合成

土壤培养-中欧农业土壤利用的适应周期:使用土壤科学和考古研究的跨学科研究

• 摘要
• 简介
• 土壤利用作为社会-生态系统
• 社会-生态系统土壤利用的适应循环
• 中欧社会生态系统农业土壤利用分析
  • 适应周期的r阶段:中欧的新石器时代过渡
  • 过渡到k阶段:中欧的农业保护
  • 社会-生态系统农业土壤利用的Ω-和α-阶段和一个新周期的开始
• 结论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

全球气候变化、beplay竞技土壤退化和侵蚀、社会不平等加剧以及粮食不安全构成了当今人类面临的主要挑战(Tilman等，2002年，Blum和Eswaran, 2004年，Luterbacher等，2004年，Battisti和Naylor, 2009年，Lal, 2010年，Foley等，2011年)。对过去人类与环境相互作用的研究表明，这些在历史上并不是前所未有的(Costanza et al. 2007, Caseldine and Turney 2010, Büntgen et al. 2011)。农业作为一种基于人与环境相互作用的系统，自起源以来也对中欧的社会和环境产生了影响，并在公元前9500年左右从近东传播开来(Evans 2012)。

利用适应周期和社会-生态系统的概念对农业系统的发展进行了分析(Gunderson和Holling 2002)。研究中反复使用自适应循环;例如，在德国北部的生物能源部门(Grundmann et al. 2012)或在两个截然不同的社会-生态系统的恢复力(Carpenter et al. 2001)。Dorren和Imeson(2005)用它建立了一个关于南林堡土壤侵蚀的框架。Beier等人(2009)调查了阿拉斯加的森林管理，Allison和Hobbs(2004)在对西澳大利亚农业地区的分析中，将适应周期的使用扩展到经济学。Zimmermann(2012)使用适应周期的规范来提高对史前欧洲流动结构的理解。这些例子显示了动态的社会生态系统，并表明适应周期是研究此类系统发展的有用工具。

在接下来的文章中，使用适应循环的比喻，介绍和分析了作为社会-生态系统的土壤利用。由于(前)历史时期的书面资料有限，分析主要集中在由各自学科的科学家发表的考古学、土壤学、孢粉学和历史记录上。其目的是调查土壤、作物和技术变量对农业土壤利用的可观察变化。适应周期对解释几千年的变化有用吗?社会生态系统发生了哪些重大变化?新石器时代的发展与工业化有可比性吗?如果是这样，这对未来的土壤使用有什么影响?

农业土壤利用是一种社会生态系统

社会生态系统(SES)的特征是自然和社会成分的整合(Berkes and Folke 1998, Berkes et al. 2003, Berkes 2004)。社会-生态系统塑造了世界，为了理解它们，有必要把大系统分成小系统。然而，较小的系统仍然是其他SESs的一部分。我们的分析集中在农业土壤利用作为一个SES，它是一个更大的SES的一部分，反过来又可以在任何时间或空间尺度上划分为更小的SESs。适应性周期隐喻(Gunderson和Holling 2002)被用作中欧农业历史叙事的理论框架。

SES农业土壤利用的主要变量是土壤，自新石器时代过渡以来，土壤一直被用于农业。这种使用，或者更准确地说是森林砍伐，通过侵蚀和积累过程导致了景观和土壤的变化。在森林(中欧的天然植被)下，侵蚀很小，因为植被的根可以稳定土壤，防止土壤侵蚀，而树冠可以减缓降雨(Pimentel和Kounang 1998, Geißler et al. 2012)。因此，土壤物质的侵蚀和积累与植被覆盖的变化有关。在新石器时代过渡之前，这与气候事件有关(Dreibrodt et al. 2010一个)．在新石器时代过渡之后，人类引起的土地利用变化导致了侵蚀和脚下斜坡上所谓的堆积沉积物的发展(Lang 2003, Leopold和Völkel 2007)。砍伐森林的最初原因(例如，开垦田地或过度放牧)难以确定;然而，分析堆积沉积物与¹⁴C测年和发光测年，以及考古植物学和土壤科学研究方法可以深入了解过去(Eckmeier等人2007年，Kadereit等人2010年，Bogaard等人2013年，Bakels 2014年，Pietsch和Kühn 2014年，Henkner等人2017年)。在国际文献中，“积层沉积”一词与土地利用联系不清。以后，在提到土壤时将使用“人为堆积沉积物”一词，研究表明，这些土壤是由于土地利用变化和农业而形成的。

SES农业土壤利用的其他变量是气候和作物。通过考古植物学分析可以观察到作物植物的变化(Rösch 1996)。农作物是指谷物(如大麦、小麦、黑麦)，不包括水果、蔬菜和坚果。beplay竞技气候变化可以从冰芯、湖泊和海洋沉积物、珊瑚、树木年轮、树叶化石以及花粉群落的变化中追踪(Caseldine和Turney 2010, Aranbarri等人2014)。专家们讨论了气候对一个地区定居模式的影响(Berglund 2003, Zolitschka et al. 2003)。虽然气候变化可能对农业活动产生了影响，但其影响程beplay竞技度在史前时期的档案中并没有清晰可见。即使有书面资料，这些都是指天气事件，而不是气候本身。因此，这里不考虑气候对SES农业土壤利用的影响。

社会的可观察变量是工具的技术发展。在没有书面资料的情况下，可变知识很难定义。这里假定技术的发展伴随着知识的增长。知识/技术作为一个变量，在考古发现中是可追溯的。因此，本研究只关注在SES农业土壤利用中可以适当分析的可观察变量，特别是土壤、作物和技术。

农业土壤利用社会生态系统的适应周期

适应周期被用来解释生态系统动力学。它由四个阶段组成:开发的r阶段、保护的k阶段、释放或创造性破坏的Ω-phase阶段和重组的α阶段(Holling et al. 2002)一个， Holling and Gunderson 2002)。这个周期由三个属性构成:系统变化的潜力，内部变量和过程之间的连通性程度，以及系统的适应能力，即衡量其对意外冲击脆弱性的弹性(Holling 2001)。Holling和Gunderson(2002)指出，α阶段开始了一个重组过程，在此过程中，潜力和弹性较高，但连通性较低。在r阶段，恢复力仍然很高，连通性很低。在k阶段，连通性增加，而弹性下降。系统变得更容易受到干扰。由于这一漏洞，干扰可能会在潜力较低的Ω-phase中造成创造性破坏。从Ω-到α-相的突然转变导致了一个连接松散、弹性高、潜力不断增加的新周期。在这个阶段，不同的重组是可能的，这使得重组的结果不可预测(Holling和Gunderson 2002)。

自适应循环表明系统是动态的。SES农业土壤利用随着时间的推移而发展，虽然有些过程导致例如土壤性质的恶化，但全面发展使SES得以增长和多样化。借助适应周期叙事，分析了我国现代农业系统的出现。SES变量的变化或变量内部的变化会影响适应周期，塑造SES，并决定其对不可预测冲击的恢复力或脆弱性(Holling 2001)。

分析的变量是土壤、作物和知识/技术。土壤形成是一个缓慢而复杂的过程(Stockmann et al. 2014);因此，土壤是一个缓慢变化的变量。然而，侵蚀事件可能是快速的，并导致有关其进一步使用的变量的突然变化(Auerswald et al. 2009)。人为沉积被用作土地利用的档案。缓慢变化的可变作物通过引入新作物影响SES，这在考古植物学记录中可见(表1，从新石器时代到现代按时间顺序组织)。可变的知识/技术通过人类实现的快速变化影响SES，并在考古记录中可追溯。

社会变化、环境因素或两者的结合都可能导致社会经济系统的紊乱，从而导致系统的重组。在扰动和释放之后，系统被重组，一个新的开发阶段开始了。

从新石器时代过渡到工业革命，SES农业土壤使用经历了一个适应周期(图1)。在新石器时代过渡期间，通过土壤的使用、作物的引入和新的农业工具，人们定居下来，生产了更多的食物(Childe 1936, Holling et al. 2002b)．工业革命标志着第二个适应周期的开始，农业和粮食生产工业化，通过增加第二和第三部门的劳动力，同时改变了社会。在这两个r阶段之间，社会的大多数人从事农业(Evans 2012)。中欧的主要作物仍然与新石器时代引进的作物相似，除了土豆和玉米，它们是在k阶段“发现”美洲大陆之后引进的(Hawkes和Francisco-Ortega 1993, Rösch 1998, Rebourg et al. 2003)。土壤耕作依赖于人力和动物劳动。在r阶段，技术从铁铲到耕地再到犁。正如Holling和Gunderson(2002)所描述的那样，虽然有一系列的农业改进，但这种发展类似于r-和k -专家在新的栖息地定居。此外，Fath等人(2015)指出，在社会系统中，许多小规模的适应周期发生在更大适应周期的r和k阶段，导致持续发展的k阶段延长，并影响快速变化和缓慢变化变量之间的相互作用。Fath等人(2015)引入了一个细化的概念，包括r-， K-， K_lim-、Ω-和α-阶段，并将其应用于企业管理。r阶段有创新，并提供了测试创新的可能性，其精神是企业家精神。在k阶段，存在关于最佳实践的知识，并且接受先前建立的标准。在增加的K中_lim-阶段，危机计划开始行动，需要技术和合作来实施。在Ω-stage中，即兴创作很重要，需要获得最少的资源，同时需要接受新的演员和新的知识。在随后的α阶段，原型的实验和开发是一项关键能力，这需要一定的资源和尝试新路径的意愿(Fath et al. 2015)。如果将其应用于农业土壤利用的适应周期，可以表明，农业土壤利用的第一个和第二个适应周期的r阶段确实是由创新和企业家精神或实验精神塑造的。在接下来的k阶段中，之前引入的创新被接受，并开发出最佳实践方法;例如，几千年来犁的发展和持续使用。K_lim这一阶段可以用工业化过程中机动农具的发展来代表，以方便工作并为不断增长的工业解放劳动力。在Ω-stage阶段，新机器被接受，在α阶段，新技术的试验开始了，并探索了新的农业土壤利用途径。此外，在第一个适应周期中，新工具的开发伴随着社会系统内较小的适应周期，这反过来又延长了农业土壤使用大适应周期的k阶段。在接下来的章节中，使用Holling和Gunderson(2002)的术语，不包括K_lim-stage of Fath et al.(2015)。然而，也有提到后者。

中欧社会生态系统农业土壤利用分析

大约从40000 - 45000年前开始，解剖学上的现代人取代了欧洲的尼安德特人(Mellars 2004, Pinhasi et al. 2012, Hublin 2015)。当冰期末期冰盖消退(Hughes and Gibbard 2015)，生态系统的一个新的α阶段开始，植物物种和动物群扩散到现在的无冰空间(Holling and Gunderson 2002)，土壤形成过程开始(Terberger et al. 2004)。适应周期受到气候变化的影响，在全新世早期，不同物种占据了这些地区，包括猎人和采集者(Bos 2001, Tinner和Lotter 2001, Crombé等人，2011,Giesecke等人，2011)。在中石器时代，狩猎和采集是生存的方式(Uerpmann 2007, Bailey and Spikins 2008, Tolksdorf et al. 2009, Prummel and Niekus 2011);对土壤的影响仍然很小。随着人类的定居和农业的发展，人类对当地生态系统适应周期的影响越来越大，SES农业土壤利用开始了。

适应周期的r阶段:中欧的新石器时代过渡

农业和农业土壤利用从近东开始传播(Davison et al. 2006, Tresset and Vigne 2011)。在整个欧洲，新石器时代过渡的时间各不相同(Ammerman和Cavalli-Sforza 1971, Gkiasta et al. 2003, Coward et al. 2008)。关于这种转变是如何发生的，有几种方法;例如，从事农业的人迁入(传染病扩散)或在大陆上传播农业思想(文化扩散)(Haak等人2005年，Davison等人2006年，Larson等人2007年，Gronenborn和Petrasch 2010年，Lemmen等人2011年，Zvelebil等人2012年，Brandt等人2015年)。无论是流行还是文化扩散，随着新石器时代的过渡，SES农业土壤利用开始了。新石器时代的过渡标志着中欧SES农业土壤利用重组(α阶段)的开始和r阶段的开始(图1)。SES可变土壤对定居的人变得重要起来。他们清理森林以获取木材、燃料和田地，这改变了水和养分循环，并影响了土壤形成过程(Bork等人，2006年，Kaplan等人，2009年，Gerlach和Eckmeier 2012年，Ellis等人，2013年)。在斜坡上，森林的砍伐导致侵蚀，并在斜坡沿线的山谷和洼地中形成人为的堆积沉积物(Leopold和Völkel 2007, Houben 2012, Mitusov等人，2014)。随着新石器时代的开始，中欧的斜坡沉积物明显增加(Dreibrodt et al. 2010)b）;例如，在德国中部的Wetterau (Houben et al. 2013)和德国北部的Albersdorf (Reiß et al. 2009)。然而，可以追溯到新石器时代的人为堆积沉积物仍然很少，可能是因为侵蚀不普遍，或者因为它们被重新沉积(Zolitschka et al. 2003)，或者后来的土壤形成过程改变了它们。然而，侵蚀事件在湖泊沉积物中也可追溯(例如，在德国北部的贝劳湖)，可追溯到新石器时代中期(Dreibrodt等人，2010年b)．

SES可变作物出现于新石器时代(表1)。考古植物学分析显示植被随定居时间的变化而变化(Rösch 1987)。大多数在近东驯化的作物随着线性陶器文化和漏斗烧杯文化来到欧洲(Bakels 2014)。所有中欧地区种植的作物都类似(Coward et al. 2008)，其中以粗粒、二粒、小麦和大麦最为常见(Herbig 2009, Bogaard et al. 2011, Bogaard et al. 2013)。中欧也有家养动物(Doppler et al. 2015)。

SES的知识/技术变量在考古发现中间接可见:在科隆附近，一个线性陶器文化的挖掘井揭示了一把由梧桐树制成的铁锹，可以追溯到公元前5057年(Mueller 2015)。铁锹是有关土壤栽培的最早发现之一，线形陶器文化是中欧新石器时代(公元前5500-2200年)的初始阶段(Price et al. 2001, Eggert and Samida 2013)。在德国北部波罗的海海岸挖掘的另一口井发现了新石器时代中期的文物，考古植物学研究表明农业土地使用(Brozio et al. 2014)。这口井在漏斗烧杯文化(公元前4100-2800年)期间使用，这是德国北部第一个定居文化(Kirleis et al. 2012, Brozio et al. 2014, Whitehouse and Kirleis 2014)。

土壤质量和邻近淡水似乎与区域定居有关(Lüning 2000, Rösch等，2002,Zolitschka等，2003,Fries 2005, Davison等，2006,Banks等，2013,Brozio等，2014)。在新石器时代，通过改变景观以适应与久坐相关的新人类需求，SES农业土壤利用处于开发的r阶段。作物植物的出现、工具的发展和侵蚀的开始表明了SES农业土壤利用的出现。然而，Gronenborn等人(2014)提出，在一般SES农业土壤利用的这一阶段，线性陶器文化经历了一个完整的适应周期。这表明，自适应周期由影响整个系统的不同空间和时间尺度组成，并考虑了社会系统中影响更大自适应周期变量的较小和较快的周期(Fath et al. 2015)。线性陶文化的适应周期对SES农业土壤利用有影响，但这个周期内的变化并没有导致SES本身的改变。

新石器时代过渡后，SES农业土壤利用在青铜时代和铁器时代一直处于r阶段。土壤中的犁痕，意大利北部和东弗里西亚的挖掘遗址，以及意大利北部和瑞典的岩石雕刻显示了新的农业方法和工具(Schultz-Klinken 1981, Tegtmeier 1993, Egg and Pare 1995, Fries 1995, Behre 1998, Zich 1999)。金属的使用始于青铜时代(公元前2200-800年)，一直持续到前罗马铁器时代(公元前800-15年)，包括哈尔施塔特时期和La Tène时期(Eggert和Samida 2013年)。主要的创新是青铜时代的镰刀和铁器时代的镰刀(Jockenhövel 1994, Egg and Pare 1995)。金属的使用显示了技术的发展和假定的知识的增长，这导致了开采以前未使用的自然资源的采矿活动;例如，在德国西南部的黑森林(Gassmann et al. 2006)。知识/技术变量的变化被视为从铲到硬到犁的发展，这可以用Fath等人(2015)的方法解释，几个小规模的适应周期可以影响一个更大周期的r和k阶段。然而，这种知识并没有因为农业土壤的使用而得到发展，而是后来在农业环境中得到了应用:德国南部Bad Buchau-Kappel的La Tène晚期窖藏显示了铁器的多样性，如钳子、刀、镰刀和镰刀(Jockenhövel 1993);没有找到耕作工具。在德国南部Urach的农业重要宝藏中，也没有犁头(Fries 1995)。 The ards of the type Døstrup, found in Denmark, were used during pre-Roman Iron Age for soils under tillage, while the Walle type ard was used to break up formerly unused soils (Fries 1995). The latter and Early Iron Age ard shares found in the Netherlands (Sanden 1994) point to similar tillage practices in the Bronze and Iron Ages. The results show that metallurgy developed but was not initially used for agricultural purposes. However, in the Bronze Age, cattle traction was established and used for pulling the ard or carts (Bartosiewicz 2013); e.g., facilitating soil cultivation.

从新石器时代到青铜器和铁器时代，SES变量作物变化不大(表1)。然而，土壤变量显示，在青铜器时代初期和铁器时代，人为累积沉积物有所增加(Dreibrodt et al. 2010)b)．在德国北部的Albersdorf (Reiß et al. 2009)、巴伐利亚的Frauenberg (Lang et al. 2003)和Wetterau发现了青铜时代的人为共谋沉积，在早期铁器时代也发生了共谋(Houben et al. 2013)。黑森林湖泊中的浊积岩也开始于青铜时代(Rösch和Tserendorj 2011)。人为合谋增加的原因可能是由于更多的定居点或为冶金燃料目的而增加的森林砍伐。

对荷兰凯尔特农田的研究表明，铁器时代晚期存在集约化农业系统，休耕期较短，施肥强度较高，耕作方法也发生了变化(Spek et al. 2003)。管理实践的变化和凯尔特地区的发展表明了农业的进一步发展(Jankuhn 1977)。然而，我们认为，SES农业土壤利用仍处于开发开发的r阶段。根据Holling和Gunderson(2002)提出的适应周期，创造性破坏和重组是一个快速过程。在考古记录、土壤学研究和孢粉学中，变化是可以观察到的。然而，这些变化是缓慢的，发生在几个世纪而不是几十年。它们可以被解释为对新创新的测试，这是r阶段的特征(Fath等人，2015年)，企业家精神导致使用创新的管理实践不断发展。金属的使用表明了冶金知识的丰富和工作的便利;例如，用于收割的青铜镰刀和镰刀。然而，用于耕作的工具可能仍然与在东弗里西亚Walle发现的可追溯到青铜时代的ard相似，荷兰的ard份额表明(Schultz-Klinken 1981, Sanden 1994, Behre 2000)。 The development of these tools can be seen as a smaller adaptive cycle that occurred in the SES metallurgy and affected the SES agrarian soil use.

过渡到k阶段:中欧的农业保护

在古代，有关农业的知识被记录下来。希腊和罗马学者写了欧洲第一部关于农业的文学作品。其中包括赫西奥德Érga kaì hemérai卡托的农业文化, VarroRes rusticae和科伦ella的在乡村(摘自winiwater 2006)。这些作品主要是为主人写的大庄园；即大地主(James et al. 2014)。科伦ella描述了一种测定土壤肥力的试验:在挖了一个洞后，将挖好的土壤填满。如果土壤形成一个土丘，说明土壤肥沃;如果填充物形成空心，则土壤贫瘠(McNeill and winiwater 2004)。这种方法测试土壤的团聚体稳定性，这取决于土壤质地、土壤有机质、生物活性和土壤的矿物含量。文本显示，SES农业土壤利用向K-或保持阶段移动(图1)，较小和更快的子系统的变化会影响适应周期(Fath et al. 2015)。传统和土地管理做法被记录下来，并强调了“良好”做法的重要性。然而，值得注意的是，农业作家文学作品中记载的知识可能并没有应用于阿尔卑斯山以北的农业(Deschler-Erb和Akeret 2011年)，这就需要通过历史、考古学、孢粉学和土壤学分析来了解以前的土地利用变化。

在罗马时期，中欧经历了不同的发展。在南部和西部，罗马人控制着行省日耳曼尼亚劣质而且优越的还有Raetia(Ausbuttel 2011)。罗马的影响导致了villae rusticae，罗马堡垒和城镇(Heiligmann 1996, Wilson 2006)。一个别墅黄花是农业生产中心(Groot and Deschler-Erb 2015);例如，在德国巴伐利亚，一栋别墅的生产面积约为50公顷(Leopold et al. 2010)。在今天的德国南部，villae rusticae通常沿着罗马道路建立，这使得新的地区可以通行(Humpert 1995年，Kerig和Lechterbeck 2004年，Fingerlin 2008年)。对于莱姆河以北和以东的地区，几乎没有书面资料;例如,凯撒De bello gallico或PtolemaiosGeographike Hyphegesis(Nüsse et al. 2011)。值得注意的是，这些描述可能反映了对“野蛮人”的刻板描述(Erdrich 2001)。书面资料显示了罗马人的观点，这本身是有价值的，但要理解SES农业土壤利用及其适应周期，我们需要考虑所有变量。因此，跨学科的方法被使用，例如研究位于今天荷兰-德国边境地区的Vecht河谷(van Beek and Groenewoudt 2011)。考古植物学分析显示了作物变量的延续(表1)。在德国西南部，斯佩尔特是最常见的作物(Rösch 2009)。

在石勒苏益格-荷尔斯泰因州的Belau湖和莱茵兰-普法尔茨州的Holzmaar湖的分析(Dreibrodt et al. 2010b)显示两地土壤变量的对比。贝劳湖的水土流失在前罗马铁器时代增加，而在罗马时期减少，这导致物质流入湖中的速度较慢，而霍尔兹马尔湖的情况则不同:罗马帝国时期的物质输入比前罗马铁器时代大(Dreibrodt et al. 2010)b)．在德国西南部的Kaiserstuhl也发现了可追溯到罗马时代的人为堆积沉积物(Mäckel et al. 2003)。这表明重建中欧在那个时期的一般农业做法是多么困难。此外，对建筑材料需求的增加导致了森林砍伐，其最大程度在公元250年左右(Büntgen et al. 2011)，这影响了土壤侵蚀过程。

农业技术在罗马时代得到了发展，这导致了铁锹的使用。在今天的德国，铁锹可以追溯到1世纪到3世纪，它们完全是由铁制成的(Mueller 2015)。在高卢省，使用由4-6头牛拉动的带两个小轮子的犁(Schneider 2007)。维吉尔描述了公元1年左右的“罗马犁”，其中有铁股份(Lal et al. 2007)。现有工具的进一步发展和有关农业实践的书面资料的存在表明了k阶段，在这个阶段，连通性增加，包括成功农业所需的知识和技术。变土表现为侵蚀和积积过程。然而，农业土壤的使用仍然与动物和人类的力量有相似的工具。这些工具已经改进了，但没有发明改变了农业土壤使用的实际做法。

k阶段持续到中世纪(公元500-1500年)，这个时期包括许多不同的王朝，以及社会和区域发展(Fried 2009)。在中世纪，罗马农业作家的文本仍然是抄写的。此外，塞维利亚的伊西多(Isidore)写了一本简短的百科全书，讨论了耕作顺序和施肥，瓦拉弗里德·斯特拉博(Walafrid Strabo)写了一首关于24种花园植物的诗(Winiwarter 2006)。这表明，某些群体的人想要保存和提高农业实践知识，这表明适应周期的k阶段。然而，农业实践似乎依赖于传统的实践，这与记载的知识不一定相关(Dotterweich 2013)。

有人认为，黑麦在中世纪时期成为一种作物，尽管黑麦的痕迹可以追溯到新石器时代(Behre 1992)。不同作物的比例随时间和地区的不同而变化，但所使用的植物是在新石器时代/青铜时代/铁器时代/罗马时期引入的(表1)。

土壤变量慢慢被区别对待，因为在中世纪时期施肥是农业的一部分(Behre 2000)。此外，土壤和知识/技术这两个变量变得相互关联。北欧曾使用过plaggen -施肥，山脊和犁沟普遍存在(Behre 1976, Blume和Leinweber 2004, haiss - berner 2012, van Mourik et al. 2012)，在今天的景观中发现了plaggen -施肥的痕迹。对于鼠疫施肥，将邻近地区的表土割开并分布在农田上，这导致了割开地区的健康发展，并使冬季黑麦得以在田间种植(Pape 1970, Behre 2000)。垄和沟的形成是由于从ard到moldboard或重型犁的变化，这使得土壤朝着一个方向向田地中央倾斜，并允许在重粘土上进行农业(Seidl 2006, haiss - berner 2012, Andersen et al. 2016)。垄沟地的微小起伏使农业在干旱和湿润的年份都能取得成功。在山脊上，即使在降雨量大的年份收获也很好，而犁沟在干旱的年份提供了足够的水(Linke 1979)。三田系统，种植两种作物与休耕交替，也在考古植物学记录中传播和观察到(Rösch等，1992年)。

侵蚀和勾结在中世纪时期有所增加(Zolitschka et al. 2003, Dreibrodt et al. 2010b， Henkner et al. 2017)。采矿活动导致了森林的迅速砍伐，但也导致了禁止在某些地区砍伐森林的新规定(Steuer 1993年)。为农业目的而继续砍伐森林，导致水土流失和人为堆积沉积物的形成;例如，在德国西南部可追溯到公元980-1330年的Kraichgau (Kadereit et al. 2010)，或在公元9世纪至15世纪Krumpenschloß附近的黑森林(Knopf et al. 2012)。在Göttingen地区，在20世纪50年代发现了几个重新填充的沟壑(Bork 2006)。研究表明，1342年中欧的一次强降水事件导致了低山脉的侵蚀，导致了沟壑的形成，后来沟壑被土壤沉积物填满(Bork et al. 2006)。在石勒苏益格-荷尔斯泰因州贝劳湖集水区的一项研究(Dreibrodt 2005)和在巴伐利亚州沃尔夫地堑的另一项研究(Dotterweich et al. 2003, Schmitt et al. 2003)支持了这一观点。在巴伐利亚friickenhauser See进行的调查表明，在公元1000年至1870年之间，发生了密集的土壤侵蚀(entries et al. 2006)。因此，这些档案显示了土地使用的集约化。然而，人类仍然依靠用来牵引的工具和动物来从事农业; the SES agrarian soil use was not reconstructed as such but remained in the K-phase.

土壤侵蚀在18世纪再次增加(Dotterweich 2013)，在中世纪末期的土地遗弃阶段之后(drere ßler et al. 2006, Fraser 2011)，这可能是由于侵蚀、作物歉收和瘟疫共同造成的。记录了极端天气事件(Dreibrodt et al. 2010b）;例如，1783/84年的洪水在报纸和信件中有报道，中欧各地的气象站也有记录(Brázdil et al. 2010)。对莱茵河流域沉积速率的分析表明，泛滥平原的沉积增加和人为堆积沉积物的形成(Hoffmann et al. 2009)。

在19世纪，对土壤的科学分析有所增加。阿尔布雷希特·丹尼尔·塔尔、贾斯特斯·冯·李比希、查尔斯·达尔文和瓦西里·v·多库恰耶夫都写过关于土壤的重要著作(李比希1841年，塔尔1880年，达尔文1890年，埃夫图霍夫2006年)。塔尔专注于农业和腐殖质与作物轮作的相关性(Feller et al. 2003b)．李比希试图开发一种矿物肥料(Montgomery 2010)。达尔文专注于腐殖质的形成和蠕虫的重要性(Brown et al. 2003, Feller et al. 2003一个， Feller et al. 2006, Brevik and Hartemink 2010)。Dokuchaev介绍了土壤剖面，将其分为A-、B-和c层，并强调土壤应被视为一个独立的研究对象(Evtuhov 2006, Brevik and Hartemink 2010)。这些工作表明，变土已经成为一个研究课题。可变的知识越来越多地与实际的土壤使用联系在一起，至少考虑到土地所有者，而不一定是农民。知识的增长最终导致了新工具的发展，这导致了对SES农业土壤利用的创造性破坏和重组。

社会-生态系统农业土壤利用的Ω-和α-阶段和一个新周期的开始

随着工业化的发展，SES农业土壤利用经历了创造性破坏的Ω-phase阶段和重组的α阶段(图1)。不同变量发生了较大变化。

在新机器中可以观察到知识/技术变量的变化，但也导致了全球社会的变化。技术进步，如蒸汽机的发明，导致了农业实践的机动化和机械化(Bergmann 1970年，Gessner 1976年，Hahn 2011年)。机器制造商福勒发明了犁发动机(Seidl 2006)，铁匠约翰迪尔销售了一种犁，随着拖拉机的发明而变得越来越重要(Lal et al. 2007)。不断增长的知识和技术带来了新的肥料。1918年至1938年间，采用Haber-Bosch技术的工业化氮生产使德国的谷物产量提高了约50% (Niedertscheider et al. 2014)。这些发展与化石燃料的使用密切相关(Schumacher 1993)。新技术的使用改变了农业和畜牧业之间的紧密联系，因为不再需要动物来牵引和施肥(Lambin et al. 2001)。传统的轮作和休耕也因廉价的氮素供应而被放弃(Montgomery 2010)。这一发展标志着开发的r阶段，在这个阶段，增长是通过新的高效技术来完成的。正如Fath et al.(2015)所提出的，创新是经过测试的，企业家精神占主导地位。 It also starts the process toward a knowledge-based society, which influenced the agricultural sector (Uekoetter 2012), and raised the workforce in the secondary and tertiary sector (Hahn 2011), which led additionally to urbanization (Antrop 2004) and globalization (Robertson 1992, Levitt 1999). The global trade involves among others, food, fertilizer, fodder, and raw material needed for agriculture and agrarian technology. Information exchange is enabled by the internet and relatively cheap transportation. This global development means that we can no longer consider regional practices when analyzing the SES agrarian soil use.

随着转基因生物的引入和杀虫剂、除草剂和杀菌剂的广泛使用，SES可变作物发生了变化。如今农业中使用的农作物越来越少。作物变量与社会知识变量密切相关，因为转基因生物是通过人类干预发展起来的(Tiedje et al. 1989, Anklam et al. 2002)。此外，今天的社会依赖很少的作物，即小麦、水稻和玉米(Cassman 1999);例如,小麦成为20世纪20年代德国西南部的主要作物(Rösch et al. 1992)。这种作物的单一栽培是一种新现象;例如，水稻(Shen et al. 2004)。

土壤变量仍然容易发生侵蚀，但也容易发生其他形式的退化，如压实和养分耗竭。土壤侵蚀随着耕作强度的变化而增加，因为机器更大、更强大，而重型机械增强了土壤的压实性(Lal et al. 2007)。在欧洲，侵蚀率超过1亿吨公顷^－1y^－1被认为是不可持续的(Verheijen et al. 2009)。今天，欧洲的侵蚀面积在3到40吨公顷之间^－1y^－1，这正在损害土壤的生产力，并随着全球人口的增长而变得越来越重要(Verheijen et al. 2009)。

新的适应周期的另一个与土壤相关的方面是全球化肥使用量在过去40年增加了700% (Foley et al. 2005)，这导致了氮和磷循环的变化(Smil 1999,2000)。虽然氮可以使用Haber-Bosch方法产生，但农业中使用的大多数磷来自磷矿，是不可再生的。自第二次世界大战以来，这些储量的开采(主要在中国、美国和摩洛哥)增加了两倍(Cordell et al. 2009)， 2000年至2008年间，全球磷肥使用量增加了20% (MacDonald et al. 2011)。磷和氮的损失影响场外生态系统(如湖泊和海洋生态系统的富营养化)，影响全球变暖和生物多样性;例:通过₂哦，不，不_3.，和NH_3.(Tilman et al. 2002, Lal et al. 2011)。碳循环也随着对化石燃料的依赖而改变，这导致大气温室气体从280 ppm CO增加₂-在工业化开始时相当于2005年的430 ppm (Falkowski et al. 2000, Aertsens et al. 2013)。目前的化肥生产依赖于化石燃料，并导致CO的产生₂排放，农业机械的使用，森林砍伐形式的土地利用变化和施肥(Canadell et al. 2007, West et al. 2010)。

对化石燃料的依赖表明SES的刚性越来越强，这将指向适应周期的k阶段的结束。然而，创新概念将新技术和知识的使用与替代或传统农业实践相结合;例如，土壤中的碳固存。农林业、树篱、低耕或免耕以及覆盖作物会影响侵蚀、生物多样性、养分淋滤、土壤有机质和碳固存(Aertsens等，2013年)。这表明，小而快速的适应周期会影响农业土壤利用的大适应周期，并探索应对当前挑战的替代途径。然而，全球免耕耕地面积仅为9% (Lal 2013)。在今天的德国，免耕面积为1463平方公里，相当于土地面积的1.3%，而保护性耕作或常规耕作面积为110775平方公里(德国统计局2016年)。这表明，即使在一个高度工业化的国家，随着知识的迅速增长，也只有少数人实行免耕。这支持了一种观点，即我们正处于保护的k阶段，因为大多数农业土壤使用依赖于矿物肥料和大型机械的耕作方法。一个新的Ω-phase是否正在逼近取决于今天的决定。 These rely on studies conducted by different scientists; e.g., concerning the functioning of the nitrogen cycle. A long-term field study in France showed that cover crops reduced nitrogen leaching, while no-till did not result in significant nitrogen sequestration (Constantin et al. 2010). A study in New Zealand showed that the effectiveness of cover crops in preventing nitrogen leaching depended on sowing dates and soil type, and was influenced by weather variability (Teixeira et al. 2016). The results suggest that site-specific practices and holistic management approaches are necessary to develop the agricultural sector toward more sustainability. However, interdisciplinary approaches are needed to communicate these new findings to soil users and society in general, which might also pave the way to greater food security and equality worldwide (Godfray et al. 2010, Lal et al. 2011, Altieri 2012, Scholten 2014). Further, the development in the social component of the SES needs to be investigated in order to determine the effect of small and fast adaptive cycles on the big adaptive cycle of the SES agrarian soil use.

结论

适应周期叙述有助于研究社会-生态系统中发生的变化，例如过去千年来农业土壤利用SES的变化。叙述有助于理解SES的变化，以及随着时间的推移SES内部的变化，同时关注重要的变量，在本例中，是土壤、作物和知识/技术。正如本研究所示，这种方法对考古和土壤科学研究也很重要，因为SESs和适应周期的概念可以应用于社会生态系统内更广泛的发展。它也可以用来将个别案例研究与国际环境联系起来。

SES农业土壤利用的适应周期始于新石器时代的过渡和久坐。在新石器时代以及青铜和铁器时代，适应周期处于r阶段。创新工具和理念的发展，使这些社会能够成功地开展农业活动。随着古代的发展，SES进入了k阶段，在这个阶段，有关农业实践的知识被书面资料记录下来，并确定了最佳实践方法。在中世纪和现代，一般知识，特别是农业知识，增加了。此外，农业工具也得到了改进，例如在犁头中使用铁，从而结合了SES冶金的适应周期。随着工业化，SES经历了释放或创造性破坏的Ω-phase阶段和重组的α阶段。社会经济系统在α阶段发生了较大的变化，导致了畜牧业和耕地的分离和农业机械化后的一个新的r阶段。这可以与新石器时代农业的建立相媲美，因为巨大的创新改变了SES。新石器时代的过渡导致了久坐，所以第一批定居点和新的社会结构发展起来了。 The Industrial Revolution enabled a diversified society with more people working outside the agrarian business due to the innovations of the r-phase. The knowledge and technology variable are interconnected in both r-phases; e.g., in the development of the plow and the Haber-Bosch method. After industrialization and mechanization, agrarian soil use no longer involved the work of animals and humans, but work of machines. This has new consequences for the soil variable, comparable to the consequences of deforestation, which subjected the soil to erosion after the establishment of fields since the Neolithic. The new impact on soil includes compaction, nutrient depletion, and other forms of soil degradation. The crops used in agriculture were first introduced in the Neolithic. They were used in different proportions during the last millennia. With industrialization, new genetically modified organisms were developed, thereby connecting the variables crop and knowledge/technology. The crop variable underwent another change, as society depends on a limited variety of crop plants for nutrition today.

两个适应周期的不同之处在于从r-阶段到k阶段的转变速度，在第一个周期中持续了几千年，但在第二个周期中只持续了几十年。第一个k阶段始于希腊和罗马的农业作家，并在塔尔、李比希和达尔文等人的著作中达到顶峰，最终对剩余生产和技术发展产生了巨大影响，导致了SES的重组和第二个适应周期。知识仍在稳步增长，技术发展已经导致了高科技农业企业，依赖于计算机、地理信息系统、化肥等。这些新的发展也影响了土壤和作物的使用。为了研究这些影响，需要开展跨学科工作，以确保SES农业土壤利用的恢复力不会对土壤、作物、知识/技术和气候产生不利影响。这些跨学科研究应包括各种学科，除其他外，包括土壤学、社会学、人类学、气候学，但也包括历史学和考古学，以了解一个区域的过去发展和区域内的发展。由于对特定变量的关注，SES和适应周期可以用来提前构建研究，同时也包括系统方法，并承认自然系统和社会系统之间的联系。这些研究面临的进一步挑战是，需要研究社会系统中的小规模和快速适应周期，以理解农业土壤利用大周期的发展。由于我们处于适应周期的k阶段，社会系统中的适应周期小而快将决定系统在当前阶段停留多久。如果创新和传统结合起来，吸取过去的教训(例如，关于侵蚀)，新的k阶段可能会持续很长一段时间。 However, if this does not happen, a new Ω-phase might result in a reorganization of the system with an unknown outcome. The variety of possible responses to global, regional, and local challenges requires scientists from different fields to investigate the different variables of the SES agrarian soil use to understand the processes and interactions between and within the variables. This might contribute to the resilience of the SES and lead to new policies on a global scale. Interdisciplinary research helped us understand the adaptive cycle of the SES from the Neolithic to industrialization. It is also necessary to develop a resilient agrarian soil use for the future.

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