净初级生产力作为中国北方农牧交错带新石器时代生计多样化与聚落脆弱性的生物物理中介

《Journal of Archaeological Science》：Net primary productivity as a biophysical mediator of Neolithic subsistence diversification and settlement vulnerability in the northern Chinese farming–pastoral ecotone

　　

•净初级生产力（NPP）将抽象的气候变化与考古学中的具体资源基线联系起来。
•一种新颖的花粉 -NPP 传递函数量化了史前土地的承载力。
•全新世中期的高 NPP 支撑了粟作农业的扩张和人口增长。
•5.5 千年前以后 NPP 的下降促使人群多元化其生计模式。
•低 NPP 及草原流行病触发了社会脆弱性的连锁危机。

引言
理解全新世气候波动如何塑造史前人类社会的演化，包括农业和动物驯化的起源以及复杂社会的发展与崩溃，长期以来一直是考古学的核心主题（Zhang 等，2024, 2026; Daly 等，2025; Weiss 等，1993; Dong 等，2023; Yan 等，2026）。人地关系研究传统上依赖于温度和降水等气候代用指标，试图在这些记录与考古文化序列之间进行平行比较（Wang 等，2014; 2024）。然而，气候指标的波动并不完全等同于人类生存所依赖的资源丰度的变化（Cui 等，2026; Yan 等，2026）。对于史前社会的生计模式而言，其可获取的资源直接来源于生态系统的承载力和可用生物量（Chen 等，2026）。植被净初级生产力（NPP）是一个综合指标，代表陆地生态系统通过光合作用固定的有机碳总量；它作为一个关键的生物文化桥梁，将抽象的气候波动转化为人类可用的动植物资源的实际基线（Yan 等，2026）。因此，定量评估史前人类居住期间生态系统的 NPP 动态变化，对于揭示气候波动如何实质性地驱动人类生计选择和人类社会体系重组至关重要。

中国北方农牧交错带（FPENC），位于东亚季风区的边缘，是一个对维持区域生态平衡至关重要的敏感地带（Yan 等，2025a）。作为陆地生态系统的重要组成部分，该地区的过渡性气候孕育了多样的植被类型，景观依次从森林草原过渡到典型草原，再到荒漠草原（Qian 等，2025; Gao 等，2018; Yang 等，2023）。该地区的现代生态系统格局是在地质历史时期的多次气候波动中逐渐演化的（Gao 等，2023）。然而，关于全新世 NPP 的动态演化以及古 NPP 如何响应温度和季风降水变化等气候变量，仍缺乏长期的定量理解。因此，探索古 NPP 与古气候之间的响应关系及其对交错带史前人类社会的影响，对于全面阐明该地区自然 - 人类社会经济生态系统的长期演化轨迹具有至关重要的科学价值。最近的研究已成功利用树轮、同位素和花粉等代用指标，重建了某些地区过去地质时期的净初级生产力和碳积累动态（Ma 等，2024; Cui 等，2026; Liu 等，2018; Yan 等，2026; Chen 等，2026）。然而，在 FPENC 地区，现有的相关研究主要集中在分析植被群落演替和古气候变化上（Yang 等，2023; Zhao 等，2018; Li 等，2022），古 NPP 的定量重建相对有限。

凭借其丰富的动植物资源潜力，FPENC 成为新石器时期史前人类生存和文化演化的核心区域（Xiong 等，2025; Jia 等，2016a, 2016b）。在这一区域生态系统中，NPP 不仅是植被生长状况的指标，也是衡量自然界可用食物供应总量的直接参数，对史前人群的生计模式产生深远影响（Yan 等，2026）。在全新世中期至晚期，FPENC 见证了多次社会发展轨迹各异但影响深远的社会事件，对东亚文明轨迹产生了深远影响。例如，大约在 8000 年前，得益于全新世大暖期的良性环境，该地区出现了粟（Setaria italica）和黍（Panicum miliaceum）的早期驯化以及定居农业的发展（Jia 等，2024; Dong 等，2017）。这不仅为区域史前人类社会的发展奠定了关键的物质基础，也孕育了后续北方早期文明起源的条件。相反，大约在 5000 年前，向冷干条件的转变与区域差异化的社会响应相吻合，包括红山文化体系的衰退和重组（Hou 等，2024; Wang 等，2024）。此外，以哈民忙哈和庙字沟为代表的高密度聚落经历了突然废弃，留下了大量异常大规模人类死亡的古生物证据（Liu, 2023）。进入全新世晚期（4000 年前以后），减弱了的东亚夏季季风和持续的冷干条件可能驱动了史前生计模式的转变，促进了农牧分界模式的初步形成（Jia 等，2016a; Zhang 等，2023; Dong 等，2024; Wang 等，2025; Lv 等，2022），并深刻塑造了东亚后续的文明发展。许多研究指出，8000 年前左右温暖湿润的气候有利于粟的驯化和农业发展（Jia 等，2024），而 5000 年前左右季风撤退和降水减少则与 FPENC 的一系列社会变革和局部聚落中断相吻合（Wang 等，2024）。然而，虽然宏观尺度的气候 - 社会对应关系建立了广泛的环境背景，但其解释力往往局限于长期的文化演替（Wang 等，2014）。这种偶发性的气候转变无法直接解释哈民忙哈和庙字沟等遗址在短时间内爆发的大规模死亡和聚落突然废弃事件（Liu, 2023）。恶化的人类气候条件如何改变区域资源基础，以及为什么不同的史前社区表现出从生计调整和社会重组到局部聚落废弃的差异化响应，仍然是需要定量古生态学调查的重要社会环境问题。

在此研究背景下，本研究利用亚洲现代花粉数据集（Cao 等，2022a, 2022b）结合通过谷歌地球引擎平台提取的年度 MODIS NPP 数据集（Gorelick 等，2017; Running 等，2004），基于随机森林模型构建了一个定量的花粉组合 -NPP 传递函数（Yan 等，2026）。随后将该模型应用于 FPENC 的五个沉积钻孔花粉序列（Cao 等，2022a, 2022c），成功重建了全新世以来区域 NPP 变化的宏观序列。为了进一步精确表征极端社会事件期间的当地生态环境，我们在哈民忙哈遗址检索了一个自然风成 - 古土壤剖面。在加速器质谱碳 -14（AMS 14C）年代学框架内，系统提取了涵盖哈民忙哈文化时期（约 5600–4400 年前）的花粉和植硅体代用指标，定量重建了遗址核心区域内的当地 NPP 动态和环境背景。同时，利用 TraCE-21ka 气候模型输出的瞬态模拟降水数据（Yan 和 Liu, 2019），系统比较了古降水变率与 NPP 时空演化之间的耦合关系。在此基础上，结合区域考古记录，本研究重点探索了 NPP 作为连接气候与人类社会的生物物理桥梁，对 FPENC 史前生计演化和社会动态的驱动机制。本研究旨在为理解东亚季风边缘的史前社会如何应对环境变化而采取的资源利用策略和聚落废弃过程提供科学证据。

部分片段
区域背景
FPENC 的核心区（北纬 41°–46°，东经 112°–122°）位于从内蒙古高原到东北平原的过渡地带（图 1）。该地区受东亚夏季季风控制，具有典型的温带半干旱至半湿润大陆性季风气候，现代年均温为 2 至 7°C，年均降水量为 300–500 毫米。区域降水的纬度波动驱动了植被

古环境重建数据源
本研究使用的现代花粉和化石花粉数据来自 Cao 等（2022a, 2022b, 2022c）发布的亚洲现代花粉数据集和中国全新世地层花粉数据集，这些数据存放在国家青藏高原科学数据中心。利用 RStudio 中的 geosphere 包，我们根据经纬度信息计算了所选沉积钻孔周围半径 1000 公里内的位置（Cao 等，2017）。经过筛选后

全新世 FPENC 古 NPP 重建的可靠性
在构建 NPP 花粉组合传递模型之前，本研究首先对现代花粉数据进行了冗余分析（RDA）（图 2）。结果表明，NPP 与现代花粉组合密切相关，其独立解释力为 8.04%。分层分割进一步显示，在所考察的四个环境变量中，NPP 具有最高的独立解释贡献，支持将其作为传递模型的稳健预测因子。

结论
基于现代花粉组合和 MODIS NPP 数据，本研究为 FPENC 构建了花粉 -NPP 随机森林传递模型，并将其应用于全新世花粉序列。结合哈民忙哈遗址风成 - 古土壤剖面中的花粉和植硅体记录、TraCE-21ka 降水模拟、动物考古学、植物考古学和人类稳定同位素数据，我们考察了全新世生态系统生产力的变化如何影响史前生计策略以及

CRediT 作者贡献声明
Ao Yan: 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，软件，资源，方法论，调查，概念化。Jiangyong Wang: 监督，资源，资金获取。Dongmei Jie: 撰写 – 审阅与编辑，监督，资金获取。Guizai Gao: 撰写 – 审阅与编辑，验证，监督。Honghao Niu: 撰写 – 审阅与编辑，验证，监督。Jie Ma: 软件。Kai Liu: 撰写 – 审阅与编辑，监督。

数据可用性声明
与本研究相关的原始数据和 R 脚本已作为补充材料和附录提交给期刊。本研究使用的数据集由国家青藏高原/第三极环境数据中心提供（http://data.tpdc.ac.cn）。

利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能会影响本文报告的工作。

致谢
本研究由国家开放基金长白山地理过程与生态安全教育部重点实验室（中国东北松辽平原史前人与环境系统耦合研究）、国家自然科学基金（42271162）、新疆维吾尔自治区高校基础研究计划项目（XJEDU2026P004）以及新疆维吾尔自治区自然科学基金资助。

Ao Yan|Jiangyong Wang|Dongmei Jie|Guizai Gao|Honghao Niu|Jie Ma|Kai Liu