查理思，吳克寧，梁思源，莊大昌

1.廣東財經大學公共管理學院，廣東 廣州 510320；2.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京 100083；3.鄭州大學公共管理學院，河南 鄭州 450001

探索不同時間尺度的氣候環(huán)境，解釋環(huán)境和人地關系變化的原因，評價環(huán)境變化的影響，預測未來環(huán)境狀況，已成為地學界當前的主要任務。國際學術界尤其關注全新世以來的環(huán)境變化，以及進入新石器時代以來人類文化如何演進發(fā)展，一系列國際研究計劃將之列為主題。土壤作為環(huán)境變化以及人地關系的關鍵帶，詳細記錄并保存了環(huán)境和人類活動信息。尤其在古人類遺址土壤研究中，通過分析土壤理化性質以及包含物特征，可還原古環(huán)境和古人類活動類型以及強度（Pastor et al.，2016；Frahm et al.，2016）。

仰韶村遺址是中國黃河流域新石器時代遺址，也是仰韶文化命名地。根據多次考古挖掘和研究，發(fā)現(xiàn)仰韶和中原龍山兩個文化、4個不同發(fā)展階段的地層疊壓關系，其中以仰韶文化晚期為主（嚴文明，1989）。對該遺址的古環(huán)境研究將有助于了解氣候變化與文化演變之間關系。目前，古環(huán)境研究主要借助土壤色度（季峻峰等，2007；何柳等，2010；李越等，2014；馮力威等，2015）、粒度（鹿化煜等，2012；Rebolledo，2012；Pelle et al.，2013；Blasi et al.，2013；Cruz-Y-Cruz et al.，2015）、磁化率（夏正楷等，2011；李拓宇等，2013；Tudryn et al.，2016）、地球化學元素（吳立等，2015；王坤華等，2015；Ivanova et al.，2016）、黏土礦物（張磊等，2011；程峰等，2014；Arriolabengoa et al.，2015），上述氣候替代指標能提供判斷古氣候變化的基礎數(shù)據，適合較大時間尺度上的遺跡古氣候重建。因此本研究在仰韶村遺址內選取未受到古人類活動干擾的土壤剖面，選取多項氣候替代指標，還原該遺址仰韶文化以來的古環(huán)境。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)和土壤剖面分層概況

仰韶村遺址位于河南省澠池縣城北 7.5 km仰韶村南的臺地上，遺址長約900 m，寬約300 m，面積近300000 m2（圖1）。土壤剖面位于仰韶村安特生路東面緩坡上（111°46′36″E，34°48′51″N），海拔621 m，坡度5°—8°。該剖面經過當?shù)乜脊湃藛T認證，沒有任何古人類遺跡（文化層、灰坑）遺物（石器、瓦片），土質土色自然純凈，根據顏色、結構、緊實度和層間接觸關系等，將剖面分為4層（圖2），剖面描述詳見表1。

圖1 仰韶村遺址Fig.1 Yangshao village site

1.2 樣品采集與分析

在觀察深度4 m范圍內，間隔10 cm從下至上連續(xù)采樣，共采集樣品40個各500 g，進行色度、粒度、磁化率、游離鐵、地球化學元素、黏土礦物分析。樣品統(tǒng)一在實驗室自然風干，色度樣品在瑪瑙研缽中研磨過200目篩使之充分均勻，粒度樣品過2 mm篩孔后除去有機質和碳酸鈣，游離鐵樣品在瑪瑙研缽中磨細至100目，地球化學元素樣品放入瑪瑙研缽中磨至200目后除去碳酸鈣，多次離心去酸烘干后放入瑪瑙研缽中磨至200目以下融樣，黏土礦物樣品除去有機質和碳酸鈣（張甘霖等，2012）。色度參數(shù)采用CM-700d分光測色儀測定，粒度采用Mastersizer 2000型激光粒度儀測定，磁化率采用BartingtonMS-2型雙頻磁化率儀測定。游離鐵根據CBD法提取，使用GGX-600原子吸收光譜儀測定。地球化學元素根據碳酸鋰-硼酸熔融法制作分析樣品，使用X射線熒光光譜（XRF）測定。土壤黏粒分離采用吸管法，將分離出的土壤黏粒制作原樣和 Mg飽和粉晶定向玻片，使用 Brucker D-8 advance型X射線衍射儀分析。上述實驗均在中國科學院地質與地球物理研究所完成。年代測定常采用碳十四加速質譜儀，所用14C半衰期為5568 a，BP為距1950年的年代，測得年代經過樹輪校正為日歷年齡（Reimer et al.，2004），校正所用曲線為IntCal04，所用程序為OxCal v3.10，該實驗在北京大學完成。

2 實驗結果與分析

2.1 色度

土壤紅度（a*）的變化主要受赤鐵礦質量分數(shù)的影響，通常干旱溫暖的氧化環(huán)境有利于赤鐵礦的形成。土壤黃度（b*）的變化主要受針鐵礦質量分數(shù)的影響，除此之外還可能受到土壤中其他諸如黃鐵礦、沼鐵礦、褐鐵礦物的影響，通常濕潤的環(huán)境有利于針鐵礦的形成，這里的“濕潤”是相對于赤鐵礦形成的環(huán)境而言。土壤亮度（L*）則主要受土壤中有機質和碳酸鈣的含量影響，一般隨著有機質的增加而減少，而隨碳酸鈣的增加而增大。一般情況下，土壤中有機質的累積程度隨著該區(qū)域降水量的增加而加強，而碳酸鈣正好相反。綜上所述，a*、b*、L*可以反映土壤發(fā)育時期的水熱條件以及植被發(fā)育程度（楊勝利等，2001；陳一萌等，2006）。實驗結果如圖3所示，總體而言，a*、b*隨深度增加而增加，而L*在黃土層相對較高。a*范圍為3.58—7.96，平均值為5.39；b*范圍為9.57—14.66，平均值為 12.59；亮度 L*范圍為 20.61—32.21，平均值為26.69。

表1 自然剖面分層描述Table 1 Pedological and stratigraphic description of the natural profile

2.2 粒度

粒度作為氣候變化的替代指標得到了廣泛應用，黃土堆積的粒度測量已成為第四紀東亞季風變化研究的一項重要內容。中國黃土高原黃土-古土壤序列的粒度變化指示了搬運粉塵風動力變化以及沉積環(huán)境的變化。黃土全樣粒度指標中，中值粒徑及粗顆粒含量和細顆粒比值都可作為冬季風的替代指標。全樣中細粒組分的含量可以間接地指示夏季風的變化（周家興等，2020）。為了便于與黃土進行比較，以及氣候意義分析，本文采用 2、16、63 μm分別作為砂粒/粗粉砂、粗粉砂/細粉砂以及細粉砂/黏粒分界線，其命名參照第四紀碎屑沉積物三元法命名法，參照Blott et al.（2001）以砂粒百分比含量和粉黏比命名。實驗結果如圖4所示，總體而言，黏粒含量隨深度增加而增加，砂粒含量隨深度增加而減少，但在過渡層出現(xiàn)峰值，細粉砂和粗粉砂波動較大。黏粒（0—2 μm）含量范圍為8.1%—18.3%，平均含量為12.1%；細粉砂（2—16 μm）含量范圍為35.1%—53.3%，平均含量為44.1%；粗粉砂（16—63 μm）含量范圍為25.4%—42.0%，平均含量為35.8%；砂粒（＞63 μm）含量范圍為0.1%—20.3%，平均含量為8.2%。

圖3 色度特征圖Fig.3 Characteristic graphs of chroma

圖4 粒度組成特征圖Fig.4 Characteristic graphs of particle size composition

2.3 磁化率

磁化率作為研究土壤記載的環(huán)境變化信息的重要指標已被廣泛應用，自從發(fā)現(xiàn)黃土古土壤序列中磁化率曲線與深海氧同位素有良好的可比性，低頻磁化率（χlf）在黃土高原地區(qū)古氣候研究中被作為一種有效的氣候代用指標。大量研究證明，在黃土地區(qū)，干冷氣候期形成的黃土磁化率值低，溫暖氣候期形成的古土壤磁化率值高（熊平生等，2018）。頻率磁化率（χfd）反映了土壤中超細順磁（SP）顆粒的相對含量，SP顆粒通常形成于風化成土過程，主要受風化成土強度、成土環(huán)境控制（盧升高，2000）。隨黃土和古土壤的分布呈現(xiàn)波谷和波峰與其對應，可作為反映古氣候變化的靈敏指標。實驗結果如圖5所示，總體而言，χlf、χfd均隨深度增加而增加。χlf范圍為 120.67—149.09×10-8m3?kg-1，平均值為 132.11×10-8m3?kg-1；χfd范圍為9.08%—12.22%，平均值為10.36%。

2.4 游離鐵

近年來，對風成黃土中的鐵與古氣候變化已有較深入的研究。研究發(fā)現(xiàn)與黃土層相比，古土壤游離鐵的含量明顯增高，游離鐵在剖面上的高低變化可以反映古氣候波動，與深海氧同位素曲線具有很好的可比性，因而游離鐵含量可以看做古氣候替代指標。在黃土研究中，使用鐵的游離度 Fed (游離鐵)/Fet (全鐵) 的比值已成功地建立了古風化強度序列（郝青振等，2001）。實驗結果如圖6所示，總體而言，游離鐵和游離度隨深度增加而增加。游離鐵含量范圍為8.08—18.46 g?kg-1，平均值為12.71 g?kg-1；游離度范圍為19.52%—33.69%，平均值為25.54%。

2.5 地球化學元素

土壤礦物質的化學組成與成土條件和成土過程密切相關，分析土壤礦質全量的化學組成和含量，可以闡明土壤的風化發(fā)生發(fā)育程度和理化性質，掌握礦質元素在剖面的遷移和變化，闡明土壤化學性質在成土過程中的演變情況。不同元素組合構成的化學指標可以反映巖石風化和土壤發(fā)育進程，常用硅鋁率（Sa）、硅鐵鋁率（Saf）、土壤風化淋溶系數(shù)（ba）反映土壤礦物的風化程度，在同一剖面的差異可說明剖面中黏粒及鐵、鋁等物質的遷移和富積情況（查理思等，2016）。地球化學元素中選取可計算土壤發(fā)育指標的氧化物，實驗結果如圖 7所示，總體而言，SiO2含量隨深度增加而減少，而Al2O3、Fe2O3則相反。SiO2質量分數(shù)范圍為 645.00—689.80 g?kg-1，平均為 670.08 g?kg-1；Al2O3質量分數(shù)范圍為 134.00—157.70 g?kg-1，平均為 143.91 g?kg-1；Fe2O3質量分數(shù)范圍為 49.60—60.60 g?kg-1，平均為54.04 g?kg-1。通過計算，Sa范圍為6.98—8.64，平均值為7.93；Saf范圍為12.96—16.25，平均值為14.82；ba范圍為0.15—0.23，平均值為1.12?？傮w而言，Sa、Saf、ba均隨深度增加而減小。

2.6 黏土礦物

圖5 磁化率特征圖Fig.5 Characteristic graphs of magnetic susceptibility

圖6 游離鐵和游離度特征圖Fig.6 Characteristic graphs of free iron and ionization degree

圖7 SiO2、Al2O3、Fe2O3特征圖Fig.7 Characteristic graphs of SiO2，Al2O3 and Fe2O3

黏土礦物主要由伊利石、綠泥石、高嶺石、蒙脫石，以及混層黏土礦物組成。伊利石和綠泥石形成于弱的水解作用，指示弱化學風化作用的寒冷氣候條件；高嶺石代表強烈的水解作用，是溫暖和潮濕氣候條件下化學風化作用的結果，蒙脫石也多形成于溫暖濕潤的氣候環(huán)境。其中伊利石的結晶度顯示出很好的變化規(guī)律，當伊利石的結晶度降低時，綠泥石含量同時降低，蒙脫石、高嶺石含量升高，而當伊利石的結晶度升高時，則正好相反。因此，根據伊利石結晶度的變化可以推斷古氣候變化的冷干期與暖濕間冰期（Alam et al.，2007；王秋兵等，2008；殷科等，2012）。

實驗結果表明，表土層中檢測到伊利石、綠泥石特征峰，伊利石特征峰值1.01 nm和0.50 nm，強度分別為100%和12.2%；綠泥石特征峰值0.72 nm和0.48 nm，強度分別為21.3%和3.0%；峰型不受乙二醇處理的影響，峰型尖銳，結晶度較好。黃土層中檢測到伊利石、蒙脫石特征峰，伊利石特征峰值0.50 nm和0.34 nm，強度分別為12.9%和36.0%；蒙脫石特征峰值1.48 nm，強度36.1%；峰型不受乙二醇處理的影響，峰型尖銳，結晶度較好。過渡層中檢測到多種黏土礦物特征峰，高嶺石特征峰值0.72 nm，強度為50.5%；蒙脫石特征峰值0.50 nm，強度24.0%；綠泥石特征峰值0.46 nm和0.36 nm，強度分別8.8%和41.8%；伊利石特征峰值0.33 nm，強度73.1%；峰型不受乙二醇處理的影響，峰型尖銳細長。古土壤層中檢測到高嶺石、伊利石特征峰，高嶺石特征峰值0.72 nm和0.36 nm，強度分別為89.3%和61.7%；伊利石特征峰值0.50 nm和0.34 nm，強度分別為 37.8%和 100%；峰型不受乙二醇處理的影響。

3 討論

與前人研究成果進行參比，選取全球（Marcott et al.，2013）、全國（施雅風等，1992）尺度，黃土地區(qū)（趙艷雷等，2014）、云南洱海（張振克等，2000）、關中地區(qū)（李秉成等，2009）、阿什庫勒（趙興有等，1993）、博斯騰湖（鐘巍等，2001）、溱水流域（許俊杰等，2013）、黃河流域（董廣輝等，2016）、澠池盆地（郭志永等，2011）、渭河流域（賈耀鋒等，2012），艾比湖（吳敬祿等，1996）、烏倫湖（羊向東等，1994）地區(qū)尺度，以及古里雅冰芯（Thompson，1997）和敦德冰芯（何元慶等，2003）的氣候還原成果，發(fā)現(xiàn)本研究結果與上述成果大致吻合，各個時期氣候狀況對應良好，詳見圖8。

10—6.9cal ka BP，仰韶文化早期處于該階段，對應古土壤層，a*、b*均最大、L*較低。黏粒和粗粉砂為最大值，細粉砂和砂粒達到最小值。χlf和χfd達到最大值，游離鐵含量和游離度也達到最大值。黏土礦物類型為蒙脫石為基礎的高嶺石混合型。Sa、Saf和ba均為最小值，脫硅富鋁化程度高。上述土壤特征表明進入全新世后，氣候變暖，并轉為穩(wěn)定暖濕，土壤風化程度高，隨時間推移，持續(xù)發(fā)育，該氣候環(huán)境有利于該地區(qū)仰韶文化早期發(fā)展。這與全球、全國、古里雅冰芯、敦德冰芯、黃土、云南洱海、關中地區(qū)、溱河流域、黃河流域、澠池盆地、艾比湖、烏倫湖的研究結果對應最為明顯。

6.9—5.6cal ka BP，仰韶文化早期至中期處于該階段，對應過渡層，a*、b*均降低，L*升高，變化較大。黏粒和粗粉砂開始減小，細粉砂和砂粒開始增加。其中粗粉砂含量減至最小，砂粒含量達到最大。χlf和χfd開始減小，游離鐵含量和游離度也開始減小。黏土礦物類型為伊利石、蒙脫石、高嶺石和綠泥石混合型。Sa、Saf和ba均較高，脫硅富鋁化程度較低。色度、粒度各項指標方差均為各層中最高，表明該階段氣候波動，導致土壤色度、粒度變化差異明顯。上述土壤特征表明進入仰韶文化早、中期，氣候開始波動，總體向干冷逐漸過渡，土壤發(fā)育程度減弱，風化程度較低。這與全球、全國、古里雅冰芯、敦德冰芯、云南洱海、關中地區(qū)、阿什庫勒、黃河流域、渭河流域、艾比湖的研究結果對應最為明顯。

5.6—4cal ka BP，仰韶文化中期至中原龍山文化早期處于該階段，對應黃土層，a*、b*均達到最小值，L*略有增加。黏粒繼續(xù)減小，細粉砂繼續(xù)增加，粗粉砂開始增加，砂粒開始減小。χlf和χfd繼續(xù)減小，游離鐵含量和游離度也繼續(xù)減小。黏土礦物類型為伊利石中摻雜蒙脫石。Sa、Saf和ba均較高，脫硅富鋁化程度低。上述土壤特征表明進入仰韶晚期和中原龍山文化時期，土壤發(fā)育程度減弱，風化程度較低，氣候總體干冷。此時期古人類有時間和能力去抵抗和適應這種變化（龐獎勵等，2003），該地區(qū)仰韶文化逐漸演變?yōu)橹性埳轿幕〈?。這與全球、全國、古里雅冰芯、云南洱海、關中地區(qū)、博斯騰湖、溱河流域、黃河流域、渭河流域的研究結果對應最為明顯。

圖8 與其他古環(huán)境研究成果的參比Fig.8 Comparison with other paleoenvironmental research results

4 cal ka BP以來，中原龍山文化時期以后，對應表土層，a*、b*基本不變，L*增加，黏粒減至最小值，細粉砂和粗粉砂增至最大值，砂粒繼續(xù)減小。χlf和χfd持續(xù)減少，游離鐵含量和游離度也持續(xù)減少，黏土礦物類型以伊利石為主，Sa、Saf和ba均較高。土壤色度、粒度、磁化率、游離鐵各項指標方差均為各層中最低，表明該階段氣候穩(wěn)定，導致土壤各項理化性質穩(wěn)定。上述土壤特征表明氣候保持干冷，此時環(huán)境惡化造成的危害遠遠超出了古人類自身抵御自然的能力，而在中原地區(qū)形成了以夏朝建立為標志的中華文明，也促使人口向中原地區(qū)遷移，導致該地區(qū)文化的衰落。這與全國、古里雅冰芯、敦德冰芯、黃土、關中地區(qū)、溱河流域、澠池盆地、渭河流域的研究結果對應最為明顯。

4 結論

自然環(huán)境是人類文化文明發(fā)展的基礎，尤其是在新石器文化時期，氣候環(huán)境的變化是導致文化衰退或進步的主要原因。文化對環(huán)境變化的響應程度取決于環(huán)境惡化的程度和速度，以及人類適應和抵御環(huán)境變化的能力。當環(huán)境快速變化，且強度超出人類抵御能力時，人類來不及適應，就不得不遷徙它處尋找新的生存環(huán)境和食物源，原地區(qū)的文化會衰落或消亡。而環(huán)境變化較弱或速度緩慢時，人類有時間和能力去抵抗和適應這種變化，反而促進人類文化進一步發(fā)展和演替。

通過對仰韶村遺址自然剖面的氣候替代指標綜合分析，得出該遺址全新世以來古環(huán)境結果，也印證了上述觀點。10—6.9 cal ka BP，增溫增濕至穩(wěn)定，該地區(qū)出現(xiàn)了仰韶早期文化。6.9—5.6 cal ka BP，氣候出現(xiàn)波動，總體向干旱過渡。5.6—4 cal ka BP，氣候變?yōu)楦衫?，但古人類有時間和能力去抵抗和適應這種變化，該地區(qū)仰韶文化逐漸演變?yōu)橹性埳轿幕? cal ka BP之后，氣候進一步變干冷，河南東部平原地區(qū)的環(huán)境優(yōu)越性開始凸顯，而該地區(qū)文化逐漸衰落。