【摘要】考古发掘的遗迹遗物绝大多数被埋藏于土壤或沉积物中，因此对考古遗址中土壤和沉积物的研究对于了解遗迹遗物的埋藏过程、出土背景和地层关系等具有重要意义。土壤微形态（soil micromorphology）分析是通过显微观察研究土壤微观形态特征及其形成过程的有效手段。自20世纪50年代以来，这一方法被广泛应用于国际考古学研究并逐渐发展成熟，成为地学考古（geoarchaeology）的主要研究手段。由于国外考古学对于土壤微形态方法的应用起步较早，积累了较多研究案例和经验，因此有必要对国外考古学中的土壤微形态研究进行梳理。本文从遗址、遗迹和遗物三个层次综述了土壤微形态方法在国外考古学中的应用。在遗址尺度，微形态方法主要用于洞穴（岩厦）和旷野遗址的形成过程研究，通过进行遗址沉积微相的分析，研究遗址埋藏过程及古人类行为。在遗迹层面，对活 动面、墓葬、坑（沟）类遗迹、耕地、燃烧遗存、建筑等均已开展了较多研究，并建立了相关微形态特征判别标准。此外，随着微形态方法的发展，它被引入石制品、陶瓷器、金属制品等遗物的相关研究，为判别遗物的原料来源、加工技术等提供了新视角。总之，国外土壤微形态研究呈现出研究目的和对象多样、研究时空范围大、研究方法综合化的特点。未来不但要加强国内考古学者对土壤微形态方法的了解，而且要加强“地学—考古学”交叉学科人才培养，并与田野考古紧密结合，以推动微形态方法在我国考古学中的广泛应用。
展开剩余96%【关键词】土壤微形态；地学考古；遗址形成过程；沉积物
1 引言
土壤微形态学是土壤科学的一个分支，它的基本任务是根据显微镜下观察、描述的土壤微形态特征及变化来说明土壤生成、发育的演变规律，从而帮助了解自然因素或人为因素对土壤形成过程的影响[1]。土壤微形态学的创立可追溯至20世纪30年代Kubiëna所著《微土壤学》（《Micropedology》）的出版[2]，此后随着学科的发展，土壤微形态的描述和解释方法也愈加成熟。1985年Bullock等人所著的《土壤薄片描述手册》（《Handbook for soil thin section deion》）[3]建立了国际通用的土壤薄片描述系统，初步解决了长期以来由于术语的繁多、深奥和歧义所造成的问题。2003年Stoops[4]在此基础上对描述系统进行了更新，出版了《土壤和风化层薄片分析和描述指南》（《Guidelines for Analysis and Deion of Soil and Regolith Thin Sections》），使土壤微形态学的相关概念更为清晰、规范；2021年Stoops[5]又再版了此书，完善了土壤微形态的描述体系。2010年Stoops等[6]所著的《土壤和风化层微形态特征的解释》（《Interpretation of Micromorphological Features of Soils and Regoliths》）出版，该书是目前最系统的土壤微形态分析专著；2018年此书再版[7]，对部分微形态特征做了更为详尽的分析和解释，并增加了许多最新研究成果。
为进一步了解国外考古学中土壤微形态方法的研究历史，我们以“soil micromorphology，archaeology，geoarchaeology”为关键词在Web of Science进行检索，从1980至2024年“总库”中共检索出英文文章1717篇。文章发表整体呈增长趋势，自21世纪以来增幅显著（图1）。
图11980-2024年考古学中土壤微形态研究的英文论文发表情况
Fig. 1Publication of English papers on soil micromorphology in archaeology from 1980 to 2024.
土壤微形态方法被引入国内的时间相对较早。1939年，黄瑞采在金陵大学农学院的科学报告会上最早向国内介绍了Kubiëna的《微土壤学》。20世纪60年代，我国相继设立土壤微形态研究机构、翻译国外专著文献，并开始在国内开展土壤微形态研究的实践[9]。1991年黄瑞采所著的《土壤学微形态学——发展及应用》[14]出版，该书系统整理了土壤微形态的理论体系和研究方法，成为许多高校土壤学的参考书。总体而言，国内土壤微形态的相关研究最初主要集中于土壤学、第四纪地质学等研究领域，与考古学关联甚小。土壤微形态方法在我国考古学中的应用起步较晚，虽然在20世纪80年代，曹升赓[15,16]、潘根兴[17]等均提到过土壤微形态方法在考古学中的应用，但未见专门论述文章。直至1995年李容全在论述“重建古代人类生存环境的主要方法”时，才明确提出将土壤微形态方法应用于遗址古土壤学分析[18]。2015年，何毓蓉和张丹出版了《土壤微形态研究理论与实践》[19]；2022年，唐克丽和贺秀斌出版了《土壤微形态学及其应用》[20]，这两本书全面介绍了土壤微形态方法及应用，为国内学者系统了解土壤微形态方法提供了重要参考。
近年来，国内考古学者日益重视土壤微形态方法，开展了诸多研究并取得了重要成果。如对瓦店[21]、城子崖[22]、焦家[23]、凌家滩[24]等遗址开展了壕沟、城墙堆积物的微形态研究，分析了我国古代壕沟、城墙的生命史和功能变化；在罗家坝[25]、盘龙城[26]等遗址开展了灰坑的微形态研究，为研究灰坑堆积过程和遗址人地关系提供了独特视角；对茅山[27]、三杨庄[28]、上山[29]等遗址古耕地的微形态研究，对于揭示我国农业起源、农业技术发展及社会组织形式演变等问题具有重要作用；月庄[30]、良渚[31]、和龙大洞[32]、城坝[33,34]等遗址借助微形态技术对遗址形成过程和沉积环境进行了复原，对研究区域环境变化、古人类对环境的适应性策略提供了微观视角。除上述研究外，周口店[35]、喇家[36,37]、东方广场[38]、仙人洞[39]、仰韶[40-43]、碧村[44]等遗址也开展了相应的微形态研究。也有一些学者对土壤微形态方法及其在考古学中的应用进行了介绍和总结，如靳桂云[1,45]、姜钰[46]、李海群[9]等。
总体而言，土壤微形态方法在我国考古学研究中的应用起步较晚，研究范围有限，主要集中于对一些遗迹现象的分析研究，呈现出研究范围较小、研究对象较少的特点，而国外考古学领域土壤微形态方法和相关研究则呈现出全面、系统、成熟的特点。鉴于国内的相关成果在《土壤微形态分析及其在考古学中的应用》[1,45]一文中已有较为详细、全面的综述，本文主要对国外考古学中土壤微形态方法的相关研究进行梳理，以了解其在考古学中应用的价值和潜力。国外考古学领域土壤微形态方法的发展历程对我国具有重要的借鉴意义。首先，经过近百年的探索和发展，土壤微形态方法已应用到国外考古学研究的各个领域，为国内提供了可行的研究思路；其次，其理论方法、鉴定标准与描述体系已相当完备，重要遗存的微观特征大多得到了系统性总结，积累了大量可参考的经验；第三，发展史也显示了土壤微形态方法在考古学中运用的局限性，使我们在研究过程中能够注意需要规避的误区。为了厘清土壤微形态方法在不同尺度考古遗存研究中的作用，方便国内考古学者，尤其是田野考古工作者，了解国外考古学领域土壤微形态方法的研究动向，本文结合国内考古学研究分类习惯，从遗址、遗迹和遗物三个层次对相关研究进行综述。
2 遗址形成过程研究
广义的遗址形成过程涉及遗址在被发掘之前所经历的整个过程，包括遗址的选址、使用、改造、废弃、埋藏，乃至再次占据和使用等环节[47]，这类研究有助于解读古人类遗址的形成和埋藏过程，对于理解早期人类生存行为具有重要意义[48]，是考古学运用土壤微形态方法进行研究的重要内容。本文根据遗址类型将相关研究分为旷野遗址和洞穴（岩厦）遗址两部分。
2.1 旷野遗址形成过程
部分土墩（mound）遗址也开展了土壤微形态研究，Kidder等[54]对位于密西西比河沿岸的Poverty Point 遗址进行了土壤微形态分析，并结合年代学分析和磁化率、烧失量测试结果，发现该遗址的RidgeWest 3是连续沉积的，且通过微形态观察并未发现风化迹象，研究者据此推测它可能是在几天或几周内快速建成的。同样位于密西西比河流域的Graveline遗址也进行了相关研究，Sherwood等[55]通过微形态观察将土墩沉积物划分为三个快速建造阶段，并指出该遗址最初可能是用于祭祀或举办特殊仪式的地点。
总体而言，在研究旷野遗址形成过程时，需要将土壤微形态与传统地学方法和野外观察相结合，才能得出坚实可靠的结论。
2.2 洞穴（岩厦）遗址形成过程
洞穴和岩厦一直是人类居住地的最佳选择之一，因其“封闭”的特征，洞穴遗址的沉积物具有自身独特的沉积特征且往往容易被较好地保存[56]，对于揭示环境变化、遗址形成过程以及解读古人类行为等具有重要作用。1979年Goldberg[57]首次运用微形态方法对洞穴遗址沉积物进行研究，此后微形态技术逐渐被广泛应用于南非、地中海周缘、东亚与东南亚等地区的洞穴遗址研究中[58]。吴金旭等[58]对洞穴堆积物的形成机制和基本特征进行了较为全面的综述，本文将洞穴（岩厦）遗址的形成过程分为沉积成因和后生变化两部分进行讨论。
2.2.1沉积成因
洞穴（岩厦）的沉积成因较为复杂，遗址在沉积过程中受到自然因素和生物（人类）因素的双重影响。通过在微观视角下对不同堆积物进行观察，可以区分沉积动力，从而复原洞穴（岩厦）遗址的形成过程。
2.2.1.1自然因素
洞穴（岩厦）在形成过程中受自然因素的影响很大，根据沉积动力的性质和特征可将这类沉积作用分为风力作用、径流和片流作用、洞穴滴水和地下水作用、洞顶剥落和寒冷气候作用五种[11]。
径流和片流作用也是洞穴（岩厦）的重要沉积动力，这类沉积物在洞穴、岩厦遗址中十分常见，如法国Bois Roche遗址[11]中发现有径流形成的层状粘土沉积物（图2c）。但沉积层厚度会因沉积动力的强弱产生差异[11]，且这类沉积物受其他作用影响较大，易被沉积后作用破坏。
洞顶剥落形成的堆积物（éboulis或roofspall）与洞穴基岩的岩性相同，在洞穴（岩厦）堆积物中十分常见（图2g、h），其分选度和磨圆度的差异可以指示碎屑与剥落位置的距离（表1）[11]。这些碎屑堆积物对于揭示环境变化也有一定的作用，大多数洞穴的基岩为石灰岩和白云岩，这类岩石受风化作用和温度、湿度的影响较为强烈，如在西欧的一些洞穴遗址会在冰期发生强烈的冻融作用而形成碎屑堆积物[11]。但在很多洞穴中石灰岩和白云岩碎屑可能被磷化或完全溶解，因此不能将其作为衡量环境变化的绝对指标。
寒冷气候作用多指冻融作用，这一特征在欧洲旧石器时代的一些洞穴遗址中十分常见，其主要特征如表1所示，Lusakert Cave、Ortvala Klde等遗址中的冻融作用均以透镜体为显著特征（图2i–k），反复的冻融可能会导致一些沉积物团聚体由于旋转而变成颗粒状[62,63]（图2l）。
图2洞穴（岩厦）遗址自然沉积物的微形态特征
Fig. 2Micromorphological characteristics of natural sediments in cave (rockshelter) sites
(a)风积物，其中混杂有骨骼、燧石、木炭等，Grotte Mandrin遗址，PPL[11]；(b)两个叠加的流石层（F1和F2），中间为风成砂，Pinnacle Point Cave 13B遗址，PPL[60]；(c) 低能量径流沉积的粉砂质粘土，Bois Roche遗址，PPL（左），XPL（右）[11]；(d)洞顶滴水形成的钙质亚胶膜（hypocoatings）（红色箭头所示），Pech de l'Azé II遗址，PPL（左），XPL（右）[11]；(e)浸水环境下形成的间质亮晶方解石，Galeria Pesada遗址，PPL（左），XPL（右）[11]；(f)渗流环境下形成的泥晶或微亮晶，Gran Dolina-TD10遗址，PPL（左），XPL（右）[11]；(g)洞顶剥落的碎屑，Gran Dolina-TD10遗址，PPL[11]；(h)同(g)，XPL[11]；(i) 水平层状的寒冻碎屑，Lusakert Cave遗址，PPL[11]；(j)发育较弱的透镜体，Ortvala Klde遗址，PPL[11]；(k)发育较好的透镜体，Ortvala Klde遗址，PPL[11]；(l)颗粒状特征，Ortvala Klde遗址，PPL[11]
2.2.1.2生物（人为）因素
洞穴中的人为堆积物包括铺设于地面之上的草席、踩踏形成的各类碎片、生活遗物等，燃烧遗存对于研究古人类用火行为具有十分重要的意义，本文将其作为特殊遗迹单独分类并在下文讨论。人类遗物常在各种类型的沉积物中发现（图2a），而由于人类踩踏产生的沉积特征多表现为沉积物的压实和骨骼、蛋壳的断裂等，如在Pech de l'Azé IV遗址[64]中发现了因踩踏断裂的骨头（图3a）。值得一提的是，在南非Sibudu遗址[65]的研究中，研究人员借助微形态技术重现了人类用火、清扫、铺设草席和燃烧垫层等行为（图3b-g），这项研究为复原洞穴（岩厦）遗址内的人类行为提供了范式。
除了人类的占据外，一些动物会在一定时间内占据洞穴（岩厦）作为栖息地或冬眠场所，并会产生各类沉积物，同时也会对洞穴中的人类遗存造成破坏。洞穴（岩厦）遗址中常见的生物沉积物以动物粪便和植物遗存为主，在Roc de Marsal、Lusakert Cave、EI Salt、Kebera和Hayonim等遗址中均发现了生物沉积痕迹（图3h-m），它们具有较为明显的显微特征[11]，具体特征如表1所示。
表1洞穴（岩厦）遗址沉积成因的分类及特征[11,58]
Tab. 1Classification and characteristics of sedimentary genesis of Cave (Rockshelter) sites[11,58].
2.2.1后生变化
洞穴（岩厦）遗址内的后生变化可分为后生物理过程（Physical postdepositional processes）和后生化学过程（Chemical postdepositional processes）两类，这类后生变化可能会导致一些重要信息的丢失，也会对沉积成因的判断造成干扰。
后生物理过程是指受自然、生物、人为营力作用的影响，洞穴堆积物的结构、构造以及空间位置发生改变，而成分未发生变化的过程[58]。上述风力作用、径流与片流作用以及人类踩踏、清扫等行为均会使沉积物发生后生变化，同时生物扰动也是后生物理过程的重要部分。Reatto等[66]在巴西高原的研究表明中小型动物的活动会使沉积物的微结构发生改变，如孔隙度的增加、软粒状（Crumb microstructure）或小粒状微结构（Granular microstructure）的形成等。此外，研究者在以色列Kebara遗址中发现啮齿类动物的活动会使原有的沉积构造消失，并形成疏松的团聚体（图3n）[11]。
后生化学过程与水力作用、生物作用密不可分，在洞穴（岩厦）遗址中常见碳酸盐、石膏、方解石、赤铁矿晶体等矿物，这些矿物的沉积和溶解均属于后生化学过程。对它们的分析有助于判断当时洞穴（岩厦）内部的气候条件、生物活动情况和滴水及地下水情况等。Mallol等人[67]对西班牙Esquilleu洞穴进行了微形态分析和红外光谱分析，发现洞穴上部沉积物未发生成岩变化，而底部沉积物已经受到弱至中度成岩作用影响。此外，后生化学过程产生的一些矿物易溶于水（如石膏、硬石膏），因此这些矿物的存在一定程度上可以指示较为干燥的环境[11]。
图3洞穴（岩厦）遗址生物（人为）沉积物的微形态特征
Fig. 3Micromorphological characteristics of biological (anthropogenic) sediments in cave (rockshelter) sites
(a)顶部被踩踏导致碎裂的骨骼，Pech de l'Azé IV遗址[64]；(b)用于维持火种的、部分燃烧且有踩踏痕迹的草席，Sibudu遗址，PPL[65]；(c)含木炭的层状结构，底部有碎骨，Sibudu遗址，PPL[65]；(d)含植硅体的层状结构，Sibudu遗址，PPL[65]；(e)人类倾倒、耙出或清扫灰烬，Sibudu遗址，PPL[65]；(f)人类清扫、耙出、倾倒或踩踏形成的活动面，Sibudu遗址，PPL[65]；(g)被人类踩踏过的活动面，Sibudu遗址，PPL[65]；(h)鬣狗粪便，Roc de Marsal遗址，PPL[11]；(i)食草动物粪便，Lusakert Cave 遗址，PPL[11]；(j)纤维状食草动物粪便，EI Salt 遗址，PPL[11]；(k)海绵状食草动物粪便，EI Salt 遗址，PPL[11]；(l)鸟类粪便，EI Salt 遗址，PPL[11]；(m)硅质种皮，Kebera和Hayonim遗址，XPL[11]；(n)被啮齿动物扰动的沉积物，Kebera遗址，PPL[11]
3 重要遗迹研究
在遗址中常有许多重要遗迹发现，如古耕地、灰坑、壕沟等，它们对于揭示人类行为包括耕作、营造技术的发展具有重要意义。国外考古学者利用微形态方法对这些重要遗迹开展了一系列的研究，逐渐形成了较为系统的分析体系。
3.1 人类活动面
目前，已有许多遗址进行了对古人类活动面的微形态分析，其中Çatalhöyük遗址的相关研究较为全面，微形态观察确认了该遗址古人类活动面的基本特征，发现了古人类对地面的加工行为，同时显微观察也发现了人和动物的踩踏行为造成的基质的压实和部分包含物的原位破碎等现象[69]。关于人类踩踏行为的研究，已有许多学者进行分析总结，其中Rentzel等[11]结合文献资料和实验分析提出了四个可靠的鉴别标准：第一，微观结构的改变，如整体孔隙率的降低、壁状（Massive microstructure）或板状微结构（Platy microstructure）的形成等；第二，层理发育；第三，砂粒、木炭、骨骼等较粗组分的水平定向分布；第四，粉砂质粘土或尘状粘粒结皮的形成。
此外，对一些活动面进行微形态观察还可以发现人类清扫地面以及通过燃烧垫层来维持火种的行为，如南非Sibudu遗址[65]的微形态分析揭示了古人类的用火、维持火种、踩踏、清扫等行为，并对该遗址活动面的沉积序列进行了复原（图4a）。对人类活动面的研究还可以揭示古人类的地面铺垫行为，Karkanas和Efstratiou[70]通过微形态分析发现Makri遗址的石灰地面被定期重铺，重建了该遗址的活动面序列（图4b），揭示了该遗址古人类的地面加工技术。
图4活动面复原示意图
Fig. 4Schematic reconstruction of occupation surfaces
(a) Sibudu遗址活动面复原[65]；(b) Makri遗址活动面复原，其中H、F、C为定期重铺的石灰地面， PPL[70]
3.2 墓葬
墓葬形制、随葬品等反映了古人的葬俗、丧葬观念、等级分化和社会结构等重要信息，对墓葬沉积物的微形态分析可以帮助我们了解先民的埋葬过程、埋葬方式等。目前许多国外学者通过微形态技术对墓葬的修建、埋藏过程进行了复原，并对当地的葬俗进行了合理推测。
Aspöck和Banerjea[71]利用土壤微形态方法对奥地利东部一个青铜时代早期的墓穴进行研究，重建了墓穴形成过程，进而对墓葬重新挖掘的过程进行了解读。Angelucci[72]通过微形态技术对葡萄牙Encosta de Sant’Ana遗址的一个墓葬进行了分析，复原了该墓葬的埋藏过程和该地的火葬习俗，指出该墓葬至少经历过一次改建，风化的矿物颗粒表明墓葬可能不是封闭的。Karkanas等[73]对爱琴海地区迈锡尼墓葬进行了研究，显微观察发现沉积物存在明显的截断面和粒度、孔隙度、压实度的突变，推测该墓葬发生过挖掘和回填，证实了该地区存在多次葬的葬俗。Tipping等[74]利用土壤微形态方法对苏格兰Biggar Common地区两座青铜时代的墓葬填土进行研究，发现墓葬填土中缺乏有机草皮遗存，结合孢粉分析和墓葬周围环境推测古人类对该区域地表进行了前期处理。
3.3 灰坑、壕沟、池塘
灰坑、壕沟、池塘等埋藏类遗迹是古人类依据当时的生活需要利用自然地形或有目的的挖掘而产生的，其形成和埋藏过程受到自然和人为因素的双重作用。对这类遗迹的土壤微形态研究主要是对其修建过程、原始功能和沉积埋藏过程的分析，以及进一步研究挖掘、清淤、丢弃、焚烧废弃物等人类行为。
灰坑是考古遗址中最为常见的遗迹类型，对灰坑内堆积物的分析可以获得关于遗址年代、古人类生计方式等丰富信息[26]。Simpson等[75]对冰岛东北部Hofstaðir遗址的大坑进行微形态分析，发现坑底为压实层，坑内沉积物有食物碎屑、木炭、草皮材料等，据此推测该灰坑是由下沉式建筑倒塌形成的，后又被当地的农场垃圾填满。罗马尼亚南部Măgura Buduiasca遗址内灰坑的微形态分析发现坑内人为堆积物和基岩碎屑存在混合现象，说明这些灰坑可能经过了重新挖掘和回填[76]。Robert等[77]通过加拿大Fort Odanak遗址发现的四个灰坑进行微形态分析确定了灰坑的主要功能，发现四个灰坑在废弃前都是作为垃圾坑使用，通过对其中两个灰坑包含物和形态特征的观察推测其最初可能被用作储存设施。
壕沟和沟渠内的沉积物是了解古人进行土地—水资源管理和景观管理的重要考古材料，微形态方法在考古学中的应用为研究壕沟的功能、使用过程以及古人对水资源的管理等问题提供了新视角。Lisá等[78]对捷克新石器时代环壕以及罗马时期防御性壕沟进行了微形态研究，发现新石器时代环壕由下部因自然作用形成的层状堆积物和上部由人类活动形成的块状堆积物构成，而罗马时期的壕沟的内部堆积物则主要是自然因素作用的结果。Krupski等[79]通过对波兰Mikulin 8遗址的微形态分析发现其新石器时代的壕沟主要由三个沉积过程构成，其中第一、二阶段为壕沟使用期，可能分别与Lublin-Volhynian文化人群和Funnel Beaker文化人群的活动有关，而第三阶段可能与青铜时代的古人类活动有关。
3.4 建筑设施
对建筑遗存的微形态分析可以复原建筑的完整生命过程，提供建筑的取材地点、营建技术、用途、维护措施、废弃因素等较为详细的信息，揭示与建筑设施有关的人类活动及古环境变化等信息，同时微形态方法还可以辅助研究建筑内部的功能分区。
Mylona和Pomadère[82]对Malia 遗址Pi区内的房屋进行了微形态分析，确定了第25号房间为一个受人类活动影响较强的半露天式场所，同时发现房间北部比南部更加潮湿、生物活动更加强烈。除房屋建筑外，也有一些关于交通、排水等基础设施的研究案例，Gilliland等[83]对斯里兰卡Anuradhapura城市腹地的水管理系统进行了研究，发现古人类在较为潮湿的地区建造了复杂的蓄水设施，并在干旱地区也进行了一些水资源管理的尝试。
微形态技术还有助于区分建筑材料的不同，提供砖、土坯、土墙、草屋顶、石膏和水泥的使用信息[1]。Friesem等[11]、Macphail和Goldberg[12]总结了土质建筑材料的鉴别标准：第一，微观结构的不同；第二，添加其他材料进行加工的迹象，如回火材料残留物或特定形状的孔隙；第三，出现各类土壤垒结（fabric），以及与人为加工相关的土壤特征物（pedofeatures）。
3.5 古耕地
3.5.1耕种
耕种包括所有的直接机械干预，如通过铲子和锄头手工耕作和犁地、耙地、碾压等对地表的扰动。耕种过程会改变沉积物的微结构，主要体现在孔隙率的增加、垂直孔道到平面孔隙的变化、块状或棱块状团聚体的出现[7]、粉砂和粘土颗粒的垂直或侧向迁移、c/f比值（粗粒质和细粒质比例）的变化[28,84]等。同时耕种活动会形成特定的土壤特征物，包括动物排泄物[85]、尘状粘粒胶膜（dusty clay coating）、粉砂质粘土胶膜以及非晶形的铁锰瘤状物（Fe-Mn nodule）[28]等。
此外，Verrill和Tipping在对Belderg Beg遗址的古耕地进行研究时发现[86]，在粘土贫瘠、易被侵蚀的土壤中，细粒物质团聚体（板结层和透镜体）可能是更为常见且可靠的耕种证据。同时，研究者还发现使用工具进行耕作会形成明显的密度边界，犁沟填充物内较为松散，常见呈垂直或近垂直方向的植物根系，而在切割面的底部和侧部常发现有细粒物质团聚体（图5a、b）。
3.5.2施肥
施肥对沉积物微结构的影响主要是由于生物扰动的增加，可能会导致碎屑微结构的发育和孔隙度的增加[87]。Simpson等[88]对Tofts-Ness遗址的深色壤土层进行了微形态观察，发现了一系列细小的有机物残存和与动物活动相关的孔隙、孔道，据此推测该遗址的古耕地中存在施肥活动，稳定同位素分析结果则证明了先民使用草皮材料和生活垃圾作为施肥材料。此外显微观察到的细粒物质迁移也是先民耕作活动的重要证据。微形态薄片中观察到的异质性特征也是施肥活动的一个重要标志，在一些古耕地中发现有木炭、骨碎片和其他炭化残留物，碳酸盐胶膜和淀积粘粒胶膜等土壤特征物的形成则可能与有机肥的使用相关[7]。
3.5.3灌溉
灌溉是古代农业发展的重要表现之一，国外学者通过对一些旱作区古耕地进行研究，发现灌溉会导致沉积微结构的变化和一些土壤特征物的形成。微结构的变化主要表现为团聚体的分解和孔隙率的降低，这一现象在富含粘土的耕地中格外突出[7]；土壤特征物则包括铁锰瘤状物、准胶膜（quasi-coating）、耗减亚胶膜（depletion hypo-coating）等氧化还原特征（图5c、d），以及保存在铁氧化物瘤状物中的粘粒胶膜[89]、填充在耕作层和下层微团聚体之间的孔隙中的粘土填充物[90]等。但灌溉造成的微结构变化和土壤特征物的形成也会因为土壤本身的特性呈现出不同的特点，如Prikhod’ko[90]对伏尔加河下游地区草原和半沙漠土壤的研究和Tursina[91]对黑钙土灌溉特点的研究发现在一些碱性土壤和变性黑钙土中，灌溉会增加动物活动，从而导致微结构的变化和孔隙率的增加；盐碱地中的碳酸盐—粘粒胶膜[92]、黑钙土中的富含有机质的深色胶膜[91]等都是因土壤自身的特性而形成的特征物。
稻作农业是古代农业体系的重要部分，它的微观结构和特征物与旱作农业存在差异。水田通常是无结构体或非结构体土壤（Apedal），部分为发育程度较弱的软粒状或块状微结构，孔隙率较高[93,94]，国际土壤科学联合会（IUSS）[95]将水田分为炭化表土层和下部的水生层两部分（图5e）。水田中常见的土壤特征物与灌溉形成的特征物较为相似，但Lee等[96]对韩国两处考古遗址的水稻土和现代水稻田进行微形态研究，在水田中反复观察到了粉砂质粘土富集特征（silty clay concentration features，SCCFs）。SCCFs具有均一的内部结构，基质为淡黄色粘土，显微观察发现其具有极低干涉色的斑点状b-垒结（speckled b-fabric）、规则排列的粉砂级矿物颗粒和有机物（图5f、g）。该研究认为SCCFs可能与水田特有的耕作方式及重复灌溉作用下的水成过程有关，应作为古耕地（尤其是采用漫灌方式的耕地）的鉴别指标之一。
图5古耕地的微形态特征
Fig. 5Micromorphological characteristics of ancient cultivated soils
(a)耕作产生的切割痕迹，Belderg Beg遗址[86]；(b)细粒板结层，Belderg Beg遗址，PPL[86]；(c)尘状粘粒胶膜，三杨庄遗址，XPL[28]；(d)粘粒胶膜和填充物，Hacienda Zuleta遗址[7]，PPL；(e)典型水生层特征，Anuradhapura遗址，XPL[7]；(f)1为尘状粘粒胶膜，2为SCCFs，Gulhwa和Profil遗址，PPL[96]；(g)同(f)，XPL
3.6 燃烧遗迹
3.6.1常见燃烧物
Mallol等将常见燃烧物分为了植物有机组分、动物材料、非钙质和钙质矿物组分四部分，并分别概括了它们在显微镜下的微观特征（见Nicosia和Stoops，2017[11]，图6a-m）。在常见燃烧物中，骨骼和壳类对于研究古人类用火水平具有重要作用，通过结合微形态分析、实验考古结果以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜分析（SEM）等，可以获取相关燃烧物的烧成温度。
目前国外学者已经开展了大量关于骨骼燃烧温度的实验，Villagran等[11]总结了骨骼在100-1000℃下燃烧的光学特性。在考古学研究中，主要通过微形态与FTIR相结合来确定骨骼的烧成温度，并以此为基础讨论人类行为。如Goldberg和Berna[99]对Pech de l’Aze IV遗址微形态薄片中的烧骨进行分析时发现，它们的烧成温度集中在250-500℃，结合动物考古的分析结果推测该区域的骨骼可能被用作木材的补充燃料。此外，Villagran等[100]通过燃烧实验确定了贻贝在200-800℃下燃烧的主要特征，为研究古人类对贝类资源的加工利用提供了依据。
3.6.2燃烧地层序列
燃烧的基本地层序列主要包括顶部的燃烧残留物和下部的燃烧基底[11]，许多国外学者认为考古遗址中的人类用火现象需要以完整的燃烧序列为证据[101]。目前已有学者对一些燃烧遗迹的基本序列进行了概括，其中最为典型的应属火塘的基本结构和人类维持火种的证据。火塘是史前人类重要的用火遗迹之一，Meignen等[102]通过对近东地区部分中石器时代遗址进行微形态观察指出了火塘的完整结构，即“烧红的基底—烧焦的植物遗存—灰烬”，Goldberg等[103]的研究进一步证实了这一结构的正确性（图6n）。古人类对植物垫层或动物粪便的周期性燃烧也是重要的燃烧现象之一，在南非Sibudu遗址[65]就发现了多次燃烧植物垫层的痕迹，它们由层叠的炭化有机物质和铰接状的植硅体构成（图6o、p）。
目前发现的较为完整的燃烧地层多保存在洞穴（岩厦）遗址中，旷野遗址发现较少。Friesem等[104]对以色列的一处旷野遗址进行了微形态观察，发现了Nesher Ramla遗址存在原位燃烧的火塘和人类改造形成的灰烬堆，并指出了该遗址能够保存较为完整的燃烧遗迹是由于其低洼的地势和相对快速的埋藏速度。
图6燃烧遗迹的微形态特征
Fig. 6Micromorphological characteristics of combustion features
(a)木炭，PPL[11]；(b) 非木本植物的横截面，保留有维管束结构，PPL[11]；(c)炭化苔藓，PPL[11]；(d)炭化种子，PPL[11]；(e)炭化叶子，PPL[11]；(f)燃烧后的动物油脂，PPL[11]；(g)烧焦（ChB）和煅烧骨头（CaB）的混合物，PPL[11]；(h)同(g)，XPL；(i)燃烧后的壳类，PPL[11]；(j)植硅体，XPL[11]；(k)植硅体熔渣，XPL[11]；(l)铰接的植硅体，PPL[11]；(m)燃烧后的矿物岩石发生蚀变，PPL[11]；(n)完整火塘序列，即烧红的基底（Ru）—烧焦的植物遗存（Ch）—灰烬（Ash），还包含骨骼碎片（B）和石器碎片（L），PPL[103]；(o)多次燃烧的植物垫层，有些残存维管束组织（箭头）Sibudu遗址，PPL[65]；(p)同(o),XPL
4 遗物研究
虽然微形态技术起初主要应用于土壤和沉积物的微观特征分析，但随着其在考古学中应用的深入，微形态学的研究范围已扩展至考古遗物及与之相关的沉积物研究，并与岩相学[105]、金相学[106]分析相结合进行综合研究。考古中常见的石制品、陶瓷制品和金属制品均属此类研究对象，通过对遗物本身及沉积物中遗物残片的微观观察，可以分析其原料和制作工艺，对研究手工业发展至关重要。
4.1 石制品
4.2 陶瓷制品
陶瓷制品在史前至历史时期遗址中广泛存在且影响深远。受生产技术、文化内涵、精神信仰等地域差异影响，在原料、工艺及造型纹饰上呈现多样性。陶器和瓷器的显微结构主要由细粒质、包含物、孔隙和涂层组成（图7c），国外学者主要通过微形态分析其原料、工艺与烧成条件等问题。
第一，分析陶瓷制品的原料来源及其产地。不同陶瓷制品可能会因原料、烧成条件的差异而在单偏光下呈现不同颜色（表2），但沉积后发生的氧化、还原过程及水文条件的改变将会对陶瓷制品最终呈现的颜色产生影响[113]。原料中的矿物岩石和有机质组分对于判断原料产地具有重要作用，希腊Cyclops遗址新石器时代陶瓷器的微形态特征揭示该地区本地和非本地生产的陶瓷制品分别以石灰岩和变质岩为特征[114,115]，指出了爱琴海地区在新石器时代可能已经存在陶瓷制品的交换或贸易行为；此外，Quinn和Day[115]在爱琴海地区的Knossos、Myrtos Fournou Korifi、Myrtos Pyrgos三处遗址的陶瓷制品中均发现了有孔虫、介形虫等微生物化石，指示其陶瓷原料可能来源于海洋沉积物。
第二，研究陶瓷器的制作工艺。通过对陶瓷制品微结构的观察，可以获取制作技术等信息。Maritan[11]、Quinn[116,117]通过大量实验考古的观察分析发现使用不同成型方法制作的陶器，在微观特征上存在差异，如使用捏塑法、模制法等制作的陶瓷器具有平行于表面的细长的包含物和孔隙；轮制器物则以细腻的坯料为主要特征；泥条盘筑法制作的器物具有同心的孔隙、包含物和细粒物质团聚体。但受切割方向的影响，这些特征可能并不能通过显微观察发现，因此在对考古遗址沉积物中发现的陶瓷制品残片进行研究时需要结合宏观观察做出判断。
第三，辅助判断陶瓷器的烧成条件。烧成条件可以通过多种方法进行初步判断，细粒质在正交偏光下存在干涉色可以说明陶瓷制品的烧制温度不超过粘土矿物或小微晶的分解温度[11]。羼和料的保存状态也可以对烧成温度进行区分，植物遗存的出现说明烧成温度低于有机质的分解温度（500-600℃）、烧制温度较短或指示陶瓷制品在还原条件下烧制而成；方解石、角闪石、海绿石、蛇纹石等岩石矿物的变化也可以指示陶瓷制品的烧成温度，Maritan等[118]利用内含壳类的全新世粘土进行实验，发现软体动物壳体内层的文石在400-450℃下转变为方解石，当烧成温度达到850℃时方解石分解。
除此之外，陶瓷制品的孔隙和涂层也具有特殊的指示意义。Quinn[117]通过对古代陶瓷制品的显微观察和实验考古分析，发现粘土基质和某些包含物在烧制过程中的收缩会导致包含物周围形成环状空隙（图7f）；植物遗存在烧制过程中的分解会形成具有特定形状、边缘较黑、包含有烧焦有机质的孔隙（图7g）；碳酸盐包含物在烧制、使用、沉积后过程中可能会溶解形成具有特定形状的孔隙，其内部可能有钙质残留（图7h）；在使用、丢弃和沉积后过程中陶瓷制品会形成不规则的裂隙（图7i）。
表2陶制品颜色（PPL）指示的原料及烧成环境的差异[11,119-123]
Tab. 2Differences in materials and firing environments indicated by the color of ceramic products (PPL)[11,119-123].
4.3 金属制品
在沉积物中观察到的冶炼遗存多为冶炼炉渣和熔渣砂，在冶炼铜和铁的过程中产生的炉渣包括自形、骸形、链状、羽毛状等形状的橄榄石晶体（图7l-o）。其他包含物有金属/冰铜液滴（图7p）、铁氧化物、未反应的石英和高温反应形成辉石、尖晶石等[11]。加工过程中产生的锤鳞、铁渣和粉砂到粗砂大小的泡状铁球状物也是冶金活动的重要证据，锤鳞在透射光下不透明，有一个分层的金属边缘，在OIL（斜入射光）和SEM-BSE（扫描电子显微镜-背散射电子）图像中可见，铁渣的颜色很深，具有典型的泡状孔隙模式[7]。此外在一些用于金属冶炼的陶瓷容器内部会呈现出玻璃化和烧结的特点，在器物内部也会发现有金属材料的残留[11]。
图7遗物的微形态特征
Fig. 7Micromorphological characteristics of artifacts
(a)沉积物中的石器碎片，Riparo Dalmer遗址，PPL（左），XPL（右）[108]；(b)热蚀变的石器碎片，Abric de la Cativera遗址，PPL[125]；(c)陶瓷器的基本结构，即涂层（coating）、细粒质（micromass）、包含物（inclusions）、孔隙（voids）四部分，PPL[11]；(d)具有条纹状b垒结的细粒质和流纹岩碎片，XPL[11]；(e)蛇纹石碎片，在烧制过程中蛇纹石分解后赤铁矿结晶而呈淡黄色，PPL[11]；(f)烧制过程中在包含物周围形成的环形空隙，XPL[117]；(g)植物遗存在烧制后形成的特征性孔隙，XPL[117]；(h)碳酸盐溶解后形成的具有特定形状的孔隙，XPL[117]；(i)使用、丢弃和沉积后过程中形成的不规则裂隙，XPL[117]；(j)冶金遗存沉积物，圈出部分为红褐色沉积物聚集体、木炭和矿渣，PPL（左），XPL（右）[11]；(k)次生孔雀石，XPL[11]；(l)骸形铁橄榄石，XPL[11]；(m)由快速冷却形成的较小的铁橄榄石，XPL[11]；(n)漏斗形和自形铁橄榄石，XPL[11]；(o)漏斗形和自形铁橄榄石，XPL[11]；(p)圆形液滴，PPL[11]
5 结语
由上可知，土壤微形态方法在国外考古学研究中已有了较深入全面的应用，主要体现在：
第一，研究对象的多样化。既包括洞穴、岩厦和旷野遗址，也包括城市建筑、宗教建筑遗址等；遗址内部的各类遗迹、遗物也是微形态研究的对象。
第三，研究地域广阔，年代跨度大。目前微形态研究已应用于欧洲、非洲、亚洲、美洲等多个国家和地区的考古遗址中，时间范围涵盖旧石器时代至历史时期的考古学文化时间段。
第四，研究方法的综合化。由仅使用微形态技术的单一方法逐渐转变为多种分析方法结合并相互验证的综合研究，微形态分析与植物考古、动物考古、古DNA技术等结合日益普遍。已有许多学者利用多种科技手段或多学科交叉的方法辅助或验证微形态分析的结果，如粒度、孢粉、植硅体、有机物分析等技术。Nicosia和Stoops[11]、Goldberg等[126]均对FTIR（傅里叶变换红外光谱）、SEM（扫描电子显微镜）、XRF（X射线荧光光谱）等微形态辅助技术的原理和应用进行了介绍；一些学者还通过民族考古、实验考古的方法对微形态分析结果进行补充。
致谢：感谢北京科技大学连蕙茹老师，山东大学宿凯、靳桂云老师，以及首都师范大学李松翰博士对论文提出的宝贵修改意见。作者于2024年8月参加了北京大学考古文博学院李锋老师举办的“北京大学旧石器时代考古微形态分析研究生暑期学校”，有幸跟随德国图宾根大学Christopher Miller教授、Susan Mentzer博士、Paul Goldberg教授学习，在此谨致谢忱。
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