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为了加深对目前环境问题的理解并更好地应对未来可能产生的环境问题，全球变化科学作为一门全新的集成科学出现在当代国际科学的前沿，其中对地球气候系统变化历史的研究尤为重要。通过地球上各种自然记录的研究来恢复地球过去的气候、环境和生态历史，揭示地球表层环境系统动态演化过程及其变化规律和影响机制，是全球变化研究的关键环节，为预测未来可能出现的气候和环境变化提供科学依据。
黄土高原地处亚洲季风影响的半湿润-半干旱区，地理位置独特，对气候变化敏感度高。黄土-古土壤沉积是基本连续完整的、保存了丰富的生物-地质记录，具有良好空间可对比性。黄土高原孕育了灿烂的新石器时代文化，持续而繁荣的农业活动对黄土高原生态环境的影响重要且深远。该区考古遗存丰富，生态环境脆弱并对气候变化响应敏感，是开展早期农业活动、气候与生态环境变化及人类活动研究的理想地区。
运用地质-生物指标记录对古代环境进行量化分析，并开展空间对比研究，是目前亟待解决的关键性问题。黄土高原地区古代先民们的农业活动遗存-炭化种子遗存化学性质稳定，受埋藏环境变化影响小，样品获取相对简单，其中的碳同位素能示踪自然环境作用过程，成为重建气候环境变化潜在的良好替代指标。
本论文通过黄土高原现代粟、黍种子样品及关中地区5个考古遗址点(白家遗址、灰堆坡遗址、马南遗址、北牛遗址、南沙遗址)的粟、黍种子遗存亚显微结构及稳定性碳同位素研究，确定了炭化种子遗存形成的温度范围、炭化条件和机理，排除了炭化过程造成粟、黍种子碳同位素分馏效应对气候环境和古食谱研究中δ13C信息的干扰，探讨了粟、黍栽培作物碳同位素特征及其与温度和降水等气候要素的关系，并初步定量重建了关中盆地全新世古降水量变化，分析了影响其变化的可能机制。通过黄土高原北部沙漠/黄土过渡带2个黄土-古土壤剖面(姬塬剖面、和林格尔剖面)的孢粉分析，探讨了增温条件下植被多样性特征及其对气候的响应，为大暖期温度升高、降水量增大对生态环境、农业发展、人类活动等方面的影响提供证据。主要研究结果如下：
(1)粟、黍种子的亚显微结构特征具有可对比性，其结构异同可作为炭化条件判断的依据。在250℃左右人工加热条件下，淀粉颗粒呈无定形结构，其破坏程度与文化层中的种子遗存最为一致。文化层出土的粟黍种子遗存主要是受热烤焙作用而形成，炭化温度在250℃左右。
(2)250℃温度条件下受热形成的炭化种子遗存，化学性质稳定、可以经过长期埋藏，它们的δ13C值仅存在约0.2‰分馏。经历低温炭化的粟、黍δ13C值基本与现生粟、黍颖果的同位素相对应。因此，炭化粟、黍种子的碳同位素值可以在不校正分馏效应的情况下，作为气候环境重建以及早期农业活动研究的有效指标。
(3)黍通过水分利用效率反映δ13C与其生长期降水量具有显著正相关关系，可用于推测古降水。粟δp受生长期温度的影响虽较敏感，但机理较复杂，不适合用于温度重建。关中盆地7800～3500 calyr BP间降水较现代显著升高，其中6400～53000 calyr BP期间黍种子遗存碳同位素值显示降水量达到最高值，可视为研究区全新世最适宜期。
(4)沙漠/黄土过渡带MIS-3以来植被经历了4个主要阶段：MIS-3早-中期的疏林草原阶段；MIS-3晚期一末次盛冰期的荒漠草原阶段；末次冰消期的干草原阶段；全新世高温期的草甸草原阶段。增温阶段和高温期有助于黄土高原草原植被发育和盖度以及植物多样性增加。