全新世東亞季風與人類活動存在500年周期的同步變化

　　今天，氣候變化對人類社會的政治、經濟、文化等產生了深刻影響，這已是不爭的事實。然而，在歷史和史前時期，氣候變化能否或如何影響人類社會文化、文明發展，近百年來，一直是自然科學和社會科學不同領域爭論的話題。

　　氣候變化的最基本的特征是它的周期性和事件的不確定性。長期以來，人們認識全新世（約1萬年以來）氣候變化與人類社會發展的關系，主要集中在三個方面:（1）災變性氣候事件：如洪水、干旱、地震、火山、冰筏事件等，對人類活動產生的重大影響；（2）周期性氣候變化：如十年-百年際時間尺度的周期性氣候振蕩，可能與游牧遷徙、人口變動、戰爭頻率、王朝更替等人類社會發展進程有關；（3）社會彈性（social resilience）：考古文化對氣候事件或周期脅迫的敏感程度。由于周期性氣候變化的過程、規律、機制在預報、預警方面的優勢和需求，它是近年來學界研究的焦點之一。

　　迄今，對于周期性氣候變化與社會變遷的許多研究成果，多來自有文獻記載的歷史時期，其時間和過程較準確可靠。但對于從全新世早期（農業開始的1萬年前后）到晚期，在這段漫長的人類發展過程中，由于缺少精確定年的、高分辨率氣候記錄，缺少精確定年的人類活動和文化變遷的定量指標，一直是影響研究長期氣候變化與人類活動關系的瓶頸。

　　中國科學院地質與地球物理研究所呂厚遠科研團隊與云南師范大學、山東大學和美國斯坦福大學合作，提供了全新世以來我國東北地區氣候和人類活動兩組完全獨立的代用指標記錄（圖1）：一組是，基于東北龍崗火山區小龍灣瑪珥湖年紋層沉積準確定年的優勢，高分辨率分析、鑒定了9260年以來（到公元2005年止）周邊植物花粉種類的變化（圖2），揭示出適應強夏季風溫暖濕潤氣候的櫟屬等花粉含量以及花粉組合第一主成分呈現周期性變化，暖濕相位的峰值年齡，先后出現在～8970、～8470、～7970、～7420、～6830、～6350、～5940、～5450、～4980、～4390、～3900、～3400、～2810 cal yr B.P（cal yr B.P為距公元1950年前的年齡），花粉含量譜分析呈現出顯著的500年周期（圖3a1、圖3a2），每個周期的波動幅度并不一樣，發生在中全新世后期的3個周期（峰值 ～6350、～5940、～5450 cal yr B.P）的波動幅度非常弱（圖4）。另外，花粉組合揭示出1萬年來的氣候暖濕變化，經歷了從低-高-低的總體變化趨勢，最暖濕的中全新世出現在約～7000  -～5000 cal yr B.P.，500年氣候周期，疊加在全新世氣候總體變化趨勢上（圖2櫟屬等）。

　　另一組是利用考古遺址碳十四測年數據概率密度方法，以高精度年齡框架重建史前人口變化記錄的優勢，全面系統獲取了我國東北和華北北部627個考古遺址碳十四測年數據，在排除大誤差樣品和其他無法反映人類活動的材料數據之后，進一步通過卡方檢驗進行數據合并，減少遺址間或同一遺址不同時期人為采樣的偏差，利用國際通用計算方法和希爾伯特黃變換（Hilbert-Huang Transform），獲得從8000年到2000年期間反映人類活動強度的碳十四概率密度曲線。結果表明，人類活動強度高峰值，先后出現在～7570、～6770、～6240、～5440、～4930、～4420、～3820、～3300、～2800 cal yr B.P.。譜分析和小波分析結果表明人類活動強度具有～500年主導周期 (圖3 b1、圖3b2)。

　　對比氣候變化和人類活動的結果表明，花粉記錄的季風氣候變化和碳十四概率密度揭示的人類活動存在約500年周期的同步變化，部分人類活動周期相位略滯后了幾十年。季風氣候周期性的暖濕/冷干與人類活動的強/弱，以及與史前文化的盛/衰的過程顯著相關。在東北地區史前六個文化繁盛期中（興隆洼文化，趙寶溝文化，紅山文化，小河沿文化，夏家店下層文化，夏家店上層文化），除了紅山文化（～6500  -～5000 cal yr B.P.）無法與中全新世后期3次非常弱的500年周期對應外，其它文化期都顯著對應著500年周期夏季風加強的暖濕期（圖4）。

　　紅山文化是中國北方最具代表性的新石器文化之一，被學者稱之為“中華文明曙光升起的地方”（圖5），目前位于東亞夏季風北部的邊緣區，其生態環境對周期性氣候變化敏感。但在紅山文化期對應的中全新世，是最強盛的千年尺度夏季風暖濕期，夏季風北部的邊緣區會進一步向西北遷移，可能抑制了該區500年氣候周期信號的強度，相對弱的500年周期氣候波動很難擊垮一個“社會彈性”已經很高的文化體系，包括增強土地利用的集約化農業、居住地和宗教活動的變化，以及精英階層獲得的空前的祭祀權力等。直到5000年前后，中全新世后期快速的變冷同時疊加了500年周期冷相位，加速惡化的氣候擊垮了紅山文化社會彈性底線。進一步研究發現500年周期性氣候演化與太陽活動引發的厄爾尼諾-南方濤動的頻率有明確的關系。同時也說明，不同時間尺度的氣候變化對不同地區（范圍）影響的程度和方式，可以是不一樣的。

　　總之，疊加在全新世氣候背景上的500年氣候變化周期，深刻影響了東北亞地區史前文化的演替和發展，溫暖濕潤的自然氣候，促進該區植物和動物生產力的提高，有利于史前人類文化、文明的發展、繁盛。

　　地質地球所副研究員徐德克和研究員呂厚遠為論文的共同通信作者和共同第一作者，研究員儲國強、吳乃琴、副研究員李豐江，云南師范大學教授沈才明，美國斯坦福大學教授劉莉，山東大學博士王燦參加了合作研究。該研究得到中科院戰略性先導科技專項（A類和B類）、國家自然科學基金、國家重點研發計劃、“973”計劃項目和云南省高端人才項目共同資助。這是該團隊利用植硅體、花粉等微體古生物方法，繼在學術期刊Nature（2005）、PNAS (2009, 2013, 2017)先后發表古人類活動、農業考古、古氣候變化等方面的成果后，又一次在國際期刊發表環境考古方面的成果。

　　研究成果發表于《自然-通訊》（Nature Communications）。

圖1 小龍灣瑪珥湖和14C定年的考古遺址位置圖

圖2 小龍灣瑪珥湖孢粉分析結果

圖3 櫟屬花粉和14C概率密度時間序列分析結果

圖4 櫟屬和14C概率密度500年周期變化與文化演化階段對比

圖5 紅山文化的代表性遺址和出土陶、玉器 （a,b,c1,e，孫永剛提供紅山文化遺址和文物照片）