萨拉乌苏河流域DGS1层段主量元素记录的全新世气候变化

牛东风，李保生，2*，舒培仙，陈　敏，郭亿华，温小浩

（1.华南师范大学地理科学学院，广州510631；2.中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安710061）

萨拉乌苏河流域DGS1层段主量元素记录的全新世气候变化

牛东风1，李保生1，2*，舒培仙1，陈敏1，郭亿华1，温小浩1

（1.华南师范大学地理科学学院，广州510631；2.中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安710061）

选取毛乌素沙漠东南部边缘萨拉乌苏河流域具有代表性的滴哨沟湾剖面全新统DGS1层段，通过测定样品的主量元素——SiO2、Al2O3、TOFE（全铁）、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2的含量并分析其特征，结合年代测定结果，探讨该地全新世气候演变.结果表明，主量元素表现出2个不同时期的不同波动方式：1CS～9P期间（0～3 760 a BP），Al2O3、TOFE、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2基本表现为在湖沼相中含量大于次生黄土，次生黄土中含量大于沙丘砂；10LS～21LS期间（3 760～11 000 a BP），CaO、MgO在湖沼相中出现峰值，尤其是在15LS（7 340～8 170 a BP）及其上下达到顶峰，其他主量元素表现为低值.通过分析发现，DGS1层段实际上是全新世以来多次东亚冬夏季风的交互演替过程下的堆积-风化产物，是气候地层的真实记录.依据CIA值与SiO2/（Al2O3+TOFE）比值，将DGS1层段主量元素信号记录的全新世气候可分为4个阶段：全新世早期气候好转、全新世鼎盛期、大暖期向寒冷期转变的波动期、降温不稳定和沙漠化频繁变化时期.

滴哨沟湾剖面；主量元素；气候变化；全新世；毛乌素沙漠

第四纪以来全球气候的变化历来为学者所重视，特别是全新世是距离今最近的地质时期，对全新世气候变化规律的理解，为预测未来气候变化，以及人类社会的可持续发展具有重要的现实和深远意义.全新世在全球范围气候回暖期，但期间亦存在千年尺度的Dansgaard-Oeschger旋回［1-2］并出现寒冷事件［3］，这已经被包括洞穴石笋［4］、湖泊［5-6］、泥炭［7］等沉积记录在内的各种地质载体所证实.

风沙地貌及风沙活动的形成演化受到气候变化的重要影响，全新世期间亚洲季风的演变及其对我国沙漠地区施加影响目前尚无定论.显然，这一问题的探讨对于全新世全球变化与我国沙漠区域的东亚季风环境演变的理解和对未来发展趋势的预测具有重要作用，尤其是沙漠气候千年尺度变化过程与驱动机制的研究对生态脆弱的干旱—半干旱地区社会与经济发展更显得意义突出.

内蒙古鄂尔多斯高原毛乌素沙漠东南部边缘的萨拉乌苏河流域位于我国北方的沙漠/黄土边界带，也是目前我国冬夏季风的过渡带，区域环境变化对全球变化的响应较为敏感，是研究全球变化和区域季风环境演变的理想区域，关于该区域已有不少研究成果［8-11］，研究认为，该流域记录了自更新世以来形成的多层序的风成沙丘砂、河湖相和古土壤沉积，忠实地反映了过去地质时期该区域千年尺度的气候演变.近年来，对萨拉乌苏河流域多次考察的结果发现，位于该流域滴哨沟湾村的河流左岸的滴哨沟湾全新统存在由多种沉积相互叠覆构成的沉积序列，具有明显的沉积旋回，为深入探讨毛乌素沙漠全新世气候波动及与全球气候的对比关系提供了重要线索.本文对滴哨沟湾剖面全新统——DGS1层段（以下称DGS1），以主量元素分析结果为依据，结合年代测试结果，讨论萨拉乌苏流域全新世气候演变过程，以此加深对该区域环境演变过程的理解.

1　材料与方法

滴哨沟湾剖面位于萨拉乌苏河流域滴哨沟湾村的河流左岸，37°43＇26.3″N，108°31＇2.3″E，剖面顶部海拔高度1 309 m（图1）.该剖面地层出露厚度为62.70 m，时代包括全新统、上更新统和中更新统上部［11］.DGS1层段（以下简称DGS1）的堆积深度为0～4.84 m，包括12层湖沼相（LS）、3层古流动沙丘砂（D）、3层古固定—半固定沙丘砂（FD）、1层现代流动沙丘（0MD）、1层砂质古土壤（S）、1层泥炭（P）和1层次生黄土（CS）（图2）.其中，湖沼相以灰黑色或灰白色细砂质粉砂为主，含植物根系，致密，含大量的软体动物化石，10LS～17LS以粒度变化进行细分；流动沙丘为灰黄色风成细砂，分选均匀，松散；古固定—半固定沙丘砂以灰黄色含粉砂的极细砂质细砂为主，分选较好，松散；砂质古土壤表现为棕灰色含粉沙的细沙，略紧实，弱成土壤化；泥炭以砂质沉积物为主，分选较好，黑色；次生黄土以暗灰黄色粉沙为主，水平层理发育，松散.

图1　萨拉乌苏河地理位置与研究区域Figure 1　The location of Salawusu River and the study zone

DGS1总共有9个样品的年代测试结果，其中8个常规14C年代（表1）和1个OSL年代（图2）.14C年代由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所14C实验室测定，TL年代在中国科学院广州地球化学研究所热释光实验室测定.对14C年代采用Calib7.0程序中Intcal 13数据集［12］进行校正（表1）.由于这8个常规14C年代测试结果在第4个年代出现倒置，其余均符合“地层层序律”原则，则将此点删除，并以剩下测定年代为控制点运用沉积速率线性内插方法建立该剖面的时间标尺.由表1和图2可以看出，DGS1层段21LS的14C测定年代为9 500±100 a BP、9 600±100 a BP，校正获得的日历年依次为10 856 ±309 cal.a BP、10 925±216 cal.a BP；剖面1CS顶部的OSL年代为1 800±100 a BP.据此可以认为该层段属于全新世的堆积.

表1　滴哨沟湾DGS1层段14C年龄测定Table 1　14C age determination results and calendar ages of some horizons in the DGS1

图2　DGS1沉积序列Figure 2　The sedimentary sequences of the DGS1

对DGS1进行了65个样品的氧化物或单质的主量元素分析.采样除现代沙丘砂外，间隔大约为5 cm/样品.元素分析在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所中心实验室采用帕纳科公司生产的顺序式波长色散型X射线荧光光谱仪（型号:Axios，产地:荷兰，采用超尖锐陶瓷X射线光管，功率可达4 kW，管流可达160 mA）测得.采用粉末压片法制样.具体步骤为:称取4 g粒度小于0.075 mm的样品，将其在105℃下烘干后放入制样模具，用硼酸镶边垫底，在368 MPa的压力下压成镶边外径为32 mm的样片放入干燥器中待测.

2　结果与分析

分析结果显示常量元素的氧化物为 SiO2、Al2O3、TOFE（全铁）、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2，其含量分布列于表2.结合图3将各个沉积相常量元素的分布概述如下.

2.1主量元素在各个沉积相的分布

流动沙丘砂和古固定—半固定沙丘砂的主量元素均以SiO2含量最高，分别为58.35%～83.83%和37.2%～73.22%，平均含量为77.28%和52.37%；其次是Al2O3:7.97%～11.97%和6.32%～8.25%，平均含量为9.11%和7.45%；然后是TOFE:1.64%～4.56%和1.51%～2.84%，平均含量为2.41%和2.36%.CaO的含量分别为 0.77%～8.44%和1.35%～20.55%，平均含量为1.87%和13.32%；Na2O含量分别为1.57%～2.99%和1.71%～2.10%，平均含量为2.09%和1.97%；MgO含量分别为0.58%～2.74%和1.73%～3.76%，平均含量为1.24%和2.59%；K2O含量分别为1.83%～2.46%和1.39%～1.91%，平均含量为2.12%和1.67%；TiO2含量分别为0.18%～0.35%和0.13%～0.26%，平均含量为0.23%和0.21%.

湖沼相，SiO2含量所占比重大大降低，但仍为最高，为21.36%～83.29%，平均含量为54.47%；Al2O3含量为3.91%～10.49%，平均含量为7.61%；TOFE含量为1.70%～4.68%，平均含量为2.77%.其他元素:CaO含量为0.93%～29.21%，平均含量为10.45%；Na2O含量为1.02%～2.29%，平均含量为1.71%；MgO含量为0.94%～12.51%，平均含量为5.21%；K2O含量为0.95%～2.30%，平均含量为1.75%；TiO2含量为0.15%～0.30%，平均含量为0.22%.

次生黄土，SiO2含量最高，为56.58%～64.17%，平均含量62.07%；Al2O3含量为10.73%～12.23%，平均含量为11.15%；TOFE含量为3.66%～4.83%，平均含量为3.95%.其他元素:CaO含量为6.76%～8.69%，平均含量为7.23%；MgO含量为2.05%～2.76%，平均含量为2.24%；K2O含量为2.20%～2.42%，平均含量为2.26%；Na2O含量为1.63%～2.13%，平均含量为1.92%；TiO2含量为0.13%～0.16%，平均含量为0.14%.

泥炭，SiO2含量最高，为78.58%～85.62%，平均含量83.53%；Al2O3含量为7.56%～7.87%，平均含量为7.67%；TOFE含量为1.51%～1.66%，平均含量为1.55%.其他元素:CaO含量为0.95%～1.21%，平均含量为1.07%；MgO含量为0.66%～1.17%，平均含量为0.83%；K2O含量为1.92%～2.01%，平均含量为1.98%；Na2O含量为1.97%～2.06%，平均含量为2.01%；TiO2含量为0.13%～0.37%，平均含量为0.22%.

砂质古土壤，SiO2含量最高，为 68.73%～82.22%，平均含量为77.83%；Al2O3含量为7.96%～8.51%，平均含量为8.24%；TOFE含量为2.04%～2.21%，平均含量为2.13%.其他元素:CaO含量为1.59%～2.19%，平均含量为1.86%；MgO含量为1.00%～1.46%，平均含量为1.20%；K2O含量为1.85%～1.99%，平均含量为1.94%；Na2O含量为2.09%～2.22%，平均含量为1.71%；TiO2含量为0.20%～0.30%，平均含量为0.21%.

2.2主量元素分布特征

分析表2、图3和图4，可以看出DGS1层段主量元素变化具有以下特点:

（1）各个元素含量存在一定的甚至明显的差异.剖面以SiO2含量占绝对优势，大多数样品超过60%，其次是 Al2O3，多在 7%以上；MgO、Fe2O3、K2O、Na2O含量不高，差不多在1.0%～4.0%范围，且依次降低；CaO不同沉积相含量变化大，最高可达29.2%；TiO2含量甚微，各个样品含量都不足0.5%.

表2　DGS1各沉积相主量元素分布Table 2　The distribution of major elements in different sedimentary facies　%

图3　DGS1层段主量元素变化Figure 3　The changes of major elements in the DGS1

图4　DGS1部分沙丘砂表面扫描电镜Figure 4　The SEM from some of the dune sands

（2）DGS1中，沙丘砂和湖沼相、次生黄土在剖面上SiO2含量变化相反.其余诸主量化学元素表现出2个不同时期的不同波动方式:1CS～9P期间（0～3 760 a BP），Al2O3、TOFE、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2含量基本表现为按照湖沼相-次生黄土—沙丘砂的次序由高到低变化；从10LS到DGS1底部（3 760～11 000 a BP）CaO、MgO在湖沼相中出现峰值，尤其是15LS（7 340～8 170 a BP）及其上下达到顶峰；其他主量元素表现则相反.DGS1层段（11 000～0 a BP）主量元素含量垂向变化构成犬牙交错的元素波动曲线（图3）.

3　讨论

3.1DGS1的堆积—风化过程

在现代毛乌素沙漠冬春季节，偏北和西北风向的亚洲冬季风盛行、风沙流的蚀积活动加剧、化学风化作用微弱，但在季节性的降水影响下，流沙得以固定；而暖湿的夏秋季节，来自东南的亚洲夏季风盛行，降水和流水作用增强，地表过程以沙丘固定——成壤和河湖沉积为主要营力，化学风化作用相对增强.滴哨沟湾剖面的沉积序列也许应该是古亚洲季风的真实的气候地层记录.

通过对萨拉乌苏流域 DGS1层段古沙丘砂SiO2、Al2O3和 TOFE在主量元素统计发现，SiO2、Al2O3和TOFE含量在古流动沙丘砂中的分布范围分别为 58.35%～83.83%、7.97%～11.97%和1.64%～4.56%，平均含量分别为77.28%、9.11%和2.41%.根据对毛乌素沙漠现代流动沙丘砂16个样品的分析［9］，其SiO2、Al2O3和TOFE含量分布范围依次是75.20%～90.22%，4.62%～9.13%和1.42%～2.96%，平均含量分别为81.55%、7.85%和2.23%.由此可见，古今流动沙丘砂在这3种元素分布上差异不大.选取2D层位样品，经前处理（包括洗泥、去除碳酸钙和有机质），双目显微镜下挑出粒径为0.25～0.30 mm的石英砂（过0.25 mm和0.18 mm筛）20～25粒平行置于样品墩上，在标准真空镀膜机中均匀镀上20 mm的金钯合金，使用扫描式电子显微镜扫描（型号:日本S-520，放大倍数为20～200 000倍）分析.发现磨圆度极好，颗粒表面无硅质沉淀并显现出麻坑（图4），反映出沙丘砂堆积的风成成因特征.说明这些古沙丘砂是类似于现代流动沙丘沉积环境影响下形成的古代沙漠沉积.

进一步将DGS1中Al2O3、CaO、NaO2、K2O诸元素含量投影在A-CN-K三角图上（图5），发现沙丘砂的元素含量分布在大部份斜长石-钾长石基线以下，次生黄土、泥炭、砂质古土壤的元素含量高于沙丘砂并有部分高于斜长石-钾长石基线.这些，暗示剖面中次生黄土、砂质古土壤层中经历不同程度的风化.另外，化学蚀变指数（CIA）比值被广泛用作衡量大陆化学风化程度的定量指标［13-14］，计算过程参考文献［14］；陆源页岩（PAAS）PAAS和UCC数据来源于文献［15］，计算DGS1的CIA值，发现其值在43.28～59.97之间，平均值为48.63，且从沙丘砂到砂质古土壤、湖沼相、次生黄土CIA值升高，表明化学风化作用亦逐渐增强（图6）.

图5　DGS1的A-CN-K化学风化趋势Figure 5　The A-CN-K chemical weathering trend of the DGS1

3.2DGS1的气候波动过程

萨拉乌苏河流域地处毛乌素沙漠南缘，是东亚季风变化的敏感区，在西伯利亚—蒙古高压强烈影响下的冬季风盛行的时期，来自北方的干寒气流可以带动更多粗粒的碎屑形成地表风沙流，强迫更多细粒形成尘暴流失，同时抑制黏粒的滋生，使得颗粒粗化，形成流动沙丘.流动沙丘砂粒度组成主要以砂质沉积物为主，这些物质的矿物组成中，石英及其他硅酸盐类矿物以其较高硬度难以遭受磨蚀粉碎被更多的保留，SiO2含量在曲线上凸出为峰与这种环境有密切的关系；反之Al2O3等由于遭受SiO2“稀释”作用而表现为低谷.在冬季风仍占优势，夏季风也可以影响的形势下，降水量增加，有利于植被覆盖度增加并捕获更多细粒，当这种环境持续发展时，流动沙丘就有可能发育为古固定-半固定沙丘.相对古流动沙丘，这种类型的沙丘发生微弱的化学风化，在此基础上，伴随着动植物的进一步改造，有机质含量增加，可能发育为不同程度的砂质古土壤.当西伯利亚-蒙古高压进一步减弱到冬季风力小于起沙风力（5 m/s）的时期，降尘的发生频率有可能大为增加，次生黄土1CS（0～1 800 a BP）也许是这种气候的直接后果.在DGS1中0MD～9P（0～3 760 a BP）时期，沙丘砂和砂质古土壤、湖沼相、次生黄土在剖面上主量元素呈现有规律的波动:沙丘砂、次生黄土层位SiO2峰值凸出；堆积湖沼相和古土壤发育时期，SiO2含量降低、Al2O3含量相应增高，这在很大程度上与前述其时的冬/夏季风环境在时间上的多次叠加作用有关.

图6　DGS1 CIA值与SiO2/（Al2O3+TOFE）比值对比Figure 6　The comparison between CIA and SiO2/（Al2O3+TOFE）注:阴影区代表映DGS1反映的全新世大暖期.

当西伯利亚—蒙古高压减弱、冬季风力降低，夏季风强盛时期，水热条件较好，一方面抑制了风沙活动，入湖或加积古土壤中以风成沙丘砂减少，从而降低了SiO2的供给量；同时还使得易溶元素大量被溶解迁移，这有利于化学性质比较稳定的Al2O3的相对富集.低洼之处形成的湖泊沼泽中也会受到季节性风沙和其下伏“母岩”风砂物质的混入，但由于流水作用的加工和改造，从而使其化学元素表现出一定的复杂性.值得注意的是，当夏季风力降低，冬季风强盛时期，强劲的风力所携带的砂物质跌落进水草茂盛的湖泊处，将受湖泊潜育环境的影响，剖面中的泥炭可能是这种环境下的产物.但在10LS到DGS1底部的湖相层（5 510～11 000 a BP）中CaO、MgO出现峰值，SiO2与Al2O3表现低值，尤其是平均粒径最细的15LS（7 340～8 170 a BP）及其周边最为明显（而14LS～15LS（7 200～8 170 a BP）阶段SiO2含量仅为28.19%）.这与前述主量元素含量在湖沼相中的分布方式似乎矛盾.主要原因是DGS1湖沼相沉积时生长了大量的软体动物，这些软体动物死后的螺壳体大量加入到湖泊沉积物中，大大增加了CaO、MgO的比重.

通常对于夏季风作用为主地区，CIA值可作为有效的气候代用指标［16］.SiO2/（Al2O3+TOFE）比用于指示冬季风的强弱变化.CIA值越大，化学风化作用越强，气候越温暖湿润，指示夏季风增强；SiO2/（Al2O3+TOFE）比值越大，气候越寒冷干燥，冬季风越强.从这一认识出发，在已有年代的基础上根据时间标尺上绘制SiO2/（Al2O3+TOFE）比值和CIA值全新世以来的变化趋势图（图6），根据两者的变化趋势，DGS1全新世气候主要有以下4个阶段:

第一阶段（图6中Ⅰ区）21LS～18FD（11 000～10 130 a BP），全新世早期气候好转.SiO2含量降低，Al2O3含量升高，SiO2/（Al2O3+TOFE）比值降低，CIA值总体上不高，但是有逐渐升高的趋势.气候比末次冰期明显好转，冬季风减弱，夏季风增强，沙漠主要以古固定半固定沙丘为主，温度升高，降水增加，但是降雨强度不大，局部地区形成了暂时性湖泊和沼泽，湖沼相发育.但暖湿程度不如后面的鼎盛期.此阶段据祁连山敦德冰芯记录，冰后期升温开始于10.75 ka BP以前，气候发生多次震荡［17］.其中，18FD（10 130～10 460 a BP）/20FD（10 570～10 610 a BP）所代表的冷事件可与Bond等［1］发现的北大西洋冷事件中的10.3 ka BP对比.

第二阶段（图6中Ⅱ区）17LS～12LS（10 130～6 590 a BP），全新世鼎盛期.CaO与MgO含量达到最高，SiO2与Al2O3含量均降低，SiO2/（Al2O3+TOFE）比值维持在低值，CIA值总体上为最高.在地层上以灰白色湖沼相堆积为主要特色，内含大量软体动物化石.风沙活动最弱，气温升高，降水丰富，沙地中的湖沼相沉积广泛发育.此鼎盛期在我国多处地点均有记录，如侯光良和方修琦［18］根据我国全新世气温集成序列资料认为全新世鼎盛期出现在8～6.4 ka BP.需要说明的是，在大约6 600～8 500 a BP时期SiO2/（Al2O3+TOFE）比值和CIA值变化趋势基本一致，这可能与降雨增强的同时风化作用加强，并且水动力（河流环境）也同时增强，导致粗颗粒物质（主要为石英颗粒）带入也多，因而导致 SiO2/（Al2O3+TOFE）比值也较高.

第三阶段（图6中Ⅲ区）11LS～10LS（6 590～3 760 a BP），大暖期向寒冷期转变的波动期.SiO2含量增加，Al2O3含量降低，SiO2/（Al2O3+TOFE）比值升高，CIA值降低.此时湖泊开始萎缩，深度变浅，亚洲冬季风开始增强，风沙活动频发，在冬春两季偏北风携带北部沙漠沙丘砂进入湖区沉积.有资料显示全新世高温期的晚期气候更不稳定，表现为快速降温变干过程［19］.

第四阶段（图6中Ⅳ区）9P～0MD（3 760～0 a BP），降温不稳定和沙漠化频繁变化时期.此阶段以沙丘砂堆积为特点的干冷多风气候期为主体，且具有不稳定性，期间发育的2D（1 980～2 090 a BP）、4D（2 440～2 630 a BP）、6D（2 820～3 140 a BP）是气候急剧变冷的结果.这与侯光良和方修琦［18］认为晚全新世4 ka BP以来气候为相对较冷的结果相一致.另外，0MD（0～1 800 a BP）可与北大西洋冷事件0.4/1.4 ka对比，6D（2 820～3 140 a BP）可与北大西洋冷事件2.8 ka对比，9P（3 380～3 760 a BP）可与北大西洋冷事件4.2 ka BP对比；次生黄土1CS（1 800～1 980 a BP）所代表的的气候回暖期与GISP2［20］和气温集成序列显示的小冰期之前的1 ka BP前后有一次短暂的温暖期［18］相一致.

由以上分析可知，DGS1层段主量元素记录的全新世以来萨拉乌苏河流域存在多次冷暖气候波动事件，表明在全新世总体温暖背景下气候仍存在较大波动，且这些时间在北半球具有普遍性，说明DGS1层段主量元素记录的气候信号是对北半球气候变化的区域响应.

致谢：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所14C实验室胡智育先生、中国科学院地球化学研究所宇宙核素实验室卢良才先生进行了样品年代测试，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所中心实验室孙忠先生进行了元素分析，在此致谢！

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Holocene Climate Changes Recorded by the Major Elements in the DGS1 Segment of the Salawusu River Valley

Niu Dongfeng1，Li Baosheng1，2*，Shu Peixian1，Chen Min1，Guo Yihua1，Wen Xiaohao1
（1.School of Geography，South China Normal University，Guangzhou 510631，China；2.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，Xi＇an 710061，China）

The typical segment DGS1 in the Dishaogouwan section from the Salawusu River Valley of the southeast depression of the Mu Us Desert is selected to study climate changes during the Holocene.The analyse of the concentrations and characterizations of major elements——SiO2、Al2O3、TOFE、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2，along with the age determination show that the fluctuations of major elements exhibit differences in two different periods: from 1CS to 9P，the contents of Al2O3，TOFE，CaO，MgO，K2O，Na2O，TiO2are more than those in the secondary loess，and they are less in the dune sands than those in the secondary loess；from 10LS to the bottom of the DGS1 segment，the contents of CaO and MgO show peaks in the lacustrine facies，especially，the high peak appears in the 15LS，and other major elements display low values.Those studies suggest that the DGS1 segment is actually the weathering accumulation under the alternations of Asian winter and summer monsoons since the Holocene，which is the stratigraphical climate record.Besides，according to the CIA values and SiO2/（Al2O3+TOFE）ratios，the Holocene climate recored by the major elements in the DGS1 can be divided into four periods:the warming period of the Early Holocene；Holocene heyday；the fluctuation peiod from the Megathermal to cold；and the cooling instability and desertification period.

Dishaogouwan section；major elements；climate changes；Holocene；Mu Us Desert

P532

A

1000-5463（2015）03-0112-08

2014-12-17《华南师范大学学报（自然科学版）》网址:http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金项目（41471159）

李保生，教授，Email:libsh@scnu.edu.cn.