中国黄土高原上受人类活动影响的侵蚀深度变化：来自湖泊中铀元素粉碎年龄的证据

《Quaternary Science Reviews》：Variable erosion depth in the Chinese Loess Plateau driven by human activities: Evidence from lacustrine uranium comminution ages

人类活动自20世纪50年代起显著改变了地表物质输运和沉积物源-汇过程，影响全球泥沙通量。传统方法（如Sr-Nd同位素、沉积速率）难以检测侵蚀深度的变化，本研究利用Gonghai湖沉积物中<50μm细粒硅酸盐的234U/238U比值（铀同位素分选）作为新代理，揭示过去200年黄土高原侵蚀深度动态。Sr-Nd同位素证实湖源以本地及上游风积黄土为主，而铀分选记录显示自20世纪以来侵蚀深度持续增加，与农业扩张、采矿及生态修复政策相关，揭示人类活动对侵蚀深度的影响独立于泥沙通量变化。

　　

作者：张润|李来峰|大卫·威廉·赫丁|万德军

中国南京大学地球与行星科学系，表面地球化学重点实验室，邮编210023

摘要

自20世纪50年代以来，人类活动显著改变了地表物质的迁移过程以及沉积物的来源-汇过程，从而影响了全球沉积物通量。地表侵蚀对地球关键带（Earth Critical Zone）产生了深远影响，人类活动通过加剧侵蚀强度和深度显著改变了侵蚀过程。尽管以往的研究主要集中在侵蚀通量动态上，但由于传统指标（如Sr-Nd同位素、沉积速率）的局限性，侵蚀深度的变化仍未能得到充分研究，这些指标通常无法检测到与深度相关的变化。²³⁴U/²³⁸U活度比（通常表示为(²³⁴U/²³⁸U)）可以量化沉积物的粉碎年龄，从而提供沉积物来源或停留时间变化的定性指标。在本研究中，我们利用来自中国东北黄土高原贡海湖（Gonghai Lake）沉积物中细硅酸盐颗粒（<50 μm）的²³⁴U/²³⁸U值，重建了历史上的侵蚀深度变化，并评估了人类活动的影响。Sr-Nd同位素数据证实了当地及上游黄土沉积物是主要的沉积来源，而铀同位素记录显示自20世纪以来沉积物粉碎年龄经历了多个阶段的变化，反映了人类活动导致的侵蚀深度变化。值得注意的是，过去一个世纪中，沉积物质量通量（沉积物通量的指标）变化相对较小，这表明侵蚀通量与侵蚀深度之间存在不一致性。本工作确立了湖泊沉积物中的铀同位素记录作为量化源区侵蚀深度的新方法，并表明人类活动不仅影响侵蚀通量，还深刻影响侵蚀深度——这是制定有效土壤系统保护策略的关键因素。

引言

人类活动引起的地表侵蚀（Syvitski等人，2005；Montgomery，2007；Wilkinson和McElroy，2007；Kemp等人，2020）对地球表面系统的演变（Wang等人，2016；Waters等人，2016；Syvitski等人，2022；Sun等人，2025）和全球碳循环（Van Oost等人，2007；Maavara等人，2017；Jenny等人，2019；Repasch等人，2021；Zheng等人，2025）产生了深远影响。自20世纪50年代以来，人类活动显著改变了地表物质的循环过程以及沉积物的来源-汇过程，并逐渐主导了全球尺度沉积物通量的变化（Syvitski等人，2005，2022）。了解人类活动如何改变侵蚀模式（通量和深度）对于理解长期土壤流失、预测地貌演变以及制定有效的土地管理和恢复策略至关重要。以往的研究主要集中在侵蚀通量动态上（例如，Kemp等人，2020；Syvitski等人，2022）。然而，关于人类活动如何影响侵蚀深度的研究（例如，Rothacker等人，2018；Francke等人，2019）仍然有限，主要是因为传统方法（如Sr-Nd同位素、沉积速率、元素分析）难以检测到由于地表和深层物质具有相似地球化学信号而产生的变化。

沉积物的铀粉碎年龄（UCA）记录了其从基岩侵蚀以来的时间（图1A），已被广泛用于追踪地球表面的侵蚀过程和沉积物传输过程（例如，DePaolo等人，2006，2012；Dosseto等人，2008，2010，2025；Lee等人，2010；Dosseto和Schaller，2016；Li等人，2016；Thollon等人，2023；Li等人，2024a，2024b；Chen等人，2024）。与传统地球化学指标不同，UCA由于表面和地下物质的粉碎历史不同而表现出系统性差异。在风化剖面中，表层土壤的²³⁴U/²³⁸U比值较低（图1B）（例如，Rothacker等人，2018；Francke等人，2019）；而在沉积系统中（例如风成黄土、湖泊和海洋沉积物），表层物质的²³⁴U/²³⁸U比值较高（图1C）（例如，Li等人，2017）。因此，湖泊沉积物的UCA变化可以提供有关侵蚀深度的信息，有可能揭示人类活动对侵蚀深度的影响。

中国黄土高原（CLP）是地球上侵蚀最严重的地区之一，向黄河及下游地区输送了大量沉积物，同时经历了显著的百年尺度地貌变化（Feng等人，2016；Wang等人，2016；Wu等人，2020）。这一环境为验证UCA方法在追踪侵蚀深度方面的有效性提供了理想的自然实验室。先前的研究记录了侵蚀速率的时空变化，但很少有研究明确探讨了人类活动对侵蚀深度的修改，如土地开垦、森林砍伐和采矿等。此外，侵蚀深度对人为因素的百年尺度响应仍不明确。

在本研究中，我们将UCA方法应用于贡海湖（GH Lake）的一个约200年的沉积物岩芯，该湖是一个位于CLP东北部的水文封闭高山盆地，记录了区域气候变化和人类活动的影响（Liu等人，2011；Chen等人，2015，2020；Zhan等人，2019；Wan等人，2016，2019，2022；Zhang等人，2025b）。通过结合UCA数据和Sr-Nd同位素组成，我们重建了过去两个世纪沉积物来源和侵蚀深度的变化。我们的结果显示，虽然沉积物来源保持稳定，但20世纪的UCA值显著增加，表明较老的黄土层逐渐被挖掘和转移。这些变化与土地利用转变有关，包括农业扩张、采矿和最近的生态恢复政策。本工作表明，UCA是一种敏感且定量的指标，可用于追踪百年时间尺度上人类活动对侵蚀深度的影响，为理解地球上最具动态性的侵蚀系统之一中的人类-地貌相互作用提供了新的见解。

研究区域和采样

贡海湖（GH Lake）（38°54′N，112°14′E）位于中国山西省宁武县，处于CLP的东北边缘（图2A）。这个高山湖泊海拔1860米，面积约为0.2平方公里。作为一个水文封闭的盆地，底部相对平坦，最大深度约为10米（Chen等人，2015），该流域主要由中侏罗世的Tianhechi Formation砂岩和砂质泥岩构成（山西省地质勘探局，1989）

颗粒大小

细硅酸盐颗粒（<50 μm）的平均粒径（Mz）在14.27到22.86 μm之间，平均值为19.51 μm（图3D，表S1）。在19世纪50年代之前和1970年代至今，Mz有显著变化，而在19世纪50年代到1970年代之间则相对稳定。总体而言，Mz在岩芯中呈现上升趋势。

Sr和Nd同位素组成

细颗粒（<50 μm）的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值和ε_Nd值列在表S1中。ε_Nd值的范围是从?12.8到?11.9，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值的范围是

1780年代以来贡海湖沉积物的来源

放射性Sr-Nd同位素组成（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和ε_Nd）被广泛用于评估沉积物的来源。地质材料根据其起源和形成年龄表现出不同的Sr-Nd同位素特征，在风化、运输和沉积等表面过程中同位素变化有限（Goldstein等人，1984；Goldstein和Jacobsen，1988；Grousset等人，1988；Revel等人，1996；Zeng等人，2020）。这些同位素作为主要来源

结论

本研究利用贡海湖的岩芯沉积物，研究了过去约200年CLP的地表侵蚀过程。Nd同位素特征明确表明周围和上游黄土是主要的沉积来源，稳定的ε_Nd值证实了过去200年来来源的一致性。沉积物质量通量（MSR）和铀同位素记录（T_c值）显示侵蚀通量与侵蚀深度之间存在脱钩：虽然MSR在过去

作者贡献

万德军设计并组织了这项工作。张润收集了数据。张润和李来峰撰写了文本。万德军、李来峰和大卫·威廉·赫丁编辑了文本。所有作者都对结果的解释做出了贡献。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们衷心感谢编辑Miryam Bar-Matthews对我们手稿的出色编辑工作。我们非常感谢三位匿名审稿人的宝贵和建设性反馈，这极大地提高了我们工作的质量。本工作得到了国家自然科学基金（编号：42373060和42203059）和河北省优秀青年人才支持计划（B201806）的财政支持。我们还要特别感谢Le Li博士的