考古发现丨北京路县故城城郊遗址F13土壤元素研究

土壤物理化学性质受控于成土过程中的生物地球化学作用，研究古土壤是了解古环境的重要手段。遗址土壤在成土过程中，同时受到自然作用和人类活动的影响，人类活动所导致的土壤元素输入在遗址土壤的沉积过程中起着重要作用，所以遗址土壤不仅包含了古环境信息，更承载了古人类活动信息。对遗址土壤的研究，已经成为考古研究的重要内容。

土壤的多元素分析目前广泛应用于遗址空间使用的分析研究，通过对文化层土壤的地球化学元素研究分析可以帮助我们了解遗址区域人类社会的活动类型、活动特征和变化情况。房屋作为最基本的社会单元，对其研究越深入，越可以详尽地了解大尺度下人类社会的活动特点。对这一基本单元活动情况的研究，过去仅仅取决于遗址遗迹的发现，但人为和自然因素的破坏作用，常常会导致遗址保存情况较差、遗迹遗物缺失、遗址区域功能不明等情况，这时土壤的地球化学元素分析可以为我们提供房屋内人类活动更有价值的信息。

本研究选取位于北京市通州区路县故城城郊遗址的未知功能区F13进行土壤多元素分析，以期为判断该功能区的功能类型提供土壤学证据和指示特征，从而帮助我们更加深入地了解历史时期该区域人类的活动特点，同时为今后其他遗址功能区研究提供借鉴。

未知功能区F13位于北京市通州区城市副中心行政办公区水系（镜河北段）一期考古发掘T4217西南部（图1），开口于垫土层下，距现地表2.3m。

该功能区平面呈规则的正方形，西南—东北向分布，方向290°。F13上部已被严重破坏，现只发现青砖残块平砌的部分墙基有少量砖，其中西、北两墙壁保存较完整。F13东西长度约2.2m，南北约2.1m，西墙壁中部有细窄坑，细窄坑由两层青砖错缝立砌而成，砖规格为0.27m×0.14m×0.04m。细窄坑东西长约0.8m，南北宽为0.4—0.6m，西墙壁中部有一块尺寸为0.03m×0.2m×0.5m的石条，石条下方有0.3m宽的出口，出口外有一半圆形坑，该坑南北长约1.25m，东西长约0.50m，深约0.25m；东墙壁南侧有一疑似房门的区域，宽约0.73m，高0.26m（图2）。

样品采集采用网格采样法，对F13内部及周围未被其他功能区打破的地块进行网格划分，收集网格交点处0—4cm深度处的土壤样品。网格的大小取决于研究区域。在F13内部区域，采用0.5m网格系统进行样品采集；F13周围区域，采用1m网格系统，共采集土壤样本55个，其中从F13内部采集样品32份，F13外部采集样品23份。每份样品分别采集5—10g进行X射线荧光光谱分析（XRF），200g进行土壤全磷测试分析。

测试分析在北京市考古研究院（北京市文化遗产研究院）土壤与环境实验室完成。土壤全磷测定采用国家标准《土壤 总磷的测定 碱熔—钼锑抗分光光度法》（HJ632—2011）测定，其他土壤元素测试采用X射线荧光光谱分析（XRF）法测定。XRF测试样品自然风干1—2个月，每份样品称重5.0g，放入玛瑙研钵中研磨至粉状颗粒，直至完全过200目筛，以硼酸作为固定剂，在压片机上压制成圆片，使用Advant XP测试分析。校正曲线使用18个国家土壤成分分析标准物质（GSS2—GSS19），6个水系沉积物成分分析标准物质（GSD2a、GSD7a、GSD9—GSD2），主量元素实验误差小于2%，微量元素的实验误差小于5%。

北京路县故城城郊遗址未知功能区F13内部和周边区域土壤元素及氧化物含量特征和标准差如表1所示。F13内部土壤SiO₂含量范围为63.78%—67.79%，平均含量为66.48%；Al₂O₃含量范围为12.54%—14.48%，平均含量为13.31%；P含量范围为1.67—2.42g/Kg，平均含量为2.01g/Kg；Cu含量范围为36.60—42.01g/Kg，平均含量为40.01mg/Kg；MgO含量范围为3.32%—3.72%，平均含量为3.47%；Sr含量范围为96.78—103.40mg/Kg，平均含量为99.01mg/Kg；CaO含量范围为1.91%—2.40%，平均含量为2.33%；Zn含量范围为37.90—55.60mg/Kg，平均含量为42.49mg/Kg。

F13周围区域土壤SiO₂平均含量为66.28%，Al₂O₃平均含量为13.81%，P平均含量为1.45g/Kg，Cu平均含量为37.85mg/Kg，MgO平均含量为3.29%，Sr平均含量为94.39mg/Kg，CaO平均含量为2.00%，Zn平均含量为38.04mg/Kg。

F13内、外土壤元素及氧化物类型和含量整体特征类似，F13与距离其2m（OS₂）和3m（OS₃）处元素含量有较为明显的不同，主要体现在P、CaO、Fe₂O₃等元素及氧化物的含量上。

为检验F13内外土壤元素有无明显差异，对F13及其周围土壤元素进行双尾检验。给定显著水平α=0.05，若P<α，则认为样本均值不相等，样本存在显著差异。F13与其周边OS₁土壤样品差异体现在P、Cu、Zn、CaO和Fe₂O₃这5种元素上；与OS₂、OS₃土壤样品差异体现在P、Cu、MgO、Sr、CaO、Zn、Fe₂O₃和MnO这8种元素及氧化物上。其中P、Cu、MgO、Sr、CaO、Zn和Fe₂O₃这7种元素及氧化物在F13内部表现为相对富集，具体分布如下。

P元素含量最富集的区域位于F13西侧壁中部细窄坑区域，浓度高达2.4g/Kg；F13内部区域和西侧壁细窄坑周围土壤浓度略有下降，平均为2.2g/Kg；F13东壁及其周围区域降至1.89g/Kg。P的浓度在与F13距离2m处有明显的下降，平均浓度下降至1.46g/Kg，3m处平均浓度降至1.24g/Kg。

Cu的浓度高值位于F13内，最高值为42.01mg/Kg，平均值为40mg/Kg。F13周围区域Cu含量有明显下降，但随着距离增加而降低的趋势并不明显。

MgO的浓度在F13内含量最高，平均浓度为3.47%，OS₁与F13内相比浓度变化不大，平均浓度为3.41%。2m和3m浓度有较明显的下降，下降到均值为3.23%。

Sr元素的浓度在F13内和F13外2m内差异较小，F13内平均浓度99.01mg/Kg，2m处平均浓度降为96.13mg/Kg，3m处平均浓度有明显变化，下降至90.51mg/Kg。

CaO元素最富集的区域在F13房内和西壁细窄坑内，浓度最高值达到2.63%，平均浓度为2.33%，F13周围OS₁土壤CaO浓度有较为明显的下降，平均浓度降至2.13%，CaO浓度在与F13距离2m处平均浓度下降至1.96%，3m处降至1.91%。

Zn的浓度高值位于F13西侧壁中部细窄坑内和F13内部，达到46.78mg/Kg，随着与F13距离的增加周围区域土壤Zn浓度呈下降趋势。

Fe₂O₃的含量在F13内部区域土壤内最高，平均为4.76%。浓度高值位于西侧壁竖细窄坑和出口外半圆形坑区域，最高值达到5.01%，F13外部有明显下降，平均浓度下降至4.06%。

为了进一步研究这些差异元素是否具有共同或者相似来源和主导因素，利用软件SPSS24对F13内部区域的土壤化学元素指标进行了综合聚类分析和主成分分析。

R型分层聚类分析采用Pearson相关系数的方法对各元素进行组间聚类链接，距离越小，其相关系数越大，说明元素之间的相关性越好，元素有着共同相似的来源或者主导因素。结果显示P、Cu、MgO、Sr、CaO和Zn相关性最好，聚为一类，这些元素有共同或者相似的来源和主导因素；MnO、Pb、Hg、Ba相关性较好，聚为另一类。可以看出F13内部土壤与其周围土壤（OS₂、OS₃）存在显著差异的几种元素和氧化物中，P、Cu、MgO、Sr、CaO、Zn具有相似的来源或主导因素，而MnO、Fe₂O₃与这6种元素不具有共同或者相似的来源。

主成分分析的方法是以各变量的相关系数矩阵为基础，F13内部土壤元素和氧化物主成分分析的因子载荷矩阵结果详见表2。从表2可以看出，第一主因子中具有最高载荷的变量有P、Cu、MgO、Sr、CaO、Zn，均为正载荷，与聚类分析的结果一致。

第一主因子所代表6种变量的相关系数如表3所示。可以看出，这6个变量之间均具有良好的相关性，并且变量之间的大部分都是显著相关（p<0.01），特别是P与其他5种元素之间都呈显著相关，说明P与其他第一因子所代表的变量都有着共同相似的来源。P是有机质的天然组成部分，P元素的富集与人类活动密切相关，F13和周围区域人类活动频繁，非人为影响的P输入很难进入，所以F13内部P的来源主要受人为活动的影响，第一因子代表导致P元素富集的人类活动。

通过元素分布可以看出，F13内尤其是西墙壁中部西窄坑内P的含量最高，说明F13内部的人类活动是引起土壤P富集的因素。人类的各种活动均可导致土壤P的富集，比如垃圾填埋、食物处理和储存、人类及动物排泄物堆积掩埋等，所以确定F13人类的活动类型需要参考其他非有机质的多元素提供的更多线索。通过相关性分析已知，Cu、MgO、Sr、CaO、Zn与P具有相同或类似的来源，这些元素中Cu的富集与手工业区和粪便堆积相关；CaO的富集与人类生活垃圾、厨房、手工业区和粪便堆积相关；Sr的富集与厨房、耕作和粪便堆积相关，并且这些元素与P、MgO和Zn均是人类和动物排泄排遗物的主要成分和微量元素，几种元素又具有相似的来源，表明F13内部的元素分布特征是由动物或者人类的排泄排遗活动造成的，综合F13的形制特征，判断F13是北朝时期的一间厕所。

除P与Cu、MgO、Sr、CaO、Zn几种元素外，F13内部土壤与其周围土壤的元素差异还体现在Fe₂O₃和MnO两种元素上。通过主成分分析看出Fe₂O₃与其他元素没有共同或者相似的来源和主导因素，推测F13内高浓度Fe₂O₃形成的原因和厨房区域Fe₂O₃富集的原因类似，与人类使用工具相关，F13内高浓度的Fe₂O₃是当时人类在清理厕所时使用的铁质工具造成的。R型分层聚类分析显示MnO与Pb、Hg、Ba具有相似的来源，这些元素的富集与手工业活动相关，路县城郊地区在东汉至魏晋南北朝时期是路县重要的手工业区，F13周围较高浓度的MnO，应与城郊地区手工业生产活动对土壤的影响相关，且F13周围未发现猪圈、积粪池或居室遗迹，很可能是为方便手工业劳动者如厕建造的较为简陋的公共厕所。

通过将北京路县故城城郊遗址未知功能区F13内部和周围土壤的多元素分析与综合聚类分析和主成分分析相结合，分析得出F13内部区域土壤富集的元素P、Cu、MgO、Sr、CaO、Zn具有共同或相似的来源，综合形制判断F13为北朝时期手工业者搭建的简易公共厕所。F13内部Fe₂O₃的富集与这6种富集元素的来源不同，推测是人类使用铁质清理工具造成的。F13周围土壤较高浓度的MnO，应与城郊地区手工业生产活动相关。综上所述，土壤的多元素分析可以有效地帮助鉴别遗址未知区域人类的活动特点和活动类型，尤其在遗迹保存不够完好、遗物较少、破坏严重甚至无法实现发掘的情况下，应用土壤元素分析、主成分分析等方法，将复杂的元素关系降维到仅相关的少量元素，可以有效帮助预测和鉴别遗址的空间使用情况，是考古综合研究的重要组成部分。

本文改编自《北京路县故城城郊遗址F13土壤元素研究》，原文刊载于《博物院》2024年第2期（总第44期）。作者：吕砚 闫博君 任晓娟，北京市考古研究院（北京市文化遗产研究院）。