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2022 , Vol. 77 >Issue 1: 66 - 78

DOI: https://doi.org/10.11821/dlxb202201005

地表过程与星球研究

青藏高原东北部甘加盆地古梯田地层与年代初探

  • 张陈彬 , 1, 2, 3, 4 ,
  • 吴铎 , 2 ,
  • 陈雪梅 5 ,
  • 袁子杰 2 ,
  • 陈发虎 1, 3
展开
  • 1.中国科学院青藏高原研究所古生态与人类适应团队,北京 100101
  • 2.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室,兰州 730000
  • 3.青藏高原地球系统与资源环境国家重点实验室,北京 100101
  • 4.中国科学院大学,北京 100049
  • 5.中国科学院西北生态环境资源研究院,兰州 730000
吴铎(1988-), 男, 甘肃通渭人, 博士, 研究员, 中国地理学会会员(S110011633M), 主要从事气候环境变化与人类影响研究。E-mail:

张陈彬(1998-), 男, 浙江海宁人, 硕士生, 研究方向为全新世人—环境相互作用。E-mail:

收稿日期: 2021-01-04

  要求修回日期: 2021-10-20

  网络出版日期: 2022-03-25

基金资助

国家自然科学基金项目(42171150)

国家自然科学基金项目(41988101)

第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0601)

中央高校基本科研业务费专项资金(lzujbky-2020-73)

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。
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A preliminary study of the strata and age of ancient agricultural terraces in the Ganjia Basin, northeastern Tibetan Plateau

  • ZHANG Chenbin , 1, 2, 3, 4 ,
  • WU Duo , 2 ,
  • CHEN Xuemei 5 ,
  • YUAN Zijie 2 ,
  • CHEN Fahu 1, 3
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  • 1. Group of Alpine Paleoecology and Human Adaptation, Institute of Tibetan Plateau Research, CAS, Beijing 100101, China
  • 2. College of Earth and Environmental Sciences, MOE Key Laboratory of Western China's Environmental Systems, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
  • 3. State Key Laboratory of Tibetan Plateau Earth System, Resources and Environment, Institute of Tibetan Plateau Research,CAS, Beijing 100101, China
  • 4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 5. Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, CAS, Lanzhou 730000, China

Received date: 2021-01-04

  Request revised date: 2021-10-20

  Online published: 2022-03-25

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42171150)

National Natural Science Foundation of China(41988101)

The Second Tibetan Plateau Scientific Expedition and Research(2019QZKK0601)

The Fundamental Research Funds for the Central Universities(lzujbky-2020-73)

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摘要

梯田是人类几千年来利用和改造自然能力的象征,在人类社会发展中发挥了重要的作用。甘加盆地位于青藏高原东北部甘肃省夏河县,盆地内的丘陵、山麓地带分布大面积的层状梯形景观,疑似弃耕的古代梯田。本文在实地考察的基础上,基于卫星遥感资料,通过GIS手段分析发现古梯田面积为42.2 km2（约63000亩）,主要分布在盆地内央曲河及其支流两侧海拔2936~3326 m间的山坡上。通过对3个古梯田剖面样品的磁化率、总有机碳/氮（TOC、TN）含量、孢粉、粒度等环境代用指标分析,同时对比具有准确年代控制的自然剖面磁化率与粒度。研究结果显示：梯田开垦于晚全新世（距今3000 a）古土壤,梯田剖面顶部25~35 cm不同于自然剖面而呈均一化的指标证实了耕作层的存在（距今约1000 a以下层位）;但耕作层之上TOC、TN含量的增多,以及梯田剖面与自然剖面整体一致的指标变化趋势说明了梯田被短期利用后长期废弃;结合历史文献资料推断夏河古梯田是在北宋“弓箭手屯田”制度（1074—1125年）下开垦的;气候重建资料显示该时段温度较高、降水增加,整体有益于农业生产。本文提供了过去人类社会适应气候变化的典型案例。

关键词： 甘加盆地; 夏河古梯田; 环境代用指标; 气候变化; 人类活动; 历史时期

本文引用格式

张陈彬 , 吴铎 , 陈雪梅 , 袁子杰 , 陈发虎 . 青藏高原东北部甘加盆地古梯田地层与年代初探[J]. 地理学报, 2022 , 77(1) : 66 -78 . DOI: 10.11821/dlxb202201005

Abstract

Agricultural terraces are a manifestation of man's ability to transform nature during the past thousands of years, and they have played an important role in the development of human society. The Ganjia Basin in Xiahe County, Gansu Province, is located in the northeastern Tibetan Plateau. A large area of banded landscape is distributed on the hills and piedmonts in the Ganjia Basin, which is claimed to be composed of large-scale abandoned ancient terraces. Based on fieldwork, satellite remote sensing data and GIS analysis in the present study, we found that the ancient terraces cover an area of 42.2 km2 and are mainly distributed on slopes between 2936 and 3326 m a.m.s.l. (meters above mean sea level) on both sides of the Yangqu River and its tributaries in the basin. Additionally, we analyzed various environmental proxies, including magnetic susceptibility (MS), grain size, the contents of total organic carbon (nitrogen) (TOC, TN), and palynological assemblages, from three representative sections of ancient agricultural terraces (GJAT-1, GJAT-1, and GJAT-3), and compared them with the MS values and clay content of a natural profile with accurate chronological control in the Ganjia Basin. The results indicate that the terraces are reclaimed paleosols dating to the Late Holocene (3000 kyr BP), and that the homogeneous MS values of the top 25-35 cm of the terrace profiles differ from those of the natural soil section, which confirms the existence of a cultivation layer in the terraces. However, the increases in the contents of TOC and TN above the cultivated layer, and the fact that the trend of MS in the terrace profile is broadly in line with the natural profile, indicate that the terraces were only used for a short interval and have been abandoned for a relatively long time. Combined with historical documentary evidence, we infer that the ancient Xiahe agricultural terraces were constructed as a result of the "Gongjianshou (bowman) militia farming" policy during the Northern Song China (1074-1125 CE). Climate reconstructions for the Northern Hemisphere and northern China demonstrate that the temperature was higher and that the precipitation increased during this interval, providing a favorable environment for agricultural production. Overall, our results provide a typical example of societal adaptation to climate change in the past.

Key words： Ganjia Basin; ancient Xiahe agricultural terraces; environmental proxies; climate change; human activities; historical period

1 引言

人与环境相互作用是地理学研究的核心问题。全新世以来良好的气候与环境背景蕴育了辉煌的人类文明;在此期间,以农业革命为开端的强烈人类活动亦对地球自然环境产生了深刻的影响[1,2,3,4]。古梯田是人类利用和改造大自然的重要标志[5],其不仅具有改善土壤的理化性质、保持水土等功能[6],而且构成了一种重要的农业景观。古梯田保存了丰富的气候环境与人类活动信息,国内外研究人员已对古梯田开展了诸多研究。Jiang等[7]在土壤放射性碳同位素测年的基础上,分析了龙脊古梯田正构烷烃、稳定碳同位素,探讨了气候变化对龙脊梯田作物类型的影响;Feng等[8]对龙脊梯田土壤中产甲烷古菌DNA进行了高通量测序,结果表明,产甲烷古菌的丰度、多样性和群落组成与有机碳、总氮和磷含量显著正相关,并且产甲烷古菌群落的多样性与水稻种植历史密切相关。国际上,Marcello等[9]通过研究玛雅文明时期的低山梯田农业系统,发现土地改良和梯田化能够提高农作物产量,对整个地区的生产具有重大的贡献;Londoño等[10]则通过了解秘鲁南部Wari梯田的结构和侵蚀模式,提出了现代农业生产力降低的直接原因是梯田和灌溉系统的废弃。因此,古梯田是研究过去人类社会形态、过去人类农业活动形式与强度以及社会发展状况的理想材料。
地处甘肃夏河的甘加盆地在历史时期是中原政权与少数民族政权的过渡地区,汉族与少数民族文化在此交融,该区是中原王朝与吐蕃、吐谷浑、唃厮啰、金等少数民族政权激烈争夺的军事要地。区域大规模人口的生存以及传统政权强大的军事力量需要足够的农业产量的支撑,甘加盆地在多个政权激烈角逐中扮演了重要的农业基地的角色。唃厮啰时期有“土地肥美,宜五种者在焉”的记载[11]。甘加盆地的丘陵、山麓地带分布有大面积的人为改造的层状梯形景观（图1）,疑似弃耕的古代大规模梯田。尽管已有学者对中国南方古梯田—云南龙脊梯田开展了以过去人与环境相互作用为主题的研究,但关于北方古梯田,特别是夏河古梯田鲜有报道。目前仍缺乏对于甘加盆地古梯田开垦年代,耕作时期的气候和社会背景的认识。
图1 夏河古梯田景观

Fig. 1 Landscape of the Xiahe ancient terraces

本文通过遥感地理信息手段,同时结合实地考察,确定了甘加盆地古梯田的分布范围与面积。通过对采集的3个代表性的梯田剖面的总有机碳（TOC）含量、总氮（TN）含量、磁化率（MS）、孢粉、粒度等指标分析,同时对比研究区自然黄土剖面,进一步证实了其为经人类改造的耕地。通过梳理历史文献资料,明确了古梯田的大致开垦时代,并通过与研究区附近重建的气候记录的对比,讨论了古梯田开垦与耕作的气候背景和社会归因。

2 研究区概况

甘加盆地位于甘肃省甘南藏族自治州夏河县北部,处于青藏高原东北端（图2）。央曲河贯穿盆地,流域边界全长约255 km,流域面积约1146 km2,海拔2821~4636 m,流域内最高点为盆地东北部的达里加山主峰。
图2 甘加盆地古梯田分布

Fig. 2 Distribution of ancient terraces in the Ganjia Basin

甘加盆地位于现代亚洲夏季风边缘区,高原大陆性气候特征明显。1981—2010年甘加盆地南部22 km的夏河气象站（海拔约2935 m）气象数据显示,4—10月平均气温高于0 ℃,最高值出现在7月,年平均气温为3.38 ℃;年平均降水为449 mm,其中5—9月降水量占全年降水量的82%。甘加盆地植被为高寒草甸,常见植物以密丛莎草和禾草为主[12],土壤类型为高原草甸土。由于地处高寒环境,无霜期较短,有效积温不足,农作物均属春性,主要包括小麦、青稞、豆类等[13]。甘加盆地具有悠久的人类活动历史。在盆地内白石崖溶洞发现的夏河人化石将青藏高原最早古人类活动推早至距今160 ka,显示丹尼索瓦人在中更新世晚期便开始了适应高原环境的征程[14],并一直持续到距今约45 ka[15]。历史时期,甘加盆地是历代中原王朝与少数民族政权剧烈争夺的军事要地,甘加盆地先后属于西汉、吐谷浑、唐、吐蕃、西夏、北宋、金、元、明、清等政权,至今在盆地内仍保留着始于吐蕃王朝的八角城（663—732年）以及南宋末期的斯柔古城遗址（1271±14年）[16];历史资料显示甘加盆地也是重要的经济发展中心,盆地内作海寺初建之时（1028年左右）,就有“农牧民数千户”的记载[17],后自1072年起,宋廷实行熙河开边,陆续收复西北包括甘加盆地在内两千余里失地[18],并推行开拓垦种政策,规定了“凡川原、河谷、慢坡地带,禁止放牧,惟其不堪耕种者,方许拨充牧地”[19]。

3 样品采集与实验方法

3.1 基于遥感与地理信息系统的古梯田形态特征分析

本文以甘加盆地古梯田为研究对象,利用覆盖研究区域的Landsat8 OLI影像以及该地区的DEM数据,通过ArcSWAT for ArcGIS 10.5提取了流域的边界以及盆地内河流,后通过ArcGIS 10.7在影像上用目视解译的方法提取古梯田边界、居民点、现代农田等信息,并利用Google Earth进行对比、校正,提取完成后统计古梯田面积、高程、坡度。Landsat8 OLI影像和DEM空间分辨率均为30 m。Landsat8 OLI影像由中国科学院计算机网络中心地理空间数据云提供,拍摄时间为2019年3月25日,影像云量为1.45%,DEM和遥感影像数据均使用WGS1984地理坐标系,UTM投影坐标系47号带。

3.2 古梯田剖面样品采集

2019年11月在甘加盆地古梯田中心区域内分别采集GJAT-1、GJAT-2、GJAT-3土壤剖面,3个剖面深度均为80 cm。每个土壤剖面按照1 cm间距采集样品,剖面位置、海拔信息见表1。样品实验室自然风干后用于实验。
表1 夏河古梯田剖面位置信息

Table 1 Location information for the profiles from the Xiahe ancient terraces

剖面名称 位置 海拔(m)
GJAT-1 35°27′09.75″N, 102°31′32.93″E 3193
GJAT-2 35°26′41.39″N, 102°27′58.09″E 3129
GJAT-3 35°17′34.75″N, 102°31′34.75″E 3184

3.3 磁化率测试

风干样品称重后用保鲜膜包裹后装入无磁塑料盒中压实,在远离干扰磁场的情况下利用英国Bartington公司生产的MS2型磁化率仪对每个样品进行了高频（4.7k Hz）和低频（0.47k Hz）磁化率测试。为保证测试准确度,在对每个样品测试前后各测量一次仪器背景值,确保背景值绝对值小于1以及前后背景值差低于0.3。根据测试结果计算高频质量磁化率（χHF）、低频质量磁化率（χLF）和频率磁化率（χFD = χLF - χHF）,单位为10-8 m3/kg。

3.4 粒度测试

对3个古梯田剖面按照2 cm间隔选取共计120个样品,每个样品称取0.25 g左右放入烧杯中,加入浓度为10%的双氧水至溶液变清且无细小气泡产生,再加入浓度10%的稀盐酸并加热去除碳酸盐。待样品冷却后,向其中注满蒸馏水静置12 h,后抽去上清液,加入10 ml浓度为0.05 mol/L六偏磷酸钠溶液作为分散剂,摇匀后置于超声波振荡器中振荡5 min,后在Mastersizer 2000激光粒度仪上进行全样测试。粒度的前处理和测量在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。

3.5 TOC与TN测试

磁化率测试结果显示,古梯田剖面在0~60 cm段磁化率呈现较高值（图3~图5）,因此对3个古梯田剖面0~60 cm段按照2 cm间隔挑选样品用于TOC与TN测试。取约0.5 g样品置于透水坩埚内,滴入浓度为10%的稀盐酸,至无明显气泡产生后在60℃水浴中恒温加热2 h,使其充分反应。最后用蒸馏水冲洗样品至中性,并在45℃条件下烘干后研磨至200目以下,装入离心管。TOC、TN测试的前处理在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。实验测试在兰州大学化学化工学院分析测试中心利用德国Elementar Analysensysteme公司生产的型号为vario EL cube的元素分析仪完成,总共测试90个样品,C、N测试误差≤ 0.1%。
图3 GJAT-1剖面低频质量磁化率(χLF)、频率磁化率(χFD)、粘土含量、总有机碳(TOC)、总氮(TN)随地层深度变化特征

Fig. 3 Low-frequency magnetic susceptibility (χLF), mass-specific frequency-dependent magnetic susceptibility (χFD), and the contents of clay, total organic carbon (TOC), and total nitrogen (TN) of the GJAT-1 profile

图4 GJAT-2剖面质量低频磁化率(χLF)、频率磁化率(χFD)、粘土含量、总有机碳(TOC)、总氮(TN)随地层深度变化特征

Fig. 4 Low-frequency magnetic susceptibility (χLF), mass-specific frequency-dependent magnetic susceptibility (χFD), and the contents of clay, total organic carbon (TOC), and total nitrogen (TN) of the GJAT-2 profile

图5 GJAT-3剖面质量低频磁化率(χLF)、频率磁化率(χFD)、粘土含量、总有机碳(TOC)、总氮(TN)随地层深度变化特征

Fig. 5 Low-frequency magnetic susceptibility (χLF), mass-specific frequency-dependent magnetic susceptibility (χFD), and the contents of clay, total organic carbon (TOC), and total nitrogen (TN) of the GJAT-3 profile

3.6 孢粉分析

孢粉样品处理采样常规的酸碱处理方法[20]。称取4 g样品加入1片石松孢子片剂（27637粒/片）,依次加入10%稀盐酸、10%氢氧化钠溶液和浓氢氟酸以去除碳酸钙、有机质和二氧化硅,后用10 mm的筛网富集孢粉,加入甘油封存于小指管内,在显微镜下鉴定和统计,对每个样品统计孢粉100粒以上。本文分别对每个古梯田剖面0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm的样品进行孢粉分析,共分析12个样品。孢粉分析在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。

4 结果

4.1 甘加盆地古梯田分布特征

夏河古梯田分布在甘加盆地内河流两侧丘陵、台地之上,主要分布在贡玛村两侧,卡加村西北侧,仁青村和仁艾村之间;仁青村北侧与作海寺南侧,以及白石崖寺院南侧等地也均有分布（图2）。夏河古梯田总面积约42.2 km2（63000亩）,分布平均高程约3116 m,最小高程2936 m,最大高程3326 m,平均坡度为10.08°。

4.2 MS、TOC、TN、粒度指标反映的梯田剖面地层与沉积特性

3个古梯田剖面的MS、TOC、TN以及粒度（< 4 mm含量）随深度变化曲线分别如图3~图5所示。GJAT-1、GJAT-2、GJAT-3剖面χLF变化范围为43.29~114.29 10-8 m3/kg、32.30~70.63 10-8 m3/kg、32.81~85.28 10-8 m3/kg。GJAT-1剖面和GJAT-3剖面磁化率在50~80 cm呈现低值,在50 cm附近磁化率迅速升高,0~50 cm呈现较高的磁化率值;GJAT-2剖面总体磁化率值较GJAT-1与GJAT-3剖面同层位的值低,但具有相似的变化趋势,即下部40~80 cm磁化率整体较低,0~40 cm磁化率总体较高。在整体高值的背景下,3个剖面在表层0~30 cm的磁化率值均表现出逐渐下降的趋势。此外,3个剖面自下而上χFD与χLF具有相同的变化趋势。
GJAT-1、GJAT-2与GJAT-3剖面的粘土含量整体表现出与磁化率数值相似的变化趋势,3个古梯田剖面< 4 mm平均含量均值分别为17.45%、15.00%、16.42%。就有机质含量而言,3个剖面的TOC均值分别为1.67%、1.27%和1.68%,TN均值分别为0.19%、0.14%、0.20%。TOC与TN含量自下而上整体递增,并在0~10 cm段快速升高,3个剖面呈现出较高的一致性变化趋势。此外,在顶部0~30 cm范围内,TOC、TN的变化趋势与磁化率变化趋势整体相反。

4.3 孢粉谱特征

从甘加盆地3个古梯田剖面12个土壤样品中共鉴定出24个不同科属的孢粉类型。乔木花粉类型常见的有松属、云杉属、桦木属和柏科;灌木花粉类型以蔷薇科、豆科、胡颓子属为主;草本花粉中禾本科、蒿属、莎草科出现频率最高;蕨类孢子常见的有水龙骨科。如图6所示,古梯田剖面孢粉组合以草本花粉类型为主,花粉百分比含量达82.75%,其中禾本科在GJAT-1剖面中含量较多,蒿属在3个古梯田剖面中均有分布,但含量不高,莎草科在3个剖面中含量较多,尤其在GJAT-3剖面中占主导地位。
图6 GJAT-1、GJAT-2、GJAT-3古梯田剖面主要孢粉百分比图

Fig. 6 Pollen percentage diagram for the main taxa from the GJAT-1, GJAT-2 and GJAT-3 ancient terrace profiles

5 讨论

5.1 代用指标指示的人类活动信息

磁化率是表征古气候变化的重要代用指标之一,其大小主要受到磁性矿物的种类、含量和颗粒大小等因素的影响[21]。成壤作用也是影响磁化率的重要因素之一,成壤过程中形成的细颗粒磁性矿物会增大土壤磁化率[22]。甘加盆地古梯田3个土壤剖面0~50 cm的χLF平均值分别为99.42 10-8 m3/kg、61.91 10-8 m3/kg、77.07 10-8 m3/kg,高于青藏高原东部表层土壤平均低频磁化率（54.88 10-8 m3/kg）[23]。对兰州九州台黄土层的磁化率研究表明,在黄土高原西部地区低频质量磁化率变化存在一个阈值（30 10-8 m3/kg）,在阈值以上,原生磁性矿物对磁化率影响减弱,磁化率与成壤强度呈现较好的正相关[24],因此研究剖面上部存在较强的成壤作用,这也很好地体现在3个古梯田剖面顶部约50 cm显著增加的粘土含量。
对比现代农田土壤剖面的磁化率,可以发现其顶部20 cm磁化率值异常偏高（图7f）,说明农田土壤表层磁化率大小与长期的耕作、施肥、秸秆焚烧等人类活动密切相关。耕地土壤中的耕作活动也会加强土壤颗粒的机械破碎,增强风化作用,提高表层土壤的磁化率[25]。进一步与具有准确年代控制的盆地内天然黄土—古土壤剖面的对比可以发现[26],古梯田剖面与天然剖面具有整体一致的磁化率与粒度变化趋势（图7）,但也可以清楚地发现,天然古土壤剖面的磁化率与粘土含量值具有更高的变率,例如距今3000 a左右存在显著的磁化率波动。3个梯田剖面均没有表现出在该层位的突变特征,这恰恰意味着古梯田剖面25~35 cm为潜在的耕作层。因为土地耕作扰动的影响,使得磁化率发生了均一化变化,沉积物颗粒大小也趋于均一化[27]。但距今1000 a以来梯田与自然剖面一致的磁化率变率和变化趋势,说明了古梯田没有继续受到耕作活动的影响,处于废弃状态。因此,甘加盆地的古梯田开垦于晚全新世（距今3000 a）的古土壤之上,并于距今1000 a前后短期耕作使用。另一方面,古梯田耕作层未增大的磁化率说明过去农业活动强度有限,可能鲜有施肥、焚烧等活动。
图7 甘加盆地古梯田、现代耕地与自然剖面指标对比

注：a古梯田归一化低频磁化率;b自然剖面BSY19A低频磁化率[26];c古梯田归一化粘土含量;d自然剖面BSY19A粘土含量[26];e古梯田归一化TOC;f甘加盆地现代农田剖面低频磁化率。

Fig. 7 Comparison of various proxy indexes for the ancient terrace, modern cultivated land, and the natural section in the Ganjia Basin

黄土中的有机质含量与所处的环境状况密切相关,尤其黄土在耕作过程中,其有机质含量会明显增加[28,29]。另外,研究表明土层有机质含量与磁化率有较好的对应关系[30],这一情况很好的体现在甘加盆地古梯田剖面30~60 cm段内,磁化率与TOC为显著正相关（GJAT-1、GJAT-2、GJAT-3磁化率与TOC的Pearson相关系数分别为0.962、0.849、0.954）,但在0~30 cm段内,TOC含量快速升高,与磁化率变化出现不协调的现象;特别地,甘加盆地古梯田3个剖面0~20 cm TOC平均含量为2.49%,高于自然状况下黄土高原西部地区表层土壤中的TOC含量[31],或许说明梯田结构的存在有利于保持土壤肥力[32]。这种TOC随地层自下而上逐渐增大的变化趋势,未见均一化变化,表明TOC没有被梯田化和耕作过程显著改变,意味着梯田农业发展水平有限或者仅仅存在短期的梯田耕作行为。
孢粉作为常用的古气候和古环境代用指标之一,在认识过去气候环境变化中具有重要的作用[33]。目前,孢粉分析已被广泛用于研究史前和历史时期人类活动强度的变化[34,35,36,37,38]。甘加盆地3个古梯田剖面较高的莎草科含量,指示了当时区域为较为湿润的草甸环境;剖面中共出现3种伴人花粉豆科、蔷薇科、禾本科[39],但仅禾本科在GJAT-1剖面百分比含量较高,同时,莎草科的大量出现表明当时古梯田杂草众多,与磁化率、TOC所指示的古梯田农业活动强度有限的推断相符。

5.2 夏河古梯田可能的开垦时代与气候背景

梯田在山坡丘陵地区保持水土,提高产量的作用是毋庸置疑的[6],但梯田本身的修建与维护则需要耗费大量的劳动力与资金成本[40],甘加盆地如此大规模的梯田修建必然伴随着相应的历史事件。甘加盆地具有悠久的人类活动历史。《汉书·地理志》记载[41],汉昭帝始元六年（公元前81年）,白石县建置于此,这也是中原政权在如今甘南藏族自治州建立的第一个行政建制。后甘加盆地在西晋时被吐谷浑占领[42],仍以游牧畜牧经济为主。唐朝大部分时期甘加盆地由吐蕃控制,当时的经济制度为“河谷种庄稼、半山放牧、高山狩猎,农牧相间”[43],奉行扩大畜牧业场地的政策[44],因此,甘加盆地在吐蕃时期并不存在大规模的梯田耕作行为。1038年,西夏建国后,甘加盆地成为西夏版图的一部分,仍从事着游牧经济活动[17]。直至宋朝宋神宗即位后,委派王韶进行了熙河开边,到1073年,收复了熙、河、洮、岷、叠、宕等州[11],甘加盆地重新归入中原王朝版图。在熙河开边之后,军粮供给成为了这些地区的一大难题,当时的军粮主要通过外地输入,但由于路途较远且难走,损耗较大,为了解决粮食短缺的问题,北宋名将曹玮提出了弓箭手屯田的制度,即招募当地居民为弓箭手,在戍边的同时,给予他们田地且免除徭役,粮食收成归己所有。这一制度成为了北宋在西北地区的重要边防制度。《宋史》记载,1074年,“河州近城川地招汉弓箭手外,其山坡地招蕃弓箭手,人给地一顷,蕃官两顷,大蕃官三顷”[11],明确指出了在河州山坡地进行农业耕作。同时,制度驱动的农业生产也符合在甘加盆地区域山坡上出现大规模梯田的现象。北宋屯田制度一直持续到了其灭亡前夕,宋徽宗于1125年下诏,“弓箭社人依已降指挥放散”[45]。此后,金朝虽然也存在屯田制度,但持续时间较短,主要分布在中原地区[46],西北地区屯田记载较少,且无在山坡开垦的历史记录。元朝时期,甘南属宣政院管辖,吐蕃等处宣慰司统领,元朝的屯田规模虽然庞大,但并无在宣政院屯田记载[47,48]。等到明清时期,甘南地区虽有军事屯垦的记载,但无在山坡进行耕地的记录[49]。因此,推测甘加盆地古梯田可能的开垦年代为1074—1125年,较短时间的耕作也印证了剖面禾本科花粉含量较少的现象。
该阶段所处的北宋后期北半球属于中世纪气候异常期（Medieval Climate Anomaly,MCA,约950—1250年）[50,51],同时也是过去两千年中整个中国地区持续时间最长的显著暖期[52,53]（图8a、8b）。根据直线距离研究区232 km的甘肃万象洞石笋记录[54]和位于典型亚洲季风区公海的降水重建记录[55],在梯田耕作时间段内,降水整体呈现持续增加的趋势（图8c、8d）。因此,较高的温度与相对充沛的降水有益于农业生产。夏河古梯田的开垦耕作很好地体现了过去农业社会人类活动适应气候环境变化的过程。
图8 过去1200 a研究区附近温度与降水变化记录

注：a北半球温度重建[51];b中国温度重建[53];c万象洞石笋氧同位素记录[54];d公海降水重建记录[55];黄色时段为夏河古梯田开垦及可能耕作的年代。

Fig. 8 Records of temperature and precipitation from the region adjacent to the study area during the past 1200 years

6 结论

通过对位于青藏高原东北缘甘加盆地的古梯田开展基于遥感信息手段的研究,以及对典型土壤剖面GJAT-1、GJAT-2、GJAT-3开展的磁化率、总有机碳氮含量、孢粉等环境代用指标的分析,同时对比自然黄土剖面,并结合历史文献资料,证实了古梯田的存在并推断了其开垦年代及气候背景。研究发现：① 夏河古梯田总面积约42.2 km2,分布高程介于2936~3326 m,平均约为3116 m,平均坡度为10.08°,主要分布于盆地内河流两侧山坡上。② 过去农业活动虽然使土体均一化,但对土壤的改造作用有限,且梯田长期被废弃。③ 甘加盆地古梯田可能于1074—1125年在北宋“弓箭手屯田”制度下开垦,当时温度较高,降水相对充沛,整体有益于农业生产。

感谢兰州大学资源环境学院博士研究生张姚与任秀秀、中国科学院青藏高原研究所博士研究生王彦人参与孢粉与植硅体前处理实验。

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