中國河西走廊東灰山和西灰山作物遺存研究

魏益民,楊誼時,張影全,趙 博,李 明,張 波,郭波莉

(1.中國農業科學院農產品加工研究所/農業農村部農產品加工重點實驗室,北京 100193;2.甘肅省文物考古研究所,甘肅蘭州 730050)

史前時期的人類生活和農業生產,特別是人類賴以生存的糧食和動物產品的種類和數量,以及從事食物生產的工具和生活用品,是評價史前社會和了解人類文明發展階段的重要證據。中國河西走廊是古代中原文化和西域文化的交叉地帶,也是古絲綢之路的重要通道,當地出土的早期文化遺存,包括大量農作物遺存,為研究古代當地的作物種類以及外來農作物的引入年代、傳播途徑、進化過程等提供了寶貴的原始資料;對研究古絲綢之路的物質和文化交流在中國農業發展史上的作用,提供了大量的證據。

東灰山遺址位于甘肅省民樂縣六壩鎮，被甘肅省博物館于1958年開展文物普查時發現。寧篤學[1]發表了《民樂縣發現兩處四壩文化遺址》的考古論文,使東灰山和西灰山為人所知。李水成等[2-3]在東灰山遺址發現少量炭化小麥籽粒[2-3]。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,發現了小麥、谷子(粟)、糜子(黍、稷)、黑麥籽粒和胡桃殼,比較分析了炭化小麥籽粒特征,并依據文化年代和年紀鑒定推測了小麥籽粒距今年代。甘肅省文物考古研究所與吉林大學北方考古研究室對東灰山遺址進行了科學發掘，發現了大量炭化小麥籽粒[6]。Flad等[7]和蔣宇超等[8]在東灰山遺址剖面采樣,均浮選鑒定出小麥、大麥、谷子、糜子、小麥穗軸、大麥穗軸和雜草種子[7]。Wei等[9-10]和魏益民等[11-12]在東灰山新發現了蕎麥、燕麥籽粒和棗核。據東灰山炭化小麥籽粒碳同位素測年數據顯示，其距今約為3 613～3 808年[7,13]。西灰山位于甘肅民樂縣新天鎮,在東灰山西北方向,兩地垂直距離15 km。楊誼時[14]研究了西灰山的炭化作物籽粒,發現了小麥、大麥、谷子和糜子。西灰山炭化小麥籽粒碳同位素測年數據距今約為3 697～3 828年[15]。東灰山屬于“四壩文化”;西灰山屬于西城驛文化,早于東灰山,晚期屬于四壩 文化。

本研究在對東灰山和西灰山炭化作物籽粒研究結果的基礎上,通過現場考察取樣、實驗室樣本處理,開展作物遺存年代測定,并與當地種植的現代作物籽粒性狀進行比較，分析東灰山和西灰山作物種類、籽粒特征特性的差異,以期展現人類在作物訓化和改良方面所取得的進展。

1 材料與方法

1.1 材料來源

1.1.1 炭化作物籽粒

2016年在東灰山東側保護區外玉米地水渠兩岸文化層(0～200 mm)取土樣,每個點取土樣1.0 kg以上(圖1A)[12]。2019年在西灰山東南側文化層(0～150 mm)取土樣,每個土樣1.0 kg以上(圖1B)。土樣經浮選法獲得漂浮物,從漂浮物中分揀出形態完整的炭化作物籽粒和植物遺存(木炭)。經去離子水清洗、風干后,在離心管內密封保存,備用[16]。

A1:東灰山地貌;A2:東灰山土樣剖面;B1:西灰山地貌;B2:西灰山土樣剖面。

1.1.2 現代小麥和蕎麥籽粒

現代小麥樣品A 采自2016年民樂縣六壩鎮四壩堡子村三組張戶家收獲的小麥,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。對照品種均為當地主栽小麥品種永寧15號[12]?，F代蕎麥樣品為2017年收獲的陜北定邊紅花蕎麥,1 kg[9]。

1.2 分析方法

1.2.1 炭化籽粒的鑒定和拍照

2016年樣品在立體顯微鏡(MZ62,廣州)下鑒定作物種類，并在冷場發射掃描電子顯微鏡(HITACH,SU-8010,日本)下拍照。2019年樣品在立體顯微鏡(MZ62，廣州)下鑒定作物種類,并在立體顯微鏡下拍照。

1.2.2 單籽粒重量及長寬的測定

炭化作物籽粒(東灰山65粒，西灰山29粒)用1/10 000天平(BSA224S-CW,北京)稱重;對照小麥和蕎麥100粒用1/1 000天平(BSA323S-CW,北京)稱重。炭化作物、對照小麥和蕎麥籽粒的長寬均用游標卡尺(II-601-01,哈爾濱)測量。

1.2.314C、13C及年代測定

挑選典型作物籽粒及同區域發現的其他植物遺存(木炭),送美國佛羅里達州碳同位素測年實驗室測定14C、13C及樣品校正年代,使用數據庫為INTCAL13[17-18]。

2 結 果

2.1 東灰山和西灰山發掘的作物種類

東灰山遺址從1958年發現炭化小麥籽粒至今,已陸續發現了谷子、糜子、大麥、黑麥和胡桃殼。魏益民等[12]從2016年采集的土壤樣本中首次分離出了蕎麥、大麥(圖2A)和棗核。西灰山遺址從1958年被發現、1960年被公開報道后，直到近幾年才有作物遺存報道。楊誼時[14]報道在西灰山遺址發現了炭化小麥、大麥、谷子、糜子籽粒,以及小麥穗軸和大麥穗軸。筆者在2019年采集的土壤樣本中浮選鑒定出了炭化小麥、大麥和谷子籽粒(圖2B)。

A1～A4:東灰山作物種子電子顯微鏡掃描照片,2016;B1～B5:西灰山作物種子或植物遺存立體解剖鏡照片(放大1.5～3.0倍),2019。

2.2 東灰山和西灰山炭化小麥籽粒形態比較

對東灰山采集到的形態完整、無破損的炭化小麥籽粒樣品(東灰山65粒，西灰山29粒)稱重。從表1可以看出，東灰山單籽粒籽平均為9.52 mg,變化范圍為3.01～17.40 mg,變異系數為 30.56%；西灰山單籽粒平均為8.90 mg,變化范圍為 3.00～16.00 mg,變異系數為31.60%。西灰山小麥籽粒稍輕于東灰山小麥籽粒。與2016年當地栽培的小麥品種永寧15號(對照A和B)相比,變異系數較大,說明炭化小麥粒重差異較大。根據Fraser等[19]的模擬試驗，人工炭化小麥的重量損失為50.4%。由此推測,還原后東灰山炭化小麥當時的平均粒重為18.89 mg,為對照小麥樣品的44.57%和47.25%;西灰山炭化小麥當時的平均粒重為17.66 mg,為對照小麥樣品的41.67%和44.17%。

表1 東灰山和西灰山炭化小麥籽粒的重量

從表2可以看出，東灰山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。西灰山炭化小麥單籽粒平均長度為4.51 mm,變化范圍為3.53～5.68 mm,變異系數為12.43%;單籽粒平均寬度為 3.15 mm,變化范圍為2.35～3.84 mm,變異系數為 10.15%;籽粒/寬長比例均值為0.70。與2016年當地栽培的小麥品種永寧15 號(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 mm 和4.42～7.00,變異系數分別為8.17%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 mm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。

表2 東灰山和西灰山炭化小麥籽粒的長度和寬度

炭化小麥比現代小麥籽粒長度明顯較短(東灰山和西灰山；炭化籽粒長度分別為現代小麥的83%和81%)，寬度比現代小麥籽粒略小(東灰山炭化籽粒寬度為現代小麥的96%～99%;西灰山炭化籽粒寬度為現代小麥的93%～95%)。說明通過漫長的自然選擇和人工培育,現代小麥籽粒變長,均勻性提高。

2.3 東灰山炭化蕎麥籽粒形態比較

東灰山炭化蕎麥籽粒平均寬度為2.48 mm,平均長度為3.99 mm,寬/長比為0.62;現代陜北定邊紅花蕎麥籽粒的平均寬度為3.64 mm,平均長度為4.61 mm,寬/長比為0.75。東灰山蕎麥籽粒的寬度和長度分別只有現代陜北定邊紅花蕎麥籽粒的72%和87%。可見,新石器晚期至青銅器時代的蕎麥籽粒明顯較現代蕎麥籽粒小(圖2A4)。

2.4 東灰山和西灰山發掘作物的年代鑒定結果

從表3可以看出，東灰山炭化小麥籽粒距今3 463～3 361年(cal.BP,95.4%閾值);炭化蕎麥籽粒距今3 610～3 458年;炭化谷子籽粒測定結果出現了2個峰,分別顯示距今3 562～3 440年和3 400～3 434年;木炭距今3 592～3 453年。炭化小麥籽粒的測定結果和Flad等[7]對東灰山炭化小麥籽粒的測定結果比較接近(3 573～ 3 402 cal.BP)。根據測定年代的變幅可以認為,東灰山文化層大約經歷了150年。

表3 東灰山和西灰山作物和植物遺存的年代(14C測定)

西灰山炭化小麥籽粒出現了兩個年齡段,分別為距今3 515～3 388年和3 522～3 360年;炭化大麥籽粒距今3 700～3 568年;炭化谷子籽粒測定出現了3個峰,分別顯示距今 3 649～3 556年、3 691～3 659年、3 533～3 495年;木炭距今 3 694～3 560年和3 521～3 515年(表3)。13C含量測定結果為作物種類的鑒定提供了佐證，如谷子和小麥的13C含量在兩個出土地點比較接近。

3 討 論

東灰山遺址從1958年發現至今,經多次考古人員和農學家的發掘,已陸續發現了炭化小麥、谷子、糜子、大麥、黑麥、蕎麥和燕麥籽粒,以及胡桃殼、棗核等。魏益民等[12]從2016年采集的土壤樣本中首次分離出了蕎麥籽粒，是中國蕎麥起源和種植歷史上一次重要發現。這一結果使中國蕎麥的種植歷史追溯到新石器晚期至青銅器時代,也為中國蕎麥的起源中心學說提供了重要的實物證據[9-10]。西灰山遺址從公開報導以來,一直鮮有作物樣本遺存的報道。楊誼時[14]在西灰山遺址發現了炭化小麥、大麥、谷子和糜子籽粒，并發現西灰山2個炭化小麥籽粒樣本距今3 828～ 3 697年和3 809～3 643年;谷子籽粒距今 3 606～3 511年(AMS方法,1σ)。該研究小麥籽粒的測定年代早于本研究的結果,而谷子籽粒的測定年代比較接近。本研究在西灰山采集的土壤樣本中，鑒定出了炭化小麥、大麥和谷子籽粒，并對西灰山大麥炭化籽粒首次做了14C測年分析，通過對比兩個遺址發現的作物種類，認為兩個遺址的作物種類基本相同?？梢?在新石器晚期至青銅器時代,小麥和大麥已在祁連山北麓大量種植,谷子和糜子已從中原和華北引入到了河西走廊。本研究結果認為,小麥、大麥在東灰山和西灰山的種植歷史可能稍早于谷子和糜子。

東灰山和西灰山遺址發掘出土了大量的植物遺存。早期所測的一年生作物年代結果與近年來所測年代有差異。原因可能是受樹木“老木效應”的影響,導致年代明顯偏早200～300年；或早期傳統測年方法受儀器和方法精度的限制,年代也偏早[14]。目前,東灰山炭化小麥籽粒14C 測年數據距今最遠為3 808～3 613年,屬于四壩文化[13]。西灰山炭化小麥籽粒碳同位素測年數據距今最遠為3 828～3 697年[14]，屬西城驛文化地層。本研究新發現的西灰山炭化小麥籽粒距今 3 610～3 458年(95.4%);首次鑒定的西灰山炭化大麥籽粒距今3 700～3 568年(95.4%)，和目前發現的作物遺存和植物遺存(木炭)距今年代比較一致。西灰山發現的炭化谷子籽粒年紀出現3個時段,這可能與樣品所處文化層的不同有關。為了不破壞自然形成的斷面,樣品是從河流沖刷形成剖面浮土中采集的,樣品可能來自不同文化層。這也正好反映了西灰山形成的過程或經歷的時段。從現有結果來看,西灰山作物種植史稍早于東灰山。

考古學團隊每次挖掘任務重點不同,關注點不同;考古團隊也常常缺少植物考古和作物鑒定的專業人才,有些大范圍的挖掘竟然不包括作物或植物遺存的任何信息。例如,西灰山的炭化小麥籽粒,1958年修水渠時大量發現,直到農學家和植物考古學家介入后,才開始受到重視,并有較多作物種子被發現和系統性地研究。筆者相信,如果對東灰山和西灰山開展系統、周密地作物和植物遺存挖掘,可能還會有更多發現,或對古絲綢之路在中華民族發展過程的作用有新的認知。