生态环境学报 2015, 24(5): 892-897 http://www.jeesci.com Ecology and Environmental Sciences E-mail: [email protected]
仰韶文化遗址区古土壤色度特征及其气候意义
冯力威，吴克宁
摘要：土壤可有效记录和收集环境信息，文化遗址区内的土壤包含了丰富的古环境信息，然而在诸多的研究中，对仰韶文化变迁与气候变化之间的关系研究较少，缺乏定量科学依据。为了探讨土壤色度指标的气候意义，半定量的恢复仰韶文化时期的气候环境状况，在河南仰韶村遗址选择1个含人类遗迹的文化剖面和1个没有人类扰动的自然剖面进行对比研究，利用日本CM-700d分光测色仪分别测试2个研究剖面土壤色度指标（亮度、红度、黄度），并与剖面的磁化率、粒度特征进行综合分析，探讨仰韶文化时期的古气候变化。结果发现：色度等各气候指标都能一定程度上科学地反映古气候变化，但仅根据某一种气候替代指标推导气候结果是片面的，只有综合考虑多项气候替代指标，才能够准确合理地重建气候的变化过程。色度指标沿剖面呈有规律的变化，文化剖面L*、a*、b*各指标值随剖面深度加深数值呈增加趋势，自然剖面a*值随剖面深度加深呈增加趋势，而L*、b*指标值则呈减小趋势，同时色度各指标值可以与磁化率、粒度进行很好的结合。综合来看，文化剖面由于人类活动的干扰，气候的反演大致与自然剖面相对应，总体而言反映的气候环境信息大体相同，剖面从下向上可分为4个气候变化阶段，变暖期-干冷期-暖湿期-干冷期。这一结果也说明了暖湿的气候是文明繁荣发展的动因，而干冷的气候则会使文明走向衰落。
关键词：仰韶文化遗址；古土壤；文化剖面；自然剖面；色度；气候意义 DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.026
中图分类号：X144；X16 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2015）05-0892-06
引用格式：冯力威，吴克宁，查理思，鞠兵，王文静. 仰韶文化遗址区古土壤色度特征及其气候意义[J]. 生态环境学报, 2015, 24(5): 892-897.
FENG Liwei, WU Kening, ZHA Lisi, JU Bing, WANG Wenjing. Chroma Characteristics and Its Climatic Significance of Yangshao Culture Relic [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 892-897.
1
1, 2*
，查理思，鞠兵，王文静
111
1. 中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；2. 国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035
土壤颜色是土壤主要的理化性质之一，是土壤在可见光波段的反射光谱特性，与土壤有机质含量、土壤水分、土壤质地和粘粒含量等密切相关。土壤颜色的空间变化是土壤性状对气候的响应，能反映土壤的发育程度(朱丽东等，2007)。土壤颜色的研究始于20世纪60年代，70年代研究得到快速发展，这一阶段主要研究土壤中最常见的致色矿物赤铁矿和针铁矿以及有机质与土壤颜色的关系上，发现游离铁氧化物含量与土壤彩度成正比，土壤有机质能使土壤颜色变暗，这些成分的变化与一定气候条件下化学风化及生物风化作用有很大关系。所以认为通过土壤剖面颜色的变化可能会恢复古气候环境的波动状况（Scheffer和Welte，1958；Resende，1976；Torrent和Schwertmann，1980；Singh和Gilkes，1992）。近几年，通过众多学者对土壤颜色的研究，建立了土壤色度体系并逐渐被量化，尝试在古气候研究方面将土壤颜色作为一个气候代用指标，取得了较好的成果。陈一萌等通过对甘肃
基金项目：国家自然科学基金项目（41371226）
省临夏市源堡剖面的研究，认为土壤颜色指标无论在百年尺度、千年尺度还是在万年尺度上均能可靠的反映气候的变化，尤其是对末次冰期阶段气候响应得更为显著（陈一萌等，2006）。杨胜利等通过对中国70多个表层土壤样品的研究，指出黄土-古土壤的颜色记录在千年尺度和万年尺度上均能很好地反映亚洲季风和全球气候变化的特征（杨胜利等，2001）。石培宏等对靖远黄土剖面研究后发现，在磁化率指标不能很好地反映气候变化及土壤发育的情况下，色度指标的引入能够弥补这一缺陷（石培宏等，2012）。黄成敏等在对红土的研究中，常常采用以土壤颜色为基础的红化率指数推断成土母质风化成土作用的强度（黄成敏等，2004）。彭淑贞等对西峰晚第三纪红土的研究后，指出红土的亮度值对碳酸盐质量分数有较强的指示意义，两者在随深度变化的趋势以及幅度上均有较好的可比性（彭淑贞和郭正堂，2003）。近些来，随着环境考古学的发展，土壤学在考古中的应用也日渐广
作者简介：冯力威（1989年年生），女（蒙古族），硕士研究生，主要从事土壤地理研究。E-mail：[email protected] 收稿日期：2015-01-11
冯力威等：仰韶文化遗址区古土壤色度特征及其气候意义 893
泛。但大多数都属于定性研究，应用土壤颜色、磁化率等指标进行定量研究较少。
本文在前人研究的基础上，以河南省仰韶村遗址中两个剖面为研究对象，对剖面的色度参数进行研究，并与粒度、磁化率指标进行综合分析，获取剖面所包含的的古气候信息，探讨色度指标的气候指示意义，为仰韶时期气候环境变化研究提供科学依据。 1 样品与方法 1.1 研究区位置
仰韶村遗址位于河南省渑池县城北7.5 km仰韶村南的台地上。遗址长约900 m，宽约300 m，面积近30×104 m2。仰韶村是仰韶文化的命名地，仰韶文化作为重要的新石器时代文化，于1921年被瑞典科学家安特生等发现得名。研究剖面位于仰韶村遗址内，具体位置如图1所示。
图1 剖面采样位置示意图(来源：Google Earth) Fig. 1 Schematic diagram and sampling sites in the study area
文化剖面的具体位置在渑池县城北韶山脚下仰韶村进村路西面的低丘缓坡中（111°46′36″E，34°48′53″N），海拔633 m，坡度5~8°，剖面出露厚度大于4 m，从剖面的土质土色特征可将整个剖面
从上到下分为6层：表土层（0~20 cm）、黄土层（20~70 cm）、灰烬层（70~100 cm）、文化层（100~140 cm）、过渡层（140~220 cm）和古土壤层（220~400 cm），详见表1。自然剖面位于仰韶村安特生路东面低丘缓坡中（111°46′36″E，34°48′51″N），海拔621 m，坡度5~8°，剖面出露厚度大于4 m，从剖面的沉积特征可将整个剖面从上到下分为4层：表土层（0~20 cm）、黄土层（20~170 cm）、过渡层（170~320 cm）和古土壤层（320~400 cm），详见表2。2个剖面层次都比较清晰，较完整清晰地记录了仰韶文化时期古气候环境变化的信息。 1.2 样品采集与测试
2个研究剖面厚度均为4 m，间隔10 cm从上到下连续密集采样，各采集样品40个，对采集的样品进行色度、磁化率及粒度的测定和分析。色度指标在中国科学院地质与地球物理研究所完成，采用日本CM-700d分光测色仪测定，整个测试过程要保证实验条件并且背景光源恒定。首先将样品风干，并研磨至200目以下，目的是为了降低土壤湿度和土壤颗粒大小对土壤颜色的影响；然后进行仪器校正，取2~3 g样品放在色度仪自带标准校正白板上，压平、压实不起皱，随机取3个不同区域对样品进行测量，结果取3次的平均值，误差要保证小于0.07。磁化率测定在中国科学院地质与地球物理研究所完成，采用英国Bartington MS-2型双频磁化率仪测定，样品的粒度分析在中国地质大学（北京）完成，采用英国Mastersizer2000型激光粒度仪测定；年代测定在北京大学考古文博学院完成，采用14C年代测定法，测试结果通过树轮法进行校正，年代单位采用考古专用的时间单位aB.P.，以西元1950年为起点。
1.3 CIELAB表色系统
CIELAB表色系统是目前最重要的颜色表达和
表1 文化剖面分层描述
Table 1 Pedological and stratigraphic descriptions of the culture profile
深度/cm 0~20 20~70 70~100 100~140 140~220 220~400
地层 表土层(TS) 黄土层(L0) 灰烬层(H) 文化层(C) 过渡层(L1)
古土壤层(S)
形态特征
浊橙(7.5YR 6/4)，粉壤土，块状结构，稍硬，含少量根系 橙(5YR 6/6)，粉壤土，块状结构，稍硬，含多量根系
灰棕(7.5YR 4/2)，粉壤土，粒状结构，松散，发现少量陶片和一件疑似圆形石器 浊橙(7.5YR 7/3)，粉壤土，弱发育块状结构，硬，含少量根系，发现少量陶片 淡棕色(7.5YR 7/2)，粉壤土，中发育块状结构，硬 浊橙(7.5YR 6/4)，黏土，强发育块状结构，很硬
表2 自然剖面分层描述
Table 2 Pedological and stratigraphic descriptions of the nature profile
深度/cm 0~20 20~170 170~320 320~400
地层 表土层(TS) 黄土层(L0) 过渡层(L1) 古土壤层(S)
形态特征
橙(5YR 6/6)，粉壤土，粒状结构，松软，含少量根系 亮红棕(5YR 5/6)，粉壤土，粒状结构，松软，含中量根系
亮棕色(7.5YR 5/6)，粉壤土，中发育块状结构，稍硬，少量根系 橙(7.5YR 6/6)，黏土，强发育棱块状结构，很硬，少量钙质结核
生态环境学报 2015, 24(5): 892-897 http://www.jeesci.com Ecology and Environmental Sciences E-mail: [email protected]
仰韶文化遗址区古土壤色度特征及其气候意义
冯力威，吴克宁
摘要：土壤可有效记录和收集环境信息，文化遗址区内的土壤包含了丰富的古环境信息，然而在诸多的研究中，对仰韶文化变迁与气候变化之间的关系研究较少，缺乏定量科学依据。为了探讨土壤色度指标的气候意义，半定量的恢复仰韶文化时期的气候环境状况，在河南仰韶村遗址选择1个含人类遗迹的文化剖面和1个没有人类扰动的自然剖面进行对比研究，利用日本CM-700d分光测色仪分别测试2个研究剖面土壤色度指标（亮度、红度、黄度），并与剖面的磁化率、粒度特征进行综合分析，探讨仰韶文化时期的古气候变化。结果发现：色度等各气候指标都能一定程度上科学地反映古气候变化，但仅根据某一种气候替代指标推导气候结果是片面的，只有综合考虑多项气候替代指标，才能够准确合理地重建气候的变化过程。色度指标沿剖面呈有规律的变化，文化剖面L*、a*、b*各指标值随剖面深度加深数值呈增加趋势，自然剖面a*值随剖面深度加深呈增加趋势，而L*、b*指标值则呈减小趋势，同时色度各指标值可以与磁化率、粒度进行很好的结合。综合来看，文化剖面由于人类活动的干扰，气候的反演大致与自然剖面相对应，总体而言反映的气候环境信息大体相同，剖面从下向上可分为4个气候变化阶段，变暖期-干冷期-暖湿期-干冷期。这一结果也说明了暖湿的气候是文明繁荣发展的动因，而干冷的气候则会使文明走向衰落。
关键词：仰韶文化遗址；古土壤；文化剖面；自然剖面；色度；气候意义 DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.026
中图分类号：X144；X16 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2015）05-0892-06
引用格式：冯力威，吴克宁，查理思，鞠兵，王文静. 仰韶文化遗址区古土壤色度特征及其气候意义[J]. 生态环境学报, 2015, 24(5): 892-897.
FENG Liwei, WU Kening, ZHA Lisi, JU Bing, WANG Wenjing. Chroma Characteristics and Its Climatic Significance of Yangshao Culture Relic [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 892-897.
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1, 2*
，查理思，鞠兵，王文静
111
1. 中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；2. 国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035
土壤颜色是土壤主要的理化性质之一，是土壤在可见光波段的反射光谱特性，与土壤有机质含量、土壤水分、土壤质地和粘粒含量等密切相关。土壤颜色的空间变化是土壤性状对气候的响应，能反映土壤的发育程度(朱丽东等，2007)。土壤颜色的研究始于20世纪60年代，70年代研究得到快速发展，这一阶段主要研究土壤中最常见的致色矿物赤铁矿和针铁矿以及有机质与土壤颜色的关系上，发现游离铁氧化物含量与土壤彩度成正比，土壤有机质能使土壤颜色变暗，这些成分的变化与一定气候条件下化学风化及生物风化作用有很大关系。所以认为通过土壤剖面颜色的变化可能会恢复古气候环境的波动状况（Scheffer和Welte，1958；Resende，1976；Torrent和Schwertmann，1980；Singh和Gilkes，1992）。近几年，通过众多学者对土壤颜色的研究，建立了土壤色度体系并逐渐被量化，尝试在古气候研究方面将土壤颜色作为一个气候代用指标，取得了较好的成果。陈一萌等通过对甘肃
基金项目：国家自然科学基金项目（41371226）
省临夏市源堡剖面的研究，认为土壤颜色指标无论在百年尺度、千年尺度还是在万年尺度上均能可靠的反映气候的变化，尤其是对末次冰期阶段气候响应得更为显著（陈一萌等，2006）。杨胜利等通过对中国70多个表层土壤样品的研究，指出黄土-古土壤的颜色记录在千年尺度和万年尺度上均能很好地反映亚洲季风和全球气候变化的特征（杨胜利等，2001）。石培宏等对靖远黄土剖面研究后发现，在磁化率指标不能很好地反映气候变化及土壤发育的情况下，色度指标的引入能够弥补这一缺陷（石培宏等，2012）。黄成敏等在对红土的研究中，常常采用以土壤颜色为基础的红化率指数推断成土母质风化成土作用的强度（黄成敏等，2004）。彭淑贞等对西峰晚第三纪红土的研究后，指出红土的亮度值对碳酸盐质量分数有较强的指示意义，两者在随深度变化的趋势以及幅度上均有较好的可比性（彭淑贞和郭正堂，2003）。近些来，随着环境考古学的发展，土壤学在考古中的应用也日渐广
作者简介：冯力威（1989年年生），女（蒙古族），硕士研究生，主要从事土壤地理研究。E-mail：[email protected] 收稿日期：2015-01-11
冯力威等：仰韶文化遗址区古土壤色度特征及其气候意义 893
泛。但大多数都属于定性研究，应用土壤颜色、磁化率等指标进行定量研究较少。
本文在前人研究的基础上，以河南省仰韶村遗址中两个剖面为研究对象，对剖面的色度参数进行研究，并与粒度、磁化率指标进行综合分析，获取剖面所包含的的古气候信息，探讨色度指标的气候指示意义，为仰韶时期气候环境变化研究提供科学依据。 1 样品与方法 1.1 研究区位置
仰韶村遗址位于河南省渑池县城北7.5 km仰韶村南的台地上。遗址长约900 m，宽约300 m，面积近30×104 m2。仰韶村是仰韶文化的命名地，仰韶文化作为重要的新石器时代文化，于1921年被瑞典科学家安特生等发现得名。研究剖面位于仰韶村遗址内，具体位置如图1所示。
图1 剖面采样位置示意图(来源：Google Earth) Fig. 1 Schematic diagram and sampling sites in the study area
文化剖面的具体位置在渑池县城北韶山脚下仰韶村进村路西面的低丘缓坡中（111°46′36″E，34°48′53″N），海拔633 m，坡度5~8°，剖面出露厚度大于4 m，从剖面的土质土色特征可将整个剖面
从上到下分为6层：表土层（0~20 cm）、黄土层（20~70 cm）、灰烬层（70~100 cm）、文化层（100~140 cm）、过渡层（140~220 cm）和古土壤层（220~400 cm），详见表1。自然剖面位于仰韶村安特生路东面低丘缓坡中（111°46′36″E，34°48′51″N），海拔621 m，坡度5~8°，剖面出露厚度大于4 m，从剖面的沉积特征可将整个剖面从上到下分为4层：表土层（0~20 cm）、黄土层（20~170 cm）、过渡层（170~320 cm）和古土壤层（320~400 cm），详见表2。2个剖面层次都比较清晰，较完整清晰地记录了仰韶文化时期古气候环境变化的信息。 1.2 样品采集与测试
2个研究剖面厚度均为4 m，间隔10 cm从上到下连续密集采样，各采集样品40个，对采集的样品进行色度、磁化率及粒度的测定和分析。色度指标在中国科学院地质与地球物理研究所完成，采用日本CM-700d分光测色仪测定，整个测试过程要保证实验条件并且背景光源恒定。首先将样品风干，并研磨至200目以下，目的是为了降低土壤湿度和土壤颗粒大小对土壤颜色的影响；然后进行仪器校正，取2~3 g样品放在色度仪自带标准校正白板上，压平、压实不起皱，随机取3个不同区域对样品进行测量，结果取3次的平均值，误差要保证小于0.07。磁化率测定在中国科学院地质与地球物理研究所完成，采用英国Bartington MS-2型双频磁化率仪测定，样品的粒度分析在中国地质大学（北京）完成，采用英国Mastersizer2000型激光粒度仪测定；年代测定在北京大学考古文博学院完成，采用14C年代测定法，测试结果通过树轮法进行校正，年代单位采用考古专用的时间单位aB.P.，以西元1950年为起点。
1.3 CIELAB表色系统
CIELAB表色系统是目前最重要的颜色表达和
表1 文化剖面分层描述
Table 1 Pedological and stratigraphic descriptions of the culture profile
深度/cm 0~20 20~70 70~100 100~140 140~220 220~400
地层 表土层(TS) 黄土层(L0) 灰烬层(H) 文化层(C) 过渡层(L1)
古土壤层(S)
形态特征
浊橙(7.5YR 6/4)，粉壤土，块状结构，稍硬，含少量根系 橙(5YR 6/6)，粉壤土，块状结构，稍硬，含多量根系
灰棕(7.5YR 4/2)，粉壤土，粒状结构，松散，发现少量陶片和一件疑似圆形石器 浊橙(7.5YR 7/3)，粉壤土，弱发育块状结构，硬，含少量根系，发现少量陶片 淡棕色(7.5YR 7/2)，粉壤土，中发育块状结构，硬 浊橙(7.5YR 6/4)，黏土，强发育块状结构，很硬
表2 自然剖面分层描述
Table 2 Pedological and stratigraphic descriptions of the nature profile
深度/cm 0~20 20~170 170~320 320~400
地层 表土层(TS) 黄土层(L0) 过渡层(L1) 古土壤层(S)
形态特征
橙(5YR 6/6)，粉壤土，粒状结构，松软，含少量根系 亮红棕(5YR 5/6)，粉壤土，粒状结构，松软，含中量根系
亮棕色(7.5YR 5/6)，粉壤土，中发育块状结构，稍硬，少量根系 橙(7.5YR 6/6)，黏土，强发育棱块状结构，很硬，少量钙质结核