中国河西走廊东灰山和西灰山作物遗存研究

魏益民,杨谊时,张影全,赵 博,李 明,张 波,郭波莉

(1.中国农业科学院农产品加工研究所/农业农村部农产品加工重点实验室,北京 100193;2.甘肃省文物考古研究所,甘肃兰州 730050)

史前时期的人类生活和农业生产,特别是人类赖以生存的粮食和动物产品的种类和数量,以及从事食物生产的工具和生活用品,是评价史前社会和了解人类文明发展阶段的重要证据。中国河西走廊是古代中原文化和西域文化的交叉地带,也是古丝绸之路的重要通道,当地出土的早期文化遗存,包括大量农作物遗存,为研究古代当地的作物种类以及外来农作物的引入年代、传播途径、进化过程等提供了宝贵的原始资料;对研究古丝绸之路的物质和文化交流在中国农业发展史上的作用,提供了大量的证据。

东灰山遗址位于甘肃省民乐县六坝镇，被甘肃省博物馆于1958年开展文物普查时发现。宁笃学[1]发表了《民乐县发现两处四坝文化遗址》的考古论文,使东灰山和西灰山为人所知。李水成等[2-3]在东灰山遗址发现少量炭化小麦籽粒[2-3]。李 璠等[4-5]两次对河西走廊农作物种质资源和古农业遗存进行考察,发现了小麦、谷子(粟)、糜子(黍、稷)、黑麦籽粒和胡桃壳,比较分析了炭化小麦籽粒特征,并依据文化年代和年纪鉴定推测了小麦籽粒距今年代。甘肃省文物考古研究所与吉林大学北方考古研究室对东灰山遗址进行了科学发掘，发现了大量炭化小麦籽粒[6]。Flad等[7]和蒋宇超等[8]在东灰山遗址剖面采样,均浮选鉴定出小麦、大麦、谷子、糜子、小麦穗轴、大麦穗轴和杂草种子[7]。Wei等[9-10]和魏益民等[11-12]在东灰山新发现了荞麦、燕麦籽粒和枣核。据东灰山炭化小麦籽粒碳同位素测年数据显示，其距今约为3 613～3 808年[7,13]。西灰山位于甘肃民乐县新天镇,在东灰山西北方向,两地垂直距离15 km。杨谊时[14]研究了西灰山的炭化作物籽粒,发现了小麦、大麦、谷子和糜子。西灰山炭化小麦籽粒碳同位素测年数据距今约为3 697～3 828年[15]。东灰山属于“四坝文化”;西灰山属于西城驿文化,早于东灰山,晚期属于四坝 文化。

本研究在对东灰山和西灰山炭化作物籽粒研究结果的基础上,通过现场考察取样、实验室样本处理,开展作物遗存年代测定,并与当地种植的现代作物籽粒性状进行比较，分析东灰山和西灰山作物种类、籽粒特征特性的差异,以期展现人类在作物训化和改良方面所取得的进展。

1 材料与方法

1.1 材料来源

1.1.1 炭化作物籽粒

2016年在东灰山东侧保护区外玉米地水渠两岸文化层(0～200 mm)取土样,每个点取土样1.0 kg以上(图1A)[12]。2019年在西灰山东南侧文化层(0～150 mm)取土样,每个土样1.0 kg以上(图1B)。土样经浮选法获得漂浮物,从漂浮物中分拣出形态完整的炭化作物籽粒和植物遗存(木炭)。经去离子水清洗、风干后,在离心管内密封保存,备用[16]。

A1:东灰山地貌;A2:东灰山土样剖面;B1:西灰山地貌;B2:西灰山土样剖面。

1.1.2 现代小麦和荞麦籽粒

现代小麦样品A 采自2016年民乐县六坝镇四坝堡子村三组张户家收获的小麦,1 kg,作为对照A;样品B采自民乐县六坝镇四堡村六组郑户家,5 kg,作为对照B。对照品种均为当地主栽小麦品种永宁15号[12]。现代荞麦样品为2017年收获的陕北定边红花荞麦,1 kg[9]。

1.2 分析方法

1.2.1 炭化籽粒的鉴定和拍照

2016年样品在立体显微镜(MZ62,广州)下鉴定作物种类，并在冷场发射扫描电子显微镜(HITACH,SU-8010,日本)下拍照。2019年样品在立体显微镜(MZ62，广州)下鉴定作物种类,并在立体显微镜下拍照。

1.2.2 单籽粒重量及长宽的测定

炭化作物籽粒(东灰山65粒，西灰山29粒)用1/10 000天平(BSA224S-CW,北京)称重;对照小麦和荞麦100粒用1/1 000天平(BSA323S-CW,北京)称重。炭化作物、对照小麦和荞麦籽粒的长宽均用游标卡尺(II-601-01,哈尔滨)测量。

1.2.314C、13C及年代测定

挑选典型作物籽粒及同区域发现的其他植物遗存(木炭),送美国佛罗里达州碳同位素测年实验室测定14C、13C及样品校正年代,使用数据库为INTCAL13[17-18]。

2 结 果

2.1 东灰山和西灰山发掘的作物种类

东灰山遗址从1958年发现炭化小麦籽粒至今,已陆续发现了谷子、糜子、大麦、黑麦和胡桃壳。魏益民等[12]从2016年采集的土壤样本中首次分离出了荞麦、大麦(图2A)和枣核。西灰山遗址从1958年被发现、1960年被公开报道后，直到近几年才有作物遗存报道。杨谊时[14]报道在西灰山遗址发现了炭化小麦、大麦、谷子、糜子籽粒,以及小麦穗轴和大麦穗轴。笔者在2019年采集的土壤样本中浮选鉴定出了炭化小麦、大麦和谷子籽粒(图2B)。

A1～A4:东灰山作物种子电子显微镜扫描照片,2016;B1～B5:西灰山作物种子或植物遗存立体解剖镜照片(放大1.5～3.0倍),2019。

2.2 东灰山和西灰山炭化小麦籽粒形态比较

对东灰山采集到的形态完整、无破损的炭化小麦籽粒样品(东灰山65粒，西灰山29粒)称重。从表1可以看出，东灰山单籽粒籽平均为9.52 mg,变化范围为3.01～17.40 mg,变异系数为 30.56%；西灰山单籽粒平均为8.90 mg,变化范围为 3.00～16.00 mg,变异系数为31.60%。西灰山小麦籽粒稍轻于东灰山小麦籽粒。与2016年当地栽培的小麦品种永宁15号(对照A和B)相比,变异系数较大,说明炭化小麦粒重差异较大。根据Fraser等[19]的模拟试验，人工炭化小麦的重量损失为50.4%。由此推测,还原后东灰山炭化小麦当时的平均粒重为18.89 mg,为对照小麦样品的44.57%和47.25%;西灰山炭化小麦当时的平均粒重为17.66 mg,为对照小麦样品的41.67%和44.17%。

表1 东灰山和西灰山炭化小麦籽粒的重量

从表2可以看出，东灰山炭化小麦单籽粒平均长度为4.62 mm,变化范围为3.80～5.36 mm,变异系数为 8.78%;单籽粒平均宽度为3.26 mm,变化范围为 2.48～4.80 mm,变异系数为14.01%;籽粒宽/长比例均值为0.71。西灰山炭化小麦单籽粒平均长度为4.51 mm,变化范围为3.53～5.68 mm,变异系数为12.43%;单籽粒平均宽度为 3.15 mm,变化范围为2.35～3.84 mm,变异系数为 10.15%;籽粒/宽长比例均值为0.70。与2016年当地栽培的小麦品种永宁15 号(对照A和B)单籽粒平均长度分别为5.57和5.54 mm，变化范围分别为4.08～6.84 mm 和4.42～7.00,变异系数分别为8.17%和9.18%;单籽粒平均宽度分别为3.30和3.39 mm,变化范围分别为2.24～3.86 mm和 2.32～4.92 mm,变异系数分别为 10.10%和12.10%;籽粒宽/长比例均值分别为0.59和0.61。

表2 东灰山和西灰山炭化小麦籽粒的长度和宽度

炭化小麦比现代小麦籽粒长度明显较短(东灰山和西灰山；炭化籽粒长度分别为现代小麦的83%和81%)，宽度比现代小麦籽粒略小(东灰山炭化籽粒宽度为现代小麦的96%～99%;西灰山炭化籽粒宽度为现代小麦的93%～95%)。说明通过漫长的自然选择和人工培育,现代小麦籽粒变长,均匀性提高。

2.3 东灰山炭化荞麦籽粒形态比较

东灰山炭化荞麦籽粒平均宽度为2.48 mm,平均长度为3.99 mm,宽/长比为0.62;现代陕北定边红花荞麦籽粒的平均宽度为3.64 mm,平均长度为4.61 mm,宽/长比为0.75。东灰山荞麦籽粒的宽度和长度分别只有现代陕北定边红花荞麦籽粒的72%和87%。可见,新石器晚期至青铜器时代的荞麦籽粒明显较现代荞麦籽粒小(图2A4)。

2.4 东灰山和西灰山发掘作物的年代鉴定结果

从表3可以看出，东灰山炭化小麦籽粒距今3 463～3 361年(cal.BP,95.4%阈值);炭化荞麦籽粒距今3 610～3 458年;炭化谷子籽粒测定结果出现了2个峰,分别显示距今3 562～3 440年和3 400～3 434年;木炭距今3 592～3 453年。炭化小麦籽粒的测定结果和Flad等[7]对东灰山炭化小麦籽粒的测定结果比较接近(3 573～ 3 402 cal.BP)。根据测定年代的变幅可以认为,东灰山文化层大约经历了150年。

表3 东灰山和西灰山作物和植物遗存的年代(14C测定)

西灰山炭化小麦籽粒出现了两个年龄段,分别为距今3 515～3 388年和3 522～3 360年;炭化大麦籽粒距今3 700～3 568年;炭化谷子籽粒测定出现了3个峰,分别显示距今 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含量测定结果为作物种类的鉴定提供了佐证，如谷子和小麦的13C含量在两个出土地点比较接近。

3 讨 论

东灰山遗址从1958年发现至今,经多次考古人员和农学家的发掘,已陆续发现了炭化小麦、谷子、糜子、大麦、黑麦、荞麦和燕麦籽粒,以及胡桃壳、枣核等。魏益民等[12]从2016年采集的土壤样本中首次分离出了荞麦籽粒，是中国荞麦起源和种植历史上一次重要发现。这一结果使中国荞麦的种植历史追溯到新石器晚期至青铜器时代,也为中国荞麦的起源中心学说提供了重要的实物证据[9-10]。西灰山遗址从公开报导以来,一直鲜有作物样本遗存的报道。杨谊时[14]在西灰山遗址发现了炭化小麦、大麦、谷子和糜子籽粒，并发现西灰山2个炭化小麦籽粒样本距今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)。该研究小麦籽粒的测定年代早于本研究的结果,而谷子籽粒的测定年代比较接近。本研究在西灰山采集的土壤样本中，鉴定出了炭化小麦、大麦和谷子籽粒，并对西灰山大麦炭化籽粒首次做了14C测年分析，通过对比两个遗址发现的作物种类，认为两个遗址的作物种类基本相同。可见,在新石器晚期至青铜器时代,小麦和大麦已在祁连山北麓大量种植,谷子和糜子已从中原和华北引入到了河西走廊。本研究结果认为,小麦、大麦在东灰山和西灰山的种植历史可能稍早于谷子和糜子。

东灰山和西灰山遗址发掘出土了大量的植物遗存。早期所测的一年生作物年代结果与近年来所测年代有差异。原因可能是受树木“老木效应”的影响,导致年代明显偏早200～300年；或早期传统测年方法受仪器和方法精度的限制,年代也偏早[14]。目前,东灰山炭化小麦籽粒14C 测年数据距今最远为3 808～3 613年,属于四坝文化[13]。西灰山炭化小麦籽粒碳同位素测年数据距今最远为3 828～3 697年[14]，属西城驿文化地层。本研究新发现的西灰山炭化小麦籽粒距今 3 610～3 458年(95.4%);首次鉴定的西灰山炭化大麦籽粒距今3 700～3 568年(95.4%)，和目前发现的作物遗存和植物遗存(木炭)距今年代比较一致。西灰山发现的炭化谷子籽粒年纪出现3个时段,这可能与样品所处文化层的不同有关。为了不破坏自然形成的断面,样品是从河流冲刷形成剖面浮土中采集的,样品可能来自不同文化层。这也正好反映了西灰山形成的过程或经历的时段。从现有结果来看,西灰山作物种植史稍早于东灰山。

考古学团队每次挖掘任务重点不同,关注点不同;考古团队也常常缺少植物考古和作物鉴定的专业人才,有些大范围的挖掘竟然不包括作物或植物遗存的任何信息。例如,西灰山的炭化小麦籽粒,1958年修水渠时大量发现,直到农学家和植物考古学家介入后,才开始受到重视,并有较多作物种子被发现和系统性地研究。笔者相信,如果对东灰山和西灰山开展系统、周密地作物和植物遗存挖掘,可能还会有更多发现,或对古丝绸之路在中华民族发展过程的作用有新的认知。