南科大李芯芯团队在中国湖泊沉积记录中发现早期人类影响信号

近日，南方科技大学海洋科学与工程系助理教授李芯芯团队及合作者在中国湖泊沉积记录中取得重要研究发现，相关成果以“Human impacts overwhelmed hydroclimate control of soil erosion 5000 years ago in China”为题发表于国际地学顶尖期刊《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）。

该研究收集了中国大陆范围内191个湖泊及泥炭的沉积剖面数据，利用绝对定年数据重建了晚更新世以来（40,000年至今）中国湖泊沉积速率的变化及其影响因素。研究发现，相比于降雨等气候变化因素，早期中国大陆人类活动对地表的系统性改造是5000年以来中国湖泊沉积速率显著加快的主要控制因素，这比全世界湖泊沉积平均记录（4000年）提前了约1000年，间接证明了中国人类文明早于世界其他大陆。本研究有助于我们深入理解“人类世”的概念和内涵。

人类作为重要的地质营力（即引起地质作用的自然力），对地表系统的改造是史无前例的，并且在全球尺度造成了严重的后果。有学者建议以“人类世（Anthropocene）”来表征这个地质新纪元，即人类活动主导对地球系统的改造。这个概念“把现代的人类活动和社会变迁放到地质的时空尺度里探讨”，是“在古今之间拆墙”（汪品先）。但是，关于“人类世”的起始时间，目前还存在很大争议，“近”的认为在数百年以来，“远”的认为在数千年之前，且各有证据支持。很多学者支持以工业革命或1950年核试验等作为“人类世”的起点，因为在沉积地层中存在清晰的时间节点或明显的速率变化。另一些学者则认为，人类活动对地表环境的改造在数千年之前已显现，如距今50000年到12500年之间的哺乳动物大灭绝，进入早期农业社会后的二氧化碳和甲烷排放，对植被的改造，水土流失等影响早已存在，且累积效应不容忽视。

针对早期人类活动对地表土壤侵蚀的影响，过去的研究往往局限在较小的时间和空间尺度上，这限制了我们对早期人类活动影响程度的认识。本研究收集了中国191个湖泊沉积速率数据，覆盖绝大多数省份，涉及时间从四万年前到现在 （图1），具有较好的时空代表性。利用湖泊沉积速率变化反演中国地表侵蚀强弱，主要探讨了两个科学问题：1、中国地表长期侵蚀的气候控制因素；以及2、中国发达的史前文明对地表侵蚀的影响。

图1 （a）本研究收集的主要湖泊及泥炭沉积剖面的分布情况（b）沉积剖面中的主要定年方法统计（c）计算得到的沉积物沉积速率的分布数据

研究发现，湖泊沉积速率代表的中国土壤侵蚀强度在地质历史时期确实存在明显的强弱变化（图2）。在大多数时间段，其变化与石笋氧同位素和铍同位素指示的季风降水强度变化具有一定相关性：即季风越强，地表侵蚀程度也高；反之亦然。最典型的是全新世气候适宜期（Holocene climatic optimum，气候温暖时期），这是夏季风的强盛期，正好对应着较高的地表侵蚀强度。然而，直接或间接影响地表侵蚀速率的其他因素（如温度、二氧化碳和甲烷浓度）与湖泊沉积速率缺乏清晰的相关性。早期非常低的人口数量也不能解释地表侵蚀强弱的显著变化。因此，中国早期（距今40-6 千年）地表侵蚀主要受控于区域季风降水因素。鉴于中国复杂的地形、植被和气候等自然环境差异，地表侵蚀趋势只反映总体的变化情况，不同的地区肯定会有局部的变化特点。

图2（a）中国湖泊沉积物沉积速率的变化（b）石笋氧同位素指示的季风降水强度变化（c）铍同位素指示的降水量变化（d）湖泊脂类GDGT指标重建的地表温度变化（e）冰芯记录的大气二氧化碳浓度变化（f）冰芯记录的大气甲烷浓度变化（g）不同手段估计的中国早期人口的变化情况

然而，到了五千年前，地表侵蚀速率和区域季风降水的变化出现明显解耦 （图3）。该时期总体季风强度持续减弱并基本稳定，而地表侵蚀速率却持续增强，即地表侵蚀的主要控制因素发生了显著变化。这种变化与中国地区的史前人类活动（早期人口数量及人类活动变化）具有高度相关性，例如早期农业开展，森林破坏（用火），以及之后的采矿冶炼等。这种趋势也与全球早期人类土地利用范围和强度趋势基本一致。这些证据说明早期土地利用等人类活动对地表环境已经产生了较显著的改造作用，并在中国湖泊沉积系统中得到清晰体现。

图3 （a）全新世以来中国湖泊沉积物沉积速率的变化（b）石笋氧同位素指示的季风降水强度变化（c）中国地区人口的变化（d）中国地区炭屑浓度的变化（e）中国基于考古学研究的从狩猎-采集向农耕生计方式转变的历程（f）基于全球考古学知识统计的早期人类土地利用范围和强度的估计（g）基于全球湖泊沉积物沉积速率的变化估计的人为导致的土壤侵蚀增强的起始时间

因此，中国地表侵蚀的主要控制因素存在明显转变，早期由区域水文气候控制，逐渐过渡到人类活动控制，而且转折的时间发生在5-6千年之间，这比全球所报道的平均4000年转折期早了近1000年（图3），间接证明了中国人类文明早于世界其他大陆。中国湖泊沉积速率变化与北美和欧洲的显著差异说明人类活动影响的区域性特征（图4）。该研究支持史前人类活动对地表环境的广泛改造作用，对于深入认识“人类世”这个概念的科学内涵具有重要的意义。

图4 全新世期间中国（本研究）和北美及欧洲（Jenny等，2019）的湖泊沉积速率比较

南科大海洋科学与工程系博士后张帆为论文第一作者，李芯芯为通讯作者。南科大是论文第一单位。以上研究得到了南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）、国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的支持。

论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2021GL096983

供稿：海洋科学与工程系

通讯员：颜莎

主图：丘妍

编辑：朱增光