查理思，吳克寧，梁思源，莊大昌

1.廣東財(cái)經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院，廣東 廣州 510320；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；3.鄭州大學(xué)公共管理學(xué)院，河南 鄭州 450001

探索不同時(shí)間尺度的氣候環(huán)境，解釋環(huán)境和人地關(guān)系變化的原因，評價(jià)環(huán)境變化的影響，預(yù)測未來環(huán)境狀況，已成為地學(xué)界當(dāng)前的主要任務(wù)。國際學(xué)術(shù)界尤其關(guān)注全新世以來的環(huán)境變化，以及進(jìn)入新石器時(shí)代以來人類文化如何演進(jìn)發(fā)展，一系列國際研究計(jì)劃將之列為主題。土壤作為環(huán)境變化以及人地關(guān)系的關(guān)鍵帶，詳細(xì)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(zhì)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(qiáng)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(shí)代遺址，也是仰韶文化命名地。根據(jù)多次考古挖掘和研究，發(fā)現(xiàn)仰韶和中原龍山兩個(gè)文化、4個(gè)不同發(fā)展階段的地層疊壓關(guān)系，其中以仰韶文化晚期為主（嚴(yán)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(guān)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(xué)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(biāo)能提供判斷古氣候變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，適合較大時(shí)間尺度上的遺跡古氣候重建。因此本研究在仰韶村遺址內(nèi)選取未受到古人類活動干擾的土壤剖面，選取多項(xiàng)氣候替代指標(biāo)，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(jīng)過當(dāng)?shù)乜脊湃藛T認(rèn)證，沒有任何古人類遺跡（文化層、灰坑）遺物（石器、瓦片），土質(zhì)土色自然純凈，根據(jù)顏色、結(jié)構(gòu)、緊實(shí)度和層間接觸關(guān)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(nèi)，間隔10 cm從下至上連續(xù)采樣，共采集樣品40個(gè)各500 g，進(jìn)行色度、粒度、磁化率、游離鐵、地球化學(xué)元素、黏土礦物分析。樣品統(tǒng)一在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)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(jī)質(zhì)和碳酸鈣，游離鐵樣品在瑪瑙研缽中磨細(xì)至100目，地球化學(xué)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(jī)質(zhì)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(jù)CBD法提取，使用GGX-600原子吸收光譜儀測定。地球化學(xué)元素根據(jù)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(shí)驗(yàn)均在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成。年代測定常采用碳十四加速質(zhì)譜儀，所用14C半衰期為5568 a，BP為距1950年的年代，測得年代經(jīng)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?yàn)镺xCal v3.10，該實(shí)驗(yàn)在北京大學(xué)完成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 色度

土壤紅度（a*）的變化主要受赤鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?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(jī)質(zhì)和碳酸鈣的含量影響，一般隨著有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)的累積程度隨著該區(qū)域降水量的增加而加強(qiáng)，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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(biāo)得到了廣泛應(yīng)用，黃土堆積的粒度測量已成為第四紀(jì)東亞季風(fēng)變化研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。中國黃土高原黃土-古土壤序列的粒度變化指示了搬運(yùn)粉塵風(fēng)動力變化以及沉積環(huán)境的變化。黃土全樣粒度指標(biāo)中，中值粒徑及粗顆粒含量和細(xì)顆粒比值都可作為冬季風(fēng)的替代指標(biāo)。全樣中細(xì)粒組分的含量可以間接地指示夏季風(fēng)的變化（周家興等，2020）。為了便于與黃土進(jìn)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(xì)粉砂以及細(xì)粉砂/黏粒分界線，其命名參照第四紀(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(xì)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(xì)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(biāo)已被廣泛應(yīng)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(biāo)。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(xì)順磁（SP）顆粒的相對含量，SP顆粒通常形成于風(fēng)化成土過程，主要受風(fēng)化成土強(qiáng)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(yīng)，可作為反映古氣候變化的靈敏指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fēng)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(biāo)。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(fēng)化強(qiáng)度序列（郝青振等，2001）。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)元素

土壤礦物質(zhì)的化學(xué)組成與成土條件和成土過程密切相關(guān)，分析土壤礦質(zhì)全量的化學(xué)組成和含量，可以闡明土壤的風(fēng)化發(fā)生發(fā)育程度和理化性質(zhì)，掌握礦質(zhì)元素在剖面的遷移和變化，闡明土壤化學(xué)性質(zhì)在成土過程中的演變情況。不同元素組合構(gòu)成的化學(xué)指標(biāo)可以反映巖石風(fēng)化和土壤發(fā)育進(jìn)程，常用硅鋁率（Sa）、硅鐵鋁率（Saf）、土壤風(fēng)化淋溶系數(shù)（ba）反映土壤礦物的風(fēng)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(zhì)的遷移和富積情況（查理思等，2016）。地球化學(xué)元素中選取可計(jì)算土壤發(fā)育指標(biāo)的氧化物，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為 645.00—689.80 g?kg-1，平均為 670.08 g?kg-1；Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為 134.00—157.70 g?kg-1，平均為 143.91 g?kg-1；Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為 49.60—60.60 g?kg-1，平均為54.04 g?kg-1。通過計(jì)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。總體而言，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(xué)風(fēng)化作用的寒冷氣候條件；高嶺石代表強(qiáng)烈的水解作用，是溫暖和潮濕氣候條件下化學(xué)風(fēng)化作用的結(jié)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(jié)晶度顯示出很好的變化規(guī)律，當(dāng)伊利石的結(jié)晶度降低時(shí)，綠泥石含量同時(shí)降低，蒙脫石、高嶺石含量升高，而當(dāng)伊利石的結(jié)晶度升高時(shí)，則正好相反。因此，根據(jù)伊利石結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度分別為100%和12.2%；綠泥石特征峰值0.72 nm和0.48 nm，強(qiáng)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(jié)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(qiáng)度分別為12.9%和36.0%；蒙脫石特征峰值1.48 nm，強(qiáng)度36.1%；峰型不受乙二醇處理的影響，峰型尖銳，結(jié)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(qiáng)度為50.5%；蒙脫石特征峰值0.50 nm，強(qiáng)度24.0%；綠泥石特征峰值0.46 nm和0.36 nm，強(qiáng)度分別8.8%和41.8%；伊利石特征峰值0.33 nm，強(qiáng)度73.1%；峰型不受乙二醇處理的影響，峰型尖銳細(xì)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(qiáng)度分別為89.3%和61.7%；伊利石特征峰值0.50 nm和0.34 nm，強(qiáng)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(jìn)行參比，選取全球（Marcott et al.，2013）、全國（施雅風(fēng)等，1992）尺度，黃土地區(qū)（趙艷雷等，2014）、云南洱海（張振克等，2000）、關(guān)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(jié)果與上述成果大致吻合，各個(gè)時(shí)期氣候狀況對應(yīng)良好，詳見圖8。

10—6.9cal ka BP，仰韶文化早期處于該階段，對應(yīng)古土壤層，a*、b*均最大、L*較低。黏粒和粗粉砂為最大值，細(xì)粉砂和砂粒達(dá)到最小值。χlf和χfd達(dá)到最大值，游離鐵含量和游離度也達(dá)到最大值。黏土礦物類型為蒙脫石為基礎(chǔ)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(jìn)入全新世后，氣候變暖，并轉(zhuǎn)為穩(wěn)定暖濕，土壤風(fēng)化程度高，隨時(shí)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(guān)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(jié)果對應(yīng)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(yīng)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(xì)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(dá)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(xiàng)指標(biāo)方差均為各層中最高，表明該階段氣候波動，導(dǎo)致土壤色度、粒度變化差異明顯。上述土壤特征表明進(jìn)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(fēng)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(guān)中地區(qū)、阿什庫勒、黃河流域、渭河流域、艾比湖的研究結(jié)果對應(yīng)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(yīng)黃土層，a*、b*均達(dá)到最小值，L*略有增加。黏粒繼續(xù)減小，細(xì)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(jìn)入仰韶晚期和中原龍山文化時(shí)期，土壤發(fā)育程度減弱，風(fēng)化程度較低，氣候總體干冷。此時(shí)期古人類有時(shí)間和能力去抵抗和適應(yīng)這種變化（龐獎勵(lì)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(guān)中地區(qū)、博斯騰湖、溱河流域、黃河流域、渭河流域的研究結(jié)果對應(yīng)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(shí)期以后，對應(yīng)表土層，a*、b*基本不變，L*增加，黏粒減至最小值，細(xì)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(xiàng)指標(biāo)方差均為各層中最低，表明該階段氣候穩(wěn)定，導(dǎo)致土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)穩(wěn)定。上述土壤特征表明氣候保持干冷，此時(shí)環(huán)境惡化造成的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(biāo)志的中華文明，也促使人口向中原地區(qū)遷移，導(dǎo)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(guān)中地區(qū)、溱河流域、澠池盆地、渭河流域的研究結(jié)果對應(yīng)最為明顯。

4 結(jié)論

自然環(huán)境是人類文化文明發(fā)展的基礎(chǔ)，尤其是在新石器文化時(shí)期，氣候環(huán)境的變化是導(dǎo)致文化衰退或進(jìn)步的主要原因。文化對環(huán)境變化的響應(yīng)程度取決于環(huán)境惡化的程度和速度，以及人類適應(yīng)和抵御環(huán)境變化的能力。當(dāng)環(huán)境快速變化，且強(qiáng)度超出人類抵御能力時(shí)，人類來不及適應(yīng)，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(shí)，人類有時(shí)間和能力去抵抗和適應(yīng)這種變化，反而促進(jìn)人類文化進(jìn)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(biāo)綜合分析，得出該遺址全新世以來古環(huán)境結(jié)果，也印證了上述觀點(diǎn)。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(shí)間和能力去抵抗和適應(yīng)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(jìn)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。