《Applied Food Research》：Various human activities during the Great Acceleration across China reflected by lake sediments
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東北中國 Silailongwan Maar 湖沉積物記錄揭示了1950、1975、2000年三次大規模人類活動驅動下土壤侵蝕和重金屬污染加劇的歷史，結合全國其他沉積數據表明大加速時期人類與環境交互作用存在顯著時空異質性。
李國奈|金張東|滿建奇|何茂勇|程園園|郭如軍|鄧力
中國科學院地球環境研究所黃土科學國家重點實驗室，中國西安710061
摘要
自工業革命以來，人類活動已成為地球表面地質過程和生態系統變化的重要驅動力。到20世紀中葉，這種驅動力在全球范圍內進入了“加速期”，此時土地利用和工業化加劇了土壤侵蝕和金屬污染。然而，人為影響的程度和時機在不同地區存在很大差異，這源于自然條件與社會生態系統之間的復雜相互作用。本研究利用四海龍灣（SHLW）瑪珥湖的沉積記錄，并整合了先前發表的數據，來考察自“加速期”以來中國各地的人類-環境相互作用。結果顯示，中國東北地區在公元1950年、1975年和2000年左右經歷了大規模的森林砍伐和工業擴張，導致該地區的土壤侵蝕和重金屬污染顯著增加，這一變化通過湖中巖石生成元素的濃度和比例以及人為金屬通量得到了證實。結合中國其他地區的沉積記錄，可以發現自“加速期”以來，以土地利用和工業化為代表的人為過程系統性地加劇。不過，這些過程在時間和組成上存在明顯差異，這既受到社會歷史的影響，也受到環境條件的制約。在中國東北部和內陸地區，由于豐富的自然資源和戰略位置，1950年至2000年間以資源為基礎的經濟發展促進了早期工業化；而沿海地區則在2000年后采取了出口導向型經濟模式，雖然工業化起步較晚，但具有有利的貿易地理條件。在地方和更廣泛范圍內進行長期監測和評估將有助于理解這些復雜的動態變化。
引言
自工業革命以來，人類活動日益成為地球表面過程和生態系統變化的重要驅動力。到20世紀中葉第二次世界大戰結束時，人類活動及其引發的環境變化達到了一個明顯的臨界點，并隨后急劇加速，這一現象被稱為“加速期”（Waters等人，2016年；Zalasiewicz等人，2015年）。這一定義最初由國際地圈-生物圈計劃（IGBP）提出，旨在全面反映自1950年以來地球系統在社會經濟和生物物理層面的整體性、綜合性和相互關聯性變化（Steffen等人，2015年）。例如，人為因素對全球沉積通量的貢獻在20世紀50年代中期超過了自然過程，這主要是由于土地利用變化改變了地表植被和地形，從而加劇了土壤侵蝕和退化（Arnaud等人，2016年；Cooper等人，2018年；Poesen，2017年）。同時，工業活動推動了鉛（Pb）、鎘（Cd）、砷（As）、銅（Cu）和鋅（Zn）等重金屬和類金屬的全球產量呈指數級增長。這些潛在有害元素可通過徑流和大氣沉降進入生態系統，對生態平衡構成重大威脅（Han等人，2002年；Wan等人，2019年）。
在以往的研究中，“加速期”常被描述為一個全球幾乎同步的過程。然而，要弄清這些全球性信號如何與當地的環境和社會生態背景相互作用仍然是一個挑戰，因為人為活動的程度和時機存在明顯的時空異質性，這受到人類活動與當地環境條件（如地形、氣候、資源和植被）相互作用的影響，并且受到區域社會生態系統的重要制約（Berger等人，2021年）。這種區域性的不一致性也是為什么與“加速期”相關的人類世尚未被正式確立為地質年代的原因之一（Witze，2024年）。鑒于地球系統中的系統性變化與局部環境的累積變化之間的相互作用，識別和解決敏感區域的關鍵人為過程和環境響應至關重要，同時需要基于“加速期”的概念開展跨區域比較研究，以更好地理解人類-環境相互作用的機制。
中國大陸是一個地理環境多樣的廣闊區域，非常適合研究這些科學問題。然而，現有研究缺乏對“加速期”期間不同地理區域的比較分析。關于土壤侵蝕和重金屬污染歷史動態的研究仍然有限。此外，大多數以往的研究集中在水文開放的湖泊或泥炭沼澤記錄上，這使得地層解釋受到流域特定模式的限制，而無法反映更廣泛的區域特征。因此，有必要編制地層檔案，以重建中國各地關鍵人類活動對環境的影響。
在這里，我們選擇了中國東北部的四海龍灣（SHLW）湖作為研究對象，目的是（1）重建沉積物巖心中主要元素和微量元素的變化；（2）確定控制侵蝕和金屬輸入及動態的驅動因素；（3）闡明過去一個世紀中國東北地區人類活動（如土地利用和工業化）的歷史以及區域環境演變。隨后，我們整理了中國各個人為因素的歷史變化，以探索“加速期”期間中國各地人類與環境相互作用的一般模式和潛在差異。
研究區域
SHLW湖（北緯42°17′，東經126°36′，海拔791米）位于中國吉林省白山市，屬于長白山火山場中的瑪珥湖系列之一，其特征是第四紀堿性玄武巖（圖1a）（Chu等人，2005年）。該湖呈規則的碗狀圓形，最大深度超過50米。這個小流域的特點是沒有水文流入/流出（圖1b）。研究區域屬于溫帶氣候...
SHLW湖沉積物的巖心年代學
放射性測量（226Ra、210Pb）的結果表明，除了靠近表面的部分略有偏差外，SHLW-10沉積物中的210Pbex活性隨巖心深度的增加而呈指數級下降（圖3a和3b）。這表明沉積物在湖中沉積后幾乎未受到生物擾動。使用CRS模型計算的210Pbex活性表明，巖心約9.5厘米深度處的沉積物形成于公元1953年，約8.0厘米深度處的沉積物形成于公元1964年。這些結果與地質年代學數據相符...
反映歷史侵蝕的巖石生成元素變化
通常，巖石生成元素（Al、Na、Rb、Ti、Ca和Sr）主要通過化學風化和物理侵蝕過程從地球表面傳輸到湖泊沉積物中。其中，Rb主要分散在硅酸鹽和粘土中，表現出惰性的地球化學行為。相比之下，Sr常常替代碳酸鹽晶格中的Ca，其活性明顯高于Rb。與Rb類似，Al主要存在于硅酸鹽和粘土中，而Na的活性相對較高...
結論
本研究利用SHLW湖近一個世紀的元素沉積記錄，重建了中國東北地區人為侵蝕、工業活動及其環境影響的歷程。在這些元素中，巖石生成元素主要通過大氣和流域侵蝕輸入，這從它們的比例中可以看出來。局部地形和氣候變化對侵蝕動態有一定影響，但1950年、1975年和2000年的大規模森林砍伐事件...
作者貢獻聲明
鄧力：方法論。程園園：方法論。郭如軍：軟件。滿建奇：方法論。何茂勇：方法論。李國奈：撰寫——審稿與編輯，撰寫——初稿，調查，正式分析，數據管理。金張東：撰寫——審稿與編輯，監督，資源獲取
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文研究工作的財務利益或個人關系。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文研究工作的財務利益或個人關系。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金（42221003）的支持。
