土-古土壤、湖泊与泥炭等沉积载体记录的古气候信息，重建了该沙漠全新世以来不同分辨率的风沙活动历史。总的来看，晚全新世以来古尔班通古特沙漠风沙活动强度呈减弱趋势，但冷暖与干湿波动特征及其成因仍存在不确定性。
本文选取古尔班通古特沙漠南缘两个典型的风积沙丘（沙垄）剖面，以OSL测年结果建立沙丘风积序列的年代标尺，以风积物粒度参数、微量元素含量及其比值变化作为古气候和风沙活动强度的代用指标，据此综合分析和提取风积序列中的古气候变化和风沙活动强度变化信息，以期为晚全新世以来古尔班通古特沙漠气候演变规律研究提供新的科学证据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

古尔班通古特沙漠位于准噶尔盆地（44°11′~46°20′ N，84°31′~90°00′ E），面积5.11×104 km2，是我国面积最大的固定、半固定沙漠（图1）。沙漠南邻天山山脉，北接阿尔泰山，西侧为准噶尔西部山地，东侧为北塔山[14]。年均气温4.15~8.47 ℃，沙漠周边地区平均年降水量120.94~128.66 mm，平均年蒸发量1591.23~2335.00 mm，蒸发量为降水量的13~19倍[15]。夏季风对古尔班通古特沙漠影响很小，但在冬季，由于西风带南移将更多水汽带入沙漠中，使区域年降水量的季节分配较塔里木盆地更加均匀。此外，受西风环流、蒙古高气压环流控制以及准噶尔西部山地、西北部额尔齐斯河等开阔谷地影响，沙漠主要风向为西风与北风。在西风、西北风及北风的共同控制下，古尔班通古特沙漠形成了以沙垄和树枝状沙垄为主的风沙地貌[14-15]。由于不同地区主导风向的不同，其沙垄的排列方式也存在较大差异，沙漠西部沙垄多为西北-东南走向，而沙漠中部沙垄多为南北走向的树枝状沙垄，沙漠南部则受西北风与东北风的综合影响，形成新月形沙丘链、蜂窝状沙丘链和复合沙垄等[16]。
图1 研究区和采样点位置

Fig. 1 Location of study area and sampling points

1.2 剖面和样品采集

本文选取沙漠南缘两个典型沙丘（沙垄）剖面莫索湾剖面（标识为MT）和梧桐镇剖面（标识为WT），详见图1~图2。其中MT剖面位于新疆玛纳斯县150团23连以西1500 m的沙料场，地理坐标为45°15′39″N，86°36′05″E，在沙垄脊部剖面出露厚度为3.6 m（图2a）。WT剖面位于新疆五家渠市102团8连东北侧900 m处沙料场，地理坐标为44°38′21″N，88°07′47″E，在沙垄脊部剖面出露厚度为4.4 m（图2b）。
图2 研究剖面的岩性和光释光测年采样

Fig. 2 Lithology and optically stimulated luminescence dating sampling of the study profiles

由于两个剖面均为风力作用堆积的风砂层，因此自上而下以10 cm等间距采集指标分析样品。其中，MT剖面采集37个样品，WT剖面采集44个样品。同时，在MT剖面采集OSL测年样品3个，采样深度分别为0.6 m、1.5 m和3.6 m，分别编号为MT-01、MT-02、MT-03；在WT剖面共采集OSL测年样品7个，采样深度分别为1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m和4.0 m，分别编号为WT-01、WT-02、WT-03、WT-04、WT-05、WT-06、WT-07。

1.3 实验方法

两个剖面样品的粒度分析，按照沉积物粒度测试实验规范，使用Mastersizer 2000激光衍射粒度仪完成测试，该仪器测量误差<5%。测试获得的样品粒级分类根据Udden-Wentworth标准划分，单位用Φ值表示，通过Folk-Ward图解法公式[17]计算每个样品的中值粒径和平均粒径。两个剖面样品的化学元素含量采用粉末压片法制成测片、再上机测试。首先称取每个样品约4 g、烘干后充分研磨至过200目筛（约75 µm），放入模具中以硼酸镶边垫底，在30 t压力下压制成内径为32 mm的样片待测。选用荷兰帕纳科公司生产的Epsilon 3XLE能量色散型X射线荧光光谱仪测试元素含量，该仪器测试误差<5%。本文主要选取测试数据中的微量元素含量进行分析，单位为mg·kg-1。以上实验分别在福建师范大学湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地和信阳师范大学元素分析测试中心完成。
两个剖面的OSL测年样品，根据Aitken[18]和Lu等[19]实验程序对采集样品进行前处理，在实验室内弱红光下，去除铁管两端可能曝光、污染的部分，保留中心部位的样品。选择其中90~125 μm粗石英颗粒、采用石英单片再生剂量法（Single-Aliquot Regenerative-dose，SAR）测得等效剂量（De）。从待测样品中取出约20 g测定含水量，之后将样品烘干充分研磨，直至全部通过63 μm的筛子，以供测定样品中铀（U）、钍（Th）、钾（K）的含量。本批样品U、Th 含量用NexION 300D 等离子体质谱仪测定，K含量用Z-2000石墨炉原子吸收分析仪测定。根据Aitken[18]提出的石英矿物吸收环境中U、Th、K含量等之间的转换关系，计算出各样品所吸收的环境剂量率（D），并以样品实测含水量来校正。依据公式
A=De/D
式中：A为光释光年龄（ka）；De为等效剂量（Gy）；D为环境剂量率（Gy·ka-1）。
计算获得所测样品的绝对年代。两个剖面OSL测年样品的年龄及相关参数结果见表1[13]。
表1 研究剖面OSL测年样品的年代及相关参数值

Tab. 1 Age and related parameter values of the study profiles OSL dating samples

样号 埋深/m 铀/（μg·g-1） 钍/（μg·g-1） 钾/（μg·g-1） 环境剂量率/（Gy·ka-1） 等效剂量/Gy 年龄/ka
MT-01 0.6 1.43±0.02 5.17±0.07 2.04±0.02 2.78±0.12 0.41±0.03 0.15±0.01
MT-02 1.5 1.57±0.02 4.64±0.03 2.01±0.02 2.72±0.12 5.75±0.17 2.11±0.11
MT-03 3.6 1.33±0.01 4.71±0.02 1.92±0.02 2.55±0.11 5.95±0.17 2.33±0.12
WT-01 1.0 1.78±0.04 5.98±0.06 1.95±0.02 2.83±0.12 6.63±0.13 2.34±0.11
WT-02 1.5 1.88±0.02 8.26±0.07 1.82±0.01 2.87±0.12 5.99±0.14 2.09±0.10
WT-03 2.0 1.58±0.02 5.78±0.04 1.96±0.01 2.76±0.12 7.13±0.23 2.59±0.14
WT-04 2.5 1.46±0.02 6.71±0.03 1.91±0.02 2.73±0.11 11.26±0.34 4.13±0.21
WT-05 3.0 1.23±0.02 5.19±0.03 1.90±0.01 2.56±0.11 10.68±0.27 4.18±0.21
WT-06 3.5 1.32±0.02 8.25±0.07 1.89±0.02 2.76±0.12 9.68±0.40 3.51±0.21
WT-07 4.0 1.30±0.01 5.59±0.04 2.03±0.02 2.70±0.12 12.74±0.44 4.71±0.26
由于上述OSL测年实验前期处理中获得的纯净石英矿物通过了长石检验、预热坪实验和剂量恢复实验，表明石英单片再生剂量法流程适合研究区样品的OSL测年。在此基础上，本研究选用晚期背景信号扣除法，通过线性和指数拟合的方式，成功构建OSL生长曲线后，确定样品的等效剂量值。结果表明所测各个样品的等效剂量分布比较集中，即样品在埋藏前晒褪情况良好，OSL年龄可以准确代表其相应层位的沉积年龄。通过比较最小年龄模型、中值年龄模型、平均值年龄模型计算得到的年龄结果，发现三者在误差范围内一致，因此本文选择中值年龄模型对测年结果进行统计[13]。以上光释光测年实验在国家应急管理部灾害科学研究院光释光测年实验室完成。

2 结果与分析

2.1 沙丘沉积粒度特征

研究剖面风成砂以极细砂、细砂为主。其中，MT剖面（图3a）以极细砂、细砂与中砂为主。各组分含量随深度变化波动较大，在一些层次中粗砂占比较大，最大值可达24.98%；在190 cm深度，极细砂含量峰值约38.20%，对应为高角度斜层理构造。但在不同层面上，如枯枝落叶层与水平层理、块状构造与斜层理等交界处极细砂含量较低。WT剖面（图3b）以极细砂与细砂为主，二者含量合计可达60%~70%；同时粉砂含量较高，平均含量20%~25%，在410 cm深度以下，粉砂含量增大到33%以上。
图3 剖面风成砂不同粒度组分所占比重随深度变化

Fig. 3 Variation of proportions of different grain size components in the aeolian sand profile with depth

2.2 沙丘沉积微量元素地球化学特征

古尔班通古特沙漠中风沙土广布，风沙土微量元素含量综合值总体水平低于中国土壤某些微量元素及世界土壤微量元素含量综合值[15]。微量元素丰度较高的元素有钡（Ba）、锆（Zr）、锶（Sr）、钴（Co）和铷（Rb），其中Ba的平均含量最高，特别体现在新月形沙丘链和蜂窝状沙丘中；其次为Sr，含量高值出现在新月形沙丘链中；微量元素丰度较贫乏的元素为铜（Cu）和钼（Mo）[15,20]。而古尔班通古特沙漠南部的天山地区，微量元素的主要特征为富集Ba，但锡（Sn）、Sr、镍（Ni）、锂（Li）、硼（B）、锰（Mn）较贫乏[21]，总体上看，两剖面之间微量元素丰度有一定的相似之处。
本文选取的MT、WT两个剖面风积物的微量元素组成、变化范围和标准差见表2和表3。对比上地壳微量元素含量标准化值（Upper Continental Crust，UCC）可知[22]，在MT剖面中，砷（As）元素富集显著，达到13.95 mg·kg-1，较富集的元素还有Ba、Cu、铬（Cr）、Ni、铅（Pb）、Th、钇（Y）、钒（V）、Zr，其余微量元素均有所亏损，其中Sr与锌（Zn）元素亏损较多，分别为269.00 mg·kg-1与49.14 mg·kg-1。与MT剖面相似，WT剖面沉积中As元素同样表现为富集，达13.98 mg·kg-1。Ba元素含量接近UCC（550.30 mg·kg-1)，但Cu元素略有所亏损。
表2 MT剖面风成砂微量元素丰度

Tab. 2 Trace element abundance of aeolian sand in MT profile /(mg·kg-1)

元素 As Ba Co Cu Cr La Mn Ni Nb
平均值 13.95 591.95 7.76 32.03 42.76 21.92 558.95 22.57 17.76
变化范围 13~14 460~695 6~9 21~36 36~49 18~26 531~611 12~26 15~22
标准差 0.23 43.82 0.72 2.59 3.08 2.07 18.71 2.24 1.23
UCC值 1.50 550.00 10.00 25.00 35.00 30.00 600.00 20.00 25.00
元素 Pb Rb Th Y Sr Zn V Ti Zr
平均值 46.27 94.46 24.59 29.65 269.00 49.14 76.97 2950.78 211.86
变化范围 33~53 89~99 17~28 28~31 252~283 44~55 75~79 2799~3119 269~174
标准差 2.89 2.10 1.59 0.59 6.75 2.69 0.90 75.72 17.78
UCC值 20.00 112.00 10.70 22.00 350.00 71.00 60.00 3000.00 190.00
表3 WT剖面风成砂微量元素丰度

Tab. 3 Trace element abundance of aeolian sand in WT section /(mg·kg-1)

元素 As Ba Co Cu Cr La Mn Ni Nb
平均值 13.98 550.30 6.00 24.34 44.09 20.89 560.11 24.02 18.30
变化范围 13~14 503~643 4~8 18~38 38~53 18~24 503~645 22~26 17~20
标准差 0.15 32.97 0.68 3.18 3.26 1.48 24.05 1.09 0.70
UCC值 1.50 550.00 10.00 25.00 35.00 30.00 600.00 20.00 25.00
元素 Pb Rb Th Y Sr Zn V Ti Zr
平均值 49.11 97.39 25.16 30.31 268.93 43.43 76.91 2991.07 272.52
变化范围 44~53 91~106 22~27 29~32 256~308 37~50 73~82 2632~3478 186~346
标准差 1.97 2.62 1.01 0.67 10.29 2.97 1.43 137.24 38.46
UCC值 20.00 112.00 10.70 22.00 350.00 71.00 60.00 3000.00 190.00
对比前述古尔班通古特沙漠表层风沙土主要微量元素丰度可见，两个剖面风积物各微量元素中，仅有Ba和Zr元素富集，其余的Sr、Co和Rb等元素均为亏损。

2.3 沙丘沉积微量元素含量变化与粒度组成的关系

选取两个剖面样品的Ba、Zr、Rb、Cr、Zn、Cu这6种微量元素含量数据，并对比样品所在层段的沉积构造和粒度组成特点，有助于理解微量元素含量与风积物粒度组成变化之间的关系（图4）。
图4 研究剖面微量元素含量与粒度参数变化对比

Fig.4 Comparison of trace element content and particle size parameter changes in research profiles

在沉积相变化较为复杂的MT剖面中（图4a），各微量元素含量在枯枝落叶、水平层理、交错层理等不同层段交界处波动变化明显。其中，Ba元素含量与风成砂平均粒径、极细砂和细砂含量大致呈负相关，但与中砂含量变化呈正相关；在均值粒径较小的块状构造层中，Ba元素含量与粒度组成变化则无明显关系。Zr元素和Ba元素的含量变化特征大体相似，即Zr元素主要赋存于中砂粒级风成砂中，在风成砂平均粒径较小时、Zr元素含量随之减少。而Rb元素含量与风成砂平均粒径以及极细砂、细砂含量呈正相关关系，与中砂含量呈负相关，说明Rb元素多赋存于较细粒级风成砂层中。Cr元素含量与极细砂含量呈负相关关系，与中砂呈正相关关系，说明Cr元素含量在较粗粒级的风成砂层中较高。在剖面上部的枯枝落叶与水平风沙层交错层中，Zn元素含量的变化趋势与风成砂平均粒径以及极细砂、细砂含量大致呈正相关，与中砂含量呈负相关关系，反映Zn元素多赋存于极细砂、粉砂等粒级较小的风成砂层中，这与Ba元素含量变化趋势相反。在粒度较细的块状构造层段，Cu元素含量与平均粒径以及极细砂、细砂含量变化呈负相关关系，表明Cu元素在较细粒风成砂中的含量较低。
在沉积相变化较小的WT剖面中（图4b），Ba元素含量与极细砂含量变化趋势相似，但不是简单地正相关或负相关，而是正负两种关系交替出现。在整个剖面上，Zn、Mn等元素含量变化与粒度组成变化几乎一致，即这两种微量元素含量变化与极细砂含量变化均呈负相关，与细砂含量呈正相关关系，表明两者多赋存于细砂粒级中。Sr元素含量与粉砂含量变化呈正相关，与细砂大致呈负相关关系，即Sr元素多赋存于较细的粉砂中。Rb元素多赋存于极细砂粒级中，其含量变化与粒度组成变化的关系与Zn、Mn等元素不同。Cr元素与Ba元素相似，其含量变化与粒度组成变化表现为正反相关交替出现的特征。
综合两个剖面风成砂样品微量元素含量与粒度组成变化关系可看出，Zr、Rb、Mn、Sr这4种元素含量变化与风成砂粒度组成之间有较明显的规律性。其中，Rb元素含量与风成砂粒级变化密切相关，其余Ba、Cr、Zn、Cu等元素含量仅在以粉砂、细粉砂为主的块状构造层段与粒级变化有较明显的相关性。

3 讨论

3.1 沙丘沉积微量元素及元素比值的古气候意义

微量元素在沉积地层中的迁移和富集等地球化学行为，能够较好地反映沉积物风化程度和区域沉积环境的变化[23]。一般来说，Ba元素普遍存在于长石、云母等造岩矿物中[15]，并且Ba离子电离位较低，在水溶液中极易被黏土物质所吸附。因此，在化学风化增强时，Ba元素在沉积物中的含量增加；在化学风化减弱时，Ba元素在沉积物中的含量则减少。同样，在物理风化增强时期，沉积物中Ba元素含量减少，反之，沉积物中Ba元素含量增加。因此，Ba元素在风积物中的富集可以指示相对温暖、湿润的沉积环境[24-25]。此外，在气候相对暖湿、地面植被盖度增加时期，由于地表生物小循环速率加快，Zn元素较易在表层沉积物中富集。因此，沉积物中Zn元素含量高指示暖湿气候，含量低指示冷干气候[23-24]。
微量元素Rb/Sr比值也是表征沉积物化学风化程度的重要指标之一。由于Rb元素易在钾长石和伊利石等含钾元素矿物中富集，Sr元素易在斜长石等含Ca元素的矿物中富集，而含Ca元素矿物易于被风化，因此Rb/Sr比值与沉积物风化程度呈现正比关系[20,26]。即，沉积物的Rb/Sr比值降低时，表明区域物理风化程度增强，而Rb/Sr比值升高时，表明化学风化程度趋于增强。

3.2 区域晚全新世气候变化与驱动机制

基于光释光测年建立的年代标尺，综合两个剖面风成砂粒度组成、微量元素含量与元素比值随剖面深度变化的阶段性及其在气候环境方面的指示意义，可将研究区晚全新世气候演变和风沙活动强度划分为3个阶段（图5、图6），即WT剖面记录为主的4.71~2.15 ka以及MT剖面记录为主的2.15~0.75 ka、0.75 ka至今3个阶段。
图5 古尔班通古特沙漠晚全新世风沙沉积粒度参数与微量元素古气候记录

Fig. 5 Grain size parameters and trace element paleoclimate records of Late Holocene aeolian sand deposits in Gurbantunggut Desert

图6 毗邻区域地质记录对比

注：a为东道海子剖面记录的环境变化[28]，深色部分表示高湖面时期，浅色表示中低湖面时期；b为古尔班通古特沙漠41个地点的沙丘砂所记录的风成活动[12]，深色部分表示沙丘固定期，浅色部分表示沙丘活跃期；c为大西沟剖面记录的环境变化[28]，深色部分表示湿润期，浅色部分表示干旱期；d为本文划分的气候干湿阶段，深色部分表示湿润期，浅色部分表示干旱期。

Fig. 6 Comparison of geological records in adjacent areas

阶段Ⅰ：4.71~2.15 ka。对应WT剖面约100~400 cm深度，此段风成砂平均粒径2.69~4.04 Φ，极细砂与细砂含量占比较大，分别可达57.09%、49.27%，反映风沙活动较强。约4.3 ka前后，风成砂Ba与Zn元素含量均有所增加，Rb/Sr比值较大，表明物理风化程度较低，气候湿润，此时风成砂的平均粒径为低值，说明风沙活动强度较弱、气候湿润。同期，古尔班通古特沙漠出现多次活化-固定的波动变化[12]。天山巴音布鲁克盆地沙丘剖面[8]、天山冰川冰碛物年代学[27]等均反映该时期的冷湿气候特征。在4.0~3.1 ka期间，风成砂中Ba元素含量减少，Zn元素含量有所增加，Rb/Sr比值大幅减小后又有所回升，反映物理风化增强，气候偏暖干。此时，沙漠南缘东道海子水位处于中低湖面状态[28]。至3 ka前后，风成砂平均粒径亦减小，同时Ba元素含量增加、Zn元素含量减少，Rb/Sr比值小幅增长，表明物理风化程度减弱，风沙活动强度有所减弱。约2.8 ka前后的冷事件，在WT剖面对应层位的风成砂平均粒径较小，而Zn元素含量减少、Rb/Sr比值小幅度升高等反映冷湿气候特征，风沙活动强度减弱。同期，北半球中高纬度太阳辐射处于低值[29]，沙漠南部各个湖泊多处于高湖面状态、天山北坡大西沟剖面记录为冷湿期[28]。约2.59 ka，风成砂平均粒径增大，Ba、Zn元素含量、Rb/Sr比值下降，表明风沙活动强度再次增大、区域物理风化作用增强。
阶段Ⅱ：2.15~0.75 ka。对应MT剖面110~360 cm深度，块状构造发育，风成砂平均粒径1.82~2.92 Φ，但极细砂、细砂和中砂含量占比较大，分别达38.21%、43.62%和40.34%。前期，MT剖面风成砂平均粒径较大，Ba、Zn元素含量较低，Rb/Sr比值明显降低。至中后期，风成砂平均粒径减小，Ba、Zn元素含量增加，Rb/Sr比值增大，这些特征综合反映了物理风化、化学风化强弱交替变化过程，显示区域气候由干燥向湿润过渡、风沙活动强度逐渐减小。本阶段相对暖湿的气候，可能与北半球中世纪气候异常期（Medieval Climate Anomaly，MCA）的影响有关[30]。同期，古尔班通古特沙漠西南部艾比湖剖面由中湖面期进入最高湖面期，南部东道海子湖面上升，天山北麓大西沟剖面记录了由暖干转为暖湿、云杉生长线上移的现象，为新疆北部中世纪气候适宜期[28,31]。准噶尔盆地西北侧吉力湖沉积显示有效湿度增加、气候暖湿[32]。天山巴音布鲁克盆地沙丘记录到1 ka前后处于湿润期[8]。而此时位于亚洲西风核心区哈萨克斯坦中部的黄土剖面有机碳同位素记录出现了显示气候湿润的偏负信号[33]。虽然从汉王朝时期到明清时期，天山北麓区域生态环境因人类活动的扰动而发生过多次波动变化[34]，但总体来看，因历史时期人口稀少、人类活动主要集中于天然绿洲水质较淡的南部地带，对天然绿洲北部沙丘分布区的干扰较小，因此可排除人类活动对风沙沉积过程的影响。
阶段Ⅲ：0.75 ka至今。MT剖面110 cm以上为枯枝落叶层与水平砂层交替沉积，细砂、中砂含量占比较大，分别达41.61%和42%，风成砂平均粒径减小为1.76~2.83 Φ，波动变化较大。风砂层中Ba、Zn元素含量为相对谷值，但Rb/Sr比值为相对峰值，反映一次较明显的干冷事件。一般认为，北半球小冰期（Little Ice Age，LIA）始于15世纪中期至20世纪初结束[30]。本段风成砂粒度和微量元素地球化学特征应为小冰期气候的区域响应。MT剖面深30~50 cm以上、风成砂平均粒径值增大，Ba、Zn元素含量增加，但Rb/Sr比值下降，反映小冰期结束后，沙漠气候逐渐向暖干波动发展。沙漠西南部艾比湖沉积记录研究表明，近500 a来艾比湖水位下降，湖水盐度增加[28]；沙漠南部东道海子从距今300 a前至今，湖泊外围演化为现代荒漠植被，湖面逐渐下降[28,31]。以上记录说明，近300 a来，研究区沙漠气候总体以冷干为特征，风沙活动强度的波动变化仍比较明显。
研究表明，全新世以来北半球温度变化主要受太阳辐射强度变化影响，晚全新世以来随着太阳辐射强度减弱，北半球温度总体上呈波动下降趋势，本文剖面及其毗邻区域综合地质记录表明，中亚干旱区晚全新世以来的温度变化特征与北半球其他区域具有很好的一致性。但研究区全新世湿度演变模式受西风强度的变化以及地中海、黑海和里海等西风环流上游的蒸发控制[35]。当西风环流较强时，其携带的北大西洋水汽可以更多地到达新疆北部地区，为研究区带来较多降水，此时区域气候以相对湿润为主。反之，当西风环流较弱时，则当地气候更加干旱。同时，西风带轴线的南北移动也会对古尔班通古特沙漠的干湿程度产生较大的影响[36-37]。因此，晚全新世以来研究区湿度变化具有较明显的区域特点。

4 结论

综合分析和提取风积序列中古气候变化和风沙活动强度变化信息得出以下结论：
（1） 本文研究的两个沙丘（沙垄）剖面粒度组成的区域差异较明显。其中，沙漠西南面的莫索湾剖面（MT）以极细砂、细砂与中砂为主，粒度组成较粗且随深度变化波动较大。沙漠东南面梧桐镇剖面（WT）以极细砂与细砂为主，粉砂含量较高，粒度组成较细且随深度变化的波动较小。综合分析表明，东西两个剖面粒度特征的差异主要与沙丘的物质来源、风动力条件和植被状况等自然地理要素在沙漠尺度上的空间变化有关。
（2） 从不同粒级风成砂微量元素含量变化看，两个剖面微量元素均以Ba、Mn、Sr为主，其中Ba元素含量最多，Co元素含量最少。从微量元素含量与粒度组成随剖面深度变化的特点看，西南部沙丘剖面的波动幅度较大，东南部沙丘剖面波动幅度较小，两者具有明显的区域差异。综合分析表明，两个剖面风成砂微量元素含量随深度变化特点具有区域差异，同样与两个沙丘的物质来源、粒度组成和风动力等自然地理要素的空间变化有关。
（3） 根据OSL测年结果，两个沙丘剖面为约5 ka以来的风沙沉积序列。以微量元素含量、元素比值和粒度参数作为古气候和风沙活动的代用指标，可将研究区5 ka以来的气候和风沙活动历史划分为3个阶段：4.71~2.15 ka，气候干湿交替，风沙活动较强；2.15~0.75 ka，气候逐渐转为暖湿，风沙活动减弱；0.75 ka至今，早期气候较为冷干、风沙活动较强，后期气候趋于暖干、风沙活动有所减弱。
（4） 晚全新世以来，研究区风沙活动有较明显波动变化，但风沙活动强度总体不大，且不同地点风沙活动强度受区域湿度变化、周边地势特征的影响较大，在沙漠尺度上呈现较明显的时空异质性。在更大时空尺度上，研究区风成砂沉积序列记录的古气候和风沙活动强度变化对北半球重大气候事件有一定程度的响应，且与毗邻区域其他地质记录的温度变化特征具有较好的一致性。

衷心感谢同课题组的硕士生邹晓君、谭典佳、马运强对实验、论文撰写提供大量的帮助。

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