在中国新疆伊犁尼勒克县，喀什河河边，十几米高的断崖上显露出黑褐色斜向纹理的岩石。当夏季气温较高时，裸露的煤炭偶尔会发生自燃，升起缕缕青烟。3000多年前的古人是否同样看到如此景象，从而受到启发，开始使用煤炭作为燃料？
近日，在兰州大学资源环境学院教授董广辉的指导下，该学院自然地理学专业博士生仇梦晗牵头，联合新疆维吾尔自治区文物考古研究所、中国人民大学等研究机构的科研人员，在《科学·进展》期刊合作发表了一篇研究论文。该研究通过多学科证据，深度揭示了中国新疆伊犁尼勒克县吉仁台沟口遗址先民自3600年前起系统利用烟煤燃料的内涵，将人类最早系统燃煤的历史推前了约1000年。
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证据链还原史前煤炭系统开发利用图景
基于考古学证据和文献记录，世界公认最早系统开发利用煤炭作为燃料的可靠证据来自汉朝。但有关史前时代系统开发煤炭燃料的直接证据始终缺失，直到中国新疆伊犁尼勒克县吉仁台沟口遗址的考古发掘工作推进，相关证据才浮出水面。
自2015年起，新疆维吾尔自治区文物考古研究所开始对吉仁台沟口遗址和墓地进行考古挖掘，发现了煤炭的使用现象，还发现了冶铜活动的相关证据。随后的一系列发现表明吉仁台沟口遗址很可能是该时期伊犁河上游地区的一处中心性聚落。此后，中国人民大学与兰州大学资源环境学院的环境考古研究团队在考古工地开展合作研究。
吉仁台沟口遗址在伊犁河的一条主要支流——喀什河出山口右岸的台地上，北、东、西三面环山，河流向南出山流入尼勒克谷地。“吉仁台沟口遗址是一处青铜时代大型聚落遗址。相比于墓葬，聚落遗址能够为我们提供更立体、丰富的人群生活信息。”仇梦晗说。
研究团队通过对吉仁台沟口遗址进行碳十四测年，并利用贝叶斯模型对年代数据进行统计分析，将遗址主要的人类活动厘定为两个时段，即距今4500—4300年（早期）和距今3600—2900年（晚期）。其中，遗址的主体属于晚期阶段，大量的煤炭遗存广泛出土于这一时代的文化地层。
在遗址中有成堆放置的煤炭，一般分布在房址的周边，这很可能是古人有意为之，方便随时取用。在房址的地面上，有时候会发现灰色的煤灰，还有一些没有完全燃烧的煤，在一些炉子和房址的火塘里也存在煤渣。
研究团队对遗址周边的6处煤层露头和遗址中采集的部分煤炭样品进行了锶钕同位素、碳氮元素含量以及38种微量元素含量的测定，发现其中3处煤炭露头与遗址遗存的煤炭联系更紧密，很可能是遗址煤炭的来源，表明古人煤炭选择的多源性。
同时，遗址中的煤炭碳含量相对较高且比较稳定，但是不同露头的煤炭碳元素含量的波动比较大，说明人类可能已经了解到不同地点煤炭性质的差异，进而有选择地取用了更优质的煤炭。
在后来的发掘中，考古队还在遗址中发现了木车，这或许能解释古人运输煤的交通工具问题。“这些考古学现象揭示了一个完整的有关煤炭燃料开发的证据链，表明当时人类已经系统地开发使用煤炭燃料。”仇梦晗说。
开启人地关系新篇章
当时的古人为什么需要大规模地使用煤炭呢？
研究团队对遗址周边的自然土样及遗址早晚两期不同区域的土样进行了分析。结果显示，遗址晚期地层中的冶炼地点重金属元素明显富集，某些点位的铜元素浓度甚至达到了自然值的50倍。
结合考古发掘中发现的冶金活动证据链，进一步证实了吉仁台沟口是当时的区域性冶金中心的判断，而冶金必然伴随着大量能源需求。
研究团队还对遗址早晚两期的炭化木材遗存进行了种属鉴定，发现遗址早期人群在选择木材燃料时，更倾向于选择燃烧热值更高、质地更软的针叶材。
但是，遗址晚期人群却弃用针叶材，转而选择煤炭作为主要燃料，这又是为什么呢？
团队推测，到遗址晚期时，相对寒冷的气候导致了周边植被的退化，特别是针叶林的萎缩。规模更大的聚落和更高强度的冶金活动带来的燃料能源需求，叠加木材资源供给的减少，共同激化了当地社会与环境间的矛盾，最终促使当地人群打破传统，进行能源转型。
选择性开采、有计划地存储以及生产生活中广泛的燃烧利用，表明煤炭并非为某一社会阶级或某个生产部门所独占。“在吉仁台沟口，系统开发烟煤燃料最终推动形成了一个独特的复杂化社会。”仇梦晗说。
研究人员介绍，在中国伊犁地区，可能是受到了距今4200年前开始的一次全球性气候恶化事件的影响，距今4200—3800年间的人类活动出现衰退。
距今约3600年前，新疆西北部地区形成了更为复杂成熟的生产作业方式。吉仁台沟口遗址晚期人群不仅掌握多种农作物的种植和家畜的养殖技术，还具有制铜工业，显著增强了社会的复杂化程度和稳定性。社会发展需求、气候环境恶化共同胁迫史前社会进行能源转型。
人类活动和环境总是相互影响的。“我们的研究有两个有意思的点：以往的研究大多从动植物利用的视角去观察人类生业怎样适应环境的变化，但是这次是从燃料的视角揭示了人类面对资源短缺时会做出怎样的选择；第二是人类活动对环境的影响。在进行土壤元素分析时，我们发现人的冶铜活动导致了土壤污染，这是典型的人类活动影响环境的表现。”董广辉说。
董广辉说，团队一方面会继续拓展研究区域，探寻周边甚至更远的地方是否有新的证据，推进对于早期用煤的时空分布特征的认识；另一方面，团队着眼于大量燃煤产生的环境影响，不只局限于局部的土壤污染，还计划对遗址不远处的湖相沉积地层开展研究，进一步完善对史前时代煤炭资源利用的认识。
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