气候环境演化与人类活动的关系逐渐成为近年来研究的热点问题^[1-8]。Sheashaa 等研究认为由湿润向干旱过渡的气候环境促使人类开展农业活动^[1]；美国密西西比河的河谷景观演变和气候变化对人类活动产生了重大影响^[2]；印度河流域气候变化对河流的洪泛作用是Harappan文明发展和衰落的重要因素^[3]。在中国，青海、甘肃以及陕西、山西、河南等地区研究发现，暖湿气候会促进文化发展，冷干气候则不利于文化发展^[4-8]。此外，气候变化促使人类的生产、生活方式发生明显改变^[9-10]，而干冷的气候还会导致某些文化中断和朝代更迭^[7,9,11]，其中，聚落遗址是古人活动的重要表现形式。但不同地区遗址的时空分布与环境演变具有差异性^[12]，若想证明人地关系的耦合过程，还需要进一步研究不同地区环境影响下的聚落遗址分布特征。

晋南地区位于黄河中游东岸地带，具有丰富的人文遗存，如陶寺遗址、丁村遗址、东下冯遗址等，与周围文明相互碰撞的过程中逐步形成自身人文特色^[13-15]。而研究大部分聚焦于中国传统考古学，对晋南地区遗址分布结合气候环境的研究相对较少。为此，本文利用ArcGIS软件对晋南聚落遗址空间分布进行可视化呈现，尝试对该区不同时期气候变化与遗址空间分布的关系进行研究。

1.   研究区概况

晋南地处山西省南部，包括今天的临汾市、运城市、吕梁市的石楼县和交口县，即民间所说的“晋南专区”。位于第二级阶梯的黄土高原东南缘，约占全省总面积的17%。气候较温和，整体上属于暖温带大陆性半湿润季风气候，年均温12～14℃，年均降水500～650 mm^[16]，四季变化明显。本区多山多川，地形以山地为主，北高南低；河网密布，水系发达，其中区内汾河呈条带状流经吕梁、临汾和运城3个城市(图1)。

图  1  晋南区位图

Figure  1.  Location of the southern Shanxi Province

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对《中国文物地图集·山西分册》(国家文物局，2007)聚落遗址整理统计可知，目前已经发现的晋南地区仰韶至夏商时期的遗址共1 415处。按照考古学文化序列，建立了仰韶文化(7.0～5.0 kaBP)、龙山文化(5.0～4.0 kaBP)和夏商文化(4.0～3.1 kaBP)3个遗址数据库^[17]。遗址数量丰富，大致呈现先缓慢增长后迅速减少的倒“V”型结构(图2)。其中，仰韶时期聚落遗址规模较大的有449处，约占遗址累计总量的31.7%，生产工具种类多样化、专业化，表明此时进入了锄耕农业阶段^[18-20]。到了龙山时期，遗址共有703处，占遗址总数的49.7%，农业生产技术进一步提高，生产工具更加精细化，家畜种类和农作物品种增多，是中国史前文化发展的鼎盛时期^[20-21]。随后进入夏商时期，遗址数量大幅减少，占比仅为18.6%，处于衰落时期。当时也是铜石并用时代，但青铜农具并不多见，可能是由于统治者对“国之大事，惟祀与戎”的关注和重视，石器农具和木质农具耒和耜使用较多^[22]。总体而言，遗址数量先后经历了上升期-激增期-衰退期3个阶段。

图  2  晋南地区遗址数量及占比统计图

Figure  2.  The number of historical cultural sites (left axis) in the southern Shanxi Province and the percentages (right axis)

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2.   研究方法

2.1   核密度分析

核密度分析是通过对点要素进行密度估计从而判断其在空间中的集聚程度。可以表示不同文化时期遗址点在空间上的散落与集聚变化，也可以显示核心密集地区对周围的影响程度。核密度值越高则区域遗址点在空间上的分布就越集聚，反之越离散^[23]。计算公式如下：

其中：K代表核函数，h >0表示预设半径，x−x_i是指点x到x_i的距离。

2.2   标准差椭圆

标准差椭圆从中心性、展布性、方向性、空间形态等角度解释点状要素的地理空间特征，是以x轴、y轴标准差及平均中心作为基本参数的一种定量分析方法^[23]。其中，扁率越大，方向越显著，平均中心公式如：

其中，x_i和y_i分别代表第i个遗址点的经度坐标和纬度坐标；n是遗址总数。

2.3   最邻近指数

最邻近指数是对不同时代文化类型的遗址进行空间集聚程度分析，计算每一个文化时期遗址点的最近邻指数(R)。R值小于1证明聚类分布；若大于1则呈扩散趋势。在同一个研究区内，R值越大，表明遗址点分布聚集程度越低^[24]，公式为：

其中：da是邻近距离的平均值，de代表期望距离，n表示样本数，A是研究区域的面积。

3.   晋南全新世中期遗址分布格局

3.1   遗址空间集聚特征

通过计算获得3个文化类型遗址点的R值(R值均小于1，Z值小于0，结果通过显著性水平0.01的检验)。从表1可以看出，仰韶、龙山和夏商时期遗址在空间上皆呈现聚类分布，但聚类程度逐渐减弱。仰韶和龙山时期的R值均小于0.5，而夏商时期R值较大为0.55。另外，夏商时期临界值Z最大，为−14.05，同样是集聚程度减弱的表现。相比之下夏商时期聚类程度最低，表明人们由原本的集聚生活逐渐开始分散。

表  1  晋南地区遗址空间分布的平均最近邻指数

Table  1.  Average nearest neighbor index of spatial distribution of the sites in the southern Shanxi Province

文化遗址最近邻分析结果
文化类型	遗址数量	R 最近邻指数	Z	P	分布类型
仰韶文化	449	0.24	−31.08	0.000	显著聚集
龙山文化	703	0.38	−31.66	0.000	比较聚集
夏商文化	263	0.55	−14.05	0.000	一般聚集

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3.2   遗址分布的距河远近特征

根据黄河中游汾河流域遗址距河流的分布状况，本文以0.5 、1 、1.5、2 km作为分级标准构建河流缓冲区，整理统计如下(图3)。全新世中期晋南地区大部分遗址位于距离河流2 km以内范围，说明遗址分布与河流有一定的相关性。仰韶和夏商遗址主要集中分布于距离河流0～0.5 km的区域内，各占聚落遗址总量的40.53%和41.44%；而龙山遗址大部分集中于0.5～1 km区域内，占比为42.67%。其次距离是1～1.5 km，2 km以上的河道距离内很少有遗址散布。从河道的濒临程度分析，仰韶、龙山和夏商遗址的河流缓冲距离1 km以内的分布数量，约占各时代遗址总数的67%、72%、69%，反映了龙山时期人们对河流的依赖程度有所增加。也从侧面说明，水源丰沛和河网密布是人类选址、定居、日常生产生活的适宜选择。

图  3  晋南地区不同河流缓冲区遗址数的占比

Figure  3.  Proportion of the sites in buffer zone of different rivers in the southern Shanxi Province

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3.3   遗址核密度分布和方向分布

利用ArcScene制作晋南地区地貌TIN（triangulated irregular network）图（图4b）。3个时期遗址重心的迁移过程如图4和表2所示。晋南地区从仰韶文化发展到龙山文化，遗址分布重心的经度变化为向东迁移约4′，纬度变化向北迁移约6.7′，整体迁移为东北方向（图4b）；从龙山文化发展到夏商文化，遗址分布重心的经度变化为明显向西迁移约8.4′，纬度变化向北迁移约2.6′，整体向更高纬度和更高海拔（图4b）的西北方向的黄土台地上位移，偏向较为明显。总体而言，3个时期聚落遗址的重心向高纬度、按逆时针方向移动，且龙山时期到夏商时期的重心海拔变化从135 ～460 m向460 ～688 m迁移。

图  4  晋南地区全新世中期遗址分布重心迁移图

Figure  4.  Gravity center migration of the mid-Holocene site distribution in the southern Shanxi Province

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表  2  晋南地区全新世中期遗址空间分布标准差椭圆

Table  2.  Standard deviation ellipse of spatial distribution of the mid-Holocene sites in the southern Shanxi Province

文化类型	中心点坐标	移动方向	移动距离 / km	方向角度 /( °)	椭圆扁率
仰韶文化	35°41′26″N、111°20′58″E	−	−	11.03	0.1676
龙山文化	35°48′09″N、111°25′20″E	东北	14.08	29.23	0.1733
夏商文化	35°50′49″N、111°16′57″E	西北	13.53	168.61	0.4183

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在GIS平台上应用“核密度估计”（kernel density estimation）对仰韶到夏商时期遗址分布进行空间分析，由图5分析可知：仰韶时期遗址分布密度相对较大，呈现出南北向排列的4个明显的团状分布(图5a)；到了龙山时期，遗址数量激增，分布逐渐变为高密度的带状排列，特别是以陶寺遗址为中心的高度集中的带状分布(图5b)，反映了兴盛的陶寺文化对周边文化较大的影响力，并且晋南地区的陶寺文化也是中华文明在中原地区形成的起点^[25]；夏商时期，遗址下降，密度急剧减少，主要分布在研究区的西北和东南部分区域(图5c)，而且与前期相比，遗址地域分布表现出向北收缩的趋势，中条山的山麓附近遗址数量较少(图5c)。

图  5  晋南地区全新世中期遗址空间标准差椭圆叠加核密度分析图

Figure  5.  Overlay of kernel density estimation on the spatial standard deviation ellipse of the mid-Holocene sites in the southern Shanxi Province

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运用“标准差椭圆”（standard deviation ellipse）分析晋南地区仰韶到夏商时期遗址的整体分布方向（图5）：仰韶时期，空间分布大致为SN走向，高海拔和远距离的太行山、吕梁山、太岳山以及低海拔的盆地和汾河流域附近均有大量遗址分布，总体上遗址分布范围明显大于龙山和夏商时期，几乎遍及整个研究区，分布范围最大，反映了当时人类对于定居地的多样性选择。到了龙山时期，分布呈现明显的EN-WS向，与汾河流向基本一致。遗址集中在水热条件较好的临汾盆地、运城盆地内部和汾河沿岸（图5b），也从侧面体现出龙山时期人类的生产生活对河流的依赖程度增加。而夏商时期，整体分布大致为WN-ES走向，与河流流向不一致。遗址多沿着西北部的吕梁山区、中部的塔儿山区、东南部的王屋山区分布。从扁率(遗址分布的方向明确性和向心力的程度)来看（表2），仰韶到夏商时期，扁率逐渐增大。夏商时期扁率为0.4183，数值最高，说明与仰韶和龙山时期相比，夏商时期遗址分布的方向趋势更加明显。

4.   讨论

4.1   晋南地区全新世中期遗址分布与气候变迁

气候变化对人们从事生产生活以及不同地区文化的兴衰演变产生了重要影响。在全新世整体温暖湿润的背景下，气候环境对文化的发展起到促进作用^[26]。为了深入了解晋南地区中全新世人类生活的气候环境背景，本文分别选取了晋南临汾地区的中梁铁厂(ZLTC)黄土剖面记录^[27]、晋北的公海降水变化曲线^[28]，结合中国其他地区的董哥洞石笋δ¹⁸O记录^[29]、西峰剖面平均粒径记录^[30]以及中国气温矩平值记录^[31]进行综合分析(图6)。

图  6  晋南地区不同代用指标记录的气候环境背景

a. 临汾中梁铁厂(ZLTC)黄土剖面平均粒径记录(改绘自文献[27])，b. 董哥洞石笋$ \mathrm{\delta } $¹⁸O记录(改绘自文献[29])，c. 山西公海降水量记录变化(改绘自文献[28])，d. 西峰剖面平均粒径记录(改绘自文献[30])，e. 中国气温矩平值变化(改绘自文献[31]).

Figure  6.  Climatic and environmental background recorded by different proxy indexes in the southern Shanxi Province

a: Average grain size of loess in Linfen Zhongliang Iron Works (ZLTC) section (modified from reference [27]), b: Dongge Cave stalagmite $ \mathrm{\delta } $¹⁸O record (modified from reference [29]), c: Changes in precipitation records in Gonghai, Shanxi Province (modified from reference [28]), d:Mean grain size records of the Xifeng section (modified from reference [30]),e: The change in deviation of mean temperature in China (modified from reference [31]).

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研究表明，7.0～5.0 kaBP，是中国全新世气候最适宜期。同时期黄土高原年均气温较现代高约2℃，年均降水量高约100 mm，400 mm等降水量线向西北推进200 km^[32]；豫北安阳地区检测到含量较多的亚热带花粉^[33]，说明当时中原地区水热配制十分优越，气候温暖湿润。在这样的环境背景下，晋南地区的仰韶文化迅速发展起来，遗址数量占累计总量的31.7%，分布范围遍及整个研究区（图5a）。空间上呈现南北纵向排列的4个团状分布，人口快速增长，进而扩展生存空间，成为晋南遗址分布范围最大的时期（图5a），高海拔和距河较远的地区也被人类开发使用。当时农业生产的播、种、耕、收、磨等工具应有尽有，尤其是翻土工具石铲、石耜、石犁的出现^[18-20]，是原始农业逐步进入耕作农业阶段的重要标志^[21]。栗黍农业成为黄河流域多个地区的主要生产方式^[26]，先民肉食的主要来源已逐步从渔猎手段转变为家畜饲养方式^[20]。温暖湿润的气候环境、生业经济和手工业经济的快速推进，是晋南仰韶文化遗址广泛分布的主要原因，推动了定居式农业的形成，并成为新石器时代影响广泛的主流文化^[26]。同期西辽河地区的红山文化（6.4～5.0 kaBP），随着暖湿的气候环境得到发展和壮大，并成为原始耜耕农业第一次繁荣发展的重要阶段^[34]。

5.0～4.0 kaBP，气候的暖湿程度降低。在周边地区有所反映：溱水流域在5000～4100 cal.aBP时期出现栎、桦、胡桃等阔叶树种，并发现喜暖湿的水生草本和蕨类孢子，指示当时较为暖湿的气候环境^[4]；从豫南驻马店调查中证实，自龙山时代以来人们生活的气候环境虽有小的波动变化，但气候仍以暖湿居多^[35]。整体来说，气候环境在4.0 kaBP之前仍较温和，基本满足栗作农业的生产条件。在晋南地区遗址数量猛增，密度较前期大为增加，空间分布相对聚集，由仰韶期的团状分布变为龙山期的以陶寺遗址为中心的高度集中的带状分布（图5b），说明气候环境较上一阶段有一定的恶化，海拔较高、自然环境恶劣的区域已不适宜人类生存。在弱暖湿的气候条件下，晋南地区龙山文化遗址数量较前期显著增多，一部分原因可能是些许干凉化的气候仍然适合农作物生长，人类的适应能力随之增强，农业生产工具的制作水平提高。除了占主导地区的石铲、石刀等，还在襄汾丁村遗址、陶寺遗址、曲沃方城遗址中发现了石耜、“V” 型石刀、犁状石器等^[20-21]，标志着晋南地区进入了犁耕时代。另一方面，气候的变化促使人类聚集在水源地附近（图3），此时晋南地区遗址整体分布方向为东北-西南向，与河流流向基本一致（图5b），利于大型聚落的产生。已经发现的晋南襄汾陶寺、曲沃方城、东许、垣曲古城东关等多处大型聚落遗址分布，在当时形成了经济发达的核心区^[20]。从家畜种类、农业生产工具的制作水平和种类、农作物品种和种植规模、遗址数量和规模等，都反映了晋南地区的龙山文化达到了史前文化较为发达的阶段。说明了气候变化在人类可适应和调节的范围反而可能激发生产技术的进步，进而推动文化繁荣发展。同时期甘青地区的马家窑文化（5.8～4.0 kaBP）遗址分布广泛^[36]、河南地区的龙山文化（4.9～4.6 kaBP之前）^[37]遗址迅速增加且分布范围从山区向平原扩散以及浙沪苏地区的良渚文化（5.3～4.0 kaBP）^[38]繁荣发展等都离不开相对暖湿的气候环境条件。

4.0～3.1 kaBP，西峰剖面^[30]和临汾ZLTC粒径^[27]变小，气候环境好转，总体趋于稳定。但是由于4.0 kaBP降温事件，极端洪水等自然灾害频繁发生，自然资源供不应求，对人类社会发展产生了巨大影响。夏商时期遗址数量减少到龙山时期的1/3（图2），分布密度迅速下降，聚类程度降低，部分遗址地域分布表现出向北收缩的趋势，在中条山山麓及以南的地区聚落遗存较少（图5c）。这种降温事件对古文化的影响在其他地区也有反映，同时期，青岛地区的岳石文化遗址数量下降，密度骤减，农业生产滞后，几乎不能满足人们生活的基本保证^[39]；河南地区的二里头时期遗址数目大幅度减少，分布范围向河流的上游地区收缩^[37]；甘青地区的马家窑文化也因此转变为齐家文化，大部分遗址和植被带东移，畜牧业比重增大^[36]等变化都可能受到气候事件的影响^[11]。

4.2   极端气候事件对晋南地区遗址分布的影响

在全新世中期整体温暖湿润的背景下，不同的时空尺度仍然存在差异性^[40]，特别是4 kaBP前后的全球降温事件^[41]，对文化发展产生了不可忽视的影响。同一时期，世界范围内表现为北大西洋地区广泛降温^[42]、非洲乞力马扎罗山冰芯氧同位素记录显示负偏^[43]、欧洲阿尔卑斯冰川广泛分布等^[44]。在中国（图6），山西省公海降水量^[28]、中国气温距平^[31]呈现降水量减少、气温下降的干冷气候环境，董哥洞石笋^[29]、西峰剖面粒度^[30]和临汾ZLTC剖面粒径^[27]曲线均显示了4 kaBP前后存在明显的冷事件，说明这个时期可能是世界范围内强冷事件的区域性响应^[41]。对于晋南中全新世气候环境而言，与全国以至全球具有总体一致性的变化特征，但波动变化强度以及时间先后略有差异，因此遗址空间分布呈现出不同的情形：降温事件致使晋南遗址数量大幅下降，聚类程度由原本精耕细作的集聚生活开始分散（表1，图5c）。一部分先民向纬度更高的地方迁徙（图4b）。据史料记载，殷的压迫使夏人多向北方逃亡成为匈奴(游牧部落)的远祖之一^[45]，由于当地气候环境并不适合原始农业，因而生产方式发生了变化，夏商畜牧业与游牧农业开始形成^[46]；另一方面，4 kaBP前后黄河流域洪水灾害频发，另一部分先民可能被迫迁向高海拔（图4b）的黄土台地上^[47]，表现为晋南遗址整体分布与山地联系紧密，中条山山麓地带的遗址数量减少（图5c）。因此，降温的气候环境和洪水灾害的发生，改变生产生活方式或者迁徙躲避山洪都可能是人类应对环境变化的选择，表明气候环境变化较大甚至超出了人类的适应能力，将会对文化发展产生致命的打击。晋南龙山文化可能就是受此影响被迫中断，也从侧面证实了当时恶劣的气候环境条件对人类生存和繁衍造成的不利影响。但与此同时，降温事件却又促进并推动着中原地区中华文明的发展。晋南地区作为龙山文化的主要分布区之一，也是二里头文化代表的华夏文明的诞生地^[18]。当时的极端降温事件激起了人与自然资源、人与土地之间的矛盾与斗争，也推动了原始国家产生与发展^[48]。因此，在某种程度上来看，自然环境变化也是中华文明产生的重要因素。

5.   结论

（1）晋南地区全新世中期文化序列划分为仰韶文化（7.0～5.0 kaBP）、龙山文化（5.0～4.0 kaBP）和夏商文化（4.0～3.1 kaBP）。遗址数量整体呈现倒“V”型，即“上升-激增-衰退”的趋势。

（2）晋南地区的仰韶文化时期，遗址数量迅速增加，呈现多个团状分布，高海拔和距河较远的地区也被人类开发使用，扩展生存空间使得遗址范围进一步扩大。随后的龙山文化遗址数猛增，主要集中在盆地和河流附近，对河流的依赖程度增加。在陶寺文化强大的影响力下，空间上呈现以陶寺遗址为中心的高度集中的带状分布。而夏商时期遗址数量较少，密度下降，空间分布与山地联系较为密切。总体来说，遗址空间分布从集聚到逐渐离散，重心分布向高纬度、逆时针方向位移，迁移方向呈现先东北后西北的变化。

（3）全新世中期的晋南地区总体特征是温暖湿润，但是也经历了气候波动事件。仰韶时期，水热条件好，物质来源较为丰富，原始农业出现，逐步开始定居生活，优越的自然条件推动仰韶文化发展，遗址数量迅速增加，分布范围最大，几乎遍及整个研究区。到了龙山时期，温凉干燥更加明显。一方面干凉化的气候仍然适合栗黍类农作物生长，人类适应能力也随之增强；另一方面，气候变化也促使人类聚集在水源地附近，便于大型聚落的产生，农业和畜牧业都得到了较大发展，从而使得遗址数量猛增，密度增加，人口迅速增长，龙山文化繁荣发展，表明气候变化在人类可适应和调节的范围内会成为史前文化发展的重要动力。进入夏商时期后，由于4 kaBP前后全球范围内的急剧降温事件，致使人类生存面临严峻挑战，可能是龙山文化衰落的主要原因之一，但是从某种意义上来说环境变化也促进了中华文明的诞生。