基于石笋钙同位素的定量古水文重建揭示4.2千年事件对长江中游新石器社会的影响

《National Science Review》：Precise chronology of hydrological changes around 4.2kyr in central China to assess the impact of flooding on Neolithic societies

本刊推荐：为厘清~4.2 kyr BP水文扰动在石家河文化衰亡中的作用，研究人员对长江中游(MYV)一支年纹层石笋(HS4)开展了高分辨率古水文重建。通过测定δ44/42Ca、X/Ca、δ13C等多指标，首次定量重建了4.6–3.5 kyr BP时期年降雨量(630–1180 mm/yr)，发现文化转型发生于干旱期，而人口锐减与>1000 mm/yr的极端多雨期导致的洪涝密切相关。该研究为理解水资源过剩对古文明的影响及4.2 kyr事件的水文机制提供了关键证据。

　　

在人类文明发展史上，适宜且稳定的降雨是支撑社会繁荣的基石。然而，当降雨模式发生剧烈波动，尤其是出现极端降水事件时，往往会给古代社会带来毁灭性打击。大约在4200年前（4.2 kyr BP），全球多个地区，包括中东、南亚和东亚，都经历了显著的气候变化，这一时期被称为“4.2千年事件”。在中国，与之相对应的是长江中游地区高度发达的石家河文化的衰落。石家河文化以其宏大的城址（如面积达1.8平方公里的石家河古城）、先进的玉器与陶器制作技术以及复杂的水利管理系统而闻名，是新石器时代晚期技术最先进的文明之一。然而，从约4300年前开始，该文化走向衰落，并在约3900年前崩溃。关于其崩溃原因，学术界长期存在争议：是来自中原文明的外来入侵，还是气候变化（特别是水文扰动）所致？

尽管在石家河文化时期的多个考古遗址中发现了洪水事件的证据，但由于缺乏来自文化核心区域（长江中游）的、具有精确年代学的定量古水文记录，使得验证“洪水导致文化崩溃”这一假说变得困难。已有的古水文记录多来自中国东部更广泛的区域，其水文条件存在显著的空间异质性，且沉积物中洪水层的定年存在不确定性，难以精确评估极端降雨的规模、持续时间和具体影响。因此，获取一份来自石家河文化腹地、具有精确绝对年代和定量降雨重建的高分辨率古气候记录，对于理解4.2千年事件如何影响新石器时代社会至关重要。

为了回答这一问题，由Jin Liao、Christopher C. Day、Chaoyong Hu、Yuhui Liu和Gideon M. Henderson组成的研究团队，对采自长江中游地区清江沿岸的和顺洞的一支名为HS4的石笋进行了深入分析。这项研究发表在《National Science Review》上，首次为长江中游地区在4.6至3.5 kyr BP期间提供了连续的、定量的年降雨量重建记录。研究发现，石家河文化的转型发生在相对干旱的时期，而该文化的最终废弃和人口锐减，则与持续数十年的极端强降雨（>1000 mm/yr）及其引发的洪涝灾害密切相关。这表明，对于古代文明而言，水资源过剩（洪水）可能与水资源短缺（干旱）同样具有破坏性。该研究不仅为理解石家河文化的兴衰提供了关键的气候背景，也为更广泛地探讨4.2千年事件的区域水文响应模式及其与大气-海洋环流系统（如ENSO、WPSH）的联系提供了重要依据。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，利用铀系定年法(U-Th dating)建立了石笋HS4在目标时段内高精度的绝对年代框架，并结合年纹层计数将年代精度提升至近年级别。其次，通过微钻技术连续取样，对石笋碳酸钙进行了多指标地球化学分析，包括钙同位素(δ^44/42Ca)、稳定碳氧同位素(δ¹³C, δ¹⁸O)以及微量元素与钙的比值(X/Ca，其中X=Mg, Sr, Ba)。其中，钙同位素被作为定量重建古降雨量的核心指标，其原理是基于先成碳酸盐沉淀(PCP)过程：降雨量减少会延长水在洞穴上覆岩层中的滞留时间，导致更多的方解石在到达洞穴顶部之前沉淀，由于轻钙同位素优先进入固体，使得后续形成的石笋的δ^44/42Ca值升高，反之亦然。该指标在与现代器测降雨数据对比验证后，被用于定量计算古降雨量。最后，将获得的高分辨率古水文记录与考古学（如器物概率分布SPD、植物遗存）、古洪水沉积记录等进行综合对比分析，以评估水文变化与人类活动的关系。

Heshang Speleothem 4.6-3.5 kyr BP Hydrological Record with Precise Age Model

研究基于和顺洞的HS4石笋，建立了覆盖4.6-3.5 kyr BP的高分辨率记录。该石笋生长速率较快（约0.3 mm/年），铀含量适中，利于高精度U-Th定年。研究新增了10个针对石家河文化时期的U-Th年龄数据，并结合已有的21个年龄数据，利用OxCal软件建立了精确的年龄模型（平均不确定性为±74年，2σ）。石笋在整个研究时段内发育清晰的年纹层（明暗偶极层），通过纹层计数并将此相对年代框架“悬挂”在U-Th绝对年龄模型上，实现了近年级别的年代控制。在此基础上，通过微钻连续取样获得了343份样品，分别测量了δ¹³C、δ¹⁸O、X/Ca（每份样品代表约3.5年，测量间隔约6-7年）和δ^44/42Ca（每8份样品测一次，测量间隔约25年），共计925次独立测量。

Timing of high- and low-rainfall periods

通过分析地球化学指标，研究识别出特定的干湿期。较高的δ^44/42Ca、X/Ca和δ¹³C值对应于较干旱的条件，反之则指示湿润。研究将δ^44/42Ca值偏离整个时段（4.6-3.5 kyr BP）平均值（850 mm/yr）超过1个标准差（±140 mm/yr）的时期定义为异常降雨期，分别对应年降雨量低于700 mm/yr或高于1000 mm/yr。据此，识别出三个干旱期：MYV-D4.3k (4.36-4.33 kyr BP)、MYV-D4.2k (4.23-4.10 kyr BP)、MYV-D3.5k (3.57-3.55 kyr BP)；以及两个湿润期：MYV-W3.9k (3.95-3.84 kyr BP)、MYV-W3.7k (3.70-3.59 kyr BP)。这些事件持续数十年（40至150年），其持续时间通过年纹层计数确定。更高分辨率的Mg/Ca数据支持了由钙同位素确定的干湿期持续时间。

Rainfall trends and archaeology in the MYV around 4.2 kyr BP

重建的降雨记录与考古证据紧密结合。分析表明，长江中游地区的人口（通过考古器物概率分布SPD评估）在4.4-4.1 kyr BP达到峰值，但从湿润期W3.9k开始时急剧下降，并在整个W3.9k和W3.7k期间维持在低水平。这与该时期广泛报道的古洪水沉积、湖泊扩张、湿生植物花粉增加等证据相符，表明极端多雨（>1000 mm/yr）导致洪涝、湿地扩大，减少了可供居住和农业生产的土地，最终促使人口外迁和文化崩溃。相比之下，在干旱期D4.3k和D4.2k，尽管有湖泊收缩、地下水位下降和旱生草本植物增加的证据，但考古植物学数据显示，当时发生了从水稻向粟（一种耐旱作物）的种植转变，这被视为一种成功的适应性策略，使得人口水平得以维持，同时期文化表现为从石家河文化早中期向后石家河文化的过渡，并吸收了中原文化的影响。第三个干旱期D3.5k则与商王朝在长江中游的盘龙城遗址的建立同时，表明较低水位可能有利于新的文化进驻。

Comparison of ca. 4.2 kyr BP MYV rainfall with other periods and locations

研究将重建的古降雨与现代（过去120年）记录对比，发现4.6-3.5 kyr BP期间的平均年降雨量（850 mm/yr）和最高年降雨量（约1200 mm/yr）均低于现代（分别为1150 mm/yr和1500 mm/yr），突显了现代水资源管理技术对应对极端水文事件的重要性。研究还将此记录与和顺洞石笋重建的8.2千年事件时期的降雨进行对比，发现8.5-8.3 kyr BP降雨量较高（约1000 mm/yr），可能也对当时的社会构成挑战。尤为重要的是，本研究记录与距离仅390公里和690公里的Yangkou洞、Shennong洞的记录呈现出相反的水文趋势。结合现代气象数据和古气候记录分析，这反映了中国东部存在的三极型（N+/C-/S+ 或 N-/C+/S-）或偶极型（N+/S- 或 N-/S-）降雨空间模态。本研究记录恰好位于三极型的中心（C）区域。数据分析还揭示了~27年和~66年的显著周期性，分别与太平洋年代际振荡(PDO)和大西洋多年代际振荡(AMO)相关。综合南北向的多个石笋记录表明，在约4.3-4.0 kyr BP可能为“北湿/中干/南湿”(N+/C-/S+)模态，而在约3.9-3.6 kyr BP转换为相反的“北干/中湿/南干”(N-/C+/S-)模态。这种转换发生在约4.0 kyr BP，与古气候记录指示的ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）变率从低到高的显著增强以及热带辐合带(ITCZ)可能的南移在时间上吻合，提示大尺度气候动力学可能是驱动区域水文变化的关键因素。

本研究通过长江中游和顺洞石笋的高精度、定量化古水文重建，清晰地揭示了4.2千年事件前后水文变化的细节。结果表明，石家河文化的演变并非由单一的气候事件决定，而是对不同水文条件的适应性响应。短期到多年代的干旱期（D4.3k, D4.2k）促使了农业策略的调整（从水稻转向粟作）和文化的转型（吸收外部影响），社会得以存续；而持续数十年的极端强降雨期（W3.9k, W3.7k）所引发的洪涝灾害，则对低洼地区的居住和农业生产空间造成了长期、大范围的破坏，最终导致了石家河文化的衰落和人口的外迁。这证明水资源过剩（洪水）与短缺（干旱）一样，能够对即使是高度发达的文明构成严峻挑战。此外，该研究将局地的水文历史与区域乃至全球尺度的气候模式（如EASM降雨空间模态、ENSO、PDO、AMO）联系起来，为理解4.2千年事件的气候动力学机制提供了来自中国关键区域的新证据。这项研究强调，在当今全球变暖导致极端天气事件频发的背景下，深入理解过去气候突变事件中水文变化的规律、机制及其社会影响，对于评估未来水资源管理和农业可持续性具有重要的借鉴意义。