全新世晚期西非地区粉尘沉积量的增加受到了土地利用变化的加剧影响

《Global and Planetary Change》：Increasing late holocene dust deposition in West Africa is amplified by land use change

该研究通过开发沙尘动员潜力指数，揭示了西非晚全新世时期气候变化与人类活动共同作用下的沙尘沉积机制。分析表明农业和畜牧业扩张导致沙尘源区南移，并在相对湿润期仍保持沙尘排放增长，证明人类活动显著增强了景观对侵蚀的敏感性。

　　西非地区在全新世中期至晚期的尘埃沉积变化，长期以来被认为主要受到轨道强迫对西非季风的影响。然而，这一时期也经历了显著的土地利用变化，而人类活动的重要性却一直缺乏明确的约束。本研究挑战了纯气候解释，展示了人类活动可能在全新世晚期西非尘埃排放增加中发挥了关键作用。为了表征土地利用对尘埃的影响，我们开发了一个“尘埃动员潜力”指数，该指数基于考古证据和当代对土地利用如何影响尘埃动员的观察，反映了土地利用强度和景观改造的状况。我们的分析表明，人类引起的尘埃排放中心随时间发生了变化，初期增加出现在撒哈拉沙漠南部和萨赫勒地区，这与早期农业和牧业的强化相吻合，随后逐渐向更湿润的南部地区扩展，伴随着农业和畜牧业实践的扩散与多样化。值得注意的是，即使在相对湿润的气候时期，如3500-2500年前和中世纪气候异常（1150-650年前），人类引起的尘埃排放仍然持续增加，这一趋势与纯气候强迫不符，但与人类活动强度的同步上升相一致。我们的研究结果表明，尽管大规模的气候变化在全新世西非建立了整体的干旱化趋势，但逐步的土地利用增强了景观对侵蚀的敏感性，从而导致了尘埃响应超出单纯气候强迫的预期。

西非地区的全新世被广泛认为是一个经历了显著水文气候、土地覆盖和尘埃通量变化的时期（Kr?pelin等人，2008；Mulitza等人，2010）。古环境和考古档案不仅记录了土地利用的变化，还反映了自然气候过程与人类驱动变化之间的相互作用（Mulitza等人，2010；Shanahan等人，2015；Marchant等人，2018；Zerboni和Nicoll，2019；Giresse等人，2023）。矿物尘埃是许多档案中的关键组成部分，既是过去环境条件和人类活动影响的示踪剂，也是地球气候系统的一部分（Webb和Pierre，2018；Cruz等人，2021；Kok等人，2023）。

全新世中期非洲湿润期的结束标志着西非环境条件的显著转变，从半湿润转变为超干旱（Holmes，2008）。这一转变的确切性质仍存在争议，有证据支持其为突然的（deMenocal等人，2000；Tierney和deMenocal，2013；Collins等人，2017）或逐渐的（Kr?pelin等人，2008；Francus等人，2013；Shanahan等人，2015）脱水情景。最近的模型研究（Egerer等人，2017；Egerer等人，2018）表明，这一转变在北非和西非地区存在时空异质性，暗示既非纯突然也非纯逐渐的模型都不足以准确描述这一时期区域水文气候变化的复杂性。

特别引人注目的是，自全新世晚期以来（4000年前至今），尘埃沉积速率持续上升（Albani等人，2015），这一时期轨道强迫机制已基本稳定（Wanner等人，2008）。传统的古气候解释将这一趋势主要归因于西非季风系统的南移以及相关降雨带的移动，从而导致了持续的干旱化（Skonieczny等人，2019；Cruz等人，2021）。然而，这一时间区间也与西非地区的人类活动对景观的改变相吻合，包括农业强化、畜牧业扩展以及铁冶金的采用（Breunig，2013；Manning和Timpson，2014；Kay和Kaplan，2015；Kay等人，2019）。这种时间上的相关性引发了关于这一时期人类活动对尘埃生成潜在贡献的重要问题（Pausata等人，2020）。

多方面的证据表明，仅凭气候波动可能无法完全解释西非地区全新世晚期的尘埃沉积模式（Cockerton等人，2014）。来自该地区南部边缘的古气候重建，特别是在几内亚湾，表明在全新世晚期的部分时期，水分条件相对稳定，缺乏显著的干旱化证据（Weldeab等人，2007a；Shanahan等人，2006；Shanahan等人，2015；Collins等人，2017）。与此同时，相邻大陆架的海洋沉积物核心则显示尘埃输入持续增加（Mulitza等人，2010；Collins等人，2013；Skonieczny等人，2015）。这种局部水文气候重建与尘埃沉积记录之间的脱节表明，可能还有其他因素影响了尘埃的生成和传输。

以往的研究已经提出了人类活动对全新世晚期土壤侵蚀和尘埃通量的潜在贡献（Mulitza等人，2010；N'nanga等人，2025）。Bayon等人（2012）认为，人类引起的植被清除可能增强了化学风化和土壤的动员；然而，这种分析主要依赖于单一的海洋沉积物记录，限制了对区域影响的全面评估。同样，Garcin等人（2018）在中非湖泊沉积物中发现了人类活动导致的森林砍伐的证据，但这些影响在西非多样化的生态区中的空间范围和程度仍缺乏明确的约束。因此，缺乏一个将特定土地利用实践与尘埃生成潜力联系起来的定量框架。

本研究通过数据综合和简单建模，探讨了土地利用变化与全新世晚期尘埃沉积之间的关系。我们开发了一个新的“尘埃动员潜力”指数，以量化土地利用如何影响尘埃通量，并将这一框架应用于覆盖过去4000年的大陆尺度土地覆盖重建。通过将这些模式与区域尘埃通量记录和古气候数据进行比较，我们旨在量化人类活动作为关键放大因素的作用，这一因素在系统本质上由大规模气候强迫所主导。我们的方法为理解工业时代之前西非的人地互动提供了新的视角，并通过明确考虑景观对侵蚀的敏感性变化，为尘埃敏感的古环境档案提供了更完善的解释框架。

研究区域涵盖了西非和北非中西部的部分地区，其纬度范围大约从20.5°N到6°S，经度范围从17.5°W到21°E（图1）。目前，这一地区包括了多种生态系统，从北部的撒哈拉沙漠到南部几内亚湾附近的热带雨林。植被的分布受到降水梯度的强烈影响（图1a），南部地区出现了超干旱和荒芜的沙漠景观，而北部则相对湿润。这种植被分布的变化与土地利用模式密切相关，尤其是在农业和牧业活动扩张的背景下。随着人类活动的增加，土地的自然状态被逐步改变，从而影响了尘埃的生成和运输。

为了评估西非地区在全新世晚期尘埃的变化，我们对古记录进行了系统性的三步选择过程。首先，我们使用了一个涵盖整个非洲的69个已发表尘埃记录的数据库（详见补充文件1），然后应用地理筛选以隔离位于我们研究区域的34个记录。这些记录位于西非和西非中西部的周边地区（图1a）。随后，我们对这些记录进行了严格的时间和空间分析，以确保其在时间上和空间上的准确性。通过这种方式，我们能够更全面地了解尘埃的变化趋势，并将其与区域的水文气候条件进行对比。

西非和大西洋东部的尘埃记录汇编显示，在过去4000年中，尘埃沉积呈现出总体上升的趋势，但在不同纬度区域和沉积环境中的时间点和幅度存在显著差异（图2）。整体模式表明，尘埃沉积在该地区逐步增强，尽管存在空间和时间上的异质性，这些异质性为我们提供了关于气候与人类活动之间复杂相互作用的见解。特别是在农业和牧业活动的扩张背景下，尘埃沉积的时空变化反映了人类活动对自然过程的显著影响。

我们的重建显示，牧业活动在西非地区全新世晚期对尘埃的动员产生了重要影响。如图6所示，牧业活动维持了持续较高的动员潜力，从4000年前的约4值增长到450年前接近8的峰值。这种时间模式与考古证据中牧业实践向南方扩展的记录相吻合，表明随着牧业活动的增强，尘埃的生成和运输也发生了相应的变化。在牧业活动扩展的同时，农业活动也在逐渐加强，这进一步推动了土地利用的变化，从而影响了尘埃的生成潜力。

在研究中，我们还分析了农业活动对尘埃生成的影响。农业活动的扩张通常伴随着土地开垦、森林砍伐和土壤侵蚀的增加，这些过程都可能促进尘埃的产生。农业活动的集中区域与牧业活动的分布区域有所重叠，但其对尘埃的影响模式有所不同。农业活动的增加通常集中在更湿润的地区，而牧业活动则更多地出现在更干旱的地区。这种差异可能与农业活动对土壤的直接扰动有关，而牧业活动则更多地通过植被覆盖的减少间接影响尘埃的生成。

此外，我们还考虑了铁冶金的采用对尘埃生成的影响。铁冶金的出现标志着人类活动的进一步复杂化，可能对土地利用和尘埃生成产生间接影响。铁冶炼过程中产生的高温和化学反应可能加速土壤的风化，从而增加尘埃的生成。这种影响在研究区域的某些地方可能更为显著，尤其是在农业和牧业活动高度集中的地区。铁冶金的采用不仅改变了人类的生产方式，也可能对自然环境产生了深远的影响。

为了更全面地理解这些影响，我们对不同类型的尘埃记录进行了比较分析。包括海洋沉积物、湖泊沉积物和冰芯等不同介质的尘埃记录，提供了多方面的证据，帮助我们更准确地评估尘埃生成和运输的模式。这些记录的对比分析显示，尘埃沉积的变化不仅受到气候因素的影响，还受到人类活动的显著作用。特别是在农业和牧业活动扩张的背景下，尘埃的生成和运输呈现出与气候因素不同的模式。

我们还对这些尘埃记录进行了时间上的重新校准，以确保其在时间上的准确性。通过对不同记录的时间序列进行分析，我们能够更清晰地看到尘埃沉积的变化趋势，并将其与区域的水文气候条件进行对比。这种时间上的重新校准有助于我们更准确地评估人类活动对尘埃生成的影响，特别是在不同历史时期的比较中。

研究还涉及了对土地利用变化与尘埃沉积之间关系的进一步探讨。我们通过数据综合和简单建模，分析了不同土地利用实践对尘埃生成潜力的影响。这些分析表明，人类活动的强度和类型对尘埃沉积的时空变化产生了显著影响。特别是在农业和牧业活动扩张的背景下，尘埃沉积的变化呈现出与自然气候条件不同的模式。

此外，我们还考虑了不同区域之间的差异，特别是在不同生态区和气候条件下的尘埃沉积模式。这种差异可能与土地利用的变化有关，而土地利用的变化又受到人类活动的影响。通过对比不同区域的尘埃沉积记录，我们能够更全面地理解人类活动对尘埃生成的影响。

研究还涉及了对尘埃记录与古气候数据之间的关系进行分析。通过对比不同时间段的尘埃沉积记录和古气候数据，我们能够更清晰地看到尘埃生成和运输的变化趋势。这种分析有助于我们更准确地评估人类活动对尘埃沉积的影响，特别是在不同历史时期的比较中。

总之，本研究通过综合分析不同类型的尘埃记录和土地利用数据，揭示了人类活动在全新世晚期西非尘埃沉积变化中的重要性。我们的方法为理解工业时代之前的人地互动提供了新的视角，并为尘埃敏感的古环境档案提供了更完善的解释框架。通过明确考虑景观对侵蚀的敏感性变化，我们能够更全面地评估人类活动对尘埃生成的影响，从而更准确地理解西非地区的环境变化历史。