坝上地区全新世环境变迁与文化转型：兴隆遗址的多指标证据

《Quaternary Science Reviews》：Holocene environmental changes and cultural transformation in the Bashang Region: Multi-proxy evidence from the Xinglong site

　　

•自11.7 ka BP以来兴隆遗址的多指标古环境重建
•气候变化与环境变迁在时间上与文化变迁存在对应关系
•温暖湿润的全新世早期及局部地形有利于最初的居住活动
•玉民文化在全新世早中期气候适宜期繁荣发展
•中晚期全新世的干旱化与冷干气候削弱了定居的延续性

引言

在全球气候变化加剧和生态退化日益严重的背景下，阐明自然环境系统的演化机制并维持区域可持续发展已成为关键的科学与社会优先议题。沉积记录与考古记录为重建古环境历史、研究史前人类–环境相互作用以及综合古代对气候波动的适应响应提供了手段。这些努力构成了应对当代生态挑战、支撑未来生态保护与可持续管理的重要科学途径。

坝上地区位于中国东亚夏季风北侧，风成沉积和河湖相沉积广泛分布，且粒度组成对气候变化极为敏感，使其成为重建古环境演化和探索人地关系的理想区域。坝上地区遗址的居址历史表现出显著的历时性变化，指向其与环境因素之间可能存在复杂的相互作用。这些时间上的差异是否可归因于气候或环境变化，仍然是一个悬而未决的问题。鉴于7000 cal yr BP之后人类活动的显著下降——这一时期与全新世热极值期重合，而其他区域正处于文化繁荣时期——该问题尤具吸引力。

粒度分析、黏土矿物及其组合、地球化学指标和总有机碳（TOC）分析是古环境重建中的经典代用指标。传统粒度分析主要关注平均粒度（Mz）、中值粒度（Md）、峰度系数（Ku）、偏度系数（Sk）和分选系数（σ）等参数，以揭示沉积物来源、动力条件、搬运能力、搬运机制和沉积环境（Liu等，2003；Lu和An，1998）。然而，由于沉积物来源和沉积动力往往复杂，这些参数只能大致反映平均沉积环境的变化，难以对受多来源和多动力环境影响的过程进行深入探究。随着古环境定量研究的推进，研究者开发了多种模型对粒度特征进行多维分析，涉及敏感组分界定和粒度分布的多组分解混，以阐明特定粒度组分的沉积学意义（Blott和Pye，2010；Fieller等，1984）。因子分析和级差标准差法（STD，Chen等，2013），也称为环境敏感粒度法（Mahiques等，2021），可用于精确识别关键粒度区间（Wang等，2002）并解释沉积环境（Ogulei等，2007；Syvitski，1991）。端元模型分析（EMMA）运用统计技术，将不同动力条件下形成的沉积物解构为相互独立的、具有特定特征的粒度组分，从而提取单个动力组分所反映的环境信息（Ma等，2022）。目前，各种基于不同数学算法开发的端元模型已被广泛应用于粒度研究中（Ahn等，2024；Moskalewicz和Winter，2024），尽管不同算法可能产生不同的结果。

黏土矿物及其组合是重建气候条件的有效代用指标。伊利石由长石和云母等硅酸盐矿物衍生而来，通常在寒冷和/或干旱、化学风化受限的条件下形成。相反，伊利石/蒙脱石混层矿物的出现表明气候向更加湿润的方向转变。作为强烈硅酸盐风化的最终产物，高岭石指示温暖湿润的气候条件（Chen等，2005）。

包括化学蚀变指数（CIA，Nesbitt和Young，1982）、化学风化指数（CIW，Harnois，1988）和斜长石蚀变指数（PIA，Fedo等，1995）在内的地球化学指标反映了铝硅酸盐矿物风化为黏土矿物的程度（Wang和Wang，2020）。较高的CIA值表明硅酸盐矿物中Na、K和Ca的淋滤量更大，意味着化学风化更为强烈。(Na?O + CaO)/Al?O?和(Na?O + CaO)/Fe?O?等比值可作为区域降水变化的指示指标。

沉积物中的TOC反映了研究区的整体生物生产力，主要来源于原位植被和外部输入的有机碎屑物质（Wang，2017）。先前的TOC研究表明，温度和降水是影响区域植被生产力的主要因素。一般而言，温暖湿润的气候条件有利于植被生长和有机碳保存，导致较高的TOC值。相反，在干旱、降水减少的条件下，有机碳保存受限，导致较低的TOC值。

该区域的粒度研究已取得一些进展。Jia等（2024）使用中值粒度作为反映区域降水变化的辅助指标（降水增多时粒度变细），研究了内蒙古高原玉民和巴南站点的古环境。Zhao等（2024）应用QGrain程序对寺台遗址ST2015剖面进行EMMA分析，识别出六种基本端元组分，但未对其具体解释进行详细阐述。Ma等（2022）进行了详细的EMMA研究，Huang等（2020）利用粒度和花粉分析对坝上地区的沉积物进行了研究，推断了中晚期全新世以来气候与环境的变化。通过研究安古里诺湖泥芯样品，Zhai和Guo（2002）识别了由湖相沉积和风成沉积组成的粒度年层理，并重建了8507 yr BP以来安古里诺湖周边的古环境。

然而，先前的研究存在明显的局限性和研究空白。现有研究在时间上主要局限于8000 cal yr BP以来的时段，缺乏跨越全新世早期的完整长期环境记录，阻碍了对大规模人地耦合机制的探索。在方法上，大多数先前研究依赖单一的粒度参数，如平均粒度和中值粒度，无法完全解析复杂的沉积组分和混合过程。尽管对该区域粒度的研究有所关注，但与包括黏土矿物和地球化学风化指数在内的多个独立代用指标的交叉验证仍然不足。这难以避免单指标解释的多解性，也难以精确区分复杂的物源混合和沉积动力过程。更为关键的是，坝上地区大多数先前研究集中于单一连续的沉积记录，如典型的风成沙–古土壤序列或湖相沉积，而尚未建立针对多成因考古剖面的系统性多指标研究框架——这些剖面同时受到自然改造和可能的人为扰动的影响。因此，区域环境演化与史前人类活动之间的耦合机制仍然知之甚少。

兴隆遗址位于内蒙古高原东南部，是坝上地区最早的旧石器时代遗址之一。该遗址揭示了从约11,700年前的旧石器–新石器过渡层位到新石器时代居住遗迹的完整序列。凭借其丰富的文化内涵和漫长的居住历史，该遗址为研究农牧过渡带的人地相互作用、气候适应和文化演化提供了宝贵的材料，从而弥补了上述研究空白。

在本研究中，我们聚焦于坝上地区的兴隆遗址，整合多维度粒度分析与多种古气候代用指标，包括地球化学元素、黏土矿物、TOC和花粉记录，重建了自11,700 cal yr BP以来的古环境演化序列。通过整合具有不同敏感性的独立代用指标，我们可以交叉验证环境信号并降低解释不确定性。这为考察区域人类活动变化提供了可靠的环境背景，包括7000 cal yr BP左右的下降是否与 environment 转变有关，从而加深了我们对这一敏感区域人地相互作用的理解。

**区域概况**

兴隆遗址（图1A）位于中国河北省张家口市康保县赵阳河镇兴隆村东南方向。该地现今气候为温带大陆性季风气候，降雨与高温同步发生。被低丘和山地环绕的低地相对宽阔，含有厚达3–5 m的沉积物（Zhang等，2025）。沉积物由异质的河湖相、黄土和风成砂序列组成。

**材料与方法**

样品以5 cm间隔从TG1E东壁剖面340 cm厚度的地层中用手工铲采集，装入密封塑料袋，室温下自然风干，存入样品柜备用分析，每隔10 cm选取样品进行粒度、矿物组成、全量化学成分和TOC分析（共36个样品，图2中以黑点标示）。

**年代框架**

该序列的年代学主要利用加速器质谱（AMS）测年建立。

**沉积物的矿物特征**

矿物的定量分析（图3）表明，沉积物中含有石英（60.2%–73.6%）、黏土矿物（10.6%–21.7%）、斜长石（10.0%–14.4%）和钾长石（4.0%–8.2%），部分层位含有少量白云石。进一步的矿物相鉴定和半定量分析显示，整个剖面的黏土矿物组成一致，主要由伊利石、伊利石/蒙脱石混层黏土矿物、绿泥石和高岭石组成。

**粒度综合解释**

一般而言，在高能量条件下，增强的侵蚀和搬运能力会携带更多粗颗粒物质，导致沉积物相对较粗。相反，低能量条件下细颗粒物质沉积。双峰和多峰曲线通常反映多种物源和比单峰更为复杂的水动力条件。因此，在TG1E剖面中，340–335 cm和250–54 cm区间代表更高能量和更复杂的沉积条件。

**结论**

本研究对兴隆遗址TG1E剖面沉积物进行了综合多指标分析，特别注重将多维度粒度分析与地球化学、黏土矿物、TOC和花粉数据进行整合。我们重建了坝上地区自11,700 cal yr BP以来的古环境演化历史，并探讨了其与人类活动的关系。

（1）多维度粒度分析有效地揭示了沉积动力演化过程。STD方法……

**作者贡献**

王冠宇和邱振伟设计了研究方案。庄丽纳主导了野外工作并监督研究。杨智华负责采样并制备样品。王冠宇和邱振伟进行了数据分析并制作图表。王冠宇、邱振伟和庄丽纳撰写并修改了论文，所有作者均做出了贡献。

**利益冲突声明**

作者声明没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

感谢刘文辉博士在样品采集方面的帮助。本工作得到国家自然科学基金（批准号：42107470）、国家社会科学基金（批准号：23VLS005）和中国教育部研究基金（批准号：2024JZDZ053）的支持。

在撰写本文期间，作者使用了DeepSeek以改善语言表达和可读性。使用该工具后，作者对所撰内容进行了审核和编辑，并……

王冠宇 | 庄丽纳 | 杨智华 | 邱振伟