黄河下游4000年的古洪水活动记录：从青丘堆沉积物中识别洪水特征及其成因

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：A 4000-year record of palaeoflood activity in the lower Yellow River: identification, characteristics, and drivers from Qingqiu Mound sediments

　　摘要
多项证据表明，自约4000年前以来，黄河下游地区频繁发生古洪水。然而，这些洪水的诊断标准、沉积学特征和水动力机制，以及它们与区域气候变异和人为影响之间的关系仍不甚明了。为了解决这一问题，我们研究了中国山东省西南部青邱堆遗址的一个高分辨率、年代确定的沉积序列。基于地层证据、多种物理化学指标和基于微量元素的R模式因子分析，我们识别出八个洪水沉积层，并将其分为三种沉积类型：高能跨区域洪水、局部溃决/溢流洪水以及低能溢洪洪水。多种指标的交叉验证证明了Rb/Sr和Ba/Sr比值在识别和描述洪水沉积物方面的价值，使我们能够确定黄河下游在约3931–3300年、约2748–1873年、约1438–1100年和约930–529年期间的四个洪水密集期。最早期的洪水以高能洪水为主，同时伴随着较强的下游沉积物输送；而后期则以局部溃决和溢洪洪水为特征。这些变化表明，从高能的跨区域洪水向更具有偶发性和空间限制性的洪水事件发生了长期转变。这种演变反映了季风变化、沉积物搬运路径、河道重组以及人类活动增加的综合影响，而不仅仅是降水对整个流域的简单响应。因此，青邱堆沉积序列为理解黄河下游洪水的时空复杂性和影响其发生的因素变化提供了宝贵的沉积学档案。

引言
气候-人类-土地相互作用导致全球含沉积物的河流频繁发生高强度洪水（Van Maren, 2007; Cordier et al., 2017; Yu et al., 2023）。在中国黄河流域，来自易侵蚀的中国黄土高原（CLP）的持续沉积物输送，加上东亚夏季季风（EASM）的极端降水以及强烈的人为干扰，导致了下游反复的洪水事件（Goldewijk et al., 2011; Peng et al., 2020; He et al., 2021）。因此，黄河下游冲积平原已成为全球公认的洪水易发区（Chen et al., 2021; Lan et al., 2022; Yan et al., 2025）。重建其长期的洪水历史对于理解水文气候变化、沉积物动态、河道行为和人类活动之间的耦合关系至关重要。过去约4000年是黄河流域的一个关键转折点，在此期间，洪水模式从全流域范围的巨型洪水转变为偶发性和局部化的洪水事件，同时，控制因素也从以水文气候为主转变为以人类-景观活动为主（Huang et al., 2011; Gao et al., 2025）。黄河下游平原对这种模式转变极为敏感，使其成为研究全新世中晚期洪水演变的理想区域。历史文献记录了这一时期发生的1500多次溃决和26次大规模河岸改道事件（Wang and Su, 2011; Chen et al., 2012; Chen, 2019）。然而，文献记录存在偏向近现代和灾害频发地区的倾向，因此缺乏解读早期长期洪水演变所需连续的高分辨率地质证据。

滞水沉积物是识别和量化古洪水事件的可靠地质档案（Baker, 2006; Benito et al., 2015; Yang et al., 2023）。尽管这些来自黄河古河道、浅湖泊和洪泛区的沉积序列揭示了约4000年前、2300年前以及过去一千年的偶发洪水群集（Wu et al., 2024; Zhang et al., 2024a; Yang et al., 2025），但在年代准确性和/或来源区分方面仍存在重大挑战。在低坡度冲积平原上，强烈的河流侵蚀经常将旧沉积物重新搬运，导致传统的放射性碳（AMS 14C）测年方法高估或扭曲沉积年龄（Yu et al., 2014）。此外，这一广阔洪泛区的水动力特征可能是由大规模黄河溢洪或局部性暴雨造成的（Yang et al., 2023）。仅依靠传统的沉积学标准常常无法区分全流域范围的洪水与局部性的水文地质事件，从而阻碍了洪水的明确识别。考古学堆积遗址（在黄河下游地区称为Gudui）在克服这些限制方面具有独特优势。这些人为建造的高台地是由古代居民为抵御不断上升的洪泛区水位而逐步建造和加高的（Jing et al., 1997; Yu et al., 2020; Yu and Xu, 2025）。保存在这些堆积中的洪水沉积物由文化层和考古遗存稳定地固定，从而避免了重新搬运的天然沉积物所典型的年代不确定性（Kidder et al., 2012; Storozum et al., 2020; Di et al., 2024）。为了可靠地区分黄河洪水沉积物与堆积周围的局部山坡冲刷沉积物，需要使用可靠的沉积物来源示踪剂（Chen et al., 2023, Chen et al., 2024）。地球化学特征（如Zr、Rb/Sr、Ba/Sr、Ni和Cr/V比值）、粒径分布以及低频磁化率（χlf）提供了诊断性的、相互独立的指标，用于解析洪水水动力、沉积物输送路径和源区到沉积区的变化（Schulte et al., 2015; Toonen et al., 2015; Pang et al., 2023; Zhang et al., 2024b）。整合这些指标可以交叉验证洪水沉积物的解释，减少单一指标方法的不确定性（Zhu et al., 2022; Wu et al., 2024）。这样的框架使得能够精确识别和描述保存在堆积层中的个别洪水事件的水动力特征。

除了识别和描述洪水序列外，解码过去4000年中的驱动机制对于理解区域水文气候和人为影响也至关重要（Li et al., 2020; Cheng et al., 2019; Hu et al., 2025）。全新世中晚期（约4.2–3.0千年前）标志着气候的显著转变，东亚夏季季风的不稳定性增强，中国北部的极端降水事件更加频繁（Jiang et al., 2010; Wang et al., 2014; Zheng et al., 2024; Nan et al., 2025）。这种气候重组导致了中上游黄河地区的高强度古洪水事件，如陶河（Hu et al., 2017）、金山峡谷（Huang et al., 2010; Guo et al., 2017; Li et al., 2021）和洛河谷（Zhang et al., 2019）的记录所示。最近对来自中上游57个地点的72个洪水层的综合分析确定了五个洪水密集期（Gao et al., 2025）。同时，自约4000年前以来，黄土高原上集约农业的扩张和森林砍伐加速了土壤侵蚀，增加了向下游的沉积物输送（Chen et al., 2012; Shi et al., 2014; Shu et al., 2025）。然而，目前尚不清楚下游的古洪水群集是否直接由上游的超级洪水引发，还是由局部风暴引起，或是由于人类引起的河道堆积加剧所致。为了解决这些关键问题，本研究对黄河下游青邱堆遗址的一个高分辨率、多指标钻孔进行了深入分析。主要目标是：(1) 通过结合微量元素地球化学、χlf和粒径的多指标诊断框架，可靠地识别古洪水层位；(2) 描述过去4000年的沉积学特征并确定洪水事件的年代；(3) 通过将该记录与中上游洪水历史、区域古气候重建和土地利用变化相关联，阐明黄河下游洪水的触发机制。这项工作为了解在气候变化和人类活动加剧背景下含沉积物河流系统的长期洪水动态提供了关键见解。

区域背景
黄河下游洪泛区覆盖面积约为3.1×10^5平方公里（Shi et al., 2014; Yang et al., 2025），主要位于温暖温带的东亚季风区内。该地区年平均气温约为15–17°C，年平均降水量约为700–900毫米，主要集中在7月至8月，导致显著的季节性流量变化（Sun et al., 2014）。异常的季风降水加上强烈的人类活动...

遗址和钻孔描述
青邱堆遗址（35°10′ N, 115°17′ E）位于菏泽市马岭岗镇西寺村青邱寺主殿的西北方向（图1a, b）。2018年至2020年间，在寺庙主殿的北部和西部钻探了四个钻孔，分别称为QQGD-N（深度310厘米）、QQGD-I（深度720厘米）、QQGD-II（深度1430厘米）和QQGD-III（深度1720厘米）（图1b, 2）。这些钻孔中保存了由层状粉质粘土组成的独特溢洪沉积单元...

年代学
从钻孔QQGD-N的上层文化层中的植物遗骸和木炭碎片以及钻孔QQGD-I的基础文化层中获得的放射性碳测年结果提供了可靠的时间约束。此外，钻孔QQGD-II中的年代确定的文化层也被用来地质层位的交叉约束，从而显著提高了其自然沉积记录的时间精度。最初使用...

黄河古洪水沉积物的多指标识别和诊断标准
青邱地区位于黄河冲积扇的远端边缘的一个浅湖洼地（Zheng et al., 2012），那里反复发生的黄河洪水对当地沉积格局产生了深远影响。基于沉积相组成（图2）、物理化学指标的地层变化（图4）、地球化学来源区分（图5）和粒径分布模式（图6），在钻孔QQGD-III中识别出八个沉积层（表3）...

结论
从青邱堆序列建立的约4000年的时间框架和沉积学框架证明了整合多指标指标（特别是Rb/Sr和Ba/Sr比值、粒径特征以及微量元素地球化学）在诊断古洪水层位和解析密集居住的冲积平原水动力方面的有效性。根据沉积物纹理和来源属性，识别并用三种不同类型分类了八个与洪水相关的沉积层...

作者贡献声明
张锐：撰写——初稿、可视化、验证、软件处理、正式分析、数据管理、概念化。
侯展芳：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、资金获取、正式分析。
吴金佳：撰写——初稿、方法论、研究。
陈学祥：撰写——审稿与编辑、研究、正式分析。
于世勇：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、研究。

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
作者声明在撰写本手稿的过程中没有使用任何生成式AI或AI辅助技术。

未引用参考文献
Amorosi et al., 2014

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。