河南渑池县仰韶村遗址不同土层微形态特征研究

查理思，吴克宁，黎卓轩，兰文哲

[ 1. 广东财经大学 公共管理学院，广州 510320；2. 中国地质大学（北京） 土地科学技术学院，北京 100083 ]

仰韶村遗址是中国黄河流域新石器时期遗址，也是仰韶文化命名地。根据多次考古挖掘和研究，发现仰韶和中原龙山两个文化、四个不同发展阶段的地层叠压关系（严文明，1989）。该遗址存在大量的遗迹遗物，如古人类为了居住硬化的地面、文化层中留下的动物骨骼和牙齿、烧制陶器留下的窑洞、埋葬小孩的翁棺等。如此丰富的文化层、灰坑和遗迹遗物表明，该遗址上的古人类活动形式多样，活动程度强烈。对该遗址的土壤展开研究将有助于了解古环境变化和文化演变背景下的古人类生活生产状态。遗址中大部分遗存，如植物、动物粪便、灰烬、动物碎骨和矿物颗粒等，由于年代久远或保存环境不利等，从宏观视野中消失。但通过土壤微形态学方法可较清晰地观察、检验上述遗存，从而对遗址的形成与变化过程做出科学判断，得到更深刻的认识（Courty et al.， 1989）。土壤微形态学是借助光学仪器直观观测原状土壤结构和微组构的重要方法。根据对土壤薄片的观察，可以有效还原土壤的机械组成、原始结构、成壤过程中物质淋溶、迁移、转化与淀积的过程，对土壤稳定性特征有更强的解释效力（梁壮 等，2020）。目前运用在遗址土壤研究的对象多为文化层、灰烬（Canti,2003; Karkanas et al., 2007; Alber et al., 2012; Goldberg et al., 2012; Maghsoudi et al., 2014; Baykara et al., 2015；宿凯 等，2020），主要是通过观察人工侵入体和生物遗迹（Mallol et al., 2013, 2015；吴克宁等，2014；查理思 等，2020a），了解古人类饮食、用火信息（Kuhn et al., 2009, 2015; Lycett et al.,2013; Villagran et al., 2013）。

本研究已在该遗址发现一处文化层，其中发现陶片、石器和碎骨，结合粒度、炭屑、部分孢粉和植硅体分析，该层为砂质壤土，其炭屑含量高，禾本科植物孢粉含量高，存在黍、粟和水稻植硅体（杜凯闯 等，2018），疑似为古耕作层。由于古耕层难于保存，特别是在旱作区域，故目前针对古耕层研究较少，如Kemp（2006）对秘鲁一处遗址废弃的梯田进行微形态分析，发现黏粒胶膜丰富，这在干旱少雨的地带表明古人类有灌溉的习惯。Devos（2013）对比利时安特卫普一处罗马时代的黑色文化层进行微形态分析，发现土壤有机成分丰富，孔隙度高，结合植硅体分析，发现大麦等，表明此处为耕作层。庞奖励（2007a）在关中地区通过比较秦汉时期古耕作土壤和现代耕作土壤的微形态特征，发现“堆垫土”由两部分组成，母质过渡层主要是全新世晚期堆积的风积物，表层和犁底层是2000年以来人类不断施加土粪、风尘堆积和农耕活动的综合产物。申朝瑞等（2007）研究了泾河中游先周时期古耕作土壤的微形态特征，发现古耕层质地为壤土，骨骼颗粒磨圆度好，以石英、长石等不易风化矿物为主，细粒物质主要是黏粒和次生方解石，微垒结为海绵状，这反映了古人在此长期耕作。张玉柱等（2015）通过对青海民和亭盆地喇家遗址古耕层的微形态研究，发现粗颗粒呈现圆状-次圆状，大量的针状方解石微晶分布在孔隙边沿，这反映了古人在此只是简单地耕作。

综上所述，目前土壤微形态学在古农业研究中，涉及年代多为文明时期，而新石器时代等较早文化时期相对较少。研究方法主要通过观察土壤粗粒质和细粒质以及孔隙特点，判定是否存在耕作行为及强度。本研究将在前期研究基础上，系统采集多处不同土层土壤微形态样品，通过比较分析，探究各自形成原因，并探究灌溉、施肥等农业管护行为对土壤微形态的影响，为进一步探究仰韶文化时期的古人类活动遗迹和北方旱作古农业发展状况提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与样品采集

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（图1-a），遗址长约900 m，宽约300 m。参考《中国土系志（河南卷）》（吴克宁等，2019），该地区地带性土壤为黄土，系统分类隶属普通简育干润雏形土，其母质为离石、午城黄土，经长期旱耕熟化形成旱耕土壤，主要种植小麦、玉米、棉花、甘薯、烟草等作物，一年两熟。采样区域位于仰韶村安特生路东面缓坡上（34°48'51'' N，111°46'36'' E），海拔621 m，坡度5°～8°，南北长约160 m，东西宽约80 m。现土地用途为花椒种植园，由于遗址保护管理要求，没有过多人工养护，花椒树基本靠自然降水，从现场满地杂草的情景可判断少有现代人为干扰。根据实地情况，可将该区域从南至北分为3 个区域：稀疏花椒林（Ⅰ）、密集花椒林（Ⅱ）、草地（Ⅲ），各区域中间采集取1～2处土样，并在区域交界处采样，同时以南北中轴线上的采样点为基准，向东西每隔20 m沿线采样，其中Ⅱ、Ⅲ西向区域，由于1981年河南省文物研究所已发掘探明为墓葬区，后填埋，土层已受现代干扰，故主要向东采集。Ⅰ区域中1、2、10、11、17处为已发掘探明的疑似古耕层，故该区域采样密集，以期获取更多古农业活动遗迹信息。总共采集18处土壤微形态样点，采样方法为用铝针盒取土，在选定部位的土壤上画出铝针盒的轮廓，然后削掉周围多余的土壤，使得突出的土体正好呈盒子的形状，将铝针盒套入土体，再用小刀把盒里的土块切下。多余土壤用小刀削掉，盖上盒盖，最后贴上标签，并用箭头标明土层方向。1～16处均采用打土柱的方法，从地表探至古土壤层，根据土壤质地和颜色，结合考古断代进行分层，获取每一层中完整的土样（图1-b）。17、18处则直接在剖面上取样，刮去表面，获取每一层内完整的土样（图1-c）。各点每层均采集1～2个土壤微形态样品，共计61个。

图1 采样区域（a）及方法（b、c）Fig.1 Sampling area(a) and method (b、c)

1.2 测试分析与数据来源

在装有土样的铝盒内注入树酯，磨制标准厚度30 μm。本次制片委托北京大学完成，规格是10 cm*10 cm的薄片，取样品中间位置制片，制备过程参考文献（FitzPatrick, 1984）。微形态的分析在明辉偏光显微镜下完成，在平面偏振光（PPL）和交叉偏振光（XPL）下对薄片进行放大观察，放大倍数10～500倍，图像经传感器传至计算机，使用配套软件进行图片拍照、孔隙统计、粗骨颗粒和基质等特征的量化值。土壤微形态特征鉴定标准参照ISSS（国际土壤学会）推荐系统（Bullock et al., 1985），包括在偏光显微镜下能够观察到的土壤颗粒和不能够清楚观察分辨的细物质，从土壤基质、土壤形成物、土壤垒结c/f（20 μm）和土壤微结构4 个方面进行观察，其中基质包含粗粒质和细粒质，矿物质认定根据光性类型（何毓蓉 等，2015），土壤垒结分别从粗粒质、细粒质以及两者的相对分布三方面进行观察。对17、18处土壤剖面中各土层底部采集的6 个土样进行测年，采用AMS14C 进行年代测定，由北京大学考古文博学院提供的常规14C 数据及利用软件CALIB 5.01（Stuiver et al., 1998）校正日历年龄，所用14C半衰期为5 568 a。土壤野外描述参照《土壤地理学与土壤调查技术》（章明奎，2011）。

2 结果与讨论

2.1 土壤剖面和土柱基本特征

17（图2-a）、18（图2-b）处土壤剖面采样点，各层宏观特征差异明显，有机质层多为棕色，质地野外速判为壤土（图2-c）；淋溶层多为灰棕色，质地野外速判为粉壤土，含有多种侵入体如陶片和骨头（图2-d）或特殊物质如炭屑（图2-e）；淀积层为浊橙色，质地野外速判为黏壤土（图2-f）。由于土层深厚，与一般情况下自然土层厚度不同，其中17 处深度480 cm，有机层0～225 cm，淋溶层225～332 cm，淀积层332～480 cm；18 处深度410 cm，有机层0～140 cm，淋溶层140～255 cm，淀积层255～410 cm。为体现遗址土壤特点，结合考古土层分类，从土质土色特征可将整个剖面从上到下划分为表土层、文化层和古土壤层，分别对应有机质层、淋溶层和淀积层。整个剖面层次清晰，结合测年数据（详见表1）以及发掘的遗物遗迹，确认文化层主要为仰韶文化中晚期至龙山文化早中期。

表1 各层土壤野外描述Table 1 Field description of each layer of soil

图2 土壤剖面及分层Fig.2 Soil profile and stratification

1～16土柱采样点，通过野外观察，与土壤剖面划分标准一致，根据土质土色特征，可将土柱从上到下划分为表土层、文化层、古土壤层。总体而言，表土层平均厚度为72 cm，其干态颜色主要为棕色，文化层平均厚度为112 cm，多位于地表80 cm以下，通过现场挖掘，未发现现代人为活动干扰痕迹和现代侵入体，其干态颜色主要为灰棕色；古土壤层干态颜色主要为浊橙色，与前两层颜色具有明显的区别。各层土样土壤结构为团块状，但5和10点位第二层均为片状，推测曾发生人为堆积或流水冲积。除生土层孔隙度较低外，其余土层孔隙度中以上，推测该区域人类活动类型不以居住为主。该区域地带性土壤为黄土，而仅1、2、10、13点位出现碳酸钙结核和假菌丝，推测受人类活动影响，碳酸盐迁移或聚集发生了改变。侵入体主要为陶片和石器，显示了该时期的文化特征。此外，炭屑指明了古人用火信息。各剖面和土柱分层及描述具体情况详见表1。

2.2 微形态特征

2.2.1 古土壤层 1）原生矿物以石英、斜长石为主，占土壤基质总量的10%～20%。石英丰度最高，占10%～15%，粒径10～100 μm，以10～50 μm 粒级为多，呈次棱角状或次圆状。斜长石丰度4%～5%，粒径10～50 μm，呈它形粒状。锰质颗粒丰度为3%～5%，褐色至黑色，呈圆、椭圆或不规则状。次生矿物以赤铁矿为主，针铁矿、赤铁矿等组成土壤基质中的铁质，丰度为35%～50%，因铁质成分差异，呈现出黄褐色（图3-a），指示针铁矿含量高，红褐色（图3-b）、红棕色（图3-c）则指示氧化铁含量高。这些表明土壤经历了强程度的化学风化，与此同时，淀积黏化作用明显，黏粒胶膜发育充分，因铁元素的加入及氧化过程呈红棕色，胶膜随土壤溶液向下运移或测渗，随后失水并在团聚体内或孔隙壁淀积，表面光滑明亮或具有蜡质光泽。胶膜充填土壤基质及土壤裂隙中，紧紧包裹粗粒质和岩屑（图3-d）。

2）可识别出具有明确边界的垒结形成物铁质团块、结核（图3-e），可观察到铁质团块被孔隙切割，推测为植物根系穿插，后植物死亡腐烂消解，只留下孔隙。铁质团粒随机分布在紧密的土壤基质中，通过比较可发现孔隙少的基质中铁质团粒较多，表明通气性影响了铁质形成的大小。3）粗粒质受到成土作用影响，多分解为细小颗粒，呈现堆积状，被洞状孔隙分隔；细粒质多为微晶b-垒结，具有双折的方解石；细粒质与粗粒质相对分布主要呈现包膜状（图3-f）和桥接状（图3-g），有些粗粒质完全或部分被较细粒质包被，有些粗粒质被不透明的暗色有机质连接。4）微结构主要呈现棱块状，土块具有棱角，几乎没有孔隙，其内有面状孔隙分离，土块一般互相接触。孔隙度低，占土体体积2%～5%，类型主要为孔洞，由单粒或团聚体堆积而形成的开放性孔隙，连通性较好，孔隙壁附着锰质胶膜（图3-h），由锰氧化物与黏粒组成，包膜状或片状。

图3 古土壤层的微形态特征（a. 黄褐基质，10×10；b. 红褐基质，10×10；c. 红棕基质，10×10；d. 胶膜，10×20；e. 铁质斑块，10×10；f. 包膜状垒结，10×40；g. 桥接状垒结，10×40；h. 锰质胶膜，10×10；交叉偏振光）Fig.3 Micromorphological characteristics of paleosol layer (a. Yellowish brown matrix, 10×10; b. Reddish brown matrix, 10×10; c. Reddish brown matrix, 10×10; d. Coating, 10×20; e. Iron pellets, 10×10; f. Coated barrier, 10×40; g. Bridging barrier, 10×40; h. Manganese plaque, 10×10; XPL)

2.2.2 文化层 1）原生矿物以石英、斜长石为主，占土壤基质总量的20%～30%。石英丰度最高，占15%～25%，粒径10～200 μm，以10～100 μm粒级为多，呈棱角状、次棱角状。斜长石丰度4%～5%，粒径10～50 μm，呈它形粒状。次生矿物以黏土矿物和赤铁矿为主，黏土矿物丰度分别为25%～35%，黄褐色、浅褐色，呈胶状、粉尘状、针状、纤状。铁氧化物以赤铁矿为主，赤铁矿、针铁矿等组成土壤基质中的铁质，丰度为25%～35%，黄褐色、红褐色，呈胶状、粉尘状、针状、纤状。土壤基质中存在大量腐殖质胶体，呈浅褐色（图4-a），分散状，充填在碎屑或团粒间，占基质总量50%～70%。铁质团块、结核大小不一，因铁质染色程度不同，呈黄棕色或红棕色。基质中充填着炭屑和腐殖质，这些表明土壤经历了一定强度的化学风化和燃烧，高温氧化条件比较充分，且土壤水分存在干湿变化。2）土壤中可以识别出具有明确边界的垒结形成物，排泄形成物呈现出多种形状，粒状（图4-b）、块状、碎屑状和丝络状。可以清晰辨别用火痕迹，红烧土呈现出多种形状，块状（图4-c）、碎屑状。可清晰辨别流水痕迹，呈现出定向排列或堆积状态，根据排列的颗粒大小，可进一步辨识出水流强度（图4-d）。

可清晰辨别出培土活动，如平整的孔道、平整的刮擦痕迹（图4-e），以及和古人生产生活相关的器物和其他生物遗迹。3）粗粒质受到耕作活动影响，多分解为细小颗粒，呈现堆积状，被洞状孔隙分隔；细粒质受到耕作活动影响，多为微晶b-垒结，具有双折的方解石。其中一些细粒质受到火烧作用影响，经化学反应形成的铁质氧化物覆盖其上，显示出弱干涉色特征，多为无分离b-垒结。另一些受到人为刮擦作用影响，呈现条纹状，没有清晰的边界，在单偏光下不能识别，为条纹状b-垒结（图4-e）。细粒质与粗粒质因不同人为活动影响相对分布呈现多样化，包括斑晶嵌埋（图4-f）、包膜状、桥接状、单一状（图4-g）、填集状（图4-h）。4）微结构主要呈现海绵状，几乎没有完全分离的微团粒，孔隙多，且常常分割固相物质的联系。孔隙度中，占土体体积5%～15%，孔隙类型主要为孔洞和孔道，孔隙壁附着腐殖质。孔道内填充炭屑，孔道间不相连且分布有黏土矿物和方解石。

图4 文化层土壤微形态特征（a. 腐殖质，10×10；b. 粪粒，10×10；c. 红烧土，10×10；d. 流水痕迹，10×10；e. 条纹状垒结，10×40；f. 斑晶嵌埋状垒结，10×40：g. 单一状垒结，10×40；h. 填集状垒结，10×40；交叉偏振光）Fig. 4 Micromorphological characteristics of cultural layer(a. Humus, 10×10; b. Fecal particles,10×10; c. Braised clay, 10×10; d. Running wtrace,10×10; e. Stripe barrier, 10×40; f. Phenocryst embedded barrier, 10×40; g. Single barrier, 10×40; h. Filling barrier, 10×40; XPL)

2.2.3 表土层 1）原生矿物以石英、斜长石为主，占土壤基质总量的35%～50%。石英丰度最高，占20%～25%，粒径10～200 μm，以10～100 μm粒径为多，呈棱角状或次棱角状。斜长石丰度10%～15%，粒径10～200μm，呈它形粒状。云母丰度3%～5%，粒径10～200 μm，片状。次生矿物以碳酸盐为主，具有比较清晰的构造，如层状（图5-a）、块状（图5-b）、粒状（图5-c）。大型粗骨颗粒散乱分布在土壤基质中，主要由母质风化碎屑等杂乱堆集形成，碳酸盐与黏粒胶膜混合，形状不规则不稳定，表明成土作用弱，时间短（图5-d）。

2）可识别出两类钙质形成物，包括继承性钙质形成物和钙质新生体。继承性钙质形成物，系非晶质或隐晶质碳酸钙，一般为大小不均和形状不规则的颗粒状，多呈黄白色，较致密，其颗粒边缘被蚀圆而显得平滑（图5-e）。钙质新生体，除在碳酸钙颗粒内部或周围有方解石结晶形成外，在土壤孔隙中有时还能见到结晶较好、呈有序排列的方解石。除了干涉色外，假吸收特征也很明显，系含有重碳酸钙的土壤溶液在孔隙内蒸发，碳酸钙析出形成方解石依附于孔壁上或填充基质间（图5-f）。此外，还可识别淀积黏粒体（图5-g），呈纤维状弱光定向型式，颜色比土壤基体鲜艳，多分布于孔隙和结构体表面，表明土壤黏粒垂直迁移并淀积。3）粗粒质成土作用弱，多保持原始大小和形状，呈现碎屑聚集状，颗粒间互相堆叠或架空散布状；细粒质多为微晶b-垒结，具有双折的方解石；细粒质与粗粒质相对分布主要呈现桥接状（图5-h），粗粒质完全被不透明的暗色细有机质连接。4）微结构主要呈现包被状，几乎都由粗砂粒组成，但粒外有细物质包被。孔隙度中，占土体体积5%～15%，类型主要为孔道和孔洞，呈现出堆集性不规则非稳定态。

图5 表土层土壤微形态特征（a. 层状碳酸盐，10×10；b. 块状碳酸盐，10×10；c. 粒状碳酸盐，10×10；d. 粗骨颗粒，10×10；e. 继承性钙质形成物，10×10；f. 钙质新生体，10×10；g. 淀积黏粒体，10×10；h. 桥接状垒结，10×40；交叉偏振光）Fig. 5 Micromorphological characteristics of topsoil (a. Layered carbonate, 10×10; b. Massive carbonate, 10×10; c. Granular carbonate, 10×10;d. Coarse bone granule, 10×10; e. Inherited calcareous formation, 10×10; f. Calcareous neogenesis, 10×10;g. Deposited clay, 10×10; h. Bridged barrier, 10×40; XPL)

2.3 讨论

土壤形成过程中受到五大成土因素或不同组合的支配，从而导致不同土壤微形态特征。其中气候、生物中人类因素是本文主要探究土壤微形态特征的成因。目前已有学者对该遗址进行过古气候研究（查理思 等，2020b），即在该遗址内选取1个未受到古人类活动干扰的土壤剖面，对其进行色度、粒度、磁化率、地球化学元素和黏土矿物分析，根据碳十四测年数据，还原该遗址仰韶文化早期到中原龙山文化时期以来的气候变化。研究发现仰韶文化早期，气候增温增湿至稳定。仰韶文化中期，气候出现波动，总体向干旱过渡。仰韶文化晚期，气候变为干冷。进入中原龙山文化之后，气候加剧干冷。

结合该遗址古气候研究成果，10～6.9 cal ka B P，进入全新世后，气候变暖，并转为稳定暖湿，对应古土壤层。此时期土壤水分条件优越，孔道孔洞发育，连通性好，与水有关的溶解、淋溶、物质迁移过程活跃，土壤形成物类型丰富，尤其是铁质淀积胶膜极为发育，已有研究表明，铁质胶膜发育必须依赖于土壤水分的干湿交替（黄丽 等，2003）。土壤孔道为优先流通道，Fe3+以铁质胶膜的形式淀积于孔道壁或周边基质，同时以化合物的形式不同程度地富集为团粒状铁质团块、结核，呈红色至深红色。若土壤水动力较强，黏粒中可裹入粗粒碎屑，导致部分孔隙被加宽，部分孔隙被充填（王琳怡 等，2022）。

6.9～4 cal ka B P，仰韶文化至中原龙山文化，气候波动，总体暖湿转为干冷，对应文化层。古人类活动强度增强，多种活动形式导致土壤基质和垒结呈现多样化，尤其是耕作活动，使得基质中充填着炭屑和腐殖质，这些表明土壤经历了熟化过程，高温氧化条件比较充分，且土壤水分存在干湿变化，可以识别出多种形成物，包括排泄形成物、用火痕迹、流水作用、培土活动，以及和古人生产生活相关的器物和其他生物遗迹。粗粒质受到耕作活动影响，多分解为细小颗粒，呈现堆积状，被洞状孔隙分隔，呈现孔洞状、包被状、海绵状微结构。表明在人为培熟作用下，土壤微结构发达，特别是海绵状微结构一般出现在耕作熟化程度较高且土壤肥力达到一定水平，形成较多大而规则的孔隙，这样的孔隙有利于植物根系深扎及土壤通气透水功能的发挥（张晓娜 等，2016）。

4 cal ka B P以来，中原龙山文化以后，气候保持干冷，对应表土层。干冷气候促生了以碳酸盐为主的次生矿物，大型粗骨颗粒散乱分布在土壤基质中，碳酸盐与黏粒胶膜混合。方解石粗晶显示了该层土壤形成时期耕作活动较少，土壤环境稳定，使雏晶有时间形成完整的晶粒（庞奖励，2007b）。古人类活动强度减弱后，特别是培土活动减少后，土壤发育减缓，土壤形成物较单一。粗粒质多保持原始大小和形状，呈现碎屑聚集状。

3 结论

通过土壤微形态分析，发现气候和人类活动因素对仰韶遗址土壤影响显著。古土壤层微形态特征主要受暖湿气候影响，土壤发育程度高，孔道连通性好，常为迷宫状或孔道状土壤微结构，土壤粗颗粒多为不易风化的石英、长石等，粒径相对较均匀。孔隙周围明显存在大量的淀积黏粒胶膜，这是古土壤区别于其他土壤的典型特征。

文化层微形态特征主要受到古人类活动影响，相较其他土层，土壤发育最为成熟。具有颗粒磨圆度、球度、定向性高及有侵入物的特征，土壤形成物和垒结呈现多样化，可以清晰辨别出排泄形成物、用火痕迹、流水作用、培土活动，这是文化层区别于其他土壤的典型特征。其中针状方解石微晶是耕作土壤的重要特征，指示较短期的相对稳定的较干旱环境。

表土层微形态特征主要受干冷气候影响，土壤微结构未发育完全，粗颗粒多呈棱角状和次棱角状，孔洞状或整块状结构，孔隙度低，且常为不连续孔隙，未见到淀积黏粒胶膜；可见到明显的方解石凝块，这表明钙积现象明显，这是表土层区别于其他土壤的典型特征。同时，完整的方解石晶粒也显示了该层土壤形成时期时，土壤环境相对稳定的特征。

仰韶文化正处于从采集与农业混合初级阶段向稻粟及家畜饲养混合高级阶段的过渡时期，晚期时水稻等南方作物逐渐开始在北方栽培，促进了原始农业发展，奠定了旱耕文化。其原始耕作方式是珍贵的农耕文化遗产，对于探索农业起源与传播以及民族农作制度与技术、民俗宗教与文化的形成、演变等都具有重要的科学和人文价值。目前在南方古水稻土的研究中，“火耕水耨”的农作技艺得到系统的梳理，而北方原始农耕文化研究相对较少，本研究已在文化层中发现有关农耕信息，下一步将加强相关土壤微形态鉴定和研究，可为筹备申报中国乃至世界重要农业文化遗产提供依据。