中国植物考古学新进展：植硅体分析方法

Emily · 发表于 2009-10-13 09:53:02

作者：中国科学院地理科学与资源研究所杨晓燕
在中国北方旱作农业起源研究中取得重大突破
　　植物硅酸体（phytolith），简称植硅体，是植物身体里的“结石”。植物在生长过程中，吸收到身体里的硅会沉淀在细胞或者细胞之间，形成植硅体。当植物死亡、腐烂以后，像小石头一样的植硅体便埋藏在土壤中保存起来。科学家可以把这些保存在土壤里的植硅体通过一系列实验流程提取出来。由于不同的植物具有不同的细胞形态，所以其产生的植硅体形态也不相同。科学家通过植硅体的形态，鉴定它们来自哪种植物，以此进行古气候重建或者植物考古方面的工作。当然，当这个方法应用在考古学中的时候，就不止是从土壤里提取植硅体，石器、陶器、牙齿等有可能接触过植物的遗存都是研究的对象。
　　在过去20多年里，植硅体分析对研究美洲农业起源与传播做出了重要的贡献，使人们改变了对美洲农业的传统认识。植硅体分析方法也在上世纪80年代末被吕厚远（现为中国科学院地质与地球物理研究所研究员）介绍到中国。也就是从那个时候开始，吕厚远及其研究团队完成了中国大量的植硅体基础工作，但大部分应用都集中在古环境重建中，虽然早期有一些工作也涉及到陶范制作工艺。
　　由于日本学术界以及国内赵志军、郑云飞、靳桂云、吕厚远等在水稻植硅体研究中的基础工作，使植硅体分析方法首先在我国稻作农业起源研究中得到应用。在过去的十几年中，当植硅体分析在稻作农业考古中大显身手的时候，中国北方以粟类（包括黍和粟）作物为主的旱作农业考古却因为植硅体基础研究工作做得不够，依然只能依靠浮选法获得的大化石进行研究。但由于粟、黍及其野生祖本的种子都很小，炭化后又埋藏了很长时间，利用大化石种子形态进行鉴定有时候困难比较多, 特别是当遗址中粟、黍种子颗粒氧化成粉末状时，浮选法也无能为力。
　　2005年，吕厚远等人利用植硅体和淀粉粒分析方法对青海民和喇家遗址出土的食物遗存进行了分析，从中提取出了只有粟类作物才具有的植硅体和淀粉粒类型，从而证明世界上第一碗面条是用粟类作物做出来的。因为这项工作，使吕厚远和他的研究团队开始关注野生黍（P. bisulcatum）、栽培黍(P. miliaceum)、粟（S.italica）和狗尾草(Setaria. sp)四者之间植硅体形态的差别。他们付出了近四年的时间，终于完成了这一基础工作，并将其应用在河北武安磁山遗址的植物考古工作上，使中国北方粟类作物起源研究从方法到结果都获得了突破性的进展。关于上述四种植物的鉴别方法以《利用植硅体分析方法鉴别粟和黍》（以下简称《方法》）发表在2009年2月12日的《PLoS ONE》杂志上，对磁山遗址的研究以《东亚最早的驯化黍超过一万年》发表在近期的《美国科学院院刊》（《PNAS》）上。
　　在《方法》一文中，作者对采自全国不同地方的9个粟样本、12个黍样本、2个野黍（糠稷）、1个稗子以及3种野生狗尾草（青狗尾草、金色狗尾草、皱叶狗尾草）共27个现代样本进行了研究。文章对粟和黍的颖片、内稃和外稃（如图）分别进行了植硅体分析，同时又对内稃和外稃从顶端到底端的植硅体类型进行了对比，对内稃进行了解剖，将内稃由表及里的角质层、外表皮层、真皮层、海绵状叶片组织层和内表皮层分别进行了观察。研究发现，粟和黍相同部位的植硅体形态不同，糠稷与驯化黍、狗尾草与粟也具有明显的差别。文章归纳了鉴别粟和黍5个标准。
　　《PLoS ONE》的两位审稿专家认为，这项工作不仅在粟、黍植硅体鉴定标准方面取得了突破，而且这种解剖式的研究方法可以推广到小麦、大麦等其他农作物的植硅体鉴定中，将会极大促进世界农业考古研究的发展。论文发表后，被PLoS网站评价为PLoS七种系列刊物已经发表的与考古有关的论文中最有意义(the most significant)的创新性成果。
　　30多年前，我国河北磁山新石器遗址出土了大量腐朽灰化的植物遗存，被认为可能是粟，当年的两个未校正14C年代将磁山遗址定为距今8000多年前。从此，磁山遗址被认为是粟的起源地。《中国通史》、《中国农业百科全书》等典籍以及中学教材上将这一观点传播到国内外的各个学术界和普通大众。由于当时国际上对鉴定腐朽灰化的粟、黍粉末样品还没有可靠的方法，而且有关磁山遗址植物遗存的报道也没有给出鉴定的直接证据，遗址窖穴中的遗存是否是粟，没有得到国际学术界和国内部分学者的认可。
　　利用上述基础研究的突破，吕厚远等人对采自河北武安磁山遗址的六个窖穴中的遗存进行了分析，同时重新进行了年代测定。在磁山博物馆的帮助下，他们采集了遗址区由于农民取土新暴露的5个窖穴（野外编号CS-I～CS-V）的样品和保存在磁山博物馆的1个样品。CS-I窖穴的粮食遗存从上至下每10厘米分析一个样品，包括其他窖穴共分析47个样品。同时，采集了9个粮食颗粒样品进行了年代测定（CS-I，4个年代样品；CS-II～CS-V，各1个年代样品；从磁山博物馆采集的样品1个）。
　　9个测年结果校正后，有4个年代大于10000年，有2个介于9500-10000年，其余分布在7500-9000年之间。在距今约10300-8700年的样品中, 灰化粮食的植硅体全部是黍, 而在距今约8700-7500年期间, 开始出现少量粟的植硅体, 但粟的含量一直没有超过3%, 依然是以黍为主。同时，用现代植物和考古样品的分子生物学结果进行了对比分析, 也说明磁山遗址的农作物灰化样品主要是黍。
　　目前我国粟的种植区主要分布在华北东部半湿润地区，黍主要分布在我国西北部相对干凉的地区，黍是非常抗旱和适合在贫瘠土壤上生长的农作物。文章通过对现代黍、粟生长环境和我国北方全新世古环境的分析，认为早全新世相对干凉的气候环境更适合黍的驯化和栽培。在约1.5万年前全球气候从寒冷的冰期向温暖的全新世转化过程中，世界各地的史前人类根据不同地区的气候环境条件，选择了不同的植物进行驯化。在美索不达米亚地区，受夏季干热少雨，冬季湿润的地中海气候影响，人类在10000多年前驯化出了小麦和大麦农作物，孕育了举世闻名的两河流域文明。吕厚远等人对磁山遗址窖穴中粮食遗存的重新研究说明，在东亚地区的黄河流域，在几乎和两河流域文化同样古老的年代，受雨热同期的东亚季风气候影响，居住在磁山的古人先后独立驯化了黍和粟，发展了以粟和黍为主的旱作农业，成为东亚古代人类文明的重要发源地之一。
　　新的方法为我们研究中国北方旱作农业的起源和传播打开了一扇门，受惠于这个方法，相信更多的更新的研究成果将涌现出来。而磁山遗址新的研究成果，将使我们重新认识农业在东亚出现的时间以及中国北方旱作农业起源的其他相关问题。

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