天山被誉为“中亚水塔”,位于中亚东部核心地区,是中亚众多河流的源头(如塔里木河、伊犁河、玛纳斯河、锡尔河,等等);该地区生态环境脆弱,对未来全球变暖的响应可能更为强烈;同时,该地区又是我国“一带一路”倡议——陆上丝绸之路的关键区域。对这一地区过去水文气候变化的理解不仅是探究区域生态环境与社会历史发展进程相互作用的关键,也为预估丝绸之路未来气候变化提供科学基础。

中亚气候干旱,生态系统脆弱。中亚地区的大气环流不仅是联系亚洲季风气候和北大西洋气候的纽带,同时也在东亚粉尘传输中起重要作用。深入理解中亚地区气候变化历史,对该区水资源评估具有重要意义。然而,对于中亚干旱区过去气候变化的认识尚存在较大争议,这极大的阻碍对中亚气候变化机制的理解。

中科院地球环境研究所“一带一路”国际地球环境研究中心湖沼实验室蓝江湖博士等,利用采自中天山高山湖泊——赛里木湖的一支钻孔岩芯,通过有机碳、有机氮、碳/氮比、碳酸盐含量和粒度等多种代用指标分析,重建了该地区4000年以来的水文气候变化历史。研究显示,晚全新世以来该地区共发生了4次降水显著增加时期(4000-3780、3590-3210、2800-2160和
890-280cal yr BP)和1次降水微弱增加时期(1700-1370cal yr
BP),这与中亚东部地区已有的降水/湿度记录相吻合,表明晚全新世以来中亚东部地区具有相似的水文气候变化模式。进一步研究发现,太阳活动减弱以及整个环北大西洋地区大气环流南移,特别是中纬西风主要路径的南移,可能是中亚东部地区晚全新世水文气候变化的最主要原因。此外,赛里木湖的研究结果还揭示了该地区最近100年降水显著增加。

中科院地球环境所蔡演军研究员联合国内外同行,以我国新疆科桑洞石笋为研究对象,建立了中亚东部地区全新世石笋碳、氧同位素变化序列。结果显示,石笋氧同位素在早中全新世(10000-3000
a BP)明显偏负,3000-2000 a
BP逐渐向偏正发展,2000年以来维持偏正的状态。通过和其他地质记录的对比,结合最新模型的数值模拟结果,他们认为科桑洞石笋早中全新世氧同位素的变化主要反映了水汽源区的氧同位素值以及区域降水变化,而非降水的季节性变化:早中全新世增强的西风急流导致中亚西部地区冬季降水增加,气候湿润,并使得降水中的O-18贫化;这使得一系列水域和湖泊,包括咸海、里海、地中海等再蒸发水汽中的O-18贫化;这些水汽向东传输,经过天山山脉的抬升作用,形成降雨,最终导致中亚东部地区包括我国新疆降水中的O-18的贫化;同时,增加的湿度一方面能够使得水汽在传输过程中仍保持O-18的贫化,另一方面还能通过减弱云下和地表的再蒸发作用,进而造成降水/石笋氧同位素值在早中全新世的偏负;另外,早中全新世强盛的印度季风也可能使得氧同位素值偏负的水汽传输到中亚东部地区,尽管占比较小,也可在一定程度上导致科桑洞石笋氧同位素值的偏负。总之,科桑洞石笋氧同位素的偏负揭示以夏季降雨为主的中亚东部地区在早中全新世气候较湿润,与以冬春降雨为主的中亚西部地区变化基本一致,西风急流、中亚西部降水的再传输和地形影响是造成这一现象的主要原因。

该成果受国家自然科学基金(41672169、41473120、41502171)、中科院青促会优秀会员项目的资助,是中科院地球环境研究所“一带一路”研究计划一部分,目前在线发表于中国科学:地球科学上(蓝江湖等,
2018, 中亚东部晚全新世水文气候变化及可能成因. 中国科学: 地球科学, 48,
doi: 10.1360/N072018-00057; Lan et al., 2018, Late Holocene
hydroclimatic variations and possible forcing mechanisms over the
eastern Central Asia. Science China Earth Sciences,

蔡演军研究员等进一步提出,随着晚全新世周边地区降雨的减少,输送到中亚东部地区的水汽减少,气候变干,石笋以及其指示的降水氧同位素在2000年之后开始主要受控于温度变化。楼兰、米兰等在汉代兴盛一时的古城的废弃,则可能和该区500
AD左右的高温干旱气候有关。

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这一成果发表于国际地学研究知名期刊Quaternary Science Reviews上 (Cai, Y. et al. Holocene moisture changes in western China, Central Asia, inferred from stalagmites. Quaternary Science Reviews, 2017,158: 15-28)。

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