丹江上游紫荆遗址古文化层碳酸盐碳同位素负异常的成因探讨

The negative abnormal phenomenon for carbon isotope of carbonate in ancient cultural layer of ZiJing relics was discovered by the applicants during preliminary work. In this article, by analysis of carbon isotope (δ13Csc) of soil carbonate and organic carbon isotope (δ13Csoc) in ancient cultural layer from the ancient cultural relics on the upstream of Dan River since the neolithic age, the distribution characteristics of carbon isotopic composition from ancient culture layer were studied for further understanding that if the abnormal carbon isotopic composition of ZiJing carbonate is a common phenomenon or special situation; by carbon isotope analysis of the loess-ancient soil order near ZiJing relics which have the same age to cultural layer and are not affected human activities and compare research with cultural layer results, it can be concluded that whether the negative abnormal phenomena are related to ancient human activity; with the research on the unit soil sample (ash pits, room address, tombs, pottery kiln ) from relics of human activities with different types combined with the change of soil carbon isotope under the condition of different modern human life styles, the forming characteristics mechanism of negative abnormal δ13Csc from ancient culture relics was discussed in this paper to provide more background information and basic material for application of carbon isotopes to the environmental archaeology. The exploration for the issue has important scientific significance for further understanding of soil carbon isotope geochemical index under the influence of human activities.

申请人前期工作发现了紫荆古文化层碳酸盐碳同位素负异常现象。本研究拟通过对丹江上游地区古文化遗址新石器时期以来的古文化层进行土壤碳酸盐碳同位素(δ13Csc) 和有机质碳同位素(δ13Csoc) 的分析，探究古文化层碳同位素组成的分布特征，进一步认识紫荆碳酸盐异常负碳同位素组成是普遍存在的现象还是特殊情况所使然；通过对紫荆遗址附近与文化层具有相同时代相似地层且未受人类活动影响的黄土-古土壤序列进行碳同位素分析，并将其与文化层结果进行对比以期了解该负异常是否与古人类活动相关；结合不同类型古人类活动遗存的遗迹单元样品（灰坑、房址、墓葬、陶窑）的碳同位素研究以及现代不同人类生活方式下土壤碳同位素变化，探讨紫荆遗址古文化层异常负δ13Csc组成特征的形成机理，为将碳同位素应用于环境考古中提供更多的背景信息及基础资料。这一问题的探索对深入理解人类活动影响下的土壤碳同位素地球化学指标具有重要的科学意义。

青年科学基金“丹江上游紫荆遗址古文化层碳酸盐碳同位素负异常的成因探讨”（批准号：41203003）利用紫荆剖面古土壤同位素和其他地球化学、地球物理指标组成变化解读了该区农业文明的发展历史。对紫荆遗址的碳同位素记录研究发现：文化层的碳同位素记录了当时的农作物物种和家畜饲养方式。δ13Csoc值指示了在仰韶到夏-商时期紫荆先民种植了约50%类似粟, 黍的C4作物。δ13Csc值指示了紫荆先民在仰韶和龙山文化期可能进行了大规模的家庭圈养。这些同位素结果进一步被来自其他的地球化学指标（如土壤有机碳含量、土壤碳酸盐含量和土壤C/N）所证实。通过对未受人类活动影响的洛川黄土碳同位素研究记录进一步证实了在第四纪历史时期，黄土高原塬面地区主要为草原环境。利用石生苔藓氮含量和氮同位素研究了太白山地区大气氮沉降量及来源。根据前人经验估算出南坡大气氮沉降量平均值为70.57kg/(hm2•a)；北坡大气氮沉降量平均值为39.03kg/(hm2•a)；南坡苔藓δ15N主要集中在-6‰~-2‰，北坡苔藓δ15N主要集中在-5‰~-1‰，太白山地区主要氮源为农业或土壤氮的自然释放。通过对太白山南北坡不同海拔高度石生苔藓碳同位素组成（δ13C）以及各环境因子和石生苔藓碳同位素随海拔关系的分析讨论，结果显示太白山南北坡石生苔藓δ13C与海拔呈显著线性相关，海拔每升高1000m，南北坡石生苔藓δ13C值分别增加2.0‰、1.1‰。大气CO2浓度及其碳同位素组成、大气压、降水量、生物量等各因子对石生苔藓碳同位素组成记录的海拔效应影响较小，温度是导致太白山石生苔藓δ13C海拔效应的主要原因。通过对陕西宁强县灯影组碳酸盐岩的同位素记录、岩相学特征、主量元素和微量元素含量分析，提出该地区浅水沉积环境与大量动物骨骼化石存在的关系。结果显示高家山段具有碳同位素正漂移、高δ18O值、δ13C和δ18O值正相关、高稀土含量、独特的中稀土富集模式、高铁含量以及微弱的负Ce异常等特征。这些现象指示存在河水或地下水注入的温暖局限海环境。