自古以来，气候变化深刻影响着人类文明的兴衰。约4200年前的全球气候突变事件（即4.2千年事件），与多个古文明的衰落时间相对应，是学术界长期关注的重要科学议题。在中国长江中游地区，兴盛一时的石家河文化也在这一时期走向没落。究竟是什么原因导致了石家河古城的废弃与文明的突然中断？学界对此存在很大争议。
近日，由中国地质大学（武汉）胡超涌教授和牛津大学Gideon Henderson教授等组成的国际合作团队取得了重要突破。该团队利用来自湖北清江和 尚洞的一支年纹层石笋（HS4），创新性地运用钙同位素等地球化学指标，首次高分辨率定量重建了距今（以公元1950年为基准）约4600年至3500年间长江中游地区高分辨率的降雨历史，为理解水文扰动如何“改写”早期文明提供了前所未有的清晰图景。
相关成果以封面论文形式发表于国际顶尖学术期刊《国家科学评论》（National Science Review）。
精确定年：为古气候事件刻上“年轮”
该研究的关键载体是采自长江中游和尚洞的HS4年纹层石笋，其所在位置的气候信号能很好地代表整个江汉-洞庭平原地区（图1）。通过高精度的铀系绝对测年与年纹层计数相结合，研究团队为这段跨越千年的沉积建立了精确至年的年代框架，实现了对古气候事件近乎“编年史”般的记录重建。结合年均降水的定量重建，该年代框架将为考古学和古气候学提供一个参比标准。
图1 研究区位置。（a）古气候记录和古洪水记录分布图，背景颜色代表和尚洞地区与其他地区降水（1950-2016年）的相关性图；（b）屈家岭和石家河文化遗址分布图。
量化历史降水：解码长江中游4000年前的干湿律动
研究采用了多指标协同的分析策略（图2）。其中，石笋中的钙同位素比值（d44/42Ca）是该次研究的“王牌”指标。其响应气候变化的原理在于降水通过碳酸盐的优先沉积影响钙同位素组成。降雨少，喀斯特系统渗流时间延长，优先沉淀充分，石笋d44/42Ca升高，反之亦然。基于现代洞穴监测工作构建的钙同位素分馏模型、岩溶水文学模型等，建立d44/42Ca和年降雨量关系式，为定量重建中全新世长江中游降水量奠定扎实的基础。重建的结果表明，在距今4600年至3500年间，长江中游地区的平均年降雨量约为850毫米，但存在多年代的波动，表现为三个显著的干旱期和两个湿润期（图3）。干旱期（年降雨量低于700毫米）分别出现在距今大约4360、4230和3570年，持续时间分别为40、150和50年；而湿润期（年降雨量超过1000毫米）出现在距今约3950和3700年，持续时间分别为140年和80年。
图2 距今4600-3500年间的和尚洞HS4石笋沉积的多指标分析。图中橙色指示干旱时段，蓝色指示湿润时段
水资源盈亏：石家河文明兴衰的关键制约
将这份精确的“降雨年鉴”与区域考古记录对比，一幅文明与气候博弈的图景清晰浮现（图3）。干旱期对应古文明的适应与转型，如在早期的D4.3k和D4.2k干旱期，石家河文化展现出了强大的韧性。考古植物学证据显示，人们通过增加耐旱作物的种植比例，成功适应了干旱的环境，人口规模并未明显萎缩。结合考古证据，这期间文化已开始从早-中期石家河文化向“后石家河文化”过渡，可能伴随着北方的外部文化影响逐步增强；相反，湿润期出现文明衰落与迁徙，最为显著的转折点发生在约距今3950年（约公元前2000年，与考古学中推导的“大禹治水”发生时间相当）。当长达140年的W3.9k湿润期来临，降水增加，江汉平原湖面扩张，低地沼泽化，宜居与农耕面积锐减。考古遗存概率分布显示，当地人口从W3.9k期急剧下降并在随后的几个世纪维持在低位，对应“后石家河文化”人群最终放弃城池，向周边高地迁徙的考古学证据。
图3 和尚洞水文记录与区域考古记录、洪水记录对比。（a-b）基于HS4石笋δ44/42Ca和Mg/Ca指标定量重建区域降水；（c）长江中游考古文化求和概率（SPD）分布曲线重建区域人口密度；（d）石家河中早期和后石家河文化时期的稻作和旱作作物占比图；（e）长江中游地区与石家河文化衰落相关的
古洪水事件起止年龄
该研究对当今和未来的全球变暖及其应对具有深远的启示作用。定量对比发现，导致石家河文明衰亡和迁徙的湿润期，其降水强度尚不及现代有气象记录以来的某些年份。除了说明早期先民应对气候变化能力偏弱外，也凸显了当今社会在现代水利工程、农业技术和管理体系等方面在应对气候风险和保障粮食安全方面等发挥的巨大作用。在未来全球变暖背景下，气候变化的幅度增大，极端旱涝事件频率和强度预计将逐渐增加。如何有效应对全球变化引起的极端气候灾害，将是社会可持续发展必须面对的一个重要课题。
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