登封告成五渡河西岸史前遗址地层的沉积学特征及其环境演化

王会豪，汪 超，李 黎

(1.四川师范大学 地理与资源科学学院，西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川，成都，610066;2.许昌学院 城市与环境学院，河南 许昌 461000)



登封告成五渡河西岸史前遗址地层的沉积学特征及其环境演化

王会豪1，汪 超2，李 黎1

(1.四川师范大学 地理与资源科学学院，西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川，成都，610066;2.许昌学院 城市与环境学院，河南 许昌 461000)

通过对登封告成五渡河西岸龙山文化时期地层沉积物进行磁化率和粒度等指标综合分析，并结合该遗址的地层年代信息，分析该遗址沉积特征，探讨该地区全新世中晚期环境演化及其人类活动。研究结果表明：五渡河西岸第二级阶地面上沉积了厚约4 m的沉积物，说明该地区在全新世中晚期经历了3个明显的气候变化阶段：(1)240～300 cm龙山文化时期(4 100～3 900 aB.P.)，平均磁化率为13.32×10-8SI，平均粒径均在27 μm，属于温暖湿润期；(2)130～240 cm二里头时期(约3 900～3 600 aB.P.)，平均磁化率为4.12×10-8SI，平均粒径约为55 μm，属于寒冷干燥期；(3)60～130 cm二里岗文化(3 600～3 300 aB.P.)，平均磁化率为18.4×10-8SI，为暖湿波动期。此外，分析也表明，四千年寒冷事件以后气候渐趋暖湿，气温和降水适于早期农业和手工业发展，为中原地区向文明门槛迈进创造了良好条件。

告成遗址；磁化率；粒度；新石器文化

环境考古是国际上研究古人类活动的热点问题之一，尤其是对全新世以来人类发展历程的研究。其中，环境考古侧重于古文化与其所处的气候环境之间的关系。史前人类生存和发展深受环境条件的制约，形成的文化形式往往打上环境变迁的烙印，因此通过对典型古遗址地层自然剖面的研究，可以复原遗址的古环境，进而恢复早期人类社会的面貌。同时加强对古人类遗址的研究有助于解决长期困扰人类的人地关系问题。

河南是史前文化扩散的重要区域之一，保存了大量的古文化遗址，是研究中华古文化的理想场所，一直以来深受不同学者重视。近年来，随着研究手段进步，不同学者在该地区文化研究中取得了长足进步。如20世纪初，瑞典人安特生在河南仰韶村发现了举世文明的仰韶文化；夏正楷等通过对孢粉、碳氧同位素等指标的分析，揭示了龙山文化向二里头文化过渡时期，中原地区出现了一次气候转型事件。然而针对豫西北地区的古文化研究并不深入，需要加强研究。

本文通过对登封告成五渡河西岸史前遗址地层研究，利用遗址地层的剖面资料，分析该古遗址剖面的地层特征，并探讨了该地区环境变迁与人类活动的关系。

1 研究区自然概况

登封告成五渡河西岸史前遗址位于河南省登封市告成镇西北500 m处五渡河西岸的台地上，现存面积约1×104m2，此处也是颍河与五渡河交汇区域。颍河发源于嵩山，东西流向，是淮河最大支流之一。五渡河发源于登封嵩山太室山东侧，南北流向，是颍河支流之一。王城岗遗址东临五渡河，南濒颍河，西靠八方村，北依太室山，遗址面积达50×104m2，地理位置十分重要[1]。

图1 遗址剖面位置图

Fig.1 The location map of profile in the research prehistoric Site

图2 五渡河河谷剖面图Fig.2 The section drawing of Wudu river valley

该剖面位置的地理坐标为34°24′N，113°07′E，是暖温带与北亚热带过渡地区，属于季风型大陆性暖温带气候；全年平均气温为14.2～14.7 ℃；常年降水量为579～845 mm；本区植物区系以华北植物区系为主，属暖温带落叶阔叶林，由于地理位置特殊，其植物兼容并存，具有明显的过渡特征；本区的地带性土壤为褐土和棕壤。

2 材料与方法

2.1 剖面概况

该遗址坐落于颍河与五渡河交汇的台地上，五渡河进入颍河时由于河道变窄，河水无法及时排出，从而形成山前洪积与河流冲积相互作用的地层。1977年发现了该遗址中的东西两座小城，通过对两城的遗址研究发现，东城遗址被五渡河冲毁，因此这次采样选在了五渡河西岸。据夏商周断代工程中的王城岗龙山文化遗存的碳十四年代数据，可判断其年代大体属于王城岗龙山文化第二期，即4 100 aB.P.左右[2-3]。

经过野外调查、对比，笔者选择五渡河二级阶地剖面的一段作为研究剖面(见图1和图2)，剖面距离五渡河约50 m。五渡河发育了多级阶地，T1至T2阶地基本保持了原始台面形状，老于T3阶地，其中二级阶地极其发育，西岸的二级阶地面宽度一般在20 m左右，阶地前缘高度约3 m，剖面自上而下分为4层：深褐色砂质粘土层(第一层)、浅褐色砂质粘土层(第二层)、浅褐黄色粘土质粉砂层(第三层)、深褐色粉砂质土层(第四层)，本次采样的剖面下部240 cm为古土壤层，上部60 cm为黄土层，自下向上不等距采样共30个，根据剖面土层性质将剖面划分，同时根据考古记录，第二至第四层分别对应的文化时期为二里岗文化(约3 600～3 300 aB.P.)、二里头文化(约3 900～3 600 aB.P.)、龙山文化(约4 100～3 900 aB.P.)。

2.2 研究方法

本次采样的剖面深度为3 m，共获取土壤样品30个，其中，A层采样6个(编号A0～A5)，B层采样6个(编号B0～B5)，C层采样12个(编号C0～C11)，D层采样6个(编号D0～D5)。对土壤样品进行处理后，在实验室进行了土壤粒度测试和土壤磁化率测试。

粒度测试的全部样品均用英国MALVERN仪器公司生产的MASTERSIZER-S激光粒度仪进行测量。土壤样品的处理方法是取0.8 g土壤样品放入烧杯，加入10 mL浓度为10%的HCl并将其煮沸，使其充分反应，待冷却后加入20 mL蒸馏水并静置24 h，之后抽去蒸馏水，给烧杯注入10 mL浓度为10%的H2O2，加热到60 ℃让有机质充分消解并静置24 h，抽取消解液，加入10 mL浓度为0.05 mol/L的Na(PO4)6分散剂并用超声波清洗机进行振荡，振荡10 min后静置，抽出分散剂，上机测试。本次粒度测试选取了6个样品(表1)。

表1 五渡河西岸遗址剖面样品粒度参数统计表Tab.1 The statistics table of grain size parameters of the profice samples in the west bank of Wudu river

磁化率测试均使用英国BARTINGTON公司生产的MS2便携式磁化率仪，按照相关实验要求，人工筛选出粒径1 mm的样品之后上机测试，分析采用的数据为测试得到的低频磁化率(χlf)和频率磁化率(χfd%)。

3 结果

3.1 遗址剖面样品的粒度特征

沉积物的粒度是衡量介质能量和沉积能量的一种尺度，一般地，粗粒沉积物出现在高能量沉积动力环境下，细粒沉积物多出现在低能量沉积动力环境下[4]。根据国家海洋局制定的粒级分类法，本文将遗址剖面样品的粒度测定结果分成砂、粉砂、粘土3个等级，再根据简分法细分成粗砂(粒径>63 μm)、细砂(粒径30～63 μm)、粉砂(粒径20～30 μm)、粉砂质粘土(粒径2～20 μm)和粘土(粒径<2 μm)5个等级，如图3所示，遗址剖面不同深度的粒度百分比含量图可以反映出剖面不同层位的土壤粒度分布。依据该地层所对应的文化时期和沉积物的性质，可将剖面粒度变化曲线划分为4个层位。

图3 五渡河西岸遗址地层剖面分级粒径Fig.3 The grain size classification of strata section in the site of west bank of Wudu river

A层(0～60 cm)中，粗砂(粒径>63 μm)、细砂(粒径30～63 μm)的含量总体上由地表逐渐减少，而粉砂(粒径20～30 μm)、粉砂质粘土(粒径2～20 μm)和粘土(粒径<2 μm)的含量不断增加；其中粗砂和细砂在10 cm处体积百分比分别为31.735 μm和57.833 μm，粘土在40 cm处体积百分比有一个峰值为57.011%；粉砂、粉砂质粘土含量在40～50 cm处基本为零，该层主要是人类耕作扰动层，受人类活动影响较大。

B层，对应二里岗文化(约3 600～3 300 aB.P.)，在地层60～100 cm这一深度范围内5个粒径的体积百分数都呈现同一的显著波动，其中粉砂质粘土、粉砂、细砂的体积百分数有明显的峰值，表明这一地层是在一种高能的沉积环境中形成的。这也说明该地层时期内的一段时间有连续降水，降水量大，河流径流量增大，发生过大洪水，水动力搬运粒径较大的颗粒在河床沉积。平流沉积与洪水沉积的划分主要依据沉积物的粒度，洪水沉积粒度值较大，平流沉积粒度偏小[5]，根据平流沉积的形成机理，一次洪水可形成由粗到细两个亚层，底层是洪水携带的平流沉积物，顶层包括了洪水退后阶地面上的积水洼地沉积，或洪水携带的炭屑、树枝、树叶、种子等沉积物。

C层，对应二里头文化(约3 900～3 600 aB.P.)(130～240 cm)，粗砂(粒径>63 μm)、细砂(粒径30～63 μm)、粉砂(粒径20～30 μm)、粉砂质粘土(粒径2～20 μm)和粘土(粒径<2 μm)的体积百分数分别为4.32%、21.56%、12.23%、16.37%、10.14%。由数据可以看出在该层中主要是细砂和粉砂质粘土。同时在160～180 cm内粉砂质粘土和粘土平均粒径百分比接近零，而粗砂、细砂平均粒径百分数占到了30.56%和64.87%，说明在此时期内风力沉积动力较强，其原因可能是气候干冷，风力较大，沉积物颗粒较大而形成该层的沉积特征。

D层(240～300 cm)中，粗砂、细砂、粉砂、粉砂质粘土和粘土的平均粒径百分比变动较大，在250 cm土层中粗砂和细砂的体积百分比为10.23%，13.51%，粉砂质粘土和粘土的平均粒径百分比分别为11.66%和13.55%。在290 cm土层中，粗砂、细砂和粉砂的体积百分比为6.79%、30.37%、15.95%，粉砂质粘土和粘土的体积百分比分别为18.64%、7.79%。说明该时期该地区气候温和暖湿，风力沉积作用和河流沉积作用相当。

从图3可以看出，A层中6个样品的平均粒径随着深度的增加逐渐减小，并且在40 cm处出现了一个低值(2.024 μm)，平均粒度在峰值之后急剧增加。在B层中约90 cm处平均粒径达到高峰值(53.035 μm)，这反映了一种高能的沉积环境。在C、D层中平均粒度总体上变化较平稳(均值33 μm)，反映了一种低能的沉积环境。

另外，在遗址动物考古学研究中所得的结果也印证了本文对沉积环境的主要观点(表2和表3)。

表2 家养动物与野生动物量化统计表Tab.2 The quantization table of domestic animals and wild animals

从表2可见，该地区在龙山文化时期家养动物占到80.70%，野生动物占19.30%，到二里头时期，家养动物比例下降至76.46%，野生动物比例增加至23.54%。在龙山文化时期，该地区气候温和暖湿，降水充沛，有利于粮食作物和灌木生长，作物不仅能够满足人们的生活需求，而且能够为家养动物提供食料，在大范围内家养动物比例就增大。到了二里头文化时期，该地区气候变为寒冷干燥，降水减少，不利于粮食作物和灌木生长，而有利于草本植物生长，所以人们在自己的粮食问题没有解决时，会相应地减少对动物的饲养[6]。

表3 各种家养动物量化统计表Tab.3 The quantization table of domestic animals

从表3可见，该地区在龙山文化时期家养动物中，猪的比例占77.17%，而绵羊的比例占7.61%。到二里头时期，猪的比例下降至53.85%，绵羊的比例增加至30.77%。猪以粮食为食物，则侧面反映了一定时期内粮食作物的产量，从而能够推断出当时的气候环境。如上文所述，在龙山文化时期，该地区气候温和暖湿，降水充沛，有利于粮食作物和灌木生长，粮食作物产量较大，能够为猪提供食物，相应地，草本植物较少，以草为生的绵羊的数量则相对较少。在二里头文化时期，该地区绵羊的比例极大增加，说明草本植物生长旺盛，而猪的比例下降，说明粮食作物产量下降，综合来看，该时期气候寒冷干燥，降水量较小。

3.2 磁化率特征

地层土壤磁化率测试经济、省时、简便，同时不具破坏性，是沉积物物源分析和古环境演变研究的常用指标，也是定量重建古气候的重要磁学参数。近年来中国黄土磁学的研究探明了中国黄土沉积物中的磁性矿物主要有4种，分别为：磁铁矿(Fe3O4)，磁赤铁矿(ΥFe2O3)以及赤铁矿(αFe2O3)和针铁矿(αFeOOH)，其中赤磁铁矿和磁铁矿在黄土沉积物中是最主要的。在一定时期内，温度与降水越适合生物生长，则土壤中生物量越多，磁性矿物相应也多，因而磁化率间接的反映了气温与降水的变化，如磁化率的高值对应着较为暖湿的气候类型，而较低的磁化率值则对应着较冷干的气候类型[7]，Annamarianador等(2003)运用多种方法对河流沉积物进行了对比研究：高的磁化率值出现在砂和粗粉砂沉积物中，气候比较温暖；低的磁化率值出现在粉砂和粘土沉积物中，气候比较寒冷[8]。

在表4中，遗址剖面磁化率在2.037×10-8～39.582×10-8SI。A层由于受人类活动扰动较大，不适宜与下层进行对比；B层土壤磁化率在11.805×10-8～39.582×10-8SI，平均值为18.4×10-8SI。土壤磁化率相对较高，表明在该地层形成时降水较多，气候温和，成壤作用强烈。C层中土壤磁化率在2.037×10-8～6.816×10-8SI，平均值为4.12×10-8SI，磁化率相对较低，表明在该地层形成时气候寒冷干燥，降水较少，土壤生物较少。D层磁化率在10.139×10-8～17.204×10-8SI，平均值为13.32×10-8SI，表明成壤环境相对温和湿润。

此外，在人类活动比较集中的地区因火的频繁使用，磁化率也会出现异常高值[9]。在五渡河西岸遗址剖面的C、D层中有大量陶器碎片和红烧土屑，这表明制陶、冶炼等人类活动对磁化率的变化也有一定的影响。

表4 五渡河西岸遗址磁化率统计分析表Tab.4 The statistical table of magnetic susceptibility in the site of west bank of Wudu river

图4 五渡河西岸遗址剖面的磁化率曲线图Fig.4 The magnetic susceptibility Curve in the profile of the site at the west bank of Wudu river

4 讨论

4.1 剖面的成壤环境

根据本次实验所测得的遗址剖面土壤粒度和磁化率数据，本文将研究剖面的地层年代分为3个时期：

(1)温暖湿润期(240～300 cm；约4 100～3 900 aB.P.)：即剖面D层。其平均粒径在27 μm，各粒度值变化波动较大且有规律，表现为细砂和粉砂较多，表明该时期水动力较强，具有周期性；磁化率在10.139×10-8～17.204×10-8SI，平均值为13.32×10-8SI，磁化率较高，数值变化较小，出现高峰值，表明D层形成时气候湿润，植被茂密，流水沉积作用较强，说明当时气候温暖湿润[10]。在该层顶部与C层交界处平均粒度值出现一个低峰，说明在约4 100 aB.P.时发生了气候突然变干变冷的突发性事件，这与四千年前变冷事件的研究结果基本一致[11]。

(2)寒冷干燥期(130～240 cm；约3 900～3 600 aB.P.)：即剖面C层。C层磁化率在2.037×10-8～6.816×10-8SI，平均值为4.12×10-8SI，在130～150 cm地层中平均粒度在21.142～24.232 μm，变化平缓，在160～180 cm地层中的平均粒度有异常的变化，其峰值达到55.506 μm，表明该时间内可能有一次强度较大的降水，洪水搬运颗粒较大的泥沙在河床沉积，而在相邻的地层内，土壤平均粒度都相对较小，可能是由于气候干旱寒冷，风力较大，风积作用显著。同时C层磁化率较低，一方面由于气候寒冷，其环境不适合土壤生物生存，而导致土壤生物数量较少；另一方面由于温度较低，降水稀少，其环境也不适合粮食作物的生长，古人类耕作活动也相对减少，从而导致磁化率低。

(3)暖湿波动期(60～130 cm；约3 600～3 300 aB.P.)：即剖面B层。该层中平均粒度由下至上呈逐渐增大；土壤磁化率在11.805×10-8～39.582×10-8，平均值为18.4×10-8SI，土壤磁化率相对较高。可以推断在该时期内气候比较温暖，降雨量较多。

4.2 剖面地层与古人类活动

据考古发现，王城岗龙山文化晚期小城与大城均称“阳城”，小城是鲧作之城和禹避居的阳城，大城则是夏建国后禹建都的阳城[1]，小城遗址位于大城的东北部，大城的北城壕通向五渡河，其西城壕通向颍河，形成人工护城壕与天然河流相结合的防御体系。这说明当时，古代文明已经有所发展，人口聚集，数量增多，为了生存需要开垦山上的森林，造成植被覆盖率降低，水土流失严重，为洪涝灾害埋下隐患。在暖湿气候环境下，降水频繁且降水量大，直接导致了该地区洪涝频发，与遗址剖面中250 cm(约4 kaB.P.)大致吻合，也与同时期中原地区的偃师二里头、新密新砦遗址进入一个异常洪水时期的研究结论相符合[12]。

2002年至今，“中华文明探源工程预研究——登封王城岗城址及周围地区遗址聚落形态研究”专题组在该遗址出土了大量陶器如陶壶、陶簋、陶鬲等，说明该地区在约4 000 aB.P.前后的原始农业比较繁盛，手工业也有了一定程度的发展，遗址地层剖面中含有大量陶片、红烧土粒和碳屑等验证了这一推断。

5 结论

结合对五渡河西岸遗址地层样品的实测数据和其他学者的考古研究成果，依据土壤磁化率、土壤粒度指标，本文得出以下结论：

(1)遗址剖面由下层温暖湿润期(240～300 cm)和中层寒冷干燥期(130～240 cm)以及上层暖湿波动期(60～120 cm)组成，表明遗址经历了由暖湿向干冷，再向暖湿的转变的过程。

(2)在温暖湿润期(约4 100～3 900 aB.P.)，沉积动力为较单一的河流沉积，气候比较湿润，成壤作用较强；在寒冷干燥期(约3 900～3 600 aB.P.)，沉积动力为河流动力和风的混合动力，这个时期气温降低，降水减少，成壤作用较弱，气候转寒，在大约3.7 kaB.P.前后平均粒径出现显著波动，可能是一次古洪水过程。

(3)通过对史料和遗址剖面研究，初步推断龙山文化时期，人类为进行农业和手工业生产，破坏了大量植被，造成了严重的水土流失，与后来发生的洪水事件有一定联系。

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SEDIMENTARY AND ENVIRONMENTAL CHARACTERISTICS OF THE LAYERS AT THE WEST BANK OF THE WUDU RIVER AT GAOCHENG TOWN IN DENGFENG CITY

WANG Hui-hao1，WANG Chao2，LI Li1

(1.KeyLaboratoryofLandResourcesEvaluationandMonitoringinSouthwest，MinistryofEducation，ThefacultygeographyresourceSichuanNormalUniversity，Chengdu610066，Sichuan，China；2.SchoolofUrbanandEnvironmentalScience，XuchangCollege，Xuchang461000，Henan，China)

Through reviewing an example of the prehistoric site in Longshan culture period located in the west bank of Wudu River in Dengfeng town of Gaocheng City.Combined with the comprehensive analysis of magnetic susceptibility and grain size of the sediment in this site，and the analysis of sedimentology characteristics according to its ages of the strata，this article tries to explain the environmental changes during the Holocene middle-late period background and human activities in this site.The result as follow：About 4-meter thick horizontal sedimentation deposited on the second terrace at the west bank of Wudu river shows that this site has experienced 3 obvious stages of climate change during the Holocene period.(1)Longshan culture period at depth 240～300 cm of the layers(approx.4 100～3 900 aB.P.).Its average magnetic susceptibility is 13.32×10-8SI，and average grain-size is 35 μm，which belongs to a warm and wet climate，and(2)Erlitou culture period at depth of 130～240 cm(approx.3 900～3 600 aB.P.).Its average magnetic susceptibility is 4.12×10-8SI，and average grain-size is 45 μm，which belongs to cold-drought climate，and(3)Erligang culture period at depth of 60～130 cm(approx.3 600～3 300 aB.P.).Its average magnetic susceptibility is 18.4×10-8SI，and the climate is Warm and wet.Moreover，it also indicates that experienced 4 000-year Cold Event，the climate has a tendency of warm，and the temperature and precipitation index are more suitable for the development of early agricultural and handicraft industry，which contributes to the development of civilization in the central plains.

the Gaocheng Site；magnetic susceptibility；grain size；Neolithic culture

2015-03-10；

2015-04-14．

P618.13

A

1001-7852(2015)03-0047-07