北京地区门头沟斋堂东胡林遗址黄土剖面特征及古土壤环境

北京地区门头沟斋堂东胡林遗址黄土剖面特征及古土壤环境

北京门头沟寨堂地是著名的“木兰黄花”遗址。百余年来,众多的学者对这个地区的马兰砾石和马兰黄土以及第四纪地文期的划分与对比作过许多研究。1939年,Andersson对这个地区的黄土进行了调查,发表了“远东地形与考古之研究”,卞美年(1940)在评论时说:“本书之要点,似注重马兰阶地及板桥纵深侵蚀期并前者与发现新石器遗物之关系。但此要点,於全书之前半部忽隐忽现,始终未得要领。”究其原因,是在马兰阶地未发现有板桥侵蚀的证据以及新石器遗址,难以确定其间关系。现在东胡林全新世黄土剖面及新石器遗址的发现弥补了这一不足。东胡林全新世黄土剖面及新石器早期遗址西距斋堂马兰台砾石命名地仅4km,和西胡林砖厂的晚更新世马兰期的黄土剖面隔河相望。该遗址是1966年发现的(郝守刚,1988),周国兴等(1972)对当时出土的人骨做了描述。近期笔者又有了新的发现,对古人类的饰物做了研究(Haoetal.,2001)。近年来由于磁性地层学、14C年代、光释光(OSL)年代及孢粉学的研究使人们对该区的“马兰黄土”、“马兰砾石”及更新世的沉积层序、年龄及古环境有了较深刻的认识。赵希涛等(1981b)区分开了马兰砾石与马兰黄土,前者指组成马兰台的砾石层及二级阶地上的砾石堆积,马兰砾石晚于马兰黄土。赵希涛等(1981a)也认为马兰砾石是晚玉木冰期交替的冻融产生大量岩屑物质急速堆积的结果,马兰阶地是一种冰缘气候的产物。魏兰英等(1997)则认为马兰砾石是多次大洪水的产物,巨厚的堆积与新构造活动有关;魏兰英在马兰台、青龙涧等晚更新世砾石台地上,都发现了发育程度不同的全新世埋藏土壤,并推测马兰台上全新世埋藏土壤可能是三层叠加在一起的。在精确的14C年龄时间框架下,本文对该剖面黄土的物理化学性质及古生物进行了研究,探讨了这个时期古环境和人类活动的关系。应当指出的是,虽然黄河中下游地区是中华文明的发祥地之一,但迄今没有发现早于东胡林的新石器早期文化遗址,因此有关该遗址黄土剖面的研究将有助于我们了解晚更新世末次冰期之后,人类走出洞穴的环境背景以及人类社会进化与环境的关系。1东胡林原始黄土剖面及早期研究1.1含缺陷层序的砾石层理黄土剖面总厚788cm,位于东胡林村西坟坡沟(参看Haoetal.,2001的交通位置图)。剖面以不整合面为界可明显分为两部分(图1),下部为晚更新世的堆积,为浅褐黄略带微红色的坡洪积黄土状堆积物,含棱角显著、分选不好、近源的砾石及岩石碎屑,具不明显的层理,局部夹有古土壤层(图2第1至第5层);上部是全新世黄土堆积,自下而上可分为三层(图2第7至第9层),其中下层(第7层)为浅褐黄色黄土及钙质结核层,中层(第8层)为浅褐红色古土壤层,上层(第9层)为浅黄色砂质黄土。晚更新世及全新世沉积之间发育有砂砾沉积(第6层),砂砾石层沿沟谷向山坡方向逐渐尖灭,向河谷方向砾石直径加大。到沟口,该砂砾石层坐落在中侏罗统九龙山组的火山碎屑岩之上。笔者没有发现全新世最底部砂砾沉积物与该砾石层明显的切割关系。它与马兰砾石台地相当,二者之上均发育有全新世黄土及古土壤,它们的层序一致、砾石成分相同。整个剖面构成河流的二级阶地。1.2东胡林黄土沉积相的年龄和沉积间断总计在东胡林剖面上获得光释光测年数据10个,14C测年数据8个。剖面下部晚更新世的堆积缺少文化遗物,以光释光测年为主;上部是全新世黄土,含有丰富的文化遗物,进行了14C测年。不整合面之上也曾进行了7个光释光测年,个别样品与层序不符,可能与取样有关。随后的14C测年提供了更为精确的数据,且层序吻合,可信程度高,成了笔者的主要依据(表1)。光释光实验中选用的样品粒级为2～8Φ。测量、计算、作图均在7185型热释光测量装置上完成,具体方法见郑公望等(1994)。东胡林剖面第一层的14C年龄大于40ka,光释光年龄约为104.8ka;第三层光释光测年约为62.9ka;第五层紧靠着不整合面之下光释光测年约为21.0ka。依据岩性和测年数据我们可以确定东胡林黄土剖面有两个明显的沉积间断。不整合面之下第五层浅褐红色埋藏古土壤的光释光年龄为21.05±0.41ka。之上约50cm处的黄土中见双壳类贝壳,其14C年龄为9281±120aBP。这种双壳类是淡水生的,应是古人类活动的遗物。这个年龄有可能小于实际数据,因为之前所测的软体动物(腹足类)样品比一起保存的人类骨骼14C年龄要新500a左右(Haoetal.,2001)。这样把第7层底部的时间推测为10ka左右或更长应是比较合理的,也就是说第5层的顶部与第7层的底部之间的沉积间断发生在21000aBP至约10000aBP期间,据此,推测砾石层第6层应形成于这两个年代之间,即河流的下切发生在晚更新世—早全新世之间。魏兰英等(1997)对同属二级阶地的马兰台的光释光测年结果如下:马兰砾石下部(距顶35m)为42ka,在青龙涧小台距顶面4m处为15ka左右。这进一步证明了它们和东胡林剖面砾石之间的近等时性。第八层埋藏古土壤顶面代表了另一重要的沉积间断,在距古土壤顶部10cm发现的碳屑14C年龄为8270±60aBP,而其上的砂质黄土20cm处为460±80aBP。本文推测第9层底部的年龄约为500a。它与其下的古土壤层顶部之间的间断达数千年。此处古土壤层为浅棕色—红棕色,颜色较深,成壤作用较强。它相当于全新世早期的下层黑垆土(S0-1),年代也一致(郑洪汉,1989)。古土壤层顶面之下60cm处发现有一灰坑,含有破碎的兽骨和灰烬。近期在剖面的西南方向约22m处,同一古土壤层之下笔者发现了另一具古人类遗骸,对其文化遗物和骨骼分别在北京大学考古系年代学实验室和美国加州大学LawrenceLivermore加速器质谱实验室进行了14C测年,数据为8540aBP(树轮校正年龄约7500aBC)(Haoetal.,2001)。2东胡林遗址为晚更新世和早世黄土和古土壤的材料组成2.1极细砂、细粉砂和胶粒砂总计对11块样品做了分析,其中晚更新世5块(HM1～HM5),全新世6块(HM6～HM11)(样品位置见图2)。样品在北京大学城市与环境学系粒度分析实验室经双氧水去有机质和30%HCl去方解石后,采用日本岛津RS1000型粒度自动分析仪(SKC-2000光透式粒度分析仪)进行分析,东胡林剖面各样品以粗粉砂(0.05～0.01mm)占绝对优势(表2),平均达56.85%(范围为48.35%～65.85%),极细砂(0.1～0.05mm)、细粉砂(0.01～0.005mm)和粘粒(<0.005mm)含量相近,平均分别为13.16%(大多处于10.97%～19.17%之间)、13.18%(11.36%～15.19%)和14.67%(12.48%～19.22%),小于0.002mm的粒度仅占3.59%～5.72%(平均4.65%),胶粒(<0.001mm)的含量也就更少了。总的来看,东胡林剖面的粒度与赵希涛等(1981b)所报道的同一地区离石、马兰及次生黄土的粒度特征相似,然而后者中极细砂含量明显高于东胡林剖面。此外,东胡林剖面许多黄土和古土壤样品中特别是晚更新世的样品中都有一定量的粗砂甚至砾石出现,甚至肉眼可见巨角砾岩层(层2,3,4),代表了近源的物质沉积,包括坡面流水作用。结果还表明,东胡林剖面各层的粒度组成特征基本一致,根据Folk和Ward(1957)的公式求得各参数如下:中值Mz比较接近,为5.61～6.05Φ;标准偏差1σ为1.35～2.17,代表了分选差;偏度SKi为一0.10～0.33,即频率分布曲线近于对称至正偏态。剖面上古土壤的SKi一般趋于正偏态,成壤作用强则SKi值高,反之则弱,不同的SKi值在剖面上的变化可能反映了成壤作用的差异(如剖面上第3、5、8层);尖度Kg为1.01～1.55,代表中等至尖锐的曲线形态(图3)。2.2剖面下石英、粘土矿物和矿物的含量采用北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室的BD86X射线衍射仪对全岩及粘土矿物各11个样品分别进行了分析。东胡林各样品以长石及石英为主,分别达26%～62%和22%～38%,其次为粘土矿物和方解石,重矿物在各样品中均少量出现。总体上剖面下部石英含量略高于上部的,平均分别为31%和28.2%,长石含量下部也明显高于上部的,平均分别为44.8%和33.7%。石英含量在下部(HM1～HM5)呈周期性的多—少变化,与长石正好相反(表3)。而粘土矿物含量上部的高于下部的,平均分别为24.7%和19.1%。其中古土壤的粘土矿物含量高于25%,而黄土样品则低于25%。方解石在许多样品中存在,在剖面下部(HM1～HM5)从下而上呈增加的趋势,剖面上部(HM6～HM11)方解石含量波动明显(图4)。粘土矿物在各样品中以伊利石为主,含量大多介于45%～66%,次为蒙脱石和高岭石,大多分别介于13%～36%和11%～20%,高岭石含量在结核层中较高,绿泥石在半数样品中存在,达7%～14%。唯一例外的是HM1样,蒙脱石含量达53%,而伊利石含量仅36%。2.3cao的剖面变化对粘粒部分采用美国JarrellAshICAP9000SP型等粒子光量计进行了全量化学成分测试(表4),其中CaO在剖面上变化明显,其他成分的含量变化不大,如SiO2为42.3%～47.9%,Al2O3为18.2%～20.0%,Fe2O3为7.6%～8.9%。P2O5与CaO的变化趋势基本相同。FeO在侵蚀面之下有低—高—低的变化,而侵蚀面之上呈总体上升的趋势,包括两个半旋回变化(详见后面的古气候环境分析)。3东胡林原始黄土剖面中的古生物3.1木本植物组成及对比东胡林黄土剖面,总计出露788cm,共分析样品18块。在上部的557cm内的16块样品获得了可供统计分析的孢粉组合,其中晚更新世4块,全新世12块。全新世早期的样品是分析的重点。依据剖面中14C及光释光测年框架,参照层序及接触关系的变化,自下而上划分为3个孢粉组合(图5)。(1)晚更新世(63.0～10.0kaBP):在63.0～21.0kaBP时段内,草本植物含量可高达80%,以蒿(Artemisia)、藜科(Chenopodiaceae)为主,乔木中有一定比例的栎属(Quercus),后期桦属(Betula)及个别胡桃属(Juglans)也有出现。21.0～10.0kaBP则为砂砾石沉积,向山坡方向则表现为沉积间断。(2)早全新世(约10.0～8.2kaBP):木本植物花粉明显增多,组合中最高可达55%,裸子植物含量是剖面中最高的,包括喜温的松(Pinus)、杉(Taxodium)、云杉(Picea),以及现生长在亚热带的铁杉(Tsuga)个别出现。阔叶落叶植物栎属(Quercus)和胡桃(Juglans)在该时期内含量最高。与晚更新世组合相比,草本植物明显减少。组合表明气温大幅上升,环境有了明显改变。该层段是人类活动的主要层位,由于人为的堆积影响了孢粉自然沉积速率,可能对孢粉图式产生一定的影响。依据草本植物组成的变化及木本植物的组合特征大体可分为下、上两段。下段(约10.0～9.0kaBP),喜干的蒿属(Artemisia)占有较高的比例,个别样品中可达30%,另外藜科(Chenopodiaceae)、莎草(Cyperax)、豆科(Leguminosea),木本中杉(Taxodium)和桦属(Betula)含量较高;上段(9.0～8.2kaBP),蒿属及莎草在组合中的比例明显减少,禾本科(Gramineae)有所上升,木本中出现个别铁杉(Tsuga)。下段的孢粉特征显示了温暖偏干的气候,上段可能为温暖湿润。8.2～0.5kaBP为沉积间断。(3)0.5kaBP以来:木本植物花粉减少,以栎(Quercus)为主,另有桦(Betula)、椴(Tilia)及少量的松(Pinus)等花粉;草本植物在组合中比例明显回升,高达70%,禾本科(Gramineae)、藜科(Chenopodiaceae)等都有一定的数量,适应温干环境的卷柏(Selaginella)占有突出位置,反应出气候变干的趋势。3.2东胡林剖面中的期种东胡林剖面不整合面之上的全新世地层中按20cm间距取样,每块样品约10kg。其中在第3层顶部采样1块、第7和第8层共采样13块,第9层4块。样品经40目(孔径0.44mm)的筛网冲洗,在某些层位获得了较为丰富的蜗牛个体,共包括了11种:滑槲果螺(Cochlicopalubrica)、小粉华蜗牛(Cathaicapulreraticula)、条纹华蜗牛(Cathaicafassida)、条纹钻螺(Opeasstriatissimum)、大隐齿蛹螺(Pupillacryptodongrandis)、小恰里螺未定种(Kaliellasp.)、肋瓦娄蜗牛(Valloniacostata)、灰巴蜗牛(Bradybaenaravida)、薄唇瓦娄蜗牛(Valloniatenuilabria)、浅圆盘蜗牛(Discuspauper)、达氏巨盾蛞蝓(Macrochlamysdavidi)等。东胡林剖面中,蜗牛主要见于早全新世(约10.0～8.2kaBP)的第7～8层,第6层砂砾石层顶部偶尔也见到蜗牛,而在晚更新世的地层中则未发现。在第9层的四个样品中虽发现有三个蜗牛,但很可能为混入的。显然,进入全新世后蜗牛的突然繁盛,与当时可能出现的温湿气候有关。根据Rousseau等(1997)对陕西洛川黄土蜗牛的研究结果,在10kaBP时,气候较现在温暖和湿润。就蜗牛的种数分异度来说,大部分样品区别不大。但有两个特殊样品,一是MW5分异度很低;另一个为DH8-3,分异度最高。就整个蜗牛个体数量来说,从下到上经历了三个由多到少的过程,其中最初和最后的个体数目变化与分异度变化完全一致(图6)。4东胡林遗址初步古气候分析始于第四纪4.1东胡林剖面上中下层中含钙物质的运移特征表3矿物:总体上,剖面下部石英含量略高于上部,长石含量下部也明显高于上部,而粘土矿物含量上部则高于下部。这反映了晚更新世末期气候仍比较干凉,以物理风化为主,而全新世气候开始温热,化学风化程度明显提高。方解石:黄土中的碳酸钙含量及出现的形式与气候(主要是降雨量)有关(赵景波,1991)。东胡林剖面的方解石主要为次生的,其形式主要为白色菌丝和结核层,剖面上有两层钙质结核层:第4层和第7层。它们是上覆地层中含钙物质淋溶淀积的产物。方解石含量在东胡林剖面上的变化很有规律,侵蚀面之下的晚更新世地层中由无到有;侵蚀面之上的全新世黄土中,方解石含量则呈明显的交替(图4)。1～3层沉积以坡洪积为主,难以判断其气候环境。虽然第1层经受了风化破碎,裂隙中出现了一些铁锰质薄膜,但并未有明显的成壤作用。第4～5层沉积期间,降雨量可能有所提高,最终形成大规模的河床相的砾石层,直至全新世的开始。全新世的古土壤(层8)代表了东胡林剖面气候最温暖湿润时期,其底部和顶部方解石含量仅1%,甚至完全缺失,表明本层形成的早期和末期降雨量很高,使含钙物质几乎全部淋滤。其上覆地层(层9)为砂质松散状黄土,无明显的钙质菌丝及淀积等,但其方解石含量达10%,代表了干(凉?)、风力较强气候下的产物,明显是近源风积物。Fe2O3/FeO值:Fe2O3/FeO值在黄土剖面气候研究中是一个很好的代用指标,其含量高低反映了温度高低的变化(刁桂仪等,1995;文启忠等,1995)。东胡林剖面第1层和第5层Fe2O3/FeO值很高,此外第7层上部及第8层顶部也相对较高,表明其沉积时为一种较温暖环境。4.2植物的群落结构及植被类型的一个影响因子晚更新世(63.0～21.0kaBP),该地区藜科,蒿属等草本植物在花粉组合中占优势地位。现生的这些草本植物是山地荒漠小半灌木植被群落主要的建群种。在早期,菊科也有一定的比例,它们通常是山地草甸的主要分子。这些植物通常也是温凉气候环境的指示,由于没见到干旱的代表植物麻黄,整个植物类型所代表的是一种偏凉的荒漠植被,群落组成单调,其他植被稀少,突显了草本植物在组成中的地位。到了晚期木本植物花粉的含量有所增加,桦属和栎属的花粉在个别样品中有一定的含量。晚更新世晚期(21.0～10.0(推测)kaBP)是清水河的丰水期,尽管仍处在冰期的阶段,但间断性地出现暖湿环境,全球变暖的趋势已经形成,不可逆转,海平面波动上升,冰川消融(魏兰英等,1997)。夏季风对这一地区的影响明显增强。气候渐至进入早全新世温暖、湿润的环境,但其间仍有较大的波动。晚更新世末期的湿润记录在世界其他地区也有报道(Liuetal.,2000)。早全新世(10.0～8.2kaBP)森林植被的发育反映出全新世早期的水热状况。早全新世早期是剖面花粉组合中木本植物花粉最丰富的时段。栎属和桦属是落叶阔叶植物中的优势分子,现生的可以单独成林;在组合中松属也有较高的比例,它适应性强,分布广泛,可形成中—低山的针叶林。由于在组合中它们数量有限且没有形成明显的优势,推测形成针阔混交林的可能性较大。组合中胡桃属和铁杉的零星出现反映出相对暖湿树种的存在。草本中豆科、莎草科的集中出现反映出山地草甸植被的存在。古土壤层与上覆的黄土之间存在着明显的沉积间断(8.2～0.5kaBP),缺少化石和沉积的记录。0.5kaBP以来草本植物在组合中比例明显上升,其中禾本科、豆科、菊科、黎科占有较高的比例,人类的农业活动明显影响了植被。木本植物栎属、桦属及椴属占有一定的比例,山区的卷柏占有突出的位置。孢粉组合反映了和现今该地区相近的植被类型。气候变干的趋势明显。4.3冷的类型及统计特性根据陈德牛等(1987,1990)的研究结果,东胡林剖面的蜗牛基本上以北方的广适性类型为主,包括滑槲果螺、小粉华蜗牛、大隐齿蛹螺、肋瓦娄蜗牛、薄唇瓦娄蜗牛等;代表暖湿的类型仅为条纹钻螺,该种自下而上逐渐增多;代表较为干冷的类型可能为灰巴蜗牛,该种分布的范围很窄,仅出现于第8层(DH8-1)的中部。蜗牛的种数分布与环境的好坏有关,而个体数目应反映食物的多寡。样品MW5分异度最低(图6),仅为2,代表的层位显然为一种不适宜的环境,个体数目也属最低,可能代表了一种干冷的气候。以样品DH8-3为代表的层位种的分异度最高(达到11)及个体数也最大,显然代表了适宜的气候(暖湿)及丰富的食物。其他层位就种数分异度来看变化不大,然而第7～8层交界处的一段地层中个体数目则很大,比较合理的解释是食物丰富,一方面是气候的影响,另一方面是否也由于人类的活动所造就的小环境影响所至。样品MW11至DH8-1为代表的蜗牛个体数目很低,且出现了干冷型的螺类,所以,这段地层有可能代表了干冷的气候。5新型矿物及化学成分依据本文所做的孢粉及蜗牛分析,气候的明显转暖应