Người Homo sapiens hiện đại đã tham gia vào một số lượng lớn các biến đổi hệ sinh thái, nhưng rất khó để phát hiện nguồn gốc hoặc hậu quả ban đầu của những hành vi này.Dữ liệu khảo cổ học, địa lý học, địa mạo và môi trường cổ sinh từ miền bắc Malawi ghi lại mối quan hệ thay đổi giữa sự hiện diện của các loài kiếm ăn, tổ chức hệ sinh thái và sự hình thành quạt phù sa trong Pleistocen muộn.Sau khoảng thế kỷ 20, một hệ thống dày đặc các hiện vật thời kỳ đồ đá mới và các quạt phù sa đã được hình thành.92.000 năm trước, trong môi trường sinh thái cổ đại, không có chất tương tự nào trong kỷ lục 500.000 năm trước đó.Dữ liệu khảo cổ học và phân tích tọa độ chính cho thấy rằng các đám cháy nhân tạo ban đầu đã nới lỏng các hạn chế theo mùa đối với việc đánh lửa, ảnh hưởng đến thành phần thảm thực vật và xói mòn.Điều này, kết hợp với những thay đổi về lượng mưa do khí hậu, cuối cùng đã dẫn đến sự chuyển đổi sinh thái sang cảnh quan nhân tạo thời kỳ tiền nông nghiệp.
Con người hiện đại là người thúc đẩy mạnh mẽ quá trình chuyển đổi hệ sinh thái.Trong hàng nghìn năm, họ đã thay đổi môi trường một cách sâu rộng và có chủ đích, làm dấy lên cuộc tranh luận về thời điểm và cách thức mà hệ sinh thái do con người thống trị đầu tiên xuất hiện (1).Ngày càng có nhiều bằng chứng khảo cổ học và dân tộc học cho thấy rằng có một số lượng lớn các tương tác đệ quy giữa những người kiếm ăn và môi trường của chúng, điều này cho thấy rằng những hành vi này là cơ sở của sự tiến hóa loài của chúng ta (2-4).Dữ liệu di truyền và hóa thạch chỉ ra rằng người Homo sapiens đã tồn tại ở châu Phi khoảng 315.000 năm trước (ka).Dữ liệu khảo cổ học cho thấy mức độ phức tạp của các hành vi xảy ra trên khắp lục địa đã tăng lên đáng kể trong quá khứ khoảng 300 đến 200 nhịp ka.Cuối kỷ Pleistocen (tiếng Chibanian) (5).Kể từ khi chúng ta xuất hiện như một loài, con người đã bắt đầu dựa vào sự đổi mới công nghệ, sắp xếp theo mùa và hợp tác xã hội phức tạp để phát triển mạnh mẽ.Những thuộc tính này cho phép chúng ta tận dụng các nguồn tài nguyên và môi trường không có người ở hoặc khắc nghiệt trước đây, vì vậy ngày nay con người là loài động vật toàn cầu duy nhất (6).Lửa đóng một vai trò quan trọng trong sự biến đổi này (7).
Các mô hình sinh học chỉ ra rằng khả năng thích nghi với thực phẩm nấu chín có thể bắt nguồn từ ít nhất 2 triệu năm trước, nhưng phải đến cuối kỷ Pleistocen giữa thì bằng chứng khảo cổ học thông thường về việc kiểm soát lửa mới xuất hiện (8).Lõi đại dương với hồ sơ bụi từ một khu vực rộng lớn của lục địa Châu Phi cho thấy rằng trong hàng triệu năm qua, đỉnh của cacbon nguyên tố xuất hiện sau khoảng 400 ka, chủ yếu trong quá trình chuyển đổi từ thời kỳ băng hà sang băng hà, nhưng cũng xảy ra trong Holocen (9).Điều này cho thấy rằng trước khoảng 400 ka, hỏa hoạn ở châu Phi cận Sahara không phổ biến, và sự đóng góp của con người là đáng kể trong Holocen (9).Lửa là một công cụ được sử dụng bởi những người chăn gia súc trong suốt Holocen để canh tác và duy trì đồng cỏ (10).Tuy nhiên, việc phát hiện bối cảnh và tác động sinh thái của việc sử dụng lửa của những người săn bắn hái lượm trong thế kỷ Pleistocen sớm phức tạp hơn (11).
Lửa được gọi là một công cụ kỹ thuật để khai thác tài nguyên trong cả dân tộc học và khảo cổ học, bao gồm cải thiện lợi nhuận sinh kế hoặc sửa đổi nguyên liệu thô.Những hoạt động này thường liên quan đến quy hoạch công cộng và đòi hỏi nhiều kiến ​​thức về sinh thái (2, 12, 13).Các đám cháy quy mô cảnh quan cho phép những người săn bắn hái lượm xua đuổi con mồi, kiểm soát dịch hại và tăng năng suất môi trường sống (2).Lửa tại chỗ thúc đẩy nấu ăn, sưởi ấm, phòng thủ động vật ăn thịt và gắn kết xã hội (14).Tuy nhiên, mức độ mà nạn săn bắn hái lượm có thể tái cấu hình các thành phần của cảnh quan, chẳng hạn như cấu trúc của quần xã sinh thái và địa hình, là rất mơ hồ (15, 16).
Nếu không có dữ liệu khảo cổ và địa mạo đã lỗi thời và hồ sơ môi trường liên tục từ nhiều địa điểm, thì việc hiểu được sự phát triển của những thay đổi sinh thái do con người gây ra là một vấn đề nan giải.Hồ sơ lưu trữ hồ lâu dài từ Thung lũng Great Rift ở Nam Phi, kết hợp với các hồ sơ khảo cổ cổ trong khu vực, biến nó thành nơi điều tra các tác động sinh thái do kỷ Pleistocen gây ra.Ở đây, chúng tôi báo cáo về khảo cổ học và địa mạo của một cảnh quan thời kỳ đồ đá rộng lớn ở nam trung tâm châu Phi.Sau đó, chúng tôi liên kết nó với dữ liệu môi trường cổ sinh trải dài> 600 ka để xác định bằng chứng khớp nối sớm nhất về hành vi của con người và sự biến đổi hệ sinh thái trong bối cảnh hỏa hoạn do con người gây ra.
Chúng tôi đã cung cấp giới hạn tuổi chưa được báo cáo trước đây cho tầng Chitimwe ở Quận Karonga, nằm ở cuối phía bắc của phần phía bắc Malawi trong Thung lũng Rift miền nam châu Phi (Hình 1) (17).Những lòng đất này được cấu tạo bởi các quạt phù sa đất đỏ và trầm tích sông, có diện tích khoảng 83 km vuông, chứa hàng triệu sản phẩm đá, nhưng không có xác hữu cơ nào được bảo tồn, chẳng hạn như xương (Phụ lục) (18).Dữ liệu về ánh sáng kích thích quang học (OSL) của chúng tôi từ bản ghi Trái đất (Hình 2 và Bảng S1 đến Bảng S3) đã sửa đổi tuổi của tầng Chitimwe thành Pleistocen muộn, và tuổi già nhất của quá trình kích hoạt quạt phù sa và chôn cất thời kỳ đồ đá là khoảng 92 ka ( 18, 19).Lớp phù sa sông và sông Chitimwe bao phủ các hồ và sông thuộc lớp Pliocen-Pleistocen Chiwondo từ bất chỉnh hợp góc thấp (17).Các trầm tích này nằm trong nêm đứt gãy dọc theo rìa hồ.Cấu hình của chúng chỉ ra sự tương tác giữa dao động mực nước hồ và đứt gãy hoạt động kéo dài đến Pliocen (17).Mặc dù hoạt động kiến ​​tạo có thể đã ảnh hưởng đến địa hình khu vực và độ dốc piedmont trong một thời gian dài, hoạt động đứt gãy ở khu vực này có thể đã chậm lại kể từ kỷ Pleistocen giữa (20).Sau ~ 800 ka và cho đến ngay sau 100 ka, thủy văn của Hồ Malawi chủ yếu do khí hậu thúc đẩy (21).Do đó, cả hai đều không phải là lời giải thích duy nhất cho sự hình thành các quạt phù sa trong Pleistocen muộn (22).
(A) Vị trí của trạm Châu Phi so với lượng mưa hiện đại (dấu hoa thị);màu xanh lam ẩm ướt hơn và màu đỏ khô hơn (73);hộp bên trái hiển thị Hồ Malawi và các khu vực xung quanh MAL05-2A và MAL05-1B Vị trí của lõi / 1C (chấm màu tím), nơi vùng Karonga được đánh dấu dưới dạng đường viền màu xanh lá cây và vị trí của giường Luchamange được đánh dấu như một hộp màu trắng.(B) Phần phía bắc của lưu vực Malawi, cho thấy địa hình sườn đồi so với lõi MAL05-2A, phần còn lại của tầng Chitimwe (mảng màu nâu) và vị trí khai quật của Dự án Đồ đá cũ Malawi (MEMSAP) (chấm vàng));CHA, Chaminade;MGD, làng Mwanganda;NGA, Ngara;SS, Sadara South;VIN, ảnh thư viện văn học;WW, Beluga.
Độ tuổi trung tâm OSL (đường màu đỏ) và phạm vi lỗi 1-σ (25% màu xám), tất cả độ tuổi OSL liên quan đến sự xuất hiện của tạo tác tại chỗ ở Karonga.Tuổi tương đối so với dữ liệu 125 ka trong quá khứ cho thấy (A) ước tính mật độ hạt của tất cả các tuổi OSL từ trầm tích quạt phù sa, cho thấy sự tích tụ trầm tích / quạt phù sa (lục lam), và tái tạo mực nước hồ dựa trên các giá trị đặc trưng của phân tích thành phần chính (PCA) Thủy sinh hóa thạch và khoáng chất tự sinh (21) (xanh lam) từ lõi MAL05-1B / 1C.(B) Từ lõi MAL05-1B / 1C (màu đen, giá trị gần 7000 với dấu hoa thị) và lõi MAL05-2A (màu xám), số lượng carbon đại phân tử trên gam được chuẩn hóa theo tốc độ lắng.(C) Chỉ số độ phong phú của loài Margalef (Dmg) từ phấn hoa hóa thạch lõi MAL05-1B / 1C.(D) Tỷ lệ phấn hoa hóa thạch từ họ Compositae, rừng cây miombo và Olea europaea, và (E) Tỷ lệ phấn hoa hóa thạch từ họ Poaceae và Podocarpus.Tất cả dữ liệu về phấn hoa đều từ lõi MAL05-1B / 1C.Các số ở trên cùng đề cập đến các mẫu OSL riêng lẻ được nêu chi tiết trong Bảng S1 đến Bảng S3.Sự khác biệt về tính khả dụng và độ phân giải của dữ liệu là do khoảng thời gian lấy mẫu khác nhau và tính sẵn có của vật liệu trong lõi.Hình S9 cho thấy hai bản ghi carbon vĩ mô được chuyển đổi thành điểm z.
(Chitimwe) Sự ổn định cảnh quan sau quá trình hình thành quạt được biểu thị bằng sự hình thành đất đỏ và các muối cacbonat trong đất, bao phủ lớp trầm tích hình quạt của toàn bộ khu vực nghiên cứu (Văn bản bổ sung và Bảng S4).Sự hình thành các quạt phù sa Pleistocen muộn ở lưu vực Hồ Malawi không chỉ giới hạn ở khu vực Karonga.Cách Mozambique khoảng 320 km về phía đông nam, độ sâu nuclide vũ trụ trên cạn là 26Al và 10Be giới hạn sự hình thành của lớp đất đỏ phù sa Luchamange ở mức 119 đến 27 ka (23).Giới hạn tuổi rộng rãi này phù hợp với niên đại OSL của chúng tôi đối với phần phía tây của lưu vực Hồ Malawi và cho thấy sự mở rộng của các quạt phù sa trong khu vực trong Pleistocen muộn.Điều này được hỗ trợ bởi dữ liệu từ hồ sơ lõi hồ, cho thấy tốc độ bồi lắng cao hơn đi kèm với khoảng 240 ka, có giá trị đặc biệt cao ở ca.130 và 85 ka (phụ bản) (21).
Bằng chứng sớm nhất về sự định cư của con người trong khu vực này có liên quan đến trầm tích Chitimwe được xác định ở ~ 92 ± 7 ka.Kết quả này dựa trên 605 m3 trầm tích được khai quật từ cuộc khai quật khảo cổ học kiểm soát không gian 14 cm và 147 m3 trầm tích từ 46 hố kiểm tra khảo cổ, được kiểm soát theo chiều dọc đến 20 cm và được kiểm soát theo chiều ngang là 2 mét (Văn bản bổ sung và Hình S1 đến S3) Ngoài ra, chúng tôi cũng đã khảo sát 147,5 km, bố trí 40 hố kiểm tra địa chất và phân tích hơn 38.000 di tích văn hóa từ 60 trong số đó (Bảng S5 và S6) (18).Những cuộc điều tra và khai quật mở rộng này chỉ ra rằng mặc dù con người cổ đại bao gồm cả người hiện đại đầu tiên có thể đã sống ở khu vực cách đây khoảng 92 ka, việc tích tụ trầm tích liên quan đến sự gia tăng và sau đó là ổn định của Hồ Malawi đã không bảo tồn bằng chứng khảo cổ cho đến khi hình thành giường Chitimwe.
Dữ liệu khảo cổ học hỗ trợ suy luận rằng vào cuối Đệ tứ, sự mở rộng hình quạt và các hoạt động của con người ở miền bắc Malawi đã tồn tại với số lượng lớn, và các di tích văn hóa thuộc về các loại vùng khác của châu Phi có liên quan đến con người hiện đại đầu tiên.Hầu hết các đồ tạo tác được làm bằng đá cuội sông thạch anh hoặc thạch anh, với xuyên tâm, Levallois, nền tảng và giảm lõi ngẫu nhiên (Hình S4).Các hiện vật chẩn đoán hình thái chủ yếu được cho là do kỹ thuật kiểu Levallois đặc trưng của Thời đại Mesolithic (MSA), cho đến nay có ít nhất khoảng 315 ka ở châu Phi (24).Tầng trên cùng của Chitimwe kéo dài cho đến đầu Holocen, chứa các sự kiện Thời kỳ đồ đá muộn phân bố thưa thớt, và được phát hiện có liên quan đến những người săn bắn hái lượm cuối Pleistocen và Holocen muộn trên khắp châu Phi.Ngược lại, truyền thống công cụ đá (như công cụ cắt lớn) thường gắn liền với Pleistocen sớm giữa rất hiếm.Những nơi này đã xảy ra, chúng được tìm thấy trong trầm tích chứa MSA ở Pleistocen muộn, không phải trong giai đoạn đầu của quá trình lắng đọng (Bảng S4) (18).Mặc dù địa điểm tồn tại ở ~ 92 ka, thời kỳ hoạt động tiêu biểu nhất của con người và sự lắng đọng của quạt phù sa xảy ra sau ~ 70 ka, được xác định rõ bởi một tập hợp các tuổi OSL (Hình 2).Chúng tôi đã xác nhận mẫu này với 25 độ tuổi OSL đã được xuất bản và 50 độ tuổi OSL chưa được xuất bản trước đây (Hình 2 và Bảng S1 đến S3).Những điều này chỉ ra rằng trong tổng số 75 xác định tuổi, 70 đã được phục hồi từ trầm tích sau khoảng 70 ka.Hình 2 cho thấy 40 tuổi liên quan đến các hiện vật MSA tại chỗ, liên quan đến các chỉ số môi trường cổ sinh chính được công bố từ trung tâm của lưu vực trung tâm MAL05-1B / 1C (25) và trung tâm lưu vực phía bắc MAL05-2A chưa được công bố trước đó của hồ.Than củi (tiếp giáp với quạt tạo ra tuổi OSL).
Sử dụng dữ liệu mới từ các cuộc khai quật khảo cổ về phytoliths và hình thái vi thể của đất, cũng như dữ liệu công khai về phấn hoa hóa thạch, than củi lớn, hóa thạch thủy sinh và khoáng chất tự sinh từ lõi của Dự án khoan hồ Malawi, chúng tôi đã tái tạo lại mối quan hệ của con người MSA với hồ Malawi.Chiếm được điều kiện khí hậu và môi trường cùng thời kỳ (21).Hai tác nhân sau là cơ sở chính để tái tạo độ sâu tương đối của hồ có niên đại hơn 1200 ka (21), và được kết hợp với các mẫu phấn hoa và macrocarbon được thu thập từ cùng một vị trí trong lõi ~ 636 ka (25) trong quá khứ .Các lõi dài nhất (MAL05-1B và MAL05-1C; lần lượt là 381 và 90 m) được thu thập cách khu vực dự án khảo cổ khoảng 100 km về phía đông nam.Một lõi ngắn (MAL05-2A; 41 m) được thu thập khoảng 25 km về phía đông của Bắc sông Rukulu (Hình 1).Lõi MAL05-2A phản ánh điều kiện môi trường cổ sinh trên mặt đất ở khu vực Kalunga, trong khi lõi MAL05-1B / 1C không nhận được đầu vào trực tiếp từ sông từ Kalunga, vì vậy nó có thể phản ánh tốt hơn các điều kiện khu vực.
Tốc độ lắng đọng được ghi nhận trong lõi khoan composite MAL05-1B / 1C bắt đầu từ 240 ka và tăng từ giá trị trung bình dài hạn là 0,24 đến 0,88 m / ka (Hình S5).Sự gia tăng ban đầu có liên quan đến những thay đổi của ánh sáng mặt trời điều chế quỹ đạo, điều này sẽ gây ra những thay đổi biên độ cao trong mực nước hồ trong khoảng thời gian này (25).Tuy nhiên, khi độ lệch tâm quỹ đạo giảm xuống sau 85 ka và khí hậu ổn định, tốc độ lún vẫn cao (0,68 m / ka).Điều này trùng hợp với ghi chép OSL trên cạn, cho thấy bằng chứng rộng rãi về sự giãn nở của quạt phù sa sau khoảng 92 ka, và phù hợp với dữ liệu tính nhạy cảm cho thấy mối tương quan thuận giữa xói mòn và cháy sau 85 ka (Văn bản bổ sung và Bảng S7).Theo phạm vi sai số của điều khiển thời gian địa lý có sẵn, không thể đánh giá liệu tập hợp các mối quan hệ này phát triển chậm so với tiến trình của quy trình đệ quy hay bùng phát nhanh chóng khi đạt đến điểm tới hạn.Theo mô hình địa vật lý của quá trình tiến hóa lưu vực, kể từ kỷ Pleistocen giữa (20), quá trình mở rộng khe nứt và sụt lún liên quan đã chậm lại, do đó không phải là nguyên nhân chính của quá trình hình thành quạt rộng mà chúng ta chủ yếu xác định sau 92 ka.
Kể từ kỷ Pleistocen giữa, khí hậu là yếu tố kiểm soát chính của mực nước hồ (26).Cụ thể, sự nâng lên của lưu vực phía bắc đã đóng một lối ra hiện có.800 ka để làm sâu hồ cho đến khi nó đạt đến độ cao ngưỡng của lối ra hiện đại (21).Nằm ở cuối phía nam của hồ, cửa xả này cung cấp giới hạn trên cho mực nước của hồ trong khoảng thời gian ẩm ướt (kể cả ngày nay), nhưng cho phép lưu vực đóng lại khi mực nước của hồ giảm trong thời kỳ khô hạn (27).Việc tái tạo lại mực nước hồ cho thấy các chu kỳ khô và ướt xen kẽ trong 636 ka trong quá khứ.Theo bằng chứng từ phấn hoa hóa thạch, thời kỳ hạn hán khắc nghiệt (giảm> 95% tổng lượng nước) kết hợp với ánh nắng mặt trời thấp vào mùa hè đã dẫn đến sự mở rộng của thảm thực vật bán sa mạc, với những cây bị hạn chế ở các tuyến đường thủy vĩnh viễn (27).Các mức thấp (hồ) này có tương quan với phổ phấn hoa, cho thấy tỷ lệ cỏ cao (80% trở lên) và thực vật da đen (Amaranthaceae) so với các đơn vị phân loại cây và mức độ phong phú của các loài nói chung thấp (25).Ngược lại, khi hồ tiến đến mức hiện đại, thảm thực vật liên quan chặt chẽ đến rừng núi Châu Phi thường kéo dài đến bờ hồ [khoảng 500 m so với mực nước biển (masl)].Ngày nay, rừng núi châu Phi chỉ còn xuất hiện thành từng mảng nhỏ rời rạc trên khoảng 1500 masl (25, 28).
Thời kỳ hạn hán cực đoan gần đây nhất xảy ra từ 104 đến 86 ka.Sau đó, mặc dù mực nước hồ trở lại điều kiện cao, các rừng cây miombo mở với một lượng lớn thảo mộc và các thành phần thảo mộc trở nên phổ biến (27, 28).Đơn vị phân loại rừng núi châu Phi quan trọng nhất là thông Podocarpus, chưa bao giờ phục hồi về giá trị tương đương với mực nước hồ cao trước đó sau 85 ka (10,7 ± 7,6% sau 85 ka, trong khi mực nước hồ tương tự trước 85 ka là 29,8 ± 11,8%. ).Chỉ số Margalef (Dmg) cũng cho thấy mức độ phong phú của các loài trong 85 ka trước đây thấp hơn 43% so với mực nước hồ cao duy trì trước đó (lần lượt là 2,3 ± 0,20 và 4,6 ± 1,21), ví dụ từ 420 đến 345 ka (Bổ sung văn bản và hình S5 và S6) (25).Các mẫu phấn hoa từ khoảng thời gian.88 đến 78 ka cũng chứa một tỷ lệ cao của phấn hoa Compositae, điều này có thể chỉ ra rằng thảm thực vật đã bị xáo trộn và nằm trong phạm vi sai số của niên đại lâu đời nhất khi con người chiếm đóng khu vực này.
Chúng tôi sử dụng phương pháp dị thường khí hậu (29) để phân tích dữ liệu cổ sinh và cổ sinh của các lõi được khoan trước và sau 85 ka, đồng thời kiểm tra mối quan hệ sinh thái giữa thảm thực vật, sự phong phú của loài, lượng mưa và giả thuyết tách rời dự đoán khí hậu thuần túy suy ra.Chế độ cơ bản của ổ đĩa ~ 550 ka.Hệ sinh thái bị biến đổi này bị ảnh hưởng bởi các điều kiện lượng mưa lấp đầy hồ và hỏa hoạn, điều này được phản ánh trong việc thiếu các loài và các tổ hợp thảm thực vật mới.Sau thời kỳ khô hạn vừa qua, chỉ một số thành phần rừng được phục hồi, bao gồm các thành phần chịu lửa của rừng núi Châu Phi, chẳng hạn như dầu ô liu, và các thành phần chịu lửa của rừng theo mùa nhiệt đới, chẳng hạn như Celtis (Văn bản bổ sung và Hình S5) ( 25).Để kiểm tra giả thuyết này, chúng tôi đã lập mô hình mực nước hồ lấy từ các chất thay thế khoáng chất tạo xương và tự sinh làm các biến độc lập (21) và các biến phụ thuộc như than củi và phấn hoa có thể bị ảnh hưởng bởi tần suất cháy tăng (25).
Để kiểm tra sự giống nhau hoặc khác biệt giữa các kết hợp này tại các thời điểm khác nhau, chúng tôi đã sử dụng phấn hoa từ Podocarpus (cây thường xanh), cỏ (cỏ) và ô liu (thành phần chịu lửa của rừng núi Châu Phi) để phân tích tọa độ chính (PCoA), và miombo (thành phần rừng chính ngày nay).Bằng cách vẽ đồ thị PCoA trên bề mặt nội suy đại diện cho mực nước hồ khi mỗi tổ hợp được hình thành, chúng tôi đã kiểm tra sự kết hợp hạt phấn thay đổi như thế nào đối với lượng mưa và mối quan hệ này thay đổi như thế nào sau 85 ka (Hình 3 và Hình S7).Trước 85 ka, các mẫu dựa trên gamine tổng hợp ở điều kiện khô, trong khi các mẫu dựa trên podocarpus tập hợp về điều kiện ẩm ướt.Ngược lại, các mẫu sau 85 ka được nhóm lại với hầu hết các mẫu trước 85 ka và có các giá trị trung bình khác nhau, cho thấy rằng thành phần của chúng không bình thường đối với các điều kiện lượng mưa tương tự.Vị trí của họ trong PCoA phản ánh ảnh hưởng của Olea và miombo, cả hai đều được ưa chuộng trong những điều kiện dễ bị cháy hơn.Trong các mẫu sau 85 ka, thông Podocarpus chỉ có nhiều trong ba mẫu liên tiếp, xảy ra sau khoảng thời gian từ 78 đến 79 ka bắt đầu.Điều này cho thấy rằng sau khi lượng mưa tăng ban đầu, rừng dường như đã phục hồi trong một thời gian ngắn trước khi cuối cùng bị sụp đổ.
Mỗi điểm đại diện cho một mẫu phấn hoa duy nhất tại một thời điểm nhất định, sử dụng văn bản bổ sung và mô hình tuổi trong Hình 1. S8.Vectơ đại diện cho hướng và độ dốc của sự thay đổi, và một vectơ dài hơn biểu thị một xu hướng mạnh hơn.Bề mặt bên dưới đại diện cho mực nước của hồ là đại diện cho lượng mưa;màu xanh đậm là cao hơn.Giá trị trung bình của các giá trị đặc trưng PCoA được cung cấp cho dữ liệu sau 85 ka (kim cương đỏ) và tất cả dữ liệu từ các mực nước hồ tương tự trước 85 ka (kim cương vàng).Sử dụng dữ liệu của toàn bộ 636 ka, “mực nước hồ mô phỏng” nằm trong khoảng -0.130-σ đến -0.198-σ gần giá trị eigen trung bình của PCA mực hồ.
Để nghiên cứu mối quan hệ giữa phấn hoa, mực nước hồ và than củi, chúng tôi đã sử dụng phân tích phương sai đa biến phi tham số (NP-MANOVA) để so sánh “môi trường” tổng thể (được biểu thị bằng ma trận dữ liệu về phấn hoa, mực nước hồ và than củi) trước đây và sau quá trình chuyển tiếp 85 ka.Chúng tôi nhận thấy rằng sự biến thiên và hiệp phương sai được tìm thấy trong ma trận dữ liệu này là sự khác biệt có ý nghĩa thống kê trước và sau 85 ka (Bảng 1).
Dữ liệu môi trường cổ sinh trên cạn của chúng tôi từ phytoliths và đất ở rìa Hồ Tây phù hợp với cách giải thích dựa trên proxy của hồ.Những điều này chỉ ra rằng mặc dù mực nước của hồ cao, cảnh quan đã được biến đổi thành cảnh quan chiếm ưu thế bởi đất rừng tán thưa và đồng cỏ cây cối rậm rạp, giống như ngày nay (25).Tất cả các vị trí được phân tích để tìm phytoliths ở rìa phía tây của lưu vực đều sau ~ 45 ka và cho thấy một lượng lớn cây che phủ phản ánh điều kiện ẩm ướt.Tuy nhiên, họ cho rằng phần lớn lớp phủ ở dạng rừng trống mọc um tùm với tre và cỏ hoang.Theo dữ liệu phytolith, cây cọ không chịu lửa (Arecaceae) chỉ tồn tại ở ven bờ hồ, và rất hiếm hoặc không có trong các di chỉ khảo cổ trong đất liền (Bảng S8) (30).
Nói chung, các điều kiện ẩm ướt nhưng mở trong Pleistocen muộn cũng có thể được suy ra từ các cổ sinh trên cạn (19).Đất sét đầm phá và cacbonat đất đầm lầy từ địa điểm khảo cổ của Làng Mwanganda có thể bắt nguồn từ 40 đến 28 cal ka BP (Qian'anni đã được hiệu chỉnh trước đó) (Bảng S4).Các lớp đất cacbonat trong tầng Chitimwe thường là các lớp đá vôi dạng nốt (Bkm), đá vôi và cacbonat (Btk), cho thấy vị trí của sự ổn định địa mạo tương đối và sự lún chậm từ quạt phù sa ở xa Khoảng 29 cal ka BP (Bổ sung chữ).Đất đá ong bị xói mòn, cứng (đá thạch) được hình thành trên tàn tích của các quạt cổ cho thấy điều kiện cảnh quan mở (31) và lượng mưa theo mùa mạnh (32), cho thấy tác động liên tục của các điều kiện này đối với cảnh quan.
Hỗ trợ cho vai trò của lửa trong quá trình chuyển đổi này đến từ các bản ghi than vĩ mô được ghép nối của các lõi khoan, và dòng than từ Lưu vực Trung tâm (MAL05-1B / 1C) nói chung đã tăng lên so với khoảng.175 thẻ.Một số lượng lớn các đỉnh theo sau khoảng giữa.Sau 135 và 175 ka và 85 và 100 ka, mực nước hồ phục hồi, nhưng rừng và độ phong phú loài không phục hồi (Văn bản bổ sung, Hình 2 và Hình S5).Mối quan hệ giữa dòng chảy của than và độ cảm từ của trầm tích hồ cũng có thể cho thấy các mô hình của lịch sử cháy lâu dài (33).Sử dụng dữ liệu từ Lyons et al.(34) Hồ Malawi tiếp tục xói mòn cảnh quan bị đốt cháy sau 85 ka, điều này ngụ ý mối tương quan thuận (Rs của Spearman = 0,2542 và P = 0,0002; Bảng S7), trong khi các lớp trầm tích cũ hơn cho thấy mối quan hệ ngược lại (Rs = -0,2509 và P < 0,0001).Ở lưu vực phía bắc, lõi MAL05-2A ngắn hơn có điểm neo xác định niên đại sâu nhất và tuff Toba trẻ nhất là ~ 74 đến 75 ka (35).Mặc dù thiếu tầm nhìn dài hạn, nhưng nó nhận được đầu vào trực tiếp từ lưu vực nơi có nguồn dữ liệu khảo cổ học.Các ghi chép về than củi ở lưu vực phía bắc cho thấy kể từ khi có dấu hiệu Toba crypto-tephra, lượng than nguyên sinh đầu vào đã tăng đều đặn trong thời kỳ các bằng chứng khảo cổ phổ biến nhất (Hình 2B).
Bằng chứng về các đám cháy do con người gây ra có thể phản ánh việc sử dụng có chủ ý trên quy mô cảnh quan, quần thể dân cư rộng rãi gây ra các đám cháy tại chỗ nhiều hơn hoặc lớn hơn, thay đổi nguồn nhiên liệu sẵn có bằng cách khai thác rừng sâu hoặc kết hợp các hoạt động này.Những người săn bắn hái lượm hiện đại sử dụng lửa để chủ động thay đổi phần thưởng kiếm ăn (2).Các hoạt động của chúng làm tăng sự phong phú của con mồi, duy trì cảnh quan khảm, và tăng tính đa dạng về nhiệt và không đồng nhất của các giai đoạn diễn thế (13).Lửa cũng rất quan trọng đối với các hoạt động tại chỗ như sưởi ấm, nấu ăn, phòng thủ và giao lưu (14).Ngay cả những khác biệt nhỏ trong việc triển khai hỏa hoạn ngoài các tia sét tự nhiên cũng có thể thay đổi mô hình diễn thế của rừng, khả năng cung cấp nhiên liệu và thời vụ bắn.Việc giảm độ che phủ của cây cối và cây xanh có nhiều khả năng làm tăng xói mòn, và sự mất đa dạng loài ở khu vực này có liên quan chặt chẽ đến sự mất mát của các cộng đồng rừng núi Châu Phi (25).
Trong hồ sơ khảo cổ học trước khi MSA bắt đầu, việc kiểm soát lửa của con người đã được thiết lập tốt (15), nhưng cho đến nay, việc sử dụng nó như một công cụ quản lý cảnh quan mới chỉ được ghi lại trong một số bối cảnh thời kỳ đồ đá cũ.Chúng bao gồm khoảng ở Úc.40 ka (36), Tây Nguyên New Guinea.Hiệp ước hòa bình 45 ka (37).Hang động 50 ka Niah (38) ở vùng đất thấp Borneo.Ở châu Mỹ, khi con người lần đầu tiên xâm nhập vào các hệ sinh thái này, đặc biệt là trong 20 ka (16) trước đây, sự đánh lửa nhân tạo được coi là yếu tố chính trong việc tái cấu hình các quần xã động thực vật.Những kết luận này phải dựa trên những bằng chứng có liên quan, nhưng trong trường hợp có sự trùng lặp trực tiếp của các dữ liệu khảo cổ, địa chất, địa mạo và cổ sinh thì lập luận quan hệ nhân quả càng được củng cố.Mặc dù dữ liệu lõi biển của các vùng nước ven biển Châu Phi trước đây đã cung cấp bằng chứng về sự thay đổi lửa trong quá khứ khoảng 400 ka (9), ở đây chúng tôi cung cấp bằng chứng về ảnh hưởng của con người từ các bộ dữ liệu khảo cổ, môi trường cổ và địa mạo có liên quan.
Việc xác định các đám cháy do con người tạo ra trong hồ sơ môi trường cổ xưa đòi hỏi phải có bằng chứng về các hoạt động cháy và những thay đổi theo thời gian hoặc không gian của thảm thực vật, chứng minh rằng những thay đổi này không được dự đoán bởi các thông số khí hậu và sự trùng lặp về thời gian / không gian giữa những thay đổi về điều kiện cháy và những thay đổi về con người hồ sơ (29) Tại đây, bằng chứng đầu tiên về sự chiếm đóng rộng rãi của MSA và sự hình thành quạt phù sa ở lưu vực Hồ Malawi đã xảy ra vào khoảng thời gian đầu của quá trình tái tổ chức thảm thực vật trong khu vực.85 thẻ.Sự phong phú của than trong lõi MAL05-1B / 1C phản ánh xu hướng sản xuất và lắng đọng than trong khu vực, ở mức xấp xỉ 150 ka so với phần còn lại của kỷ lục 636 ka (Hình S5, S9 và S10).Quá trình chuyển đổi này cho thấy sự đóng góp quan trọng của lửa trong việc định hình thành phần của hệ sinh thái, điều mà khí hậu không thể giải thích được.Trong các tình huống cháy nổ tự nhiên, sự đánh lửa do sét đánh thường xảy ra vào cuối mùa khô (39).Tuy nhiên, nếu nhiên liệu đủ khô, các đám cháy nhân tạo có thể bùng phát bất cứ lúc nào.Trên quy mô hiện trường, con người có thể liên tục thay đổi ngọn lửa bằng cách lấy củi từ dưới rừng.Kết quả cuối cùng của bất kỳ loại lửa nhân tạo nào là nó có khả năng gây tiêu thụ nhiều thực vật thân gỗ hơn, kéo dài suốt năm và trên mọi quy mô.
Ở Nam Phi, ngay từ năm 164 ka (12), lửa đã được sử dụng để xử lý nhiệt các loại đá chế tạo công cụ.Ngay từ năm 170 ka (40), lửa đã được sử dụng như một công cụ để nấu các loại củ chứa tinh bột, đã tận dụng triệt để lửa vào thời cổ đại.Tài nguyên thịnh vượng-Phong cảnh thịnh vượng (41).Cháy cảnh làm giảm độ che phủ của cây thực vật và là một công cụ quan trọng để duy trì môi trường đồng cỏ và rừng, là những yếu tố xác định các hệ sinh thái do con người làm trung gian (13).Nếu mục đích của việc thay đổi thảm thực vật hoặc hành vi của con mồi là tăng cường sự đốt cháy do con người tạo ra, thì hành vi này thể hiện sự gia tăng mức độ phức tạp trong việc kiểm soát và triển khai lửa của con người hiện đại sơ khai so với con người thời kỳ đầu, và cho thấy mối quan hệ của chúng ta với lửa đã trải qua sự thay đổi trong sự phụ thuộc lẫn nhau (7).Phân tích của chúng tôi cung cấp một cách bổ sung để hiểu những thay đổi trong việc sử dụng lửa của con người trong Thế kỷ Pleistocen muộn và tác động của những thay đổi này đối với cảnh quan và môi trường của chúng.
Sự mở rộng của các quạt phù sa muộn Đệ tứ ở khu vực Karonga có thể là do sự thay đổi của chu kỳ đốt cháy theo mùa trong điều kiện lượng mưa cao hơn trung bình, dẫn đến xói mòn sườn đồi gia tăng.Cơ chế của sự xuất hiện này có thể là phản ứng ở quy mô đầu nguồn do sự xáo trộn gây ra bởi đám cháy, sự xói mòn tăng cường và kéo dài ở phần trên của lưu vực, và sự mở rộng của các quạt phù sa trong môi trường piedmont gần Hồ Malawi.Những phản ứng này có thể bao gồm việc thay đổi tính chất của đất để giảm độ thấm, giảm độ nhám bề mặt và tăng dòng chảy vì sự kết hợp của các điều kiện lượng mưa cao và giảm độ che phủ của cây cối (42).Sự sẵn có của trầm tích ban đầu được cải thiện bằng cách bóc lớp vật liệu che phủ, và theo thời gian, độ bền của đất có thể giảm do nhiệt độ nóng và độ bền của rễ giảm.Sự bong tróc của lớp đất mặt làm tăng dòng chảy trầm tích, được tạo ra bởi sự tích tụ hình quạt ở hạ lưu và đẩy nhanh quá trình hình thành đất đỏ hình quạt.
Nhiều yếu tố có thể kiểm soát phản ứng của cảnh quan đối với các điều kiện hỏa hoạn thay đổi, hầu hết trong số đó hoạt động trong một khoảng thời gian ngắn (42-44).Tín hiệu mà chúng ta liên tưởng ở đây là hiển nhiên trên thang thời gian thiên niên kỷ.Các mô hình phân tích và tiến hóa cảnh quan cho thấy với sự xáo trộn thảm thực vật do cháy rừng lặp đi lặp lại, tốc độ bóc mòn đã thay đổi đáng kể trên quy mô thời gian thiên niên kỷ (45, 46).Việc thiếu các hồ sơ hóa thạch khu vực trùng khớp với những thay đổi quan sát được trong hồ sơ than củi và thảm thực vật cản trở việc tái tạo các tác động của hành vi con người và những thay đổi môi trường đối với thành phần của các cộng đồng động vật ăn cỏ.Tuy nhiên, các loài động vật ăn cỏ lớn sống trong cảnh quan thoáng hơn có vai trò duy trì chúng và ngăn chặn sự xâm lấn của thảm thực vật thân gỗ (47).Bằng chứng về những thay đổi trong các thành phần khác nhau của môi trường không nên xảy ra đồng thời, mà nên được xem như một chuỗi các tác động tích lũy có thể xảy ra trong một thời gian dài (11).Sử dụng phương pháp dị thường khí hậu (29), chúng tôi coi hoạt động của con người là yếu tố thúc đẩy chính trong việc hình thành cảnh quan phía bắc Malawi trong kỷ Pleistocen muộn.Tuy nhiên, những tác động này có thể dựa trên di sản sớm hơn, ít rõ ràng hơn của các tương tác giữa con người và môi trường.Đỉnh than xuất hiện trong hồ sơ môi trường cổ xưa trước thời điểm khảo cổ sớm nhất có thể bao gồm một thành phần nhân sinh không gây ra những thay đổi hệ sinh thái giống như được ghi lại sau này và không liên quan đến trầm tích đủ để tự tin cho thấy sự cư trú của con người.
Các lõi trầm tích ngắn, chẳng hạn như lõi từ lưu vực hồ Masoko ở Tanzania, hoặc lõi trầm tích ngắn hơn ở hồ Malawi, cho thấy sự phong phú tương đối của hạt phấn của các đơn vị phân loại cỏ và rừng đã thay đổi, điều này được cho là trong 45 năm qua.Sự thay đổi khí hậu tự nhiên của ka (48-50).Tuy nhiên, chỉ khi quan sát lâu dài hơn hồ sơ phấn hoa của hồ Malawi> 600 ka, cùng với cảnh quan khảo cổ lâu đời bên cạnh nó, người ta mới có thể hiểu được khí hậu, thảm thực vật, than củi và các hoạt động của con người.Mặc dù con người có thể xuất hiện ở phần phía bắc của lưu vực hồ Malawi trước 85 ka, nhưng khoảng 85 ka, đặc biệt là sau 70 ka, cho thấy khu vực này rất hấp dẫn đối với con người sinh sống sau khi đợt hạn hán lớn cuối cùng kết thúc.Tại thời điểm này, việc con người sử dụng lửa mới hoặc thâm canh hơn / thường xuyên hơn rõ ràng là kết hợp với biến đổi khí hậu tự nhiên để tái tạo lại mối quan hệ sinh thái> 550-ka, và cuối cùng hình thành cảnh quan nhân tạo sơ khai trước nông nghiệp (Hình 4).Không giống như các giai đoạn trước, bản chất trầm tích của cảnh quan bảo tồn địa điểm MSA, đây là một chức năng của mối quan hệ đệ quy giữa môi trường (phân phối tài nguyên), hành vi của con người (mô hình hoạt động) và kích hoạt quạt (bồi tụ / chôn lấp).
(A) Giới thiệu.400 ka: Không có con người nào có thể bị phát hiện.Điều kiện ẩm ướt tương tự như ngày nay và mực nước hồ cao.Đa dạng, không chống cháy bìa arboreal.(B) Khoảng 100 ka: Không có tài liệu khảo cổ học, nhưng sự hiện diện của con người có thể được phát hiện qua dòng than.Điều kiện cực kỳ khô hạn xảy ra ở các lưu vực khô hạn.Lớp đá gốc thường lộ ra ngoài và các lớp trầm tích bề mặt bị hạn chế.(C) Khoảng 85 đến 60 ka: Mực nước của hồ tăng khi lượng mưa tăng.Sự tồn tại của con người có thể được khám phá thông qua khảo cổ học sau 92 ka, và sau 70 ka, sự đốt cháy cao nguyên và sự mở rộng của các quạt phù sa sẽ theo sau.Hệ thống thảm thực vật chống cháy kém đa dạng hơn đã xuất hiện.(D) Khoảng 40 đến 20 ka: Đầu vào than môi trường ở lưu vực phía bắc đã tăng lên.Sự hình thành các quạt phù sa vẫn tiếp tục, nhưng bắt đầu suy yếu vào cuối thời kỳ này.So với mức kỷ lục 636 ka trước đó, mực nước hồ vẫn ở mức cao và ổn định.
Anthropocene đại diện cho sự tích tụ của các hành vi xây dựng ngách được phát triển qua hàng nghìn năm, và quy mô của nó là duy nhất đối với Homo sapiens hiện đại (1, 51).Trong bối cảnh hiện đại, với sự ra đời của nông nghiệp, các cảnh quan nhân tạo tiếp tục tồn tại và phát triển mạnh mẽ, nhưng chúng là phần mở rộng của các mô hình được thiết lập trong kỷ Pleistocen, chứ không phải là sự ngắt kết nối (52).Dữ liệu từ phía bắc Malawi cho thấy thời kỳ chuyển đổi sinh thái có thể kéo dài, phức tạp và lặp đi lặp lại.Quy mô biến đổi này phản ánh kiến ​​thức sinh thái phức tạp của con người hiện đại đầu tiên và minh họa sự chuyển đổi của họ thành loài thống trị toàn cầu của chúng ta ngày nay.
Theo quy trình được mô tả bởi Thompson và cộng sự, điều tra tại chỗ và ghi chép các hiện vật và đặc điểm đá cuội trên khu vực khảo sát.(53).Vị trí của hố thử nghiệm và việc khai quật địa điểm chính, bao gồm cả vi hình và lấy mẫu phytolith, tuân theo quy trình được mô tả bởi Thompson và cộng sự.(18) và Wright et al.(19).Bản đồ hệ thống thông tin địa lý (GIS) của chúng tôi dựa trên bản đồ khảo sát địa chất Malawi của khu vực cho thấy mối tương quan rõ ràng giữa Chitimwe Beds và các địa điểm khảo cổ (Hình S1).Khoảng cách giữa các hố kiểm tra địa chất và khảo cổ ở khu vực Karonga là để thu được mẫu đại diện rộng nhất (Hình S2).Khảo sát địa mạo, tuổi địa chất và khảo cổ học của Karonga liên quan đến bốn phương pháp khảo sát thực địa chính: khảo sát người đi bộ, hố kiểm tra khảo cổ, hố kiểm tra địa chất và khai quật địa điểm chi tiết.Cùng với nhau, các kỹ thuật này cho phép lấy mẫu độ phơi sáng chính của tầng Chitimwe ở phía bắc, trung tâm và nam Karonga (Hình S3).
Việc điều tra tại chỗ và ghi lại các hiện vật và đặc điểm đá cuội trên khu vực khảo sát dành cho người đi bộ tuân theo quy trình được mô tả bởi Thompson và cộng sự.(53).Cách tiếp cận này có hai mục tiêu chính.Đầu tiên là xác định những nơi di tích văn hóa bị mai một, sau đó đặt các hố khảo cổ học lên dốc ở những nơi này để khôi phục tại chỗ các di tích văn hóa từ môi trường bị vùi lấp.Mục tiêu thứ hai là chính thức ghi lại sự phân bố của các hiện vật, đặc điểm của chúng và mối quan hệ của chúng với nguồn vật liệu đá lân cận (53).Trong công việc này, một đội ba người đã đi bộ với khoảng cách từ 2 đến 3 mét trong tổng số 147,5 km tuyến tính, băng qua hầu hết các giường Chitimwe được vẽ (Bảng S6).
Công việc đầu tiên tập trung vào Chitimwe Beds để tối đa hóa các mẫu hiện vật quan sát được, và thứ hai tập trung vào các đoạn tuyến tính dài từ bờ hồ đến vùng cao nguyên cắt ngang các đơn vị trầm tích khác nhau.Điều này khẳng định một quan sát chính rằng các hiện vật nằm giữa cao nguyên phía tây và bờ hồ chỉ liên quan đến tầng Chitimwe hoặc trầm tích Pleistocen muộn và Holocen gần đây hơn.Các đồ tạo tác được tìm thấy trong các mỏ khác nằm ngoài khu vực, được di dời từ những nơi khác trong cảnh quan, có thể thấy được sự phong phú, kích thước và mức độ phong hóa của chúng.
Hố kiểm tra khảo cổ tại chỗ và việc khai quật địa điểm chính, bao gồm cả vi mô và lấy mẫu phytolith, tuân theo quy trình được mô tả bởi Thompson và cộng sự.(18, 54) và Wright et al.(19, 55).Mục đích chính là tìm hiểu sự phân bố dưới lòng đất của các hiện vật và trầm tích hình quạt trong cảnh quan lớn hơn.Các đồ tạo tác thường được chôn sâu ở tất cả các nơi trong Chitimwe Beds, ngoại trừ các rìa, nơi mà quá trình xói mòn đã bắt đầu loại bỏ phần trên của lớp trầm tích.Trong cuộc điều tra không chính thức, hai người đi ngang qua Chitimwe Beds, được hiển thị dưới dạng các đặc điểm bản đồ trên bản đồ địa chất của chính phủ Malawi.Khi những người này bắt gặp vai của lớp trầm tích Chitimwe Bed, họ bắt đầu đi dọc theo rìa, nơi họ có thể quan sát các hiện vật bị xói mòn từ lớp trầm tích.Bằng cách nghiêng phần khai quật lên trên một chút (3 đến 8 m) so với các hiện vật bị xói mòn tích cực, cuộc khai quật có thể tiết lộ vị trí tại chỗ của chúng so với lớp trầm tích chứa chúng mà không cần phải khai quật nhiều về phía sau.Các hố thử nghiệm được đặt sao cho chúng cách hố gần nhất tiếp theo từ 200 đến 300 mét, qua đó ghi lại những thay đổi trong trầm tích đáy Chitimwe và các hiện vật mà nó chứa đựng.Trong một số trường hợp, hố thử nghiệm cho thấy một địa điểm mà sau này trở thành một bãi khai quật quy mô lớn.
Tất cả các hố thử nghiệm bắt đầu bằng hình vuông 1 × 2 m, quay mặt theo hướng Bắc-Nam và được đào theo đơn vị tùy ý là 20 cm, trừ khi màu sắc, kết cấu hoặc hàm lượng của trầm tích thay đổi đáng kể.Ghi lại thành phần trầm tích và tính chất đất của tất cả các trầm tích đã đào, chúng lọt đều qua sàng khô 5 mm.Nếu độ sâu bồi tụ tiếp tục vượt quá 0,8 đến 1 m, hãy ngừng đào ở một trong hai mét vuông và tiếp tục đào ở phần còn lại, từ đó tạo thành một “bước” để bạn có thể đi vào các lớp sâu hơn một cách an toàn.Sau đó tiếp tục khai quật cho đến khi đạt đến nền móng, ít nhất 40 cm trầm tích vô trùng khảo cổ nằm dưới nồng độ hiện vật, hoặc việc khai quật trở nên quá không an toàn (sâu) để tiến hành.Trong một số trường hợp, độ sâu lắng đọng cần mở rộng hố thử nghiệm đến một mét vuông thứ ba và đi vào rãnh theo hai bước.
Các hố kiểm tra địa chất trước đây cho thấy Giường Chitimwe thường xuất hiện trên bản đồ địa chất vì màu đỏ đặc biệt của chúng.Khi chúng bao gồm các dòng chảy và trầm tích sông rộng lớn, và trầm tích quạt phù sa, chúng không phải lúc nào cũng có màu đỏ (19).Địa chất Hố thử nghiệm được khai quật là một hố đơn giản được thiết kế để loại bỏ các lớp trầm tích hỗn hợp phía trên để lộ ra các lớp trầm tích dưới lòng đất.Điều này là cần thiết vì lòng núi Chitimwe bị xói mòn thành một sườn đồi hình parabol, và có những lớp trầm tích bị sụp đổ trên sườn dốc, những lớp trầm tích này thường không tạo thành các phần hoặc vết cắt tự nhiên rõ ràng.Do đó, các cuộc khai quật này hoặc diễn ra trên đỉnh của đáy Chitimwe, có lẽ là có sự tiếp xúc dưới lòng đất giữa đáy Chitimwe và đáy Pliocen Chiwondo bên dưới, hoặc chúng diễn ra ở nơi các trầm tích thềm sông cần được xác định niên đại (55).
Các cuộc khai quật khảo cổ học toàn bộ được thực hiện ở những nơi hứa hẹn số lượng lớn các tổ hợp công cụ đá tại chỗ, thường là dựa trên các hố thử nghiệm hoặc những nơi có thể nhìn thấy một số lượng lớn các di tích văn hóa bị xói mòn từ mái dốc.Các di tích văn hóa khai quật chính được phục hồi từ các đơn vị trầm tích được khai quật riêng theo hình vuông 1 × 1 m.Nếu mật độ hiện vật cao thì đơn vị đào là vòi 10 hoặc 5 cm.Tất cả các sản phẩm bằng đá, xương hóa thạch và đất son đều được vẽ trong mỗi cuộc khai quật lớn và không có giới hạn về kích thước.Kích thước màn hình là 5mm.Nếu các di tích văn hóa được phát hiện trong quá trình khai quật, chúng sẽ được gán một số phát hiện vẽ mã vạch duy nhất và các số phát hiện trong cùng một chuỗi sẽ được gán cho các khám phá đã lọc.Các di vật văn hóa được đánh dấu bằng mực vĩnh viễn, được đặt trong túi có nhãn mẫu vật, và được đóng túi cùng với các di tích văn hóa khác có cùng nền.Sau khi phân tích, tất cả các di tích văn hóa được lưu trữ trong Trung tâm Văn hóa và Bảo tàng của Karonga.
Tất cả các cuộc khai quật được thực hiện theo địa tầng tự nhiên.Chúng được chia nhỏ thành các vết nhổ, và độ dày vết nhổ phụ thuộc vào mật độ hiện vật (ví dụ, nếu mật độ hiện vật thấp, thì độ dày vết nhổ sẽ cao).Dữ liệu nền (ví dụ, đặc tính trầm tích, mối quan hệ nền và các quan sát về giao thoa và mật độ tạo tác) được ghi lại trong cơ sở dữ liệu Access.Tất cả dữ liệu tọa độ (ví dụ, các phát hiện được vẽ trong các phân đoạn, độ cao bối cảnh, góc vuông và mẫu) đều dựa trên tọa độ Universal Transverse Mercator (UTM) (WGS 1984, Zone 36S).Tại địa điểm chính, tất cả các điểm được ghi bằng máy toàn đạc Nikon Nivo C series 5 ″, được xây dựng trên lưới địa phương càng gần phía bắc của UTM càng tốt.Vị trí của góc tây bắc của mỗi điểm khai quật và vị trí của mỗi điểm khai quật Lượng trầm tích được cho trong Bảng S5.
Phần trầm tích học và đặc điểm khoa học đất của tất cả các đơn vị khai quật được ghi lại bằng cách sử dụng Chương trình Loại Phần Nông nghiệp Hoa Kỳ (56).Các đơn vị trầm tích được xác định dựa trên kích thước hạt, độ góc cạnh và các đặc điểm của lớp phủ.Lưu ý các tạp chất và xáo trộn bất thường liên quan đến bộ phận lắng.Sự phát triển của đất được xác định bởi sự tích tụ của sesquioxit hoặc cacbonat trong đất dưới lòng đất.Quá trình phong hóa dưới lòng đất (ví dụ, quá trình oxy hóa khử, hình thành các nốt mangan còn sót lại) cũng thường xuyên được ghi nhận.
Điểm thu thập các mẫu OSL được xác định trên cơ sở ước tính tướng nào có thể đưa ra ước tính đáng tin cậy nhất về tuổi chôn lấp trầm tích.Tại vị trí lấy mẫu, các rãnh được đào để lộ lớp trầm tích tự sinh.Thu thập tất cả các mẫu được sử dụng để xác định niên đại OSL bằng cách đưa một ống thép đục (đường kính khoảng 4 cm và chiều dài khoảng 25 cm) vào hồ sơ trầm tích.
Xác định niên đại OSL đo kích thước của nhóm các điện tử bị mắc kẹt trong tinh thể (như thạch anh hoặc fenspat) do tiếp xúc với bức xạ ion hóa.Phần lớn bức xạ này đến từ sự phân rã của các đồng vị phóng xạ trong môi trường, và một lượng nhỏ các thành phần bổ sung ở các vĩ độ nhiệt đới xuất hiện dưới dạng bức xạ vũ trụ.Các điện tử bị bắt được giải phóng khi tinh thể tiếp xúc với ánh sáng, xảy ra trong quá trình vận chuyển (sự kiện zeroing) hoặc trong phòng thí nghiệm, nơi ánh sáng xảy ra trên một cảm biến có thể phát hiện các photon (ví dụ: ống nhân quang hoặc máy ảnh có tích điện thiết bị ghép nối) Phần dưới phát ra khi êlectron trở về trạng thái cơ bản.Các hạt thạch anh có kích thước từ 150 đến 250 μm được tách bằng sàng, xử lý axit và tách tỷ trọng, và được sử dụng như các hạt nhỏ (<100 hạt) gắn trên bề mặt của một tấm nhôm hoặc được khoan vào giếng 300 x 300 mm riêng lẻ. các hạt được phân tích trên một chảo nhôm.Liều lượng chôn lấp thường được ước tính bằng cách sử dụng một phương pháp tái sinh một phần (57).Ngoài việc đánh giá liều bức xạ mà các hạt nhận được, xác định niên đại OSL cũng yêu cầu ước tính tốc độ liều bằng cách đo nồng độ hạt nhân phóng xạ trong trầm tích của mẫu thu thập bằng quang phổ gamma hoặc phân tích kích hoạt nơtron, và xác định mẫu tham chiếu liều vũ trụ Vị trí và độ sâu của Mai táng.Việc xác định tuổi cuối cùng đạt được bằng cách chia liều chôn lấp cho suất liều.Tuy nhiên, khi có sự thay đổi về liều lượng được đo bởi một loại ngũ cốc hoặc một nhóm ngũ cốc, cần có một mô hình thống kê để xác định liều lượng chôn lấp thích hợp sẽ được sử dụng.Liều lượng chôn ở đây được tính bằng cách sử dụng mô hình thời đại trung tâm, trong trường hợp xác định niên đại đơn lẻ, hoặc trong trường hợp xác định niên đại đơn hạt, sử dụng mô hình hỗn hợp hữu hạn (58).
Ba phòng thí nghiệm độc lập đã thực hiện phân tích OSL cho nghiên cứu này.Các phương pháp riêng chi tiết cho từng phòng thí nghiệm được trình bày dưới đây.Nói chung, chúng tôi sử dụng phương pháp liều tái sinh để áp dụng xác định niên đại OSL cho các hạt nhỏ (hàng chục hạt) thay vì sử dụng phân tích hạt đơn lẻ.Điều này là do trong quá trình thử nghiệm tăng trưởng tái sinh, tỷ lệ thu hồi của một mẫu nhỏ thấp (<2%), và tín hiệu OSL không bão hòa ở mức tín hiệu tự nhiên.Sự nhất quán giữa các phòng thí nghiệm về xác định tuổi, sự nhất quán của các kết quả trong và giữa các cấu hình địa tầng đã thử nghiệm, và sự nhất quán với cách giải thích địa mạo tuổi 14C của đá cacbonat là cơ sở chính cho đánh giá này.Mỗi phòng thí nghiệm đã đánh giá hoặc thực hiện một thỏa thuận hạt đơn lẻ, nhưng xác định một cách độc lập rằng nó không phù hợp để sử dụng trong nghiên cứu này.Các phương pháp chi tiết và quy trình phân tích theo sau của mỗi phòng thí nghiệm được cung cấp trong các tài liệu và phương pháp bổ sung.
Các đồ tạo tác bằng đá được phục hồi từ các cuộc khai quật có kiểm soát (BRU-I; CHA-I, CHA-II và CHA-III; MGD-I, MGD-II và MGD-III; và SS-I) dựa trên hệ thống số liệu và chất lượng đặc điểm.Đo trọng lượng và kích thước tối đa của từng phôi (sử dụng cân kỹ thuật số để đo trọng lượng là 0,1 g; sử dụng thước cặp kỹ thuật số Mitutoyo để đo tất cả các kích thước là 0,01 mm).Tất cả các di vật văn hóa cũng được phân loại theo nguyên liệu thô (thạch anh, đá thạch anh, đá lửa, v.v.), kích thước hạt (mịn, trung bình, thô), độ đồng đều của kích thước hạt, màu sắc, kiểu vỏ và độ phủ, phong hóa / làm tròn cạnh và cấp kỹ thuật. (hoàn chỉnh hoặc phân mảnh) Lõi hoặc mảnh, mảnh / mảnh góc, đá búa, lựu đạn và các loại khác).
Lõi được đo dọc theo chiều dài tối đa của nó;chiều rộng tối đa;chiều rộng là 15%, 50% và 85% chiều dài;độ dày tối đa;độ dày là 15%, 50% và 85% chiều dài.Các phép đo cũng được thực hiện để đánh giá tính chất thể tích của lõi các mô bán cầu (xuyên tâm và Levallois).Cả lõi nguyên vẹn và lõi bị hỏng đều được phân loại theo phương pháp đặt lại (đơn nền hoặc đa nền, xuyên tâm, Levallois, v.v.), và các vết bong tróc được tính ở ≥15 mm và ≥20% chiều dài lõi.Các lõi có từ 5 vết sẹo 15 mm trở xuống được phân loại là "ngẫu nhiên".Độ phủ vỏ não của toàn bộ bề mặt lõi được ghi lại, và độ phủ vỏ não tương đối của mỗi bên được ghi lại trên lõi của mô bán cầu.
Tấm được đo dọc theo chiều dài tối đa của nó;chiều rộng tối đa;chiều rộng là 15%, 50% và 85% chiều dài;độ dày tối đa;độ dày là 15%, 50% và 85% chiều dài.Mô tả các đoạn theo các phần còn lại (gần, giữa, xa, tách ở bên phải và chia ở bên trái).Độ giãn dài được tính bằng cách chia chiều dài lớn nhất cho chiều rộng lớn nhất.Đo chiều rộng, độ dày và góc ngoài của bệ ngoài của lát nguyên vẹn và các mảnh lát gần, đồng thời phân loại nền theo mức độ chuẩn bị.Ghi lại độ phủ và vị trí của vỏ não trên tất cả các lát cắt và mảnh vỡ.Các cạnh xa được phân loại theo kiểu kết thúc (lông vũ, bản lề và ngã ba trên).Trên lát hoàn chỉnh, ghi lại số lượng và hướng của vết sẹo trên lát trước.Khi gặp phải, ghi lại vị trí sửa đổi và mức độ xâm lấn phù hợp với quy trình được thiết lập bởi Clarkson (59).Các kế hoạch cải tạo đã được bắt đầu cho hầu hết các tổ hợp khai quật để đánh giá các phương pháp phục hồi và tính toàn vẹn của sự bồi tụ địa điểm.
Các hiện vật đá thu hồi từ các hố thử nghiệm (CS-TP1-21, SS-TP1-16 và NGA-TP1-8) được mô tả theo một sơ đồ đơn giản hơn so với khai quật có kiểm soát.Đối với mỗi hiện vật, các đặc điểm sau được ghi lại: nguyên liệu thô, kích thước hạt, độ phủ vỏ, cấp độ kích thước, thời tiết / hư hỏng cạnh, thành phần kỹ thuật và cách bảo quản các mảnh vỡ.Ghi chú mô tả cho các đặc điểm chẩn đoán của mảnh và lõi được ghi lại.
Các khối trầm tích hoàn chỉnh đã được cắt ra từ các phần lộ ra trong các cuộc khai quật và các rãnh địa chất.Những viên đá này được cố định tại chỗ bằng băng thạch cao hoặc giấy vệ sinh và băng đóng gói, sau đó được vận chuyển đến Phòng thí nghiệm khảo cổ địa chất của Đại học Tubingen ở Đức.Ở đó, mẫu được làm khô ở nhiệt độ 40 ° C trong ít nhất 24 giờ.Sau đó, chúng được đóng rắn trong chân không, sử dụng hỗn hợp nhựa polyester không phân lớp và styren theo tỷ lệ 7: 3.Methyl ethyl xeton peroxide được sử dụng làm chất xúc tác, hỗn hợp nhựa-styren (3 đến 5 ml / l).Khi hỗn hợp nhựa đã đông kết, đun nóng mẫu ở 40 ° C trong ít nhất 24 giờ để làm cứng hoàn toàn hỗn hợp.Dùng cưa gạch để cắt mẫu đã cứng thành các miếng 6 × 9 cm, dán chúng lên lam kính và mài chúng đến độ dày 30 μm.Các lát kết quả được quét bằng máy quét phẳng và được phân tích bằng ánh sáng phân cực phẳng, ánh sáng phân cực chéo, ánh sáng tới xiên và huỳnh quang màu xanh lam bằng mắt thường và độ phóng đại (× 50 đến × 200).Thuật ngữ và mô tả các phần mỏng tuân theo các hướng dẫn được xuất bản bởi Stoops (60) và Courty et al.(61).Các nốt cacbonat hình thành trong đất được thu thập từ độ sâu> 80 cm được cắt làm đôi để một nửa có thể được ngâm tẩm và thực hiện ở dạng lát mỏng (4,5 × 2,6 cm) bằng kính hiển vi soi nổi tiêu chuẩn và kính hiển vi thạch học và kính hiển vi nghiên cứu cathodoluminescence (CL) .Việc kiểm soát các loại cacbonat rất thận trọng, vì sự hình thành cacbonat tạo đất liên quan đến bề mặt ổn định, trong khi sự hình thành cacbonat nước ngầm không phụ thuộc vào bề mặt hoặc đất.
Các mẫu được khoan từ bề mặt cắt của các nốt cacbonat hình thành trong đất và giảm một nửa cho các phân tích khác nhau.FS đã sử dụng kính hiển vi thạch học và soi nổi tiêu chuẩn của Nhóm công tác địa chất và kính hiển vi CL của Nhóm công tác khoáng vật thực nghiệm để nghiên cứu các lát mỏng, cả hai đều được đặt tại Tübingen, Đức.Các mẫu phụ xác định niên đại cacbon phóng xạ được khoan bằng các mũi khoan chính xác từ một khu vực được chỉ định có tuổi đời khoảng 100 năm.Một nửa còn lại của nốt sần có đường kính 3 mm để tránh những khu vực có sự kết tinh lại muộn, những tạp chất giàu khoáng chất hoặc những thay đổi lớn về kích thước của tinh thể canxit.Không thể tuân theo cùng một giao thức cho các mẫu MEM-5038, MEM-5035 và MEM-5055 A.Các mẫu này được chọn từ các mẫu trầm tích rời và quá nhỏ để có thể cắt đôi để phân tách mỏng.Tuy nhiên, các nghiên cứu mặt cắt mỏng được thực hiện trên các mẫu vi hình tương ứng của trầm tích liền kề (bao gồm cả các nốt cacbonat).
Chúng tôi đã gửi các mẫu xác định niên đại 14C cho Trung tâm Nghiên cứu Đồng vị Ứng dụng (CAIS) tại Đại học Georgia, Athens, Hoa Kỳ.Mẫu cacbonat phản ứng với 100% axit photphoric trong bình phản ứng được hút chân không để tạo thành CO2.Làm sạch ở nhiệt độ thấp các mẫu CO2 từ các sản phẩm phản ứng khác và xúc tác chuyển đổi thành than chì.Tỷ lệ than chì 14C / 13C được đo bằng máy khối phổ gia tốc 0,5 MeV.So sánh tỷ lệ mẫu với tỷ lệ đo được với axit oxalic I chuẩn (NBS SRM 4990).Đá cẩm thạch Carrara (IAEA C1) được sử dụng làm nền và đá hoa cương (IAEA C2) được sử dụng làm tiêu chuẩn phụ.Kết quả được biểu thị bằng phần trăm cacbon hiện đại và ngày chưa hiệu chuẩn được trích dẫn được tính theo năm cacbon phóng xạ (năm BP) trước năm 1950, sử dụng chu kỳ bán rã 14C là 5568 năm.Sai số được coi là 1-σ và phản ánh sai số thống kê và thử nghiệm.Dựa trên giá trị δ13C được đo bằng khối phổ tỷ lệ đồng vị, C. Wissing thuộc Phòng thí nghiệm Địa chất Sinh học ở Tubingen, Đức, đã báo cáo ngày phân đoạn đồng vị, ngoại trừ UGAMS-35944r được đo tại CAIS.Mẫu 6887B được phân tích hai lần.Để làm điều này, hãy khoan mẫu phụ thứ hai từ nốt sần (UGAMS-35944r) từ khu vực lấy mẫu được chỉ ra trên bề mặt cắt.Đường chuẩn INTCAL20 (Bảng S4) (62) áp dụng ở Nam bán cầu được sử dụng để hiệu chỉnh phân đoạn khí quyển của tất cả các mẫu thành 14C đến 2-σ.