晚中全新世期间华北平原中部的洪水沉积记录与水文气候驱动因素

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Flood sedimentary records and hydroclimatic drivers during the late mid-Holocene in central North China Plain

　　

孔向月|邢晓晨|徐秦棉|宋洪宇|王颖|杨云飞|柴世尧|张晓天|丁国强|张文胜|范宝硕|张振|李冰|李月聪

河北师范大学地理科学学院，中国石家庄050024

摘要

在全球变暖的背景下，降水变异性的增加预计将加剧洪水灾害，因此理解和预测洪水发生变得越来越紧迫。在这种情况下，研究古洪水的沉积特征和驱动机制可以为预测未来的水文极端事件提供宝贵的见解。华北平原（NCP）以其低洼的地形而闻名，是受洪水影响最严重的地区之一。因此，识别能够保存全新世古洪水信号的合适沉积档案对于重建古洪水活动及其气候驱动因素至关重要。横水湖地区位于NCP典型的扇形边缘洼地，接收多条河流的流入，极易发生洪水。这些特征使其成为古洪水研究的理想自然档案。基于AMS ¹⁴C测年，本研究通过对HSH岩芯中的粒径、地球化学元素、花粉和藻类的多指标分析，确定了晚中全新世的一次大洪水事件，并探讨了其可能的驱动机制。结果显示，这次大洪水事件发生在约5.40–4.60千年前。与湖泊沉积物相比，洪水沉积物具有更粗的粒径、更高的砂含量、较差的分选性、增加的跳跃和牵引成分、较低的Rb/Sr比值以及较高的Zr/Rb比值。微化石组合为识别洪水沉积物提供了重要指标。特别是Concentricystes和总花粉浓度的降低，以及Xanthium花粉的显著富集，表明了洪水沉积。这次大洪水事件在NCP的多个区域都有体现，表明存在区域性的水文异常。增强的太阳活动可能作为一种外部驱动力，通过调节类似拉尼娜的平均状态，促进了这次大洪水事件的发生。

引言

在全球变暖的背景下，极端气候事件（包括洪水、干旱和热浪）变得越来越频繁（Zhang等人，2025；Bl?schl等人，2020；Zeng等人，2023；Wang，2025）。其中，由于洪水具有强烈的突发性和破坏性，已成为全球最严重的自然灾害之一（Paprotny等人，2018；Hino等人，2019），并对区域系统和人类社会产生了深远影响（Barneveld等人，2025）。保存在地层序列中的古洪水记录为识别洪水发生模式和理解其长期影响提供了重要基础（Wilhelm等人，2019；Kochel和Baker，1982）。

晚中全新世是文化演化和气候变化的关键时期。一方面，中原地区经历了从仰韶文化到龙山文化的过渡（Lu和Wu，1999），同时在中国多个地区开始出现越来越复杂的社会现象，如社会分层和城墙定居点的初步出现（Marcus，2008；Luan，2012）。另一方面，气候条件在中全新世气候最适宜期之后进入了下降阶段（Dykoski等人，2005；Chen等人，2015；Wu等人，2018）。大约在5.5千年前，发生了一次明显的冷却事件，之后气候变异性增加，导致干旱和洪水等极端事件的可能性增加（Li等人，2024b；Wang等人，2023b）。关注晚中全新世的极端气候事件可以为未来日益频繁的极端事件下的人类-环境响应提供宝贵的见解。

华北平原（NCP）位于东亚夏季季风（ESAM）的核心影响区域内，对季风降水的变化非常敏感。其低洼的地形、广泛的沉积物积累以及有限的河流-湖泊泄洪能力使其容易发生洪水，成为受洪水灾害影响最严重的地区之一（Macklin和Lewin，2015；Tellman等人，2021；Yang等人，2022）。然而，由于频繁的河道变化和堤坝溃决，古洪水沉积物往往保存不佳（Zhang等人，2022）。现有的研究主要集中在少数代表性地点，包括河北的龙王庙剖面以及山东的北寨和 Lizhuang剖面（Shi等人，2025；Shen等人，2015；Yang等人，2025b），在该地区的空间覆盖范围有限。先前的研究探讨了百年到年际尺度的气候变异性（包括总太阳辐照度（TSI）和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）在调节洪水发生中的潜在作用，但结果尚无定论。一些研究表明ENSO强度与极端洪水之间存在正相关（Shi等人，2025），而另一些研究则强调ENSO负相位（类似拉尼娜的背景状态）在促进NCP洪水中的作用（Yu等人，2020）。额外的研究表明，太阳活动的增强与黄河中下游的大洪水之间的关联源于太阳活动对持续类似拉尼娜的背景状态的调节（Xiao等人，2026）。目前的研究不足以完全理解NCP古洪水的时空模式和驱动机制，这突显了需要在更多地区进行进一步研究的必要性。

横水湖地区是NCP典型的扇形边缘洼地，接收多条河流的流入（Chen，1987）。该地区也极易发生洪水（横水湖地区档案，1984），使其成为古洪水研究的理想区域。然而，目前关于横水湖的研究主要集中在现代生态问题上（Wang等人，2019；Zhang等人，2020），对全新世气候和环境变化的研究较少（Dong等人，2023a；Dong等人，2023b）。古洪水研究有限，该地区的洪水识别、模式和驱动因素仍不甚清楚。因此，本研究旨在解决两个关键问题：（1）晚中全新世期间NCP是否发生过洪水，它们表现出哪些沉积特征？（2）哪些气候因素导致了这些洪水的发生？通过回答这些问题，本研究旨在提高我们对古洪水形成的理解，并为预测未来在日益频繁的极端气候事件下NCP的洪水灾害提供重要参考。

章节片段

研究区域

横水湖（115°27′45″–115°42′6″E，37°31′39″–37°42′18″N）位于NCP中部的冀中洼地，是一个典型的断层洼地湖泊。该湖泊地区地势低洼，呈碟形盆地，现代水深约为3.5–4.0米。在横水湖地区，第四纪沉积物的厚度超过500米，而下第三纪和中生代地层通常缺失。上第三纪地层主要由弱胶结的砾岩组成

样品采集和岩性描述

2024年1月，我们的研究团队从河北平原中南部地区的古湖泊区域获取了一个钻探岩芯，对应于现代横水湖的西北部（37.67°N，115.61°E；图1a,b）。岩芯总长度为16.4米。取回的岩芯在现场进行了拍照和描述，并命名为HSH（图2a）。本研究重点分析HSH岩芯1640–1480厘米区间内的样品。岩性如下：1640–1630厘米为灰色细粉砂；1630–1564厘米为...

粒径和端元成分分析

粒径分析结果（图3）显示，大多数样品以粉砂为主，占比从21.7%到76.4%不等，平均为54.2%。粘土和砂的含量分别介于3.4%到42.6%和0%到74.4%之间，平均分别为20.6%和24.5%。中值粒径（Md）介于4.7到152.4微米之间，平均值为41.2微米。平均粒径（Mz）介于3.07到7.78 φ之间，平均值为5.86 φ。分选性（σ）介于1.1到2.3之间，平均为1.6，表明分选性较差。

古洪水识别和来源分析

在低能量湖泊环境中，沉积物通常以粘土和粉砂为主（Wilhelm等人，2012）。在低能量沉积单元（1640–1630厘米，1564–1480厘米）中，沉积物主要为粉砂和粘土。EMMA分析表明，这些单元主要由EM1组成，EM2的贡献较小。以EM1为主的层具有近似对称的单峰分布，主峰位于约10微米。这种模式与典型的湖泊沉积过程一致（

结论

• (1)
  在5.40–4.60千年前，华北平原在横水湖地区记录了一次大洪水事件。

(2) 洪水沉积物以砂和粉砂为主，粘土含量非常低，其特征是跳跃成分占主导，表明水动力条件增强。从地球化学角度来看，它们的Zr/Rb比值和Rb/Sr比值高于湖泊沉积物。微化石证据显示Concentricystes和总花粉浓度较低

CRediT作者贡献声明

孔向月：软件、正式分析、数据管理、撰写——初稿。邢晓晨：资源、调查。徐秦棉：资源、调查。宋洪宇：软件、调查。王颖：软件、调查。张晓天：正式分析。丁国强：监督、概念化。张文胜：监督、概念化。范宝硕：监督、概念化。张振：资金获取。李冰：方法论、资金获取、数据管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFF0804600）和国家自然科学基金（42271158、42407594、42302210）的支持。