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研究方案  

一、研究思路

       以山地黄土、湖沼和树轮为载体重建全新世多尺度气候-水文变化和事件序列,特别是揭示重大突变事件的时空格局、幅度及对盆地水资源的影响,并结合数值模拟、再分析和器测资料研究其关键驱动因子及物理机制。调查和发掘考古遗址,提取人类活动信息,揭示史前跨大陆文化交流过程;提取文献记录信息,研究丝路文明兴衰过程。对比分析气候-水文突变事件序列和文明演化序列,恢复特征时期气候-水文-绿洲-文明系统的耦合图景,构建干旱区人地系统相互作用的概念模型,并预估全球增暖2°C背景下干旱区气候环境变化及其对丝路文明发展的影响。

二、技术路线

(1) 高分辨率记录获取

       选择塔吉克斯坦黄土和伊朗黄土沉积,考察黄土的分布规律、沉积特征、地层结构,以及干旱区粉尘释放规律,获取2个典型剖面完整沉积序列。选择5个山地湖泊,考察流域地貌条件、水系分布和湖盆结构,获取全新世沉积岩芯。在阿姆河/锡尔河-咸海、泽拉夫尚河、伊犁河-巴尔喀什湖等5个流域,考察森林分布、树种组成、土壤状况和流域水文条件,获取完整的大样本树轮样芯(图2)。

(2) 高精度年代测定

      结合释光年代学(2000-1000年间隔)和磁性地层学,确定黄土剖面的年代框架。湖泊岩芯顶部15-20 cm采用210Pb/137Cs、下部利用AMS 14C定年方法,以200-500年间隔,确定岩芯样品的年龄;在扣除碳库年龄后,采用OXCAL 4.2校正程序和IntCal 13将14C常规年龄校正为日历年龄,建立湖泊岩芯的高精度年代模型。

(3) 气候环境代用指标分析

       对黄土样品进行磁学、扫描电镜观测、XRD衍射测试、沉积学与地球化学等分析。对湖泊岩芯进行XRF岩芯扫描、粒度、TOC、C/N、碳酸盐含量等指标分析;并测试碳酸盐碳氧同位素、正构烷烃氢同位素、GDGTs等地球化学指标;开展孢粉、硅藻/介形类等微体化石分析。对树轮样芯开展宽度、密度和稳定同位素测试分析。

(4) 气候环境变化序列重建与集成

       在黄土沉积区沿降水梯度采集表样,并系统地采集表土和湖泊沉积物样品,分析叶蜡、GDGTs、孢粉等指标,厘清其指示意义;通过现代观测资料和各指标的关系来明确树轮宽度、密度、同位素的气候环境意义。应用现代过程研究结果,重建不同时间分辨率的气候环境变化序列,辨识重大气候-水文突变事件。在此基础上,利用多元统计等分析方法,实现分类逐级的气候环境变化序列综合集成,并通过提取突变信号构建气候-水文事件序列。

(5) 古人类活动和东西交流历史重建

       调查和发掘研究区丝路关键节点区域的考古遗址,获得考古遗存样品。应用14C和光释光测定考古遗址年代,重建史前人类活动历史,结合文献资料研究历史时期人类活动和丝路兴衰的过程。通过工具和动植物遗存鉴定、骨骼和植物遗存同位素分析,揭示不同时期古人类的生产生活方式和迁徙历史、以及东西方文化交流的过程。

(6) 多尺度气候水文突变与驱动机制分析

       依据全球及亚洲中部干旱区的重建资料,利用全球气候模式开展全新世以来的气候瞬变模拟,探索百年到千年尺度气候突变事件的驱动机制;结合陆表水文模式,研究气候突变事件与水文变化的关系。分析多源资料,结合全球气候模式模拟结果,设计敏感性数值试验,开展过去百年亚洲中部干旱区年代际-年际尺度气候变化特征和机制研究。

(7) 丝路关键节点区全新世古绿洲演化

       在丝路关键节点开展系统的地质地貌调查,认识全新世沉积地层序列及空间变化特征。选择10个完整的风成沙-腐殖土沉积剖面,建立可靠的年代序列,结合古环境代用指标分析,重建丝路沿线全新世古绿洲演化历史。结合文献、考古资料和野外考察,获得关键节点不同类型古遗址的详细信息,通过GIS方法的运用,揭示丝路沿线历史时期古绿洲演化的过程。

(8) 气候环境-文明演化耦合分析

       综合分析单一节点古绿洲演化、气候-水文变化和文化兴衰重大事件等,建立区域尺度气候环境-文明演化耦合关系概念模型。集成分析不同节点古绿洲演化、气候-水文变化和丝路文明兴衰重大事件,梳理不同空间上述事件的相位特征,并探究其主要影响因素。结合现代气候变化观测和古气候模拟,对气候水文变化、绿洲演化、丝路文明兴衰各环节开展综合分析,构建大陆尺度气候环境-文明演化耦合关系的概念模型。

(9) 气候环境变化情景预估

       选择CMIP5或CMIP6中对研究区现代气候模拟性能优异的全球气候模式,将其未来情景试验模拟结果作为区域气候模式的初始/边界场,开展全球增暖2°C背景下亚洲中部干旱区高分辨率动力降尺度集合预估试验,结合水文模式,提供全球增暖2°C背景下亚洲中部干旱区气候-水文变化特征及水热配置格局。

(10) 气候环境变化对丝路文明发展的影响预估

       以典型绿洲为研究案例,通过文献资料分析,梳理近百年绿洲兴衰的变化过程,分析其自然和人文因素。综合现阶段有关可持续发展的评估方法,建立评估研究区生态环境可持续发展能力的综合评估指标体系。结合全球增暖2°C干旱区气候环境变化情景,参考人地系统耦合关系研究结果,预估气候环境变化对丝路文明发展的影响。

三、主要创新点

       本项目在研究思路和研究方法上均有新的突破,有望在理论认识和国家需求层面做出创新性贡献。

(1) 创新点1:研究思路上的创新

       基于研究区盆-山耦合的地貌格局,重建山地气候-水文变化序列与重大突变事件,恢复盆地史前和历史时期绿洲-文明演化过程,以水资源作为衔接两者的核心要素;将气候环境变化与丝路文明兴衰有效结合,将古气候定量重建与数值模拟有效结合,实现古气候学、环境考古学、历史文献学、气候动力学的多学科交叉研究。

(2) 创新点2:研究方法上的创新

        利用黄土、湖泊和树轮等记录载体重建不同时间尺度气候环境变化;利用骨骼同位素和残留物分析理解史前时代东西方农业传播;利用历史记载、考古证据、民族学调查和人类基因理解东西方人群交流;利用含水体同位素的全球气候模式和陆表水文模型,以及高分辨率区域气候模式,并结合代用资料、再分析资料、卫星遥感资料以及器测资料,探索研究亚洲中部干旱区气候-水文演变特征及其机制。

(3) 创新点3:理论层面上的创新

        在多尺度西风气候-水文变化的规律与机制、丝路文明兴衰与史前时代东西方文化交流的过程和模式等方面取得新认识,解释“气候-水文-绿洲-文明”系统的耦合关系,构建干旱区人地系统相互作用的概念模型。

(4) 创新点4:国家需求层面上的创新

         理解全新世以来不同时间尺度亚洲中部干旱区气候环境变化-丝路文明演化的相互作用规律,定量评估未来升温2°C背景下丝路核心区的气候-水文变化,预估其对丝路文明发展的影响并提出应对措施建议,为国家绿色丝路社会经济建设提供理论支撑。