甘肅民樂東灰山遺址炭化小麥籽粒性狀分析

魏益民，郭波莉，任滿寬

(1.中國農業科學院農產品加工研究所/農業部農產品加工重點實驗室，北京 100193; 2.甘肅省民樂縣博物館，甘肅民樂 734500)

甘肅省民樂縣東灰山遺址是1958年9月甘肅省博物館開展文物普查時發現的。1960年，甘肅省文物局寧篤學撰寫了《民樂縣發現兩處四壩文化遺址》的考古學論文[1]。1975年民樂縣六壩鄉在東灰山東側開挖水渠時,發現了新石器遺址,獲得許多石器和陶片,經甘肅省和北京的考古學家對文化遺物的研究,將此遺址定為“四壩式”文化類型。1975年,甘肅省張掖地區文化處在進行文物調查時，在東灰山遺址發現少量炭化小麥籽粒,但這一重要發現長期不為外界所知[2-3]。1985年和1986年,李 璠等[4-5]兩次對河西走廊農作物種質資源和古農業遺存進行考察，收集了炭化小麥的籽粒,并做了年代考證。1986年，北京大學考古系與甘肅省文物考古研究所對甘肅河西走廊(阿克塞縣自治縣除外)進行了一次大范圍的史前考古調查，發現古遺址40余處，包括東灰山遺址[6]。1987年，甘肅省文物考古研究所與吉林大學北方考古研究室對地下文物的發掘，進一步揭示了東灰山人的歷史遺跡[7]。

東灰山遺址屬于“四壩文化”的一部分。“四壩文化”主要分布在甘肅省河西走廊中西部地區，屬于早期青銅時代文化。目前，東灰山遺址有1個碳同位素測年數據，年代距今約為3 900～3 400年，相當于夏代晚期和商代早期。因最早發現于民樂、山丹兩縣交界的四壩灘，1956年被考古界命名為“四壩文化”。

近年來，國內外考古學家對東灰山遺址炭化小麥的歷史年代做了較多的研究[8]。李 璠等[4-5]作為作物遺傳學家曾對東灰山炭化小麥籽粒特征做過比較研究。但還少有小麥育種、小麥栽培和食品加工的學者，甚至古植物學學者，對東灰山遺址小麥炭化籽粒特征特性和來源做過研究，或介入其中。本研究在閱讀和分析已有研究結果的基礎上，通過現場調查、資料考證、實驗室分析，并與當地種植的現代小麥籽粒性狀做比較，進一步確證東灰山遺址炭化小麥籽粒的特征特性，展現栽培小麥在中國的改良與傳播路徑。

1 材料和方法

1.1 材料來源

1.1.1 碳化小麥籽粒

在東灰山東側保護區外玉米地水渠兩岸文化層取土樣。經浮選法獲得漂浮物，從漂浮物中分揀得到105粒形態完整的炭化小麥籽粒。經去離子水清洗、風干后，在離心管內密封保存，備用。

1.1.2 現代小麥籽粒

樣品A采自民樂縣六壩鎮四壩堡子村三組張戶家，1 kg，作為對照A；樣品B采自民樂縣六壩鎮四堡村六組鄭戶家，5 kg，作為對照B。對照均為2016年收獲的籽粒，品種為永寧15號。

1.2 試驗方法

1.2.1 小麥籽粒外觀測定

單籽粒重量測定：65粒炭化小麥籽粒用萬分之一天平稱重；2份對照小麥100粒用千分之一天平稱重。單籽粒長寬測定：碳化小麥籽粒(40粒)和2份對照(100粒)小麥籽粒用游標卡尺測量。

1.2.2 小麥籽粒礦物元素含量測定

將粉碎后樣品分為兩份，一份進行水分含量測定，另一份用于微波消解。稱取0.25 g(m1)小麥樣品于微波消解儀(CEM，USA)專用的聚四氟乙烯消解罐中，加入6 mL濃硝酸，2 h后加入2 mL H2O2，放置0.5 h后排氣，并使酸溶液充分混合，安裝到微波消解儀進行消解。樣品消解澄清后冷卻，定容到120 mL(m2)樣品瓶中，樣品稀釋倍數為m2/m1,用于儀器測定時的數據校正。采取同樣方法消解小麥標準物質(GBW10011，國家標準物質研究中心)和空白對照。

利用電感耦合等離子體質譜儀測定小麥籽粒全粉中的Cu、Zn、Cd、Pb、Rb五種元素的含量。儀器參數為：射頻功率1 280 W,霧化室溫度2 ℃，輔助氣體流量0.98 L·min-1，補償氣體流量1.0 L·min-1，載氣流量1.0 L·min-1。每個炭化小麥樣品重復一次，對照重復2次。當內標的RSD值>5%時，對樣品重新測定。所得數據利用每個樣品的水分含量校正為干基含量。

1.2.3 穩定同位素比率測定

(1) C、N含量及其穩定同位素比率測定

稱取5 mg樣品放入錫箔杯中，通過自動進樣器進入元素分析儀(vario PYRO cube,Elementar,Germany)通過燃燒與還原轉化為純凈的CO2和N2氣體，CO2再經過稀釋器稀釋，最后進入穩定同位素質譜儀(IsoPrime100,IsoPrime，UK)進行檢測。具體的工作參數如下：

元素分析儀條件：燃燒爐溫度為850 ℃，還原爐溫度為600 ℃，載氣He流量為230 mL·min-1。

質譜儀分析過程中，每12個樣品穿插一個標樣， IAEA600[δ13CPDB=(-27.771±0.043)‰，δ15Nair=(1.0±0.2)‰]對測定結果進行校正。

利用同位素比率質譜儀測定碳、氮含量的方法：用IAEA-600咖啡因作為標準，得到y=a+bx的標準曲線，x為碳或氮的峰面積，a、b為常數；把所測定樣品碳或氮峰面積代入，求出絕對含量，再用絕對含量除以樣品的重量，得到樣品碳或氮的百分含量。

穩定同位素比率計算如下：

δ=(R樣品/R標準-1)×1000‰

其中，R為重同位素與輕同位素豐度比，即13C/12C和15N/14N,δ13C的相對標準為V-PDB，δ15N的相對標準是空氣中氮氣。

測定時，δ13C和δ15N的連續測定精度<0.2‰。

(2) 穩定氫、氧同位素測定

稱取0.3 mg樣品裝入銀杯(6 mm×4 mm)，折成小球，平衡72 h，并按順序放入120位自動進樣器，利用自動進樣器將樣品送入元素分析儀(vario PYRO cube，德國elementar公司)，高溫裂解生成CO和H2，最后進入穩定同位素質譜儀(IsoPrime100，英國Isoprime公司)進行檢測。具體的工作參數如下：

分析儀條件：樣品裂解溫度為1 450 ℃，He載氣流速為120 mL·min-1。

質譜儀分析過程中，每12個樣品穿插一個標樣， IAEA-CH-7[δ2HV-SMOW=(-100.3±2.0)‰，δ18OV-SMOW=(23.3±0.3)‰]對測定結果進行校正。

穩定同位素比率計算如下：

δ=(R樣品/R標準-1)×1000‰

其中，R為重同位素與輕同位素豐度比，即2H/1H和18O/16O,二者的相對標準均為V-SMOW。

測定時，δ2H和δ18O的連續測定精度<1‰。

2 結果分析

2.1 東灰山的地理位置

民樂縣位于河西走廊的中部,屬張掖-高臺-酒泉平原。東隔大黃山，為武威-民勤平原;西隔黑山，為玉門-安西-敦煌平原;南為海拔約5 000 m 的祁連山；北為海拔約2 000～2 500 m的龍首山。東灰山遺址位于民樂縣洪水河下游沙灘河東岸的高臺地上，距民樂縣城約27 km。具體位置為北緯38°39′33.6″ ，東經100°44′54.1″，在六壩鎮東北約2.5 km處的荒漠沙灘中，海拔1 828 m(圖1A)。遺址呈小山丘，高約5 m，南北長730 m，東西寬187 m，占地面積136 510 m2。遺址東側人工開挖的水渠斷面有明顯的文化堆積[6]。

2.2 東灰山炭化小麥籽粒特征

通過對采集到的炭化小麥籽粒用去離子水清洗、自然通風干燥，對形態完整、無破損的65粒樣品稱重(圖1B、C、D)。單籽粒均重為9.52 mg，變化范圍為3.01～17.40 mg，變異系數為30.56%(表1)。與2016年當地栽培的小麥品種永寧15號(對照A、B)相比，變異系數較大，說明炭化小麥籽粒大小差異較大。根據Frase等[9]的模擬實驗，人工炭化小麥的重量損失為50.4%。由此推測，還原后炭化小麥當時的平均重量為18.89 mg，為對照小麥樣品的44.57%和47.25%。

炭化小麥單籽粒平均長度為4.62 mm，變化范圍為3.80～5.36 mm，變異系數為8.78%；單籽粒平均寬度為3.26 mm，變化范圍為2.48～4. 80 mm，變異系數為14.01%;籽粒寬/長比例均值為0.71，變化范圍為0.56～0.91。2016年當地栽培的小麥對照A和B單籽粒平均長度分別為5.57和5.54 mm，變化范圍分別為4.08～6.84和4.42～7.00 mm，變異系數為8.18%和9.18%；單籽粒平均寬度分別為3.30和3.39 mm，變化范圍分別為2.24～3.86和2.32～4.92 mm，變異系數分別為10.10%和12.10%；籽粒寬長比例均值分別為0.59和 0.61，變化范圍分別為0.44～0.71和0.46～0.84。結果說明，炭化小麥比現代小麥籽粒短(0.83∶1.00，0.83∶1.00)，寬度和現代小麥籽粒基本一致(0.99∶1.00，0.96∶1.00)。

2.3 東灰山炭化小麥籽粒基礎元素含量及其同位素特征

炭化小麥籽粒的δ13C高于現代小麥品種，低于木炭樣本；δ15N顯著高于現代小麥品種和木炭；δ2H低于現代小麥品種，與木炭差距較小；δ18O高于現代小麥品種，與木炭差距較小(表4)。根據Fraser[9]的研究，人工炭化小麥籽粒的δ13C同位素無顯著變化；δ15N同位素增加129.2%。以此為據，校正后的δ15N同位素比率為6.22‰，顯著高于對照小麥品種。炭化小麥籽粒較高的δ15N值說明，東灰山小麥在栽培過程中依靠自然肥力或補充農家肥，因為農家肥和天然氮素富含15N。

表1 東灰山炭化小麥籽粒的重量Table 1 Single kernel weight of carbonized wheat from Donghui Hill mg

表2 東灰山炭化小麥籽粒的形態大小 Table 2 Single kernel size of carbonized wheat from Donghui Hill

2.4 東灰山炭化小麥籽粒礦物元素特征

通過對東灰山炭化小麥籽粒、木炭和對照小麥籽粒的礦物元素含量分析，可以看出，鉛含量成百倍高于現代小麥籽粒，鍶含量成68倍高于現代小麥籽粒，銅成12倍高于高于現代小麥籽粒，鋅成5倍高于現代小麥籽粒，銣成倍高于現代小麥籽粒。銣/鍶比值成35倍低于現代小麥籽粒。通過重量損失校正后的結果說明，鉛、鍶、銅仍然成倍高于對照樣品。這一結果提示，由于人類的活動，如青銅器冶煉活動，導致這些小麥籽粒中這幾種金屬含量很高。當然，也不排除碳化小麥籽粒在埋藏過程中土壤、水蝕因素的影響，以及環境中這些元素本底或富集的影響。這從另一方面也說明，東灰山或附近是青銅器時代早期人類的聚居地，也可能是人類生產、冶煉青銅或制造器具的場所[10]。

表3 東灰山炭化小麥籽粒基礎元素含量Table 3 Content of basic elements in carbonized wheat from Donghui Hill %

表4 東灰山炭化小麥籽粒部分礦物元素含量Table 4 Mineral content in carbonized wheat from Donghui Hill

2.5 東灰山小麥籽粒的產地及傳播

東灰山炭化小麥籽粒主要零星分布在遺址東側水渠斷面暴露的大段文化堆積層，該堆積層厚0.5～2.0 m，其中,還夾雜著炭化大麥、粟、黍等籽粒，以及小喬木和灌木的木炭，不包含石器、陶片等雜物。現場目測炭化小麥等谷物籽粒在灰層中的分布發現，籽粒分布極為分散，多種谷物籽粒并存。分析認為，這些灰層很可能為該部落生產糧食后，堆放秸稈的草料場發生火災后的灰燼殘留，未脫離干凈的谷物籽粒夾在其中，在外部燃燒、內部缺氧的高溫環境下炭化所致[10]。當地老百姓傳說，東灰山是過去的屯兵之地，其草木灰為軍隊做飯燒火的柴草燃料灰燼的堆積物。這一說法佐證了東灰山在歷史上作為戰略要地的重要性，以及曾經的部落或軍隊的聚集地。但燒飯柴草形成的草木灰不會形成分布廣泛的炭化小麥籽粒，以及數種谷物和其他作物的籽粒。

已有的考古證據初步揭示，小麥傳入中國至少有兩個途徑,即綠洲通道和草原通道。綠洲通道的傳播路線是:西亞-中亞-帕米爾高原-塔里木盆地南北兩側的綠洲-河西走廊-黃土高原地區；草原通道的傳播路線是:西亞-中亞-歐亞草原諸青銅文化-中國北方文化區-黃河中下游地區[8]。目前，在綠洲通道的傳播路線上有多個遺址發現了炭化小麥籽粒、大批量的小麥秸稈和小麥制作的食物(馕、面條等)，小麥從西向東傳播的路徑日漸清晰[11-15]。東灰山屬于綠洲通道傳播路線上的一個重要地點。當小麥從西域傳播到河西走廊后，由于天山的阻隔和當地不利的氣候條件(冬春寒冷、干旱等)，小麥在當地只能利用天山北坡眾多的溪流谷地春末凍土融化的底墑春播，生長季節利用夏秋的雨季，到夏末初秋收獲。由于天山的阻隔，小麥在當地種植和適應了一段時間后，才通過祁連山扁都山口，傳入青海海東和甘肅臨夏地區(齊家文化區)，再進入隴東和關中。楊 穎[16]則更具體寫道，小麥可能是通過河西走廊-扁都口-大通河谷地傳入河湟地區。

3 討論與結論

3.1 討 論

3.1.1 東灰山炭化小麥籽粒的特征特性及改良

考古學界根據多個研究結果初步認為，東灰山遺址出土的炭化小麥籽粒的年代范圍上限在公元前3000-公元前2500年，下限為公元前2千紀上半葉，跨越新石器時代和青銅器時代[6]。該發現檢測的炭化小麥籽粒標本的年紀為4 230±250 BP(年代數據未作樹輪年代校正)。最新應用加速器質譜測年方法測定該處炭化小麥年代資料說明，東灰山遺址的文化堆積及其包含的小麥遺存屬于四壩文化時期，絕對年代在距今3 600年前后[6]。東灰山遺址發現的炭化小麥籽粒是中國境內年代最早、數量最多的炭化小麥標本。

A:遺址概貌;B、C、D:炭化小麥籽粒背部、腹溝、側面(X30);E:炭化蕎麥籽粒(背部,X30);F:灰山炭化蕎麥籽粒(左側帶果皮,X30);G:炭化大麥籽粒(X30);H:炭化谷子籽粒(左側為胚部,X50);I:炭化谷子籽粒(右側帶果皮,X100)A:General picture of ruins;B,C,D:Carbonized wheat grain back,ventral cannal,side(X30);E,F:Carbonized buck wheat grain back,left pericarp(X30);G:Carbonized barly grain(X30);H:Carbonized millet grain(left is embryo part,X50);I:Carbonized millet grain(right pericarp,X100)

20世紀80年代東灰山遺址發現炭化小麥籽粒時,李 璠等[4]注意到炭化小麥籽粒尺寸差異的問題，發現小麥籽粒形態差異很大，最大的粒長為5.32 mm,最小的則為3.62 mm,兩者相差近一倍[5]。本次對40粒炭化小麥籽粒的測定結果平均長度為4.62 mm，變化范圍為3.80～5.36 mm;單籽粒平均寬度為3.26 mm，變化范圍為2.48～4.80 mm;籽粒寬/長比例均值為0.71，變化范圍為0.56～0.91。部分炭化小麥籽粒橫截距較大，呈近圓形。李 璠等[17]曾認為，東灰山曾似有蜜穗小麥籽粒(T.compactum)存在。事實上，在上世紀四十年代黃淮冬麥區、西北春麥區的河西走廊都有少量的蜜穗小麥種植。

通過現代小麥與東灰山炭化小麥籽粒大小的比較分析認為，在4 000年的小麥栽培、傳播和改良過程中，小麥籽粒的寬度沒有發生明顯的變化，而籽粒長度增長了0.92～0.95 mm(19.91～20.56%)。依據模擬炭化實驗結果測算出炭化小麥籽粒的實際平均重量為18.89 mg，為對照小麥樣品的44.57%和47.25%；為20世紀四十年代關中農家品種(涇陽302號，32 mg)的59.03%[18]。

據資料記載，我國開展小麥雜交育種的時間不足百年時間。在已知的4 000年的小麥栽培歷史中，小麥品種改良和進化主要是靠自然選擇和人為的群體選擇。分析近代小麥改良進展和小麥產量構成三要素的資料可以看出，單位面積穗數顯著增加，千粒重顯著提高，穗粒數有所改進。千粒重顯著提高有可能發生在農家品種系統選育和雜交育種技術使用之后。因為，隨著生產水平的提高，穗數增加，小穗可育籽粒數增加，但生存空間有限，而較長的籽粒更有利于個體生長和單穗重量的提高。可見，近百年來的小麥品種遺傳改良和產量提高主要是在群體適應性方面取得了重要進展；其次是粒重。粒重在近4 000年的歷史過程中約提高了1倍；而在近70年以來提高了25%以上[17,19-20]。

3.1.2 東灰山遺址作物種類的新發現

分析已有資料可知，東灰山遺址除了發現大量炭化小麥籽粒外，還發現了大麥、粟、黍、胡桃核等。本次考察除發現了小麥(Triticumaetivum)、大麥(Hordeumvulgare)、粟(Setariaitalica)籽粒外(圖1B、C、D；圖1G；圖1H、I。)，還發現了6粒蕎麥籽粒(圖1E、F；Fagopyrumesculentum)和3粒燕麥籽粒(Avenasativa，因燕麥籽粒纖細，制作標本時極易損壞，未附圖),以及2粒棗核。賈 鑫[21]對青海省東部地區植物遺存研究結果指出，蕎麥首次出現于湟水流域的營盤地遺址(2 550 cal BP)；燕麥首次出現于湟水流域的紅崖下陰坡遺址。李明啟等[22]從甘肅臨潭陳旗磨溝遺址(4 000 cal BP)2個成人牙結石淀粉粒分離出蕎麥淀粉粒。可見，東灰山遺址蕎麥和燕麥的發現，對了解新石器時代河西走廊的作物種類、農業生產和人類食物結構具有重要的歷史意義。

3.2 結 論

(1)東灰山炭化小麥單籽粒均重為9.52 mg，變化范圍為3.01～17.40 mg，變異系數較大(30.56%)。單籽粒平均長度為4.62 mm，平均寬度為3.26 mm;籽粒寬/長比例均值為0.71，變化范圍為0.56～0.91。炭化小麥長度比現代小麥品種(永寧15號)籽粒短(0.83∶1.00，0.83∶1.00)，寬度基本一致(0.99∶1.00，0.96∶1.00)。推算當時小麥的實際單粒重量為現代小麥重量的45%～47%。

(2)東灰山炭化小麥籽粒的同位素15N含量較高，說明當時人們主要依靠自然肥力，或使用農家肥栽培小麥。

(3)主要礦物元素鉛、鍶、銅、鋅含量很高，提示當時小麥生產環境與人類活動或青銅器冶煉有某種聯系。

(4)東灰山炭化小麥籽粒年代的確定和傳播路徑分析，為小麥從4 000年前起通過祁連山扁都山口逐步傳入青海海東和甘肅臨夏地區，再進入關中地區提供了佐證。

(5)在東灰山遺址炭化植物殘留中首次鑒別出了蕎麥籽粒(Fagopyrumesculentum)和燕麥籽粒(Avenasativa)。