塔克拉玛干沙漠最内陆地区的地表花粉及其对中亚东部干旱地区植被和气候重建的启示

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Surface pollen in innermost Taklamakan Desert and its implication on vegetation and climate reconstruction of Eastern Arid Central Asia

塔克拉玛干沙漠现代花粉数据集构建及荒漠植被分类方法研究，提出基于藜科和麻黄花粉相对含量的定量指标（绿洲>26.3%，沙漠<14.1%），建立七类荒漠植被鉴别流程图，揭示大规模花粉数据库在东亚干旱区重建中的显著偏差，为干旱区古环境研究提供方法论参考。

　　

作者：胡迪、杨健、姚一峰、王宇飞、李金锋

中国科学院植物研究所植物多样性与特用作物国家重点实验室，中国北京市香山南辛村20号，邮编100093

摘要

在中亚干旱地区（ACA），稀疏的植被和较低的物种多样性给传统的花粉分析带来了挑战，这限制了我们对古植被和古气候的重建。本研究基于一条穿越塔克拉玛干沙漠无人居住内陆的采样路线，在500公里的环境梯度上系统地收集了64个表层土壤样本，建立了涵盖沙漠、过渡带和绿洲环境的现代花粉数据集。研究结果表明，由于藜科（Chenopodiaceae）和蒿属（Artemisia）花粉的过度代表，传统的聚类方法难以有效区分不同类型的植被。因此，我们提出了一种新的定量指标，该指标基于柽柳（Tamarix）和麻黄（Ephedra）花粉的相对丰度（RA）之和，并定义了可靠的绿洲与沙漠区分阈值（绿洲>26.3%，沙漠<14.1%）。通过创新性地采用成对比较方法，我们构建了一个诊断流程图来区分七种干旱植被亚型。比较分析清楚地表明，大规模的花粉数据库在东亚干旱地区的非地带性区域存在显著的重建误差，这突显了开发专门针对干旱环境的区域校准数据集的必要性。这项工作不仅提供了跨越整个沙漠的罕见表层花粉数据，还为研究古环境变化和古代文明的发展提供了新的定量方法。此外，它还为全球其他非地带性干旱地区的古生态学研究提供了重要的方法论见解。

引言

在全球变暖的趋势下，干旱地区的升温速度明显快于全球平均水平，其生态系统对未来气候变化的响应仍知之甚少（Cook和Vizy，2015；Zhou等人，2015；Huang等人，2017；Lian等人，2021）。东亚干旱地区（Eastern ACA）位于大陆深处，远离海洋，其气候主要受西风环流控制，是全球最典型和最具代表性的极端干旱环境之一（Chen等人，2008；Chen等人，2019）。由于水资源匮乏，该地区的植被覆盖极为稀疏，形成了广阔的沙漠与零星绿洲交织的独特景观。这种生态系统对突发的气候变化极为敏感，在全球生态系统中具有独特性，是理解地球系统科学和古气候变化的关键区域之一（Qin等人，2005；Narisma等人，2007；Chen等人，2008）。

作为东亚干旱地区生态系统的核心组成部分，绿洲历史上孕育了繁荣的人类文明。它们依靠山体融水和地下水维持生存，属于非地带性区域（Jia等人，2004；Hernandez-Aguero等人，2025）。东亚干旱地区是全球绿洲的主要分布区。历史上，穿越这些绿洲的丝绸之路成为连接东西方文明的纽带。沙漠和绿洲的时空演变不仅改变了自然地貌，还深刻影响了丝绸之路文明的兴衰；因此，对该地区环境演变的研究长期以来一直是学术研究的重点（Mu和Chen，2005；Hansen，2012；Zhao等人，2014；An等人，2017；Chen等人，2019；Zhou等人，2019；Yang等人，2020；Dong等人，2022；Sun等人，2022）。

为了准确评估和预测该地区生态系统在预测的全球变暖情景下的演变轨迹，深入理解长期的过去气候演变和植被动态至关重要。精确重建过去的气候和植被不仅有助于解释环境演变对丝绸之路文明兴衰的深远影响，还为评估该地区对未来气候变化的响应模式提供了关键实证证据（Tierney等人，2020）。

在众多古环境代用指标中，化石花粉因其广泛的地理分布和良好的保存特性而成为不可或缺的工具。几乎所有地区都发现了化石花粉记录，包括植被稀疏的中亚干旱地带（Sorrel等人，2007；Zhao等人，2007；Cao等人，2013；Huang等人，2015；Chevalier等人，2020；Ding等人，2023；Pan等人，2025）。目前，花粉分析已不再局限于传统的定性环境描述，而是全面进入了基于大数据和统计模型（如气候转移函数、贝叶斯方法）的高精度定量重建时代（Birks，2019；Chevalier等人，2020；Herzschuh等人，2023）。然而，对于这些依赖于现代校准数据的定量古环境重建方法来说，设计一个可靠的现代花粉数据集是重建过程中的关键步骤。因为气候重建的准确性在很大程度上取决于当地现代花粉相对丰度与现代环境测量值之间的实证关系（Chevalier等人，2020）。

因此，对于中亚极端干旱地区而言，构建高质量的现代花粉数据集尤为重要和紧迫。该地区整体植被覆盖度极低，植物群落相对简单。由于强烈的风蚀和长距离传输，这些地区的表层花粉组合往往含有大量外来花粉，使得它们与当地稀疏植被的关系变得复杂，界限模糊。如果没有针对该地区特定生境的高分辨率现代花粉数据集作为参考，直接应用其他气候区的数据库或大规模数据库来解释干旱地区的地层花粉将会导致古气候和古植被重建的严重偏差，甚至可能导致错误的古环境推断。

为了填补这一关键空白，并验证干旱地带花粉作为可靠古气候代用指标的潜力，我们以塔克拉玛干沙漠为例，建立了首个基于523公里南北向采样路线的现代表层花粉数据集，涵盖了沙漠、过渡带和绿洲以及七种植被亚型。利用这一数据集，我们系统地分析了研究区域内表层花粉的相对丰度（RA），为干旱地带沙漠和绿洲环境的精确识别提供了可靠工具，同时为全球类似干旱环境的定量古气候研究提供了新的视角。

地理位置和气候特征

塔里木盆地（ACA东部）是中国最大的半封闭内陆盆地（图1），南侧被昆仑山和阿尔金山脉环绕，北侧是天山山脉，西侧是帕米尔高原，中心是塔克拉玛干沙漠。其气候特征被定义为典型的温暖温带大陆性超干旱气候（Jin等人，1994；Jiang等人，2019）。克里雅河（35°14′-39°29′ N，81°09′-82°51′ E）发源于克里雅山脉

塔克拉玛干沙漠中的花粉组合特征

花粉图展示了沿塔克拉玛干沙漠中部从山区到河岸绿洲再到沙漠内部的南向北采样路线上的花粉相对丰度（RA）变化。根据纬度、海拔和环境因素，研究区域被划分为四个区域：山区（区域I）、过渡沙漠区（区域II）、河岸绿洲区（区域III）和沙漠内部区

大规模花粉-气候校准数据集在东亚干旱地区的应用限制

东亚干旱地区是一个典型的内陆干旱环境。其绿洲生态系统受到河流径流和地下水的显著影响，形成了与周围沙漠不同的独特非地带性生境。为了测试大规模校准数据集在极端干旱生态系统中的适用性，本研究首先使用了亚洲现代花粉数据库，采用了现代类比技术（MAT）和加权平均偏最小二乘法（WA-PLS）

干旱地区古环境重建的挑战

在这项研究中，我们使用了三种常见的生态聚类方法——层次聚类、K-means聚类和TWINSPAN——来分类塔克拉玛干沙漠的表层花粉数据。结果清楚地表明，尽管这些方法可以生成相对稳定的聚类，但它们根本无法准确匹配植被类型。对于地理上广泛分布的各种典型沙漠植被类型（如无植被沙漠、温带灌木沙漠等），

作者贡献声明

胡迪：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、调查、正式分析、数据管理。杨健：撰写——审稿与编辑、监督、调查。姚一峰：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。王宇飞：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。李金锋：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、资源管理、方法论设计。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了Gemini工具来改进语言表达和可读性。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

资金来源

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42272010、32070240）的支持。

未引用的参考文献

Oksanen和Hill，2025 Yue等人，2024

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。