关中盆地全新世气候要素及农业活动重建的黍粟碳同位素记录

To approach the change of climate and eco-environment and understand early human activity patterns and their effects through effective geo-biological index records, are important research fields of Past Global Changes (PAGES). The mechanism of carbon isotope discrimination of plant has a good correlation with climate, and closely correlates to water use efficiency. As the most important remains of early agriculture activity in North China, charred broomcorn and foxtail millet can be acquired easier with the distinct identification features and extensive distribution over the area. δ13C of millet can reliably reflect the information of environment change during the growth period and be regarded as an efficient index to reconstruct climatic factors and agricultural activity. Guanzhong Basin is an ideal region to conduct research about climate change and early agricultural activity, thanks to the earlier appeared agriculture activities, the most developed and continuous culture layers, the abundant plant remains preserved in the archaeological sites and the high sensitivity to climate change of the area. Six archaeological sites during the Neolithic-Bronze age in Guanzhong Basin will be selected for this study and foxtail and common millet remains will be systematic sampled and identified, then their numbers and ratios will be analyzed. Chronological framework will be established through AMS14C dating and carbon isotope of charred millet remains will be measured to extract information about early agricultural cultivation and irrigation, in addition, quantitatively reconstruct Holocene climatic factor values. Holocene climatic change and early agricultural activity patterns will be revealed and the result will provide scientific basis for the research of relationship of human activities and global change.

选取有效地质-生物指标记录，探讨气候和生态环境变化，理解早期人类活动方式及影响，是过去全球变化研究的重要内容。植物碳同位素分馏机制不仅与气候存在良好的相关性，也与水分利用效率密切相关，黍、粟炭化种子作为中国北方早期农业最重要遗存，具有获取容易、易鉴定和分布广等特点，其δ13C值较可靠地记录了生长过程的环境变化信息，可作为气候要素和农业活动重建的有效指标。关中盆地农业活动出现早，序列完整，植物遗存丰富，对气候变化敏感度高，是气候环境变化和早期农业活动研究的理想地区。本课题拟选取关中盆地新石器-青铜时代具代表性的6个考古遗址，系统分析黍粟的数量和比例关系，基于黍、粟炭化种子遗存的碳同位素记录，结合高精度AMS14C测年，提取早期农业栽培和灌溉等信息，定量重建全新世气候要素值，揭示关中盆地全新世气候环境变化以及早期农业活动方式，为人类活动与全球变化关系研究提供科学依据。

定量重建古气候（温度、降水量）是目前过去全球变化研究中的重点和难点。对古气候进行定量化研究是解决农业发展和人类适应的阈值问题的关键。选取具有可靠测年、连续分布的、指示意义明确的有效代用指标是对区域降水量进行定量重建的关键问题。. C4植物粟（Setaria italica）和黍（Panicum miliaceum）是中国北方旱作农业的代表作物，其炭化种子易获取、可鉴定到种，δ13C可靠性强，是古气候研究的潜在理想材料。通过采集黄土高原地区不同生境现代栽培粟、黍，分析其δ13C与环境要素（包括纬度、海拔、全年和生长期的温度、降水量、水分有效性（P/Ep）、湿度等）的关系，结果显示粟δ13C值仅与纬度(光照)具有显著负相关关系（相关系数R= -0.46），光照对粟δ13C值的影响占21%，其它气候要素对粟δ13C未产生显著影响，粟δ13C不适用于提取气候因素信息；黍δ13C与生长期降水量（Pgp）具有显著正相关关系（R= 0.75），Pgp对黍δ13C的影响程度达到56%。黍作物生理特性和形态调整的作用机制分析显示：在水分胁迫条件下黍植株对环境的适应性主要是通过气孔因素实现的。因此黍δ13C能够较好地记录作物生长过程中降水量状况，在古气候定量重建方面具有一定的应用前景。. 关中盆地全新世以来孕育了连续的古文化序列，是人类活动的重要区域，新石器遗址文化层中保存有大量炭化黍种子。基于现代黍种子碳同位素和降水量回归方程，以关中盆地重要遗址出土的碳化黍种子为研究对象，利用黍种子δ13C，结合大量的AMS14C测年，重建了研究区全新世中期（7.7-3.4 ka BP）的夏季降水量变化历史。研究结果显示，7.7-3.4 ka BP夏季降水量分布在242～475 mm，平均为353 mm，比现代（1951-2011年）夏季平均降水量（305 mm）高约50 mm（17 %）。关中盆地全新世中期夏季降水量波动显著，并且易变性越来越大，尤其在5.2 ka BP之后。最高夏季平均降水量为414 mm出现于6.1-5.5 ka BP，表明东亚夏季风（EASM）强度在这一时期达到最高。. 该项工作为定量重建古降水连续序列和开展夏季降水量变率等研究提供了新指标，从而将促进早期人类活动与气候变化的关系研究。