磁化率-秦兵马俑坑附近剖面全新世气候记录及春秋—秦汉历史时期气候环境

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原文标题：秦兵马俑坑附近剖面全新世气候记录及春秋—秦汉历史时期气候环境

李秀珍 魏京武 吕厚远 吴乃琴
气候、环境条件是与人类活动密相关的，它影响着人类文明的产生和发展，因为人类的生存离不开自然环境。关中地区是中华民族的一个重要发祥地，历史时期曾发生多次明显的气候变化，文献中多有记载，同时在考古和地质记录中也有丰富的反映自然环境变化的信息。通过这些信息来研究古气候状况及其变化，从而了解当时人们的生存环境及气候环境因素对人类文化的影响，是非常必要的。
目前对于春秋—秦汉时期古气候、古环境的

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状况虽有一些研究，但还没有形成统一认识[1]，根据王村对历史文献的研究 [2]，秦汉时期中原地区主要以降水较少和干旱少雨为主。张仲立对秦兵马俑一号坑中出现的防水堤坝和排水管道的研究，认为秦代关中地区气候温暖、湿润多雨[3]。朱士光等认为，春秋至西汉前期(包括春秋、战国、秦与西汉前期)，年平均温度高于现在1—2℃，年均降水量也多于现在，西汉后期至北朝气候凉干[4]。而在施雅风编著的《中国历史气候变化》一书中，则认为，战国至西汉初期是气候寒冷期，从西汉中叶至东汉末才进入气候温暖期[5]。因文献中直接记录春秋—秦汉时期冷暖变化的资料较少，而且已有的古气候研究多是依据不同的统计方法和比较单一的资料开展的，难以把握气候变化大的趋势背景。本文试图通过研究文献资料和考古资料中气候信息，结合地质学方面的科学测试，即对秦兵马俑二号坑附近的自然地层剖面进行的生物化石和磁化率记录的研究，全面探讨该区全新世气候变化的过程，特别是春秋—秦汉时期的气候状况。
一、文献及考古遗迹中气候信息
文献中有很多关于气候信息的记载，如早期的《夏小正》《礼记·月令》中就开始记载有物候观沿的结果。所谓物候，就是在温度表(发明于1593年)和气压表(发明于1643年)发明前，人们不知道如何量气温和气压。而人们要知道一年中寒来暑往，等等。研究这类现象的关系就是物候学[6]。在《左传》和《诗经》中，已有很多这类记戴，如《左传》中往往提到，山东鲁国过冬，冰房得不到冰，特别是在鲁桓公十四年、鲁成公元年、鲁襄公廿八年均载“冬无冰”；此外，像竹子、梅树这类亚热带植物，在《左传》和《诗经》中，常常提到，其中《诗经》中有五次提到梅。在《诗经·秦风》中有“终南何有?有条梅。”终南山在今西安之南，现在无论是野生或是人栽培的，都无梅树[7]。在当时，梅树的果实“梅子”是日用必需品，像盐一样，用它来调和饮食，使之适口。《书经·说命篇下》说：“若作酒醴，尔惟 蘖；若作和羹，尔惟盐梅”。这说明梅树在当时不但普遍存在，而且大量应用于日常生活中。与此同时关中也有大面积的竹林，《汉书·地理志》中提到秦地“有雩、杜竹林，南山檀柘，号称陆海，为九州膏腴。”另《史记·货殖列传》中描写当时经济作物的地理分布时说到：“蜀汉江陵千树橘；……陈夏千亩漆；齐鲁千亩桑麻；渭川千亩竹。”当时关中一带普遍生长着亚热带植物—梅树和竹子，说明在春秋—秦汉时期气候是比较和暖的。
此外，文献中也有关中降雨情况的记载，有时间与较多以致发生了洪涝灾害，如：
周赧王七年(前308)渭水赤三日。
赧王四十二年(前273)，渭水赤。
汉昭帝始元元年(前86)关中秋七月，大雨，至十月，渭桥绝。
成帝建始三年(前30)，夏，三辅霖雨三十余日；秋，关内大雨四十余日。山谷水出，凡杀四千余人，坏宫寺民舍八万三千余所。
鸿嘉三年(前18)本月乙亥大水，南山大石闻如雷鸣，三百四十四野鸡皆鸣。
新王莽地皇元年(20

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)七月始大雨六十余日。殇帝延平元年(106)，关中九月六州大水。袁松书曰：“六州河、渭、济、雒、洧水盈涨泛滥溢伤秋稼。”等[8]
文献中也有关地干旱天气的记载，但在春秋至西汉前期，洪涝灾害较多，旱灾天气较少；而到西汉的中后期，旱灾稍多。
综合文献记载，当时气候是较和暖、湿润的。
近年来，随着关中地区考古工作的不断深入，特别是在秦陵地区考古及秦俑考古中所见到的一些遗迹现象，对认识当时气候状况提供很多重要的信息。秦时的水系情况及修陵时对有些河道的改向，秦俑坑的冲刷状部角度坑底形成的大量淤泥，都是气候情况的真实反映。
(一)秦陵区的水系情况
秦陵区位于骊山和渭水之间，这之间有很多水系由南向北流入渭河，其中主要有零河、戏水、新丰河(今称玉川河)、鱼池水(今之沙河)、风王谷水、临河、潼河、石涧河、水碓河和韩峪沟水。除了这些主要河流之处，我们还发现了很多现已干枯的河道，有的暴露在地表，有的还深埋在地下。在秦兵马俑一号坑东南角约50—100米处有一古河道遗址，其由西南向东北方向到此折而向北横流。二号坑的南壁剖面上可见一古河道的断面。另外骊山层峦叠嶂，峰谷相间。山谷均呈南北向，每逢暴雨，即形成山洪顺谷口倾泻北注。在一号坑南部100米处的基建开挖槽里，大范围地层断面充分显示出，秦代地层有多次较大降水形成的冲积层，其中沙石含量明显较大，层理也较其它时代复杂。秦始皇陵正和骊山北侧最大的峡谷——大水沟南北相对。谷口宽数十米，山洪暴发，洪水卷着巨石、泥沙北泻，至今始皇陵周围的地下，地上仍堆积着厚厚的冲击砂石和巨石。为了防止山洪冲击始皇陵，筑起了防洪大堤，使“水过而曲行，东注北转”[9]，流入渭河。防洪堤遗址至今犹存，从骊山北麓的大沟西边的山脚开始，至王硷与三任村之间止，呈西南东北向。全长约3，500米。现残存部分长约1，000米，宽约40米，残高2—8米。堤身以土夯筑而成，土中含有大量的砂石。依靠这条长堤把大水沟以及大沟东边相毗邻的几条山谷，向北的流水拦住，使其折而东北流，至三任村西再折转北流，会鱼池水流入渭河。三任村位于秦始皇陵兵马俑坑东约0.5公里。这不但使秦始皇陵封土堆，而且使兵马俑坑和陵园里的一些地面建筑，以及各种陪葬坑、陪葬墓等，均免遭水患[10]。这种修筑堤坝使河道改向的做法说明，秦时此地区水系较发达，降雨量较多，并经常引发山洪。
(二)秦俑坑底的淤泥情况
在一、二号坑的发掘过程中，我们都发现有厚薄不均的淤泥。一号坑的底部普遍覆盖着厚10—44厘米的淤泥，约可分为10—14层。二号坑被焚毁部分淤泥较薄，局部只有2—5厘米。从一号坑的土层叠压情况看，隔墙的坍塌土覆盖在坑底的淤泥上；红烧土和炭迹是压在隔墙坍塌土上面，坍塌土的表面被火烤红，其下为纯黄色土。凡是被隔墙坍塌土掩埋的遗物，不见被火烧的迹象。这表明淤泥层的形成时间最早，隔墙坍塌的时间次之，俑坑被火焚塌陷的时间又次之。
关于俑坑被焚毁的时间问题，有人推测是在秦朝末年被项羽焚烧的，秦始皇死于公元前210年，项羽入关在公元前206年，这之间只有四年。另外在一、二号坑内，都发现被火烧成炭迹或灰迹的麻绳、编织物、木制和竹制的箭杆、皮条等。这些细小物易于腐烂，既然能被烧成炭迹或灰烬，证明是在未腐烂前被烧的。这也间接地证明俑坑从修成到被焚，相隔时间不会太久。那么在这么短的时间内，俑坑底就有多层次较厚的淤泥，说明当时的降雨量是很大的。前面提到过，陵南有防洪大堤的保护，使封土及陵区的陪葬墓免遭山洪的冲击。大堤建造的宏大、坚实，据信其在陵墓下葬以后十数年一般不会冲垮，目前也未见到有关早期冲垮的证据。如此则秦俑坑竣工之初几年内形成的普遍水灌现象，只能是俑坑之南至五岭大堤这一段宽度约300米左右、面积约几十万平方米范围的缓坡地带积水流下，冲灌入坑造成的。从这一缓坡地带坡度并不很大，土层深厚，秦时为垆土，渗水性较强的特点分析，形成具有一定冲击量的积水，冲坏俑坑并在坑底部形成那么鲜明的积水现象并不十分容易，因而当年必有两种特殊情况：一是雨下得很大，来不及渗入地下或排入其它地区，形成过洪积现象；二是大雨频繁，在俑坑建成之初几年里即有至少十多次大的降水。
从文献和考古资料分析，当时的气候是和暖、湿润的，降雨量较大。为一进步验证这一结论，我们在秦俑坑附近选取了一个自然剖面，利用现代科学技术从地质学角度进行了进一步的测试和研究。
二、生物化石和磁化率测试的结果
(一)材料与方法
采样地点选择在离秦兵马俑二号坑西部约150m处的自然露头，经过清除表面的风化土层和向下部挖掘，清理出250cm厚的地层剖面，根据岩性变化，自上而下可以划分出7层：见(图一)秦俑坑西侧自然剖面图
[1]耕土层[2]新近黄土[3]浅褐色土[4]深褐色土[5]红褐色土[6]过渡层[7]马兰黄土
1.上部耕作层，厚0.40m。
2.新近黄土层，灰黄色，微细孔发育，质较疏松，厚0.1m。
3.浅褐色埋藏土，浅褐色粘质粉砂土，块状，质较硬，厚0.3m。见秦代陶片。
4.深褐色埋藏土，深褐色，粘质粉砂土，棱块状，厚0.2m。
5.红褐色埋藏土，红褐色(褐红色)，粘质粉砂土，棱块状，含团粒，有粘粒胶膜，较坚硬，厚0.2m。
6.马兰黄土顶部，暗灰黄色，粉砂土，质松，厚0.8m。
7.马兰黄土，灰黄色，粉砂土，质松，厚0.5m，未见底。
在浅褐色埋藏土的上部(深0.54m左右)发现在代陶片，根据秦陵周围所发现的秦陵陪葬坑、陪葬墓，其开口均在新近黄土以下，浅褐色土层上，秦代地面的上限应该在新近黄土之下。
另外在剖面不同深度所获得的14C年代结果(0.38-0.40m，1710±95aBP；0.72-0.74m，2920±80aBP；0.82-0.84，3740±100aBP)与考古学的证据是吻合的。
周昆叔对周原黄土及其文化层的关系研究认为，关中地区广泛分布的上部浅褐色埋藏土，与春秋、战国和秦汉文化层是对应的，形成年代大约在2800-2000aBP。本剖面的考古学和年代学的资料也表明，浅褐色埋藏土形成于春秋至秦汉的历史时期。
浅褐色埋藏土以下红褐色埋藏土，是全新世土壤发育最好地层位，在本剖面中厚度只有40cm左右，如果按照周昆叔的研究[11]，这段地层形成于约8000-2800aBP期间与浅褐色埋藏土相比，其沉积速率显著降低。
在共250cm深的地层剖面上，分别按2cm和10cm间距采取磁化率和蜗牛化石样品。蜗牛样品通过连续采集土样，每个样品重10kg左右，用0.5mm的筛网冲洗，除剖面上部耕作层蜗牛含量较少以外(50-100个/每个样品)，其它样品蜗牛化石含量丰富，每个样品中一般含有300-1000个蜗牛个体。磁化率样品的测试：将所有样品自然干燥后，采用Bartington MS2磁化率仪测试低频磁化率，并将测量值换算成质量磁化率。
(二)结果
1.蜗牛化石组合及环境变化
图二为秦兵马俑坑附近剖面蜗牛化石组合变化图式，根据化石组合的变化至上而下可以划分为4个组合带。
P4组合带，BF(深度250-200cm)：下
Vallonia tenera和Pupilla aeol占绝对优势，其个体数量达到整个剖面的最高值，分别为495个/kg和224个/kg，百分含量分别达到48%和20%以上，喜暖湿的种类含量很少。本组合带自下而上表现为冷干的蜗牛种类数量逐渐减少，V.tenera和p.aeoli分别减少到31%和12%左右；而广温性的蜗牛种类Punctum orphana含量从下部的14%逐渐增加到34%。整个化石组合表现出比现今该区气候条件更为寒冷干旱的特征。
P3组合带，(深度200-120cm)：喜冷干种类的蜗牛急剧减少，前面占优势的V.tenera和P. aeoli种类在本带仅占11%和3.5%左右，喜凉湿种类Vallonia cf. pulchella含量有所增加，广温性的蜗牛种类P. orphana含量达到整个剖面的最高值(36%-50%)。Ï喜温湿的种类Macrochalamys angigyra含量逐渐增加。整个的蜗牛化石组合的变化趋势反映出，从P4组合带到P3组合带，气候环境处于逐渐转暖的过程中，对应了全球末次冰消期的气候增温阶段。
见图二 秦兵马俑坑附近剖面蜗牛化石组合变化图式
1.上部耕作层；2.新近黄土层；3.浅褐色埋藏土；4.深褐色埋藏土；
5.红褐色埋藏土；6.马兰黄土顶部；7.马兰黄土
P2组合带，(深度120-50cm)：我扭组合中出现大量的温暖种类，

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如M.angigyra个体含量含占整个组合的55%左右，Opeas riatissum和Garocopta armigerella也打到的整个剖面的最高值。Macrochalamys、Opeas、adtrocopta是对气候环境非常敏感的、季节性生长的陆生软体动物，在我国现生种类的分布中属于南方种类[12]，在这段地层中大量出现，说明当时气候条件温暖湿润，温度和降水都要高于现在。但在该组合带的上部，温暖种类的蜗牛化石含量有逐渐减少的趋势。
P1组合带，(深度50-0cm)：包括了新近黄土和耕作层的蜗牛化石组合特点。无论是喜温暖的种类还是喜冷干蜗牛化石数量大大减少，许多样品每10kg中还统计不到100个个体。化石组合中，温暖种类中仍以M.angigyra和O.iarissum占势，同时增加了一些相对温暖的Mettodontia类型和喜冷干的Cathaica类型，在P4、P3组合带中占优势的一些种类如V.tenera和P.aeoli含量有所增加，总的特征比P2组合带的气候环境寒冷干旱，但比P3、P4组合带的气候环境要相对温暖湿润。
2.磁化率记录及古气候参数的估算
磁化率是一种被广泛应用的气候指标[13]，吕厚远曾利用黄土高原及周边地区的大量表土样品的磁化率数据，建立了与年均温度和年降水量的回归方程。在对磁化率与年降水量和年均温度的回归拟合中，有2个经验公式的剩余平方和以及相关系数比较接近，分别是对数函数和3次多项式函数，方程如下：
y1(i)＝-717.2526+281.7226×LOG(x(i))
BFy2(i)＝38.3622+7.74714×x(i)-0.0271315×x(i)2+0.0000341072×x(i)3
其中
y1(i)、y2(i)分别
3次多项式函数对应的年降水量，x(i)是磁化率，(i)是样品号。
Y1(i)＝-10.9332+4.5166×LOG(x(i))
[BF][JP2]Y2(i)＝.0372517+.146969×x(i)-.0005112015×x(i)2+5.85899E-07×x(i)3
其中
Y1(i)、Y2(i)分别是对数函数和3次多项式函数对应的年均温度，x(i)是磁化率，(i)是样品号。
对比年降水量和年均温度与磁化率的关系，年降水量与磁化率的关系更为密切，或者说土壤磁化率的变化更多地反映了年降水量的变化[14]，因此用磁化率估算温度变化需要非常谨慎。由于磁化率随气候参数变化的复杂性，不同的经验函数曲线只是在一定的变化区间有较好的拟合关系，上述2种经验函数在不同的区间其偏离程度是不同的，这种偏离程度描述了经验函数在拟合磁化率与气候参数关系时的不确定性，在后面的古气候参数估算中，将同时利用这两个经验函数估算古气候参数，利用这两个经验函数在95%置信区间偏离范围的最大值、最小值和平均值作为古气候参数变化的可能范围。
图三 1.上部耕作层；2.新近黄土层；3.浅褐色埋藏土；4.深褐色埋藏土；5.红褐色埋藏土；6.马兰黄土顶部；7.马兰黄土。
给出了通过地层样品磁化率值所估算的年均温度和年均降

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水量的变化曲线及95%的置信区间。在剖面的下部(深度250-120cm)对应于蜗牛化石P4、P3组合带，自下而上年均温度和年均降水量逐渐增高，年均温度从8℃增加到10℃左右，年均降水量从48mm增加到580mm左右。在剖面的中部(深度120-50cm)，年均温度和年均降水量达到最大值，在100-80cm的地层沉积时期，年均温度最高达到15℃，年均降水量最高达到800mm。从
80cm到50cm(对应于春秋战国到秦汉历史时期)，年均温度和年均降水量开始下降，年均温度下降到12-13℃左右，年均降水量下降到600-700mm。在深度60-70cm左右，气候环境有一次明显的转暖，年均降水量曾一度恢复到14℃和750mm左右。从50cm以上，年均温度和年均降水量逐渐下降，大致接近于目前该区的气候环境条件。
三、讨论与结论
秦兵马俑坑附近剖面的蜗牛化石暖/冷种类比值的变化和磁化率曲线反映了相同的气候环境变化趋势(图二，三)，在蜗牛化石组合中出现大量南方蜗牛种类的层位，根据磁化率所估算的年均温度和年均降水量也明显增高。全新世最温暖的时期，温度比现在高出2℃左右，年均降水量高出250mm左右。
进入3000aBP-2000aBP期间，其后出现了明显的波动降温趋势，在中期有一次气候回升过程。早期的降温最盛期大约发生在2800aBP左右，对应于竺可桢先生的第一寒冷期[15]，与朱士光等总结的西周冷干期在时间上是吻合的[16]，实际上这是一次全球性的气候降温过程[17]。随后的气候回暖从时间序列上大致对应了春秋战国时期，由于剖面中测年精度和考古资料材料的局限，目前还无法准确判断这一次温暖期是否延伸到秦汉时期，但从测年资料和秦陵陪葬坑开口及秦陶片出土的层位判断，在浅褐色埋藏土上部10cm左右(剖面深度60-50cm)估计大致对应于秦汉历史时期。从化石组合变化和磁化率气候曲线上看属于气候降低的阶段。
尽管地质记录表明这段时期存在气候降温过程，但从本研究剖面的生物化石组合和磁化率气候曲线可以看出，这段历史时期总的气候状况看仍然比现在温暖湿润，只是相对全新世最温暖时期的气候环境开始变得相对寒冷干旱。同样的情况也存在浅褐色埋藏土的上部(大致对应秦汉历史时期)，从整体趋势上看，是处在一个降温过程，但平均的气候环境况并不比现在差，平均年降水量仍比现在高出50-100mm左右，这与文献和考古上气候信息是基本相一致的。

[1]朱士光、王元林、呼林贵：《历史时期关中地区气候变化的初步研究》，《第四纪研究》1998
1期；王村《中原地区历史旱涝气候研究和预测》，气候出版社，1992年版，第131页；张仲立：《秦俑一号坑沉降与关中秦代气候分布》，《秦文化论丛》(第四辑)西北大学出版社，1995年版；施雅风：《中国历史气候变化》，山东科学技术出版社，1996年版，第288-289页
社，1992年版，第131页。
[3]张仲立：《秦俑一号坑沉降与关中秦代气候分布》，《秦文化论丛》(第四辑)。
[4][16]朱士光、王元林、呼林贵：《历史时期关中地区气候变化的初步研究》，《第四纪研究》1998年1期。
[5]施雅风：《中国历史气候变化》山东科学技术出版社，1996年版，第288-289页。
[16]竺可桢：《中国五千年来气候变迁的初步研究》，《考古学报》1972年第1期。
[7]根据西北农学院辛树帜等同志的调查。转引竺可桢：《中国五千年来气候变迁的初步研究》。
[8]《临潼县志》上海人民出版社，1991年版。
[9]《水经·渭水注》。
[10]袁仲一：《秦始皇陵兵马俑研究》，文物出版社，1990年版。
[11]周昆叔：《周原黄土及其与文化层的关系》，《第四纪研究》1995第2期。
[12]Rousseau DD,WNQ. A new molluscan record of the monsoon variability over the past 13000 yr in the Luo Chuan loess sequence, China. GeologY, 1997,25(3),257-258;吴乃琴、Rousseau DD,刘东生，110Ka《来洛川黄土地层中蜗牛化石记录与环境因子分析》，《中国科学》(D)1996，26(5)，405-410
[13]吕厚远、韩家懋、吴乃琴、郭正堂：《中国现代土壤磁化率分析及其古气候意义》，《中国科学》(B)，24(12)1290-1297；Heller F.Liu TS. Magnetism of Chinese Loess deposits, Geophys,J.R.Ar. Soc. 1984,77:125-141；Maher B. Thompson T. Paleorainfall reconstruction from pedogenic magnetic susce-ptibility variation in the Chinese loess paleosols Quaternary Research,44:383-391
[14]吕厚远：《磁化率和植物化石记录对第四沉积环境的古气候量化研究》博士学位论文，中国科学院地质研究所，1998年。
[17]吕厚远：《新石器以来的北温带草原文化与气候变迁》，《文物保护与考古科学》1991年第3期。
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