期刊：PNAS

英文题目：Soil temperature ffuctuations modulated millet agriculture evolution in Neolithic East Asia

中文题目：全新世土壤温度波动影响东亚新石器时代农业演化

作者：Li Liu, Jianping Zhang. Jingbo Li, Leping Jiang.

发表日期：2024年12月10日

摘要：

本研究基于中国黄土高原中部龙脊沟（LGG）黄土剖面的生物标志物（brGDGTs），高精度重建全新世生长季土壤温度，发现7.5–6.0 ka B.P. 出现约 3℃显著降温，随后快速回暖并长期稳定。结合考古数据与气候模拟，证实中全新世土壤降温压缩了喜温粟类的适宜种植区，导致种植带南移并推迟大规模农业扩张；6.0 ka B.P. 后土壤温度回升，推动粟作农业快速发展。研究揭示土壤温度波动是调控东亚新石器粟作农业时空格局的关键气候因子。

研究背景：

粟作农业是东亚新石器时代复杂社会形成的重要基础，但其时空演化的环境驱动机制一直未能得到清晰解释。以往研究发现，东亚新石器时代粟作农业的发展轨迹与区域降水、气温重建结果并不完全吻合：在 10.0–6.0 ka B.P. 相对暖湿的阶段，农业发展却较为有限；而在 6.0–4.0 ka B.P. 降水与气温整体下降的阶段，农业反而快速扩张。粟类作物在发芽与幼苗生长期对低温霜冻较为敏感，作物生长状况更多受生长季土壤温度直接控制，而非传统关注的大气温度，但中国北方全新世温度重建多以年均或平均气温为对象，缺少能直接反映粟类生长季土壤温度的高分辨率记录。黄土沉积中的 brGDGTs 生物标志物可有效记录暖季土壤温度，为精准揭示新石器时代气候与粟作农业的耦合关系提供了新的研究途径。

研究结果

结果1：龙脊沟剖面高精度年代框架与全新世土壤温度演化序列

本研究以东亚新石器粟作农业核心区的黄土高原中部龙脊沟（LGG）黄土剖面为研究对象，利用18 个 OSL 光释光测年与14 个 AMS¹⁴C 测年联合建立了12.3–2.8 ka B.P. 连续、高分辨率且无年龄倒转的全新世沉积年代序列，弥补了以往农业核心区古环境记录在时间精度与空间覆盖上的不足（图 1）。研究同时发现，6.0 ka B.P. 之后 AMS¹⁴C 年龄系统性偏老，与东亚冬季风增强、夏季风减弱及生物量降低导致的老碳混入有关，进一步验证了年代模型的合理性。基于剖面中brGDGTs 生物标志物重建的全新世生长季土壤温度呈现清晰的三阶段演化：12.3–10.0 ka B.P. 土壤温度相对温暖，10.0–7.5 ka B.P. 逐渐降温，7.5–6.0 ka B.P. 出现约 3℃的显著快速降温，6.0 ka B.P. 之后快速回暖并长期保持稳定，该变化趋势与区域传统大气温度记录存在明显差异，证实土壤温度受地表植被与湿度反馈强烈调控，不能简单用气温替代（图 2B）。

图1研究区在欧亚大陆的位置

图2东亚粟作农业核心区的土壤温度、水文气候与人类活动

(A) 基于公海湖泊花粉重建的年降水量（PANN，蓝色）与龙脊沟（LGG）剖面正构烷烃总浓度（∑nalkanes，ng/g，绿色，本研究）；(B) 龙脊沟剖面土壤温度（本研究），灰色曲线为 De Jonge 等（36）全球土壤校正结果，红色曲线为王等（19）中国区域土壤校正结果；棕色圆点为粟类作物的放射性碳定年数据，大圆点为人骨稳定碳同位素；蓝色、紫色、绿色分别代表 C4信号、C3/C4混合信号与 C3信号；(C) 黄土高原（CLP，蓝色）与燕山–辽西地区（YL，绿色）全部考古遗址放射性碳定年数据的概率密度叠加（SPD），以及中国北方旱作农业区粟类作物放射性碳定年数据的核密度估计（KDE，黄色）。考古数据来自Qiu等（37）、He等（9）与Dong等（38）。垂直阴影带表示土壤温度下降时期。

结果2：土壤温度与植被、水文的协同耦合变化特征

土壤温度变化与区域植被、水文过程呈现高度协同的耦合关系，研究通过正构烷烃总浓度定量反映植被生物量，结合花粉重建降水数据发现，10.0–6.0 ka B.P. 期间降水增加、植被盖度显著升高，地表蒸发冷却与遮阴效应增强，直接驱动土壤温度降低并在 7.5–6.0 ka B.P. 达到低谷（图 2A）。6.0 ka B.P. 之后降水减少、植被盖度下降，地表热吸收能力增强，进而促使土壤温度快速回升，这一结果表明全新世土壤温度波动并非单纯由大气环流驱动，而是气候强迫与植被 — 地表反馈共同作用的综合结果，也解释了土壤温度与大气温度变化不一致的根本原因。

结果3：土壤温度波动对粟作农业时空格局的调控与模拟验证

土壤温度波动直接调控了东亚新石器时代粟作农业的时空分布与发展进程，结合考古遗址碳十四概率密度（SPD）、粟类直接测年及人骨碳同位素（δ¹³C）记录可知，7.5–6.0 ka B.P. 的大幅土壤降温显著压缩了不耐霜冻粟类的热适宜种植范围，导致高纬度的燕山–辽西地区农业活动衰退，种植带向黄土高原南部及黄河流域南移，大规模农业扩张被明显推迟（图 2B、2C）。6.0–4.0 ka B.P. 土壤温度回暖后，粟类适宜生境大幅扩展，粟作农业在黄土高原全域普及，人类食谱中粟类占比显著提升，仰韶文化、马家窑文化聚落数量与规模急剧增长，农业技术与生产系统持续优化。利用 CESM1.2 气候模型与马氏距离生境适宜性模型的模拟结果显示，叠加 3℃土壤降温异常后，燕山–辽西地区粟生境适宜度显著下降、黄土高原中南部适宜度明显提升，与考古记录的种植带南移完全吻合，直接证实土壤温度是约束粟作农业演化的关键气候因子（图 3），且 brGDGTs 指标经多方法校正、现代验证与蒙特卡洛模拟检验，证明重建结果稳定可靠、统计显著。

图3粟类生境适宜性对降温的响应

(A) 8.0–6.0 ka B.P. 期间 CESM 瞬变模拟降温约 0.5℃条件下的生境适宜性差异；(B) 叠加本研究 brGDGTs 记录指示的 3℃土壤降温后模拟的生境适宜性差异；差异采用反转 RdBu 配色方案显示，红色代表适宜性升高，蓝色代表适宜性降低。降温使燕山–辽西地区（YL）生境适宜性下降，而黄土高原中部（CLP）大范围区域适宜生境扩张，这与考古证据揭示的 7.5–6.0 ka B.P. 粟作种植南移现象一致。

研究意义

本研究从生长季土壤温度视角，系统阐明了全新世土壤温度波动对东亚新石器时代粟作农业时空演化的调控机制，明确中全新世约3℃的土壤降温是导致粟作种植带南移、大规模农业扩张推迟的关键环境因素，而6.0 ka B.P.之后的温度回升则推动了粟作农业在黄土高原的全面普及与社会复杂化发展，有效解决了以往仅用气温、降水无法解释的农业发展与气候记录不匹配问题，深化了新石器时代气候—农业—人类社会相互作用的理论认知，同时为东亚旱作农业起源与演化的环境驱动机制研究提供了高精度实证依据，对全球史前农业与气候关系研究具有重要的区域示范价值。

研究亮点

  本研究以粟作农业核心区的黄土剖面为载体，采用OSL与AMS¹⁴C联合定年构建高精度年代框架，利用brGDGTs 生物标志物首次精准重建与粟生长季直接对应的土壤温度变化，突破了传统古气候研究依赖大气温度代用指标的局限；同时整合多指标环境记录、高分辨率考古数据与气候模型模拟，多证据证实土壤温度—植被—水文耦合过程对旱作农业的约束效应，方法上兼具代用指标创新与多学科交叉优势，结论上清晰揭示了土壤温度作为关键气候因子调控史前农业演化的新机制，研究区代表性、数据精度与科学解释力均达到较高水平。

对我们今后工作的启示

本研究提示未来史前农业与古环境研究应更加关注作物生长季土壤温度等直接影响作物生长的关键环境因子，而非仅依赖大气温度、降水等常规指标；应进一步推广brGDGTs等生物标志物在黄土、湖泊、泥炭等沉积载体中的应用，扩大不同农业区的土壤温度重建序列，开展区域对比研究；同时需要强化气候—植—土壤—农业系统的耦合分析，结合考古学、生态学与气候模拟方法，综合考虑技术、社会、人口等人文因素，构建更完整的史前人地关系研究框架，也可为现代旱作农业应对土壤温度异常、气候变化风险提供史前历史借鉴。

文献来源：https://doi.org/10.1073/pnas.2529151123

声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。

撰稿：贾明明

初审：任    杰

复审：杜    军

终审：鲁    鹏