人类活动与环境变化的关系是第四纪地质、考古学和过去全球变化领域共同关注的问题。其中，自然因素和早期农业土地利用对全新世大气CO2浓度及气候的影响一直有不同看法。研究工作的节点在于如何尽可能准确地、定量化地估算过去人类土地利用的规模，以分析早期农业土地利用对陆地生态系统碳库的影响。
地质地球所新生代地质与环境研究室博士后于严严与其合作导师郭正堂研究员等借助于国际上考古学研究采用的数值模拟思路，考虑区域考古遗址的分布、气候与地质地理参数，发展了一个用于估算早期农业土地利用规模的模型（Paleo-Land Use Model，简称PLUM）。该模型通过考察区域考古遗址空间分布与环境要素的关系，确定遗址空间分布的概率，估算土地利用适宜性的空间分布；模型以粮食需求和农业生产平衡为前提，考虑遗址的人口数量和人均用地面积等考古学参数，对古土地利用面积进行估算，并获得区域史前人类土地利用变化的时空特征。
该课题组把PLUM模型应用于我国早期农业发展的核心区之一伊洛河流域。模拟结果与流域现代土地利用实测数据对比结果显示，该模型对现代耕地空间分布模拟能力达到80%。在全面收集和整理流域的考古、年代学、气候环境等资料的基础上，把模型应用到史前古土地利用规模研究，得到8-4ka BP期间每千年土地被开发为耕地的面积估算（图1）。结果显示，早期耕地主要分布在流域下游河流沿岸低海拔的平原地区，自7ka BP后逐步向流域中、上游扩张；至5ka BP前后的空间分布模式基本与现代相似。但从目前的面积估算结果初步推测，以早期农业土地利用为主的人类活动引起的碳库变化似乎显著偏小，难以解释全新世大气CO2浓度的变化量。
图1 伊洛河流域8-4 ka BP土地利用总量与空间分布变化
（a）8-7 ka BP; （b）7-6 ka BP;（c）6-5 ka BP; （d）5-4 ka BP;（e）8-4 ka BP.
与过去古土地利用研究中常用的时间序列内插与空间分布整体分配的方法相比，PLUM 模型的优势在于它考虑考古遗址、环境和地质地理要素等进行土地利用的定量化重建与空间分配，从而更真实地反映其时空变化特征。但由于发现的考古遗址数量往往低于史前时期实际的存在量，模型获得的结果目前代表了古土地利用的下限，这是需要进一步改善的问题之一。另外，随着考古遗址数据库的不断完善，下一步的研究拟把PLUM模型推广到更大区域、乃至全球尺度的古土地利用研究中。
上述研究结果近期发表在国际期刊Agriculture, Ecosystems and Environment杂志上（Yu et al. Reconstructing prehistoric land use change from archeological data: Validation and application of a new model in Yiluo valley, northern China. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2012, 156: 99-107）。
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