全球超过三分之一的人口居住在干旱与半干旱区，这些地区占全球陆地面积的40%。沙丘广泛分布在干旱与半干旱区，成为一种独特的自然景观。沙丘的形成及其演化机理一直是地球与环境科学领域关注的热点科学问题。
在人们的印象中，沙丘通常是寸草不生和流动的。而在半干旱地区，沙丘可以呈现出流动或固定等不同状态。流动沙丘与固定沙丘的植被覆盖度和流动性差异极大，却可以在相同的地表环境中长期共存，其共存机理是沙丘地貌和环境研究中悬而未决的科学难题。近年来的研究表明，地貌、生态、气候等复杂系统可能具有“多稳态（alternative stable states）”的特征。流动沙丘和固定沙丘稳定共存于相同的环境条件下，这表明沙丘的形成发育可能也具有多稳态特征。根据多稳态理论预测，随着外部环境条件的渐变，微弱的扰动就可能使沙丘从一种稳定状态演化到另一种稳定状态，这种称之为“稳态转换”（critical transition）的系统行为通常表现出迟滞以及在临界点上的突变等非线性特征。当前，受限于实地证据缺乏，对于沙丘多稳态的形成机理以及这种独特生态-地貌景观长期演化轨迹的理解还非常有限。在沙丘发育演化过程中是否存在稳态转换这一根本问题上， 学术界也存在激烈争议。由于沙丘的快速变化会对当地生态环境带来显著影响，并且多稳态的迟滞特征意味着沙丘一旦活化将很难恢复，因此，沙丘多稳态研究对于干旱半干旱区的防沙治沙和区域生态文明建设具有重要意义，特别是在澄清干旱区土地快速退化的触发条件并进行早期预警等方面可以发挥关键作用。
图1 沙丘双稳态现象（流动沙丘与固定沙丘共存）
围绕干旱区环境变化，公司地理学院鹿化煜教授的研究团队在我国北方沙漠沙地开展了二十年的研究工作。近年来，在科技部重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持下，他们对多个沙漠沙地开展了“拉网式”考察和大量样品采集、测试分析，构建了近百个有精确年代控制的风沙沉积记录，取得了一系列科研成果。2016年起，该团队徐志伟博士等与公司生科院徐驰教授团队协同美国、荷兰、以色列以及国内多个高校的学者组成的多学科联合团队，针对我国北方半干旱地区的主要沙地（包括毛乌素沙地、浑善达克沙地和科尔沁沙地等）144处风沙沉积进行了基于过程分析的点位特异性重建与集成，利用500多个地层-独立年代数据和古气候重建-模拟资料，获得了这些沙地过去一万两千年的环境变化历史（分辨率达到五百到一千年）。研究发现，我国北方沙地在过去一万两千年以来就存在与现今类似的流动沙丘与固定沙丘共存的现象，并且在距今六千年前后流动沙丘面积最少。受到季风降水变化的影响，在局部沙丘状态（流动或固定）的变化在较短时间内发生，表现出明显的突变特征，但突变发生的时间节点具有显著的不同步特征，其演化轨迹也具有鲜明的空间异质性。沙丘双稳态格局的形成及状态突变主要与植被、土壤与风沙活动之间的多种正反馈作用有关，并且受到生态系统内部过程的调节。在全域尺度上的重建结果表明，由于局部空间异质性特征相互抵消，这些沙地的总体状态演化表现为渐变特征，并且与季风降水存在较为明确的定量关系（但仍然存在迟滞现象）。这一研究成果有助于理解目前我国北方沙漠沙地环境变化机理以及预测区域环境变化趋势。这项研究凸显出考虑空间尺度和地表圈层相互作用在干旱区地貌发育和环境变化研究中的重要性，同时为澄清撒哈拉沙漠等全球其它干旱区环境突变和渐变的历史过程和机制提供了重要参考。
上述结果以“Critical transitions in Chinese dunes during the past 12,000 years”为题，于2020年2月27日在线发表在Science子刊Science Advances上。论文第一和通讯作者为地理学院青年教师徐志伟副教授，公司徐驰教授、弋双文高级工程师和鹿化煜教授参加了这项研究。参与论文工作的还有美国威斯康星大学Joe Mason教授以及荷兰瓦赫宁根大学、以色列本古里安大学、陕西师范大学、南京信息工程大学等国内外合作者。该研究受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、美国科学基金以及荷兰皇家科学院中荷合作交流等项目资助。这项研究工作也是公司积极推进多学科交叉融合、有效提升科研创新能力的一个重要体现。
图2 沙丘双稳态以及我国北方沙地过去一万两千年以来的风沙环境变化（详细说明请见原文）
图3 我国北方沙地环境对过去一万两千年以来气候变化的响应和迟滞（图中数据详细说明请见原文）
图4 “古环境档案”：风沙沉积记录的过去沙丘流动性变化历史
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