广义的古土壤(Paleosols)是指形成于过去自然景观形态条件下的土壤［1］，其特征与空间分布状况可反映第四纪环境的变迁［2］。土壤发生学理论认为土壤是气候、生物、地形、母质、时间和人为活动等综合作用的结果，也是反映地理景观的一面镜子。因而在古环境条件下形成的古土壤可以揭示不同地质时期的古环境、古气候、古生态以及重大地质事件，是过去全球变化、古地理学和古生态学以及沉积地质学的重要环境研究对象［3］。遗址区广泛分布的含有文化遗产的土壤因受到古人类活动的干扰而区别于一般意义上的古土壤和现代土壤，在土壤剖面形态、土壤理化特性和微形态特征等方面均具有显著的区别。过去全球变化是国际地圈-生物圈计划的核心计划，下一阶段的环境研究焦点是评价历史气候变化和人类活动的关系［4］。目前，对全新世气候条件下文化遗址区的土壤环境研究逐渐成为环境研究热点［5］。地质地层学的环境研究对象是自然层，而考古地层学的环境研究对象是因人的作用形成堆积的文化层。以往的考古学者习惯于将作为文化层的“熟土”与作为自然层的“生土”截然分开［6］。未受人为干扰的自然层中(图1)，自然堆积形成的土壤结构、成分以及其中包含的各种自然遗物，比较容易保持原始堆积的状态，能较准确地反映当时的环境与气候。文化层往往包含人工搬动的干扰，其自然堆积的原始状态已被破坏，文化层周边常伴有灰坑、灰烬层等(图2)。灰坑打破了土层自然堆积的原始状态，在其中发现陶片、石器等与古人类活动相关的物品，灰烬层通常颜色为灰黑色，与周边自然土层颜色形成鲜明对比，其质地松散，异常高的磁化率值暗示了此处曾经存在古人类活动，粟、黍和水稻植硅体也暗示该层直接或间接地受古人类生产生活的影响。在全新世气候变化背景下，古文明兴衰变化结果多以文明遗址的形式保存在一定深度的土壤中，所导致特殊的土壤性质可为后人解密古文明起源、发展和衰亡提供宝贵的科学依据。通过解译土壤特性来推导还原古环境和古人类活动，进而探讨土壤的文化遗产功能，并为考古环境研究提供科学依据，具有重要的科学意义。本文拟对国内外文化遗址区古土壤特性环境研究工作和考古应用情况进行系统地总结，并对该领域未来环境研究进行了展望。
1文化遗址区古土壤环境研究进展
1.1土壤粒度粒度组成对于查明沉积物的物质来源、搬运介质和动力、沉积环境及其变化均有重要的意义［7］，且兼有相对完善的实验原理和技术方法，被广泛应用于古土壤沉积成因的环境研究中，是分析古土壤成因的有效途径［8］。杨用钊［9］通过系统的环境研究江苏绰墩古土壤不同粒径土壤粒度的平均含量及众数粒度，并与附近的镇江下蜀黄土剖面的粒度特征进行比较，初步认定绰墩古土壤母质为下蜀黄土。周华等［10］通过分析江苏连云港藤花落遗址土壤粒度发现，遗址文明存在期间曾发生过大规模或长时间水患事件，农业生产条件被破坏，最终导致整个文明走向衰落，同时，结合重金属环境研究结果，发现龙山文化时期人类社会的出现与繁荣恰逢自然环境相对良好时期，并且文明衰落与消亡正好对应自然环境发生变迁阶段，环境研究表明自然环境变迁是通过影响农业生产的兴衰而导致文明的兴盛与湮灭。张俊娜和夏正楷［11］运用河南洛阳二里头南沉积剖面的粒度特征的分析结果指示了水动力条件的强弱，并与气候的暖湿变化相对应，结合光释光测年及磁化率环境研究结果，最终确定该剖面沉积过程经历了3个阶段，其中剖面中部地层曾经历了一场河流阶地被淹没的特大洪水事件。
1.2土壤微形态土壤微形态是土壤组构在微观-超微观尺度上的具体表现，包含有大量在宏观上用肉眼无法观察到的细微现象，因此长期被作为环境研究土壤发展演替的重要途径［12］。通过环境研究文化遗址内土壤微形态特征来恢复历史时期人类的活动方式和环境特征是一种有效手段，近些年来在欧洲、中亚、中美洲等地的考古环境研究中开展了大量土壤微形态环境研究工作，并取得了丰富的成果［12］。Cornwall［13］首次根据考古遗址中土壤微形态分析的结果重建古环境变化的历史，并解释了灰烬、居住面等人类活动遗迹的特征;Biagi等［14］通过观察土壤微形态对史前遗址周围土地利用情况的影响进行了环境研究，为认识史前农业和畜牧业等经济生活方式提供了重要信息;Courty等［15］在出版的《SoilMicromorphologyinArchaeology》中建立了一套相对独立的土壤微形态环境研究方法，并通过对约旦河下游NetivHagdud和Salibiya前陶新石器遗址建筑遗存的土壤微形态进行分析，发现所有用来建筑房屋的土坯均是采用从附近的河流冲积物中专门挑选的原料制成，但不同地面所用的材料有所区别;Kemp等［16］通过土壤微形态环境研究，初步恢复了古耕作土壤特征及农耕方式;董广辉等［17］对青海喇家遗址内外砂壤土进行显微镜观察和土壤微结构分析，认为喇家遗址内成壤环境较稳定，受生物扰动较少，局部淋溶作用较强和有人类作用的痕迹，而遗址外土壤微形态受到生物强烈的扰动，并且经历了古水流的作用。
1.3土壤元素自然环境变化引起的土壤环境变化是造成土壤中元素迁移转化的根本原因，因此土壤中元素含量的多少及变化能很好地反映环境变化［18］。人类在某个地区定居下来，并进行各种人类活动必然会对周围的环境造成影响，并改变周围土壤中的地球化学元素组成［4］。不同的人类活动对周围环境中的土壤会造成不同的地球化学元素改变，而土壤中化学元素组成的空间并不会因为房屋或者遗址的废弃而改变，能更准确地反映遗址过去的空间分布［19］。当仅仅依靠发现的古器物不足以解释某一区域问题的时候，土壤的元素组成能够提供古人活动的重要线索［20-23］。Barba和Bello［24］在美国中部以及玛雅地区，环境研究验证了在中美洲可以运用化学元素推测古人类活动;Sandra和Christopher等［25］将卫星遥感影像分析和空间统计相结合，对多种化学元素进行叠加，用以鉴定马拉纳圣卢卡斯考古遗址的空间化学组合，结果表明当时的土壤条件难以生长自然植被，而地表化学富集受其他过程的影响。环境研究土壤元素在不同土层的富集和亏损可判断遗址的残留与迁移，可反映古人类对土壤的利用活动。元素磷在古遗址的寻找和解释中占有非常重要的席位［26-27］。1911年，埃及农学家Hughes注意到古人类居住地土壤磷含量高于周围相同时期自然土壤磷含量［28］，但最早系统地将土壤磷分析用作考古环境研究的是瑞典的Arrhenius，他于1929年发现包含维京农场和居民点遗骸地区的土壤中磷的含量高［29］，采用富磷指示古人类活动这一结论运用于北国遗址环境研究中，证明此地3名妇女曾因使用巫术而被焚烧，此后，考古学家开始考虑通过环境研究土壤化学元素来反映人类活动;1963年，Arrhenius［30］证实富磷指示结论同样适用于美国西南部考古遗址，跨文化跨地区却相近的环境研究结论确立了富磷可作为重要指标指示人类定居点，同时也证明了环境研究土壤元素对考古具有一定的价值。董广辉等［31］对河南大阳河遗址古土壤化学性质进行环境研究，发现文明起源时期的人类活动对古土壤化学性质产生了明显的影响，土壤中有机碳、全氮和有机磷质量分数明显增加，人类活动还使古土壤中元素质量分数的比值发生了明显的变化，由此说明环境研究地点的人类活动方式是生活和居住，而不是农作。与王湾三期相比，二里头时期土壤中有机碳、全氮和有机磷质量分数明显升高，这也说明环境研究地点二里头时期人类活动强度较王湾三期有所增强。查理思等［32］环境研究了河南洛阳二里头文化遗址区古人类活动对土壤化学成分的影响，结果表明古人类活动使土壤有机碳、全磷和有机磷含量显著增加，还使土壤中元素含量的比值发生了明显的变化，有机磷含量与全磷含量的比值明显增加，元素含量和比值变化特征说明环境研究地点为古人类的生活居住区。其他元素的分析也可以为古人类空间利用模式提供有效的线索，特别是一些重要的金属元素［4］。土壤中高含量Fe与古人类加工龙舌兰或者屠宰动物以及厨房区域有关［33］;Ca、Sr含量的高值与利用贝壳沙作肥料的农田、靠近炉边的位置密切相关［26，34］;Hg的含量与手工制作区有关［35］、并且辰砂(HgS)常被玛雅人用来作为装饰或者进行某种仪式(比如葬礼)时的大红颜料［36］，Hg的含量与宗教仪式或葬礼有关［37］;而Ba、La、Ce、Pr、K、Cs、Th和Ｒb在原先的小村落地区高度富集，可以指示当地古人的居住区域［26］;Ca、Ba、Sr、Zn、P和Pb可以反映古人类不同的活动方式［34］;而软锰矿(MnO2)、孔雀石(CuCO3•Cu(OH)2)、蓝铜矿也常被用作颜料［36］。李中轩等［38］对湖北辽瓦店遗址地层样品的氧化物含量和地球化学元素含量的分析结果表明，K、Mn、Sr、Ba含量骤降地层说明该时期人类活动减少，其原因可能为自然灾害，Pb含量的异常和Cu含量高值暗示遗址有青铜器制作活动，此外，Mg和Ca含量的高值与耕作区、墙壁灰浆、生活垃圾堆积等人类活动相关。周群英和黄春长［39］对陕西西周沣镐遗址区土壤样品中的Fe、Ｒb、和Se的含量进行分析，其结果揭示了与全新世环境变化相对应的成壤过程，土壤发育表现为边沉积边成壤，同时发现人类农业耕作活动主要是从西周人迁都至沣河岸边时开始的。高华中等［40］通过分析三峡库区中坝遗址(位于重庆市于忠县境内)土壤中有机碳含量及其与周围环境的关系，推测当人类活动强度大，地表自然植被破坏严重时，有机质的输入量减少，土壤侵蚀量增大，土壤有机碳含量随之降低;当气温下降时，往往降水随之减少，对植被生长不利，从而造成有机质输入量减少。
1.4土壤磁化率土壤磁化率是土壤各组分的磁性反映，是物质磁化性能的量度［41］。土壤磁性受环境控制，在评价气候、母质、生物、地形和时间等主要成土因子的基础上，能够反映全球环境变化、气候变迁和人类活动等综合信息。有关土壤磁化率特征与土壤性质的关系及影响因素已有大量环境研究报道，特别是在一些文化遗址区内，环境研究结果显示在土壤发生学、古气候和环境变化等方面的应用已经取得较大进展，为相关考古环境研究提供了具有价值的依据。磁化率在黄土高原地区古气候环境研究中被作为一种代用气候指标［42］。安芷生等［43］指出:古土壤的较高磁化率值在一定程度上反映了温湿气候条件下湿度增大促使植被密度增大、成壤作用增强;反之，低磁化率则指示了湿度较小、植被稀疏、发育黄土的干冷气候状况。霍俊杰等［44］对陕西大荔人遗址剖面进行了系统的岩石磁学性质环境研究，结果表明黄土-古土壤样品的频率磁化率曲线，古里雅冰芯氧同位素、细微粒浓度曲线，岐山五里铺剖面有机质含量曲线在古气候记录方面具有一致性，均展示出至少从MIS5以来，气候从冰期到间冰期的变化是渐变的，反之则表现了突变特征。洛阳盆地内二里头遗址南沉积剖面位于遗址所在二级阶地的前缘，属于河流堆积，张俊娜和夏正楷［11］对剖面的沉积物样品进行磁化率分析，发现磁化率的大小与水动力和气候条件相关，环境研究发现该沉积剖面记录了4000aBP前后龙山晚期发生的一次异常洪水事件，这次洪水事件对二里头城址的选择具有重要的影响。马春梅等［45］结合磁化率和地球化学元素提取出安徽尉迟寺遗址地层记录的环境演变信息，认为该区5050aBP以前即新石器时期为暖湿气候，大汶口文化阶段气候偏干冷且波动频繁，大汶口至龙山文化期间，气候由冷转向温湿，为水稻生产提供了有利条件，促进了龙山文化的繁荣。张振卿等［46］对河南安阳殷墟地区3个土壤剖面的岩性分析和磁化率测试，发现岩性和磁化率变化之间均存在较好的一致性。磁化率从地表向下均有明显降低的趋势，黄土-古土壤序列的磁化率埋藏效应在殷墟地区河流相沉积物中同样存在;土壤剖面中古土壤层磁化率相对其他层位明显降低，且波动幅度较小，这种规律有别于目前已被广泛接受的黄土中古土壤磁化率增强的土壤成因模式;殷墟地区土壤剖面磁化率在古土壤层上部急剧升高且波动剧烈，该层位年代和殷墟文化产生的年代相吻合。受人类干扰强烈的土壤，特别是文化层土壤，人类活动对磁化率起到了主要作用。史威等［47］对重庆中坝考古遗址多剖面地层进行高分辨率的质量磁化率(SI)分析，环境研究表明:磁化率分布表现异常，在很大程度上已掩盖了气候变化、成土作用等因素对地层磁化率分布的贡献，反映出遗址堆积物曾受到人类长期异常强烈的改造，而堆积物来源主要以文化器物碎片、人为带入的自然碎屑物和频繁的洪水沉积物为主。碎陶片集中(尤其红陶)的文化层表现为高磁化率，其中多次异常高值的出现可能与当时高强度用火、大规模燃烧等事件致使土层磁性矿物增加有关;而“洪水扰动层”则表现为低磁化率。
1.5多环芳烃多环芳烃(PAHs)是包括化石燃料煤、石油、煤焦油等有机化合物的热解或不完全燃烧的产物，广泛分布于大气、土壤、古土壤、沉积物、有机生物体中［48］，是人类活动的良好指示物［49］。曹志洪［50］在环境研究新石器时期水稻土时发现含有较高的多环芳烃(PAHs)等有机污染物，并通过实验证明其主要来源于古人焚烧的稻草秸秆，其中有少量也可能是还原条件下的生物自然合成的［51］。Ｒamdahl［52］认为惹烯也能通过松类树脂在低温燃烧下降解形成，邹胜利等［49］在金罗家遗址考古土壤中检测到了卡达烯和惹烯两种多环芳烃化合物，可推测高等植被是古人类生活用火的主要薪材。李久海等［53］运用聚类分析和主成分分析环境研究了多环芳烃(PAHs)在含6000a(马家浜文化时期)古水稻土剖面中的分布特征，环境研究表明、苯并(k)荧蒽、苯并(a)蒽、茚并(1，2，3-cd)芘、苯并(b)荧蒽、芘、苯并(a)芘、二苯并(a，h)蒽和荧蒽等化合物主要是人为产生，芴和菲由生物合成，而萘、二萘嵌苯和蒽则可能来源于人为产生和生物合成的共同作用。此外，荧蒽/菲、苯并(a)蒽/菲和苯并(a)芘/菲等可以作为与陆生植物和化石燃料燃烧有关的芳烃产物的标志，这些多环芳烃可能与人类活动有一定的关系，说明考古遗址土壤中的多环芳烃记录能够反映生活在该遗址上一些人类社会经济发展和活动的信息［49］。
1.6土壤植物遗存植物考古的环境研究不仅可以探索与人类文化活动相关的植物遗存，如食物生产的起源与发展过程、人类利用其他植物的活动等;同时能复原古代生态环境。植物考古旨在解决考古学环境研究中的全面复原人类社会的历史问题。通常在考古遗址中发现的植物遗存可归纳为三大类［54］:大植物遗存(Macroremains)、孢粉(PollenandSpores)和植物硅酸体(Phytolith，Plantopal)。大植物遗存主要包括木材、种子、果实、果核及外壳、茎秆等。由于植物产生大量的具有显著形态学特征的种子并广泛传播，且易于保存，所以最为醒目和可靠的当属能在遗址中找到较多的种子和果实［35］。考古遗址中的大植物遗存主要针对炭化过的植物遗存而言［55］。炭化的大植物遗存目前主要通过浮选的方法获得，可以作为标本来鉴定植物来源种属，并且方便进行直接的14C测年。如，闫雪等［56］通过浮选结果的量化分析，推测商代郑家坝地区经营以粟为主的旱作农业，并且有丰富的野生核果、浆果类以及其他植物资源。王育茜等［57］通过分析辽宁查海遗址的炭化植物遗存，初步了解到该遗址聚落周围广泛分布阔叶落叶林，且其植被组合可能与全新世初期温暖湿润的气候有关，聚落居民在房屋建筑材料和薪柴获取活动中利用了聚落周围的森林资源，而遗存的山杏、核桃楸、榛子和一些禾本科、豆科植物的发现说明采集是获取植物性食物的主要方式。孢粉形体微小、形态各异、广泛分布、易于保存，有助于环境研究史前时期地区较广范围的区域性植被的植物组成［54］。孢粉与遗址的各阶段气候、古环境变化和古人类的活动密切相关，而且显示了古人生产活动的程度和能力。利用孢粉分析结果分析古代的植被状况，推测当时的环境背景，有助于了解环境变化和人类文化演变之间的关系［58］。李珍等［59］在环境研究上海马桥遗址时，利用文化层中各孢粉组合的差异反映了古人类活动环境的变迁，孢粉组合特征说明从良诸文化时期农业已有发展，由出土的锛、铲刀等也可证实;孙雄伟和夏正楷［58］以土壤剖面为环境研究对象，通过高分辨率的孢粉分析表明该地区中全新世以来的孢粉组合以草本植物占绝对优势，并根据孢粉组合的变化将剖面分为5个孢粉组合带，探讨了各个时期的古植被和古环境变化;张玉兰［60］通过环境研究上海广富林遗址、马桥遗址探方样品的孢粉、藻类，并结合前人已有的资料推测太湖地区良渚文化突然消亡的原因是水泛。植硅体是土壤中生物硅的一种［61］。考古遗址文化层在堆积过程中，由于人类使用植物的活动，有可能积聚较多的植物茎和叶，茎和叶腐烂后，其中的硅化细胞和组织———植硅体能够得以保存，而且数量很大，在考古土壤、容器内含物、灰堆、陶器碎片、干粪中常可大量地发现。植硅体作为考古土壤中的原地腐烂的植物残余，能够反映细微的环境变化和过去人类对植物的选择以及利用有关的文化活动［49，62］。姜钦华［63］通过测定河南颍阳遗址区土壤样品中禾草类植硅石含量和花粉含量，结果表明在五千年前的仰韶文化中、晚期，登封地区的气候温暖湿润，并且当时登封地区可能已经有一定规模的水稻种植。吴妍等［64］对湖北郧西黄龙洞遗址区土壤中植硅体进行分析，发现地层中禾本科和木本科的植硅体特征显示遗址古植被环境较好;较多海绵状骨针反映古人类活动时期遗址周围有较好的水源条件;洞内遗址活动层中较多碳屑样品则反映郧西人在洞穴内可能曾有过对火的控制和利用。结果表明当时气候类型总体为温暖型，郧西人生活居住的洞内气候较温暖干燥，而洞外相对炎热湿润。
1.7土壤动物遗存动物考古旨在通过对遗址内动物的化石遗存环境研究，寻找人类与动物之间的关系。李新伟等［65］对河南灵宝西坡M27墓主腹部的土样进行提取并进行显微镜观测，发现有圆圆的寄生虫卵，这种寄生虫卵通常与食用猪肉有关;通过对骨骼内15N的分析同样也可以反映出墓主的食肉情况，15N的含量高一般就表明使用猪肉较多;此外，对墓主人头骨的环境研究，发现他的头骨形态与西坡聚落另一座大型墓葬M8的头骨形态非常相似，以此推测墓主极可能是一个当时社会上层家族的一员。国内外一些学者通过环境研究遗址出土动物牙釉质及骨骼来推测古环境。国际考古学界一般以出土的当地动物骨骼和牙釉质的锶同位素比值建立遗址当地的锶同位素比值标准。Ezzo和Price［66］测定了遗址出土啮齿动物的牙釉质及骨骼的锶同位素比值和同一遗址史前人类牙釉质的锶同位素比值，环境研究表明二者非常接近。Bentley等［67］对出土动物牙釉质的锶同位素比值的统计分析，得出猪的锶同位素标准偏差远远小于其他动物，而且由于猪吃的食物主要是人类食物的剩余，所以可以用猪骨骼和牙齿中锶同位素比值代表当地的锶同位素水平。国内学者在环境研究遗址出土动物骨骼的基础上推测当时的自然环境及生业模式，如，赵春燕等［68］通过测定河南瓦店遗址龙山文化晚期出土的鼠骨及猪、黄牛、绵羊牙釉质的锶同位素比值，推断由当地出产鼠的可能性最大，由出土鼠骨的锶同位素修正得到瓦店遗址当地的锶同位素比值范围，并根据该范围确定了出土的猪、绵羊和黄牛是否在当地出生;胡松梅等［69］对陕北横山杨界沙遗址出土的所有动物骨骼进行了科学的收集和分类鉴定，环境研究表明至少代表3纲7目10科11个属种，并推测遗址周围的自然景观以草原为主，草原上有草兔、绵羊等食草动物，不远处的沙漠曾有鹅喉羚出没，草原和沙漠间分布着一定面积的水域且有蚌类出现，饲养家畜和捕猎野生动物是当时人们的肉食来源，其中家养动物猪的肉量比例占到了整个食用动物群的87.9%;赵莹［70］通过鉴定、环境研究银梭岛遗址出土的动物骨骼标本，探讨了骨骼标本痕迹、骨角器的制作工艺以及该遗址先民的生存环境、生业模式、风俗习惯等;李永宪［71］通过环境研究西藏卡诺遗址新出土的动物骨骼和生产工具，结果表明其用于“狩猎”、“畜牧”的石质工具从早到晚呈递增趋势，晚期狩猎业仍占有重要地位，农耕作物在很大程度上受到地理条件的限制。综上，目前能够反映古环境信息的土壤特性如表1所示。
2文化遗址区古土壤环境研究展望
2.1借鉴相关环境研究指标近年来文化遗址区古土壤的环境研究取得了很大的进展，但其环境研究方法主要是通过分析土壤粒度、土壤元素和土壤中的动植物遗存等方面来推测其所处时期的土壤条件、气候环境以及人类活动情况，而几乎没有运用第四纪古土壤环境研究中常用于反映古气候古环境的指标，如土壤颜色、土壤矿物、土壤黑碳等。
2.1.1土壤颜色土壤颜色是其在可见光波段的反射光谱特性，与土壤有机质含量、氧化铁含量、质地、黏粒含量、水分、主导黏土矿物类型等理化性状密切相关［72］。已有环境研究结果表明［72-78］，土壤的颜色记录在千万年尺度上，土壤颜色色度指标中的红度、黄度和亮度与气候变化指标磁化率、粒度和碳酸盐均有很好的相关性，能很好地再现气候变化的特征，并能指示成土过程。比如，土壤红化率指数可推断古红土成土母质风化成土作用［72］;土壤红度值与年降水量有一定的定量关系［73］;土壤颜色的空间变化则可以反映气候要素对土壤性状的制约性［74］。因此，在环境研究文化遗址区古土壤时，土壤颜色作为气候变化的代用指标是完全可行的［75］，通过其颜色色度指标中的红度、黄度、亮度及其与磁化率、粒度等的关系来反映遗址区的气候状况，从而推测当时的生业方式及农耕条件;亦可运用红化率指数推断成土母质风化成土作用。此外，若遗址区土壤中发现红烧土［79］、灰烬［80］等颜色明显的古土壤，可推断古人类居住点的空间变化情况。
2.1.2土壤黏土矿物、土壤氧化物类矿物黏土矿物的沉积分异、组合特征，矿物含量及矿物结晶度均从不同方面记录了环境变化的信息，使黏土矿物成为了环境变化信息的载体［81］。不少国内外学者［78，82-84］通过对黏土矿物的环境研究，解释了沉积物的来源、古气候变化以及古环境特征。此外，还有一些学者探讨了总有机碳与黏粒含量及黏土矿物含量的相关性［85］，或结合黏土矿物参数指标与土壤粒度特征、CH测年数据进行分析［86］，提取沉积物记录的古环境信息。因此，在环境研究文化遗址区古土壤的黏土矿物特征时，若发现由相同母质发育形成的古土壤中黏土矿物不同，可以推测其可能受到了古人类或古环境的扰动，进而对黏土矿物与有机碳、黏粒含量、粒度、测年数据等指标进行相关性分析，从而推测古气候及古环境状况。土壤中的氧化物常作为反映成土过程和成土环境的指示物，可以通过分析不同氧化物、氧化物分子比值特征来说明地层所反映的氧化-还原条件、古气候的冷(暖)-干(湿)变化情况［87］。如全氧化铁(TFe2O3)指标反映相对降水量变化，硅铝铁率(SiO2/(Al2O3+Fe2O3))指示风化强度变化，氧化度(Fe3+/Fe2+)指示古温度变化，残积系数((Al2O3+Fe2O3)/(CaO+M+Na2O))、化学蚀变指数(CIA)、硅铝率(SiO2/Al2O3)、退碱系数((Na2O+CaO)/Al2O3)等风化参数也可以指示古气候变化［87］。此外，铁能够很好地反映自然土壤和有人为扰动的农田土壤的特征［88］;在相同或相近的降雨量、气温、排水状况等成土环境下，氧化铁可用于评价和推断土壤发育程度和相对成土年龄［89］。上述实例说明，土壤氧化物可以作为一个良好的指标来分析文化遗址区古土壤特性及其反映的古环境信息。
2.1.3蜗牛蜗牛是黄土地层中一类最为丰富的生物化石，对气候环境的变化十分敏感，能够提供较物理、化学指标更为详细的古气候、古环境信息［90］。已有学者［91，92］根据蜗牛化石组合推测气候环境的波动情况，如粉华蜗牛代表耐干旱、寒冷气候的生态特征，而齿螺代表喜潮湿、温暖的生态学特征［93］。因此，环境研究文化遗址区古土壤时，可通过蜗牛化石的环境研究来推测古气候、古环境信息，进而结合其他指标推导古人类活动。
2.1.4土壤黑碳目前黑碳仍没有统一的定义［94-96］，唐扬等［94］总结国内外学者关于黑碳的环境研究，认为黑碳是有机物不完全燃烧产生的具有较高热稳定性的焦炭、木炭、烟灰和高度聚集的多环芳烃类物质，此外包括生物体自然降解的残余物以及微小的有机碎屑。土壤黑碳可用于推断特定区域内较大尺度时间(10000a)内所发生的大火事件，也可用于人类活动对土壤黑碳组分的影响［94］，并且何跃等［97-98］环境研究发现土壤黑碳与有机碳比值可以反映不同燃烧活动的物质来源。此外，Wang等［99］通过对全新世土壤的黑碳记录环境研究显示，表层土壤的质量沉积速率相对于下层土壤有大幅度的增加，可能与人类活动的影响有关。因此，通过测定文化遗址区的土壤黑碳浓度，可以重建古火灾事件，进而反映历史气候干湿变化及化石燃料的使用历史。
2.2进一步加强土壤学与考古学的结合考古地层学环境研究是现代文化遗址区时空界定的重要标尺，也是考古学中最为重要的理论。在发掘过程中，根据土质土色来判断层位关系，是考古发掘过程中最常用的方法。但是对土壤缺乏科学系统的认识是目前考古学不可回避的事实。如果能在考古发掘过程中引入土壤学的相关知识，以其理论和方法统一考古对土壤的描述，加深土壤的系统环境研究，不仅可以促进考古学的规范化，同时也方便学科间的交流;并且可利用土壤特性分析成土时期周边的气候环境状况，从而为我们环境研究古代文化提供便利。例如文化层的年代顺序主要根据考古器物的(如陶片、瓷片、砖瓦块等)颜色、图案、花纹和形态类型与已确定年代的考古器物特征进行对比分析来确定，其结果可辅证土壤14C、热释光等测年结果，也可为大致判断对应自然层的年代提供参考。程鹏和宋诚［100］在环境研究良渚文化时指出，考古遗址的环境研究包括对考古遗址的时空位置和遗址自身的环境研究，前者主要通过分析古人类居住点的空间变化，后者则是通过对遗址的地层堆积的环境研究，从全局到局部的环境研究思路，同样可运用到土壤学环境研究中，从全局土壤一般性质到局部土壤特殊性质，变化差异可印证区域性和地方性环境演变与古人类生存活动的关系。王建新［6］通过对河南渑池县班村遗址及周围地区地层堆积情况的环境研究，确认了四种不同的地层，从遗址中心到遗址以外，人的作用越来越小，自然的作用越来越大，从而总结了将遗址边缘区作为纽带连接文化层与自然层的环境研究思路，再通过人工制品遗物和土色土质这两种标准的对应和结合，就可以找到自然层与文化层之间的关系，将遗址及其周围地区的环境与气候的变迁环境研究与考古学文化的分期环境研究对应起来，从而准确地为考古学文化变迁的环境研究提供环境与气候的背景。此外，农耕土层和文化断层值得特别注意［6］，农耕土层往往与自然土层相似，但其堆积的原始书理被破坏，可通过检测其中植物孢粉和硅酸体等的种类及数量予以确认，将农耕土层与遗址内外的自然层和文化层对应起来，进而推测农耕土层的文化时期;而文化断层是自然灾害的指示物，可以通过寻找文化断层来寻找自然灾害信息［101］。
2.3建立文化遗址区古土壤的诊断技术指标曹志洪［50］通过对中国史前灌溉稻田和古水稻土连续4年多的环境研究，提出了一套诊断古水稻田和古水稻土的技术指标，并获得了新石器时期“火耕水溽”———原始灌溉稻作技术的科学证据，以揭示7000a以来我国稻作农业的兴衰与全球气候变化的关系以及灌溉稻田和水耕人为土起源及其对世界文明的贡献。古人类活动在土壤中留下了许多的肉眼看得见和看不见的信息，事实上，土壤是我们环境研究古人类活动信息最主要的来源，在我们能够破译这些信息之前，土壤也是保护这些珍贵古人类信息的最好载体。因此建议建立文化遗址区古土壤的定性与定量化诊断技术指标体系，通过土壤结构、元素、微形态、动植物遗存、遗物遗迹等具体指标来推测古土壤特性及其所反映的古环境信息，并进一步推测古人类活动，以此对文化遗址区古土壤环境研究提供技术支持，同时有助于更明确地保护和环境研究古文化遗产。
2.4丰富文化遗址区古土壤的环境研究方法过程—响应关系是一种确定的土壤过程和由此产生的土壤特性之间的因果关系［102］。土壤过程会导致不同的、可量化的属性，如黏土淀积作用，并且这些特征是可诊断的［103-104］。考古土壤学的主要目标是以此联系某种土壤诊断指标和单一的因果过程或整套流程，下一步的环境研究目标则是量化这种关系［102］。这是因为文化遗址区考古土壤的过程—响应关系具有殊途同归性，即不同影响因素的组合可以产生相同的最终结果［105-106］。如Carter和Da-vidson［107］、Usai［108］通过土壤微形态探讨粉质黏粒胶膜与古耕作活动的关系，结果表明二者没有直接的相关关系，其形成可能与耕作，也可能与继承母质等非人为因素有关;Macphail的实验表明，经践踏和冻融过程后的粉质黏粒具有相似的特性;Courty［109］甚至对这种粉质黏粒胶膜给出了至少六种解释，以此例证了可能性解释的多样性。2014年9月在波兰托伦召开的第十三届古土壤大会上，主要由来自俄罗斯、墨西哥和中国的土壤学家介绍了遗址区古土壤环境研究新进展。TamaraCruz-y-Cruz在墨西哥北部和中部含有动物化石遗址区通过分析土壤中有机质、大型土壤动物骨骼化石、动物胶原蛋白和牙釉质的稳定碳同位素(δ13C)含量，还原出C3和C4植物含量比例，从而推导出古气候特征。Sycheva在旧石器文化Divnorie遗址运用土壤发生学推导古成土过程，并结合有机质、炭屑、连二亚硫酸盐和草酸盐含量分析以及孢粉谱测试结果，相互之间印证推导出古土壤成土环境。吴克宁在河南仰韶村文化遗址通过分析土壤的粒度、质地、磁化率、色度、孢粉和植硅体从而还原古环境特征，并推论出仰韶文化演变和气候变化的耦合关系。因此，可进一步探索运用新的气候替代指标和古人类活动检测方法来环境研究文化遗址区的古土壤，获取更多受古人类活动直接或间接影响的特殊指标数值，并分析各影响指标之间的相关关系，进而丰富文化遗址区古土壤的环境研究方法。
2.5加强对文化遗址区土壤的分类环境研究中国是历史悠久、文化辉煌的国家，其宝贵的文化遗产中蕴含着深厚的历史文化信息。对于文化遗址土壤这一特殊环境研究对象，土壤学家可通过考古资料推导不同时间尺度下古人类土地利用方式以及古气候环境;而考古专家在推测古人类生产生活方式需考虑土壤肥力、土地利用、土壤发育过程对遗存物含量及位置变化的影响。土壤学家和考古学家相互合作，有助于还原文化遗址区的景观环境和古人类活动，逐步加强土壤学和考古学的结合，不仅可以促进考古学的规范化，使环境研究成果更加科学，同时也方便学科之间的交流。环境研究古土壤已成为国际土壤学界新的环境研究热点，2006年在美国费城召开的世界土壤学大会上将“古土壤”增列为“土壤的时空演变(Division-1)”大专业下的“第6专业委员会”。
建议中国土壤学会土壤发生分类与土壤地理专业委员会下设考古土壤学工作组，汇集国内外土壤学与考古学的有关专家定期召开学术研讨会议，开展考古土壤学环境研究。随着环境研究广泛深入的开展，可以在国际土壤科学联合会(IUSS)古土壤专业委员会(Palaeopedology)下设土壤文化遗产功能工作组(Soilculturalheritagefunctionworkinggroup)，逐步建立一个新的学科分支。
作者：吴克宁 王文静 查理思 鞠 兵 冯力威 陈壮 于潇 单位：中国地质大学