《Journal of Archaeological Science: Reports》：Can freeze–thaw cycles erase traces of fire use? An experimental approach to understanding combustion residues preservation
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首次实验测试了重复冻融循环（freeze–thaw cycles, FTC）对用火残留物的影响。重复冻融对保存几乎没有影响。快速埋藏和土壤湿度是主要保存因素。旧石器时代（Palaeolithic）用火特征的缺乏并不仅仅归因于冻融。
首次实验测试了重复冻融循环（freeze–thaw cycles, FTC）对用火残留物的影响。重复冻融对保存几乎没有影响。快速埋藏和土壤湿度是主要保存因素。旧石器时代（Palaeolithic）用火特征的缺乏并不仅仅归因于冻融。
**研究背景与问题**
在旧石器时代考古学中，关于北半球冰川期用火技术的普遍性存在激烈争论。法国西南部尼安德特人（Neanderthals）在冰川条件下用火证据显著减少，尽管存在居住迹象（Aldeias et al., 2012；Dibble et al., 2017, 2018；Sandgathe et al., 2011）。类似地，研究人员对旧石器时代晚期（Upper Palaeolithic）燃烧特征（combustion features）的综述（Murphree and Aldeias, 2022）显示，在距今28,000–16,000校准年（calibrated years before present, cal BP）的末次盛冰期（Last Glacial Maximum, LGM），用火证据同样匮乏。该时期北半球冰川扩张，欧亚大陆极端寒冷且干旱（Hughes and Gibbard, 2015）。研究人员提出三种可能解释：1）可获取/已发表数据集不足；2）人类用火活动有限或缺失；3）冻融循环（freeze–thaw cycles, FTC）导致的冻融扰动（cryoturbation）破坏燃烧残留物（ash and charcoal）。前两种解释难以实验验证，而第三种可通过实验检验。
**研究目的与意义**
本研究旨在通过控制实验，检验重复冻融循环对灰烬（ash）和木炭（charcoal）堆积层保存的影响，评估（a）燃烧残留物的保存程度和（b）燃烧特征在考古记录中的可见性。论文发表在《Journal of Archaeological Science: Reports》。
**主要技术方法**
研究人员采用标准化实验设计，将20克灰烬（<500 μm）和20克木炭（<2 mm）分别置于PVC圆柱内，填充实验沉积物（90%石英砂+10%伊利石粘土，类壤砂土）。控制变量包括：冻融循环次数（0、1、10、30、60次）、水分含量（0%、50%、100%饱和容量）、残留物位置（表面或埋深约4.5 cm）及冻结时长（0、16、158、423、1290小时）。每种处理重复三次。分析手段包括宏观厚度测量（卡尺）、微观形态学（thin section）分析及微X射线荧光（μXRF）元素映射。
**研究结果**
*3.1 水分含量对平均厚度和规则性的影响*
通过ANCOVA分析，仅在表面灰烬层中观察到冻融循环与水分含量的显著交互作用（F(1,14)=4.731, p=0.047）：60次冻融后，灰烬层随水分增加而变薄；表面木炭层厚度受水分独立影响（F(1,14)=8.281, p=0.012），与是否冻结无关；埋藏灰烬层无显著变化；埋藏木炭层中冻融与水分交互显著（F(1,14)=7.711, p=0.015）。规则性分析显示，仅表面灰烬层的不规则性因冻融和水分交互增加（F(1,14)=7.648, p=0.015）。
*3.2 冻融循环次数对平均厚度和规则性的影响*
仅100%水分样品中，表面灰烬层厚度随循环次数增加而显著变薄（rs=-0.567, n=9, p=0.027），不规则性亦显著增加（F(1,55)=5.531, p=0.022）。其他层（表面木炭、埋藏灰烬、埋藏木炭）无显著变化。
*3.3 冻结时长与冻融循环次数对平均厚度和规则性的影响*
ANOVA显示四因素交互显著（厚度F(1,31)=6.127, p<0.001；不规则性F(1,31)=8.713, p<0.001）。进一步分析表明，仅表面灰烬层厚度受循环次数强烈影响（F(1,6)=52.911, p<0.001），不规则性亦随循环次数增加（F(1,6)=11.255, p=0.015）。单次连续冻结1290小时与60次冻融（累计1290小时）相比，表面灰烬层变化更显著。
*3.4 土壤微观形态特征变化*
零循环样品中，灰烬层微观结构因水分和位置而异：0%水分时呈块状（massive），50%和100%水分时表面灰烬层底部块状、顶部海绵状或枕状。埋藏100%水分样品中可见垂直裂隙。
*3.5 冻融对表面燃烧残留物的影响*
100%水分样品中，10次循环后实验沉积物中开始出现透镜状结构（lenticular structures），至60次循环时明显发育；黏土聚集体（clay aggregates）逐次破碎。但灰烬与木炭层间仅有微米级混合，整体保持完整。表面灰烬层内部结构因水分和冻结时长而异：0%水分时块状，50%水分时枕状，100%水分时致密块状；连续冻结样品中可见垂直和放射状裂隙。
*3.6 冻融对埋藏燃烧残留物的影响*
埋藏样品中未观察到透镜状结构，但黏土聚集体在30和60次循环后出现弱至中度裂隙。灰烬与木炭层间有弱至中度混合，自首次循环即出现。埋藏灰烬层在10次循环后出现垂直裂隙，60次循环后中度发育；连续冻结样品中裂隙广泛。0%和50%水分样品无裂隙。
**讨论与结论**
研究人员在讨论中指出，实验成功模拟了冻融相关特征（如透镜状结构），且效果随循环次数和水分增加而累积。关键发现是：埋藏位置是最重要的保存因素，无论冻融次数或水分含量如何，埋藏残留物均无统计学显著影响；而表面灰烬层受冻融影响（变薄、不规则性增加）。木炭层较抗冻融。快速埋藏（高沉积速率）和低水分可显著促进保存。因此，旧石器时代冰川期用火特征缺乏不能仅归因于冻融过程，可能需考虑人类用火频率降低或短期用火事件等其他因素。
结论部分翻译：本文通过实验测试了重复冻融循环对燃烧残留物的影响。采用标准化实验方案，模拟了1、10、30、60次循环对平坦表面的影响，同时测试了水分含量、冻结时长和残留物位置（表面或埋藏）。通过测量和统计分析灰烬与木炭层的厚度和规则性变化，并结合微观形态学（micromorphology）和μXRF元素映射（elemental mapping）识别微地层变化。控制实验结果表明，冻融单独作用对考古记录中燃烧残留物保存几乎没有影响，尤其是埋藏后。因此，燃烧残留物保存的可能性必须理解为冻融循环速率与沉积速率及湿度的函数。换言之，用火痕迹可能难以被抹去，除非燃烧残留物长期暴露于其他自然和人为过程。
