科研动态 | 人文学院尚雪课题组在粟黍作物植硅体研究中取得新进展
作为最早被人类驯化的古老作物之一，粟类作物（粟和黍）是中国北方地区新石器时代最为重要的农作物。植硅体作为粟作农业研究的重要指标，业已在农业起源、传播等学术热点中发挥重要作用。粟黍作物的驯化与传播过程受气候波动、文化适应等因素影响，人们对两者的选择存在差异。从大植物遗存资料看，我国北方新石器时代早期遗址多以黍为主要粮食作物，到了新石器时代中晚期，粟开始逐渐取代黍成为首要农作物。然而，通过植硅体得到的结果并没有很好地与大植物遗存结果相对应，甚至出现相反的结果，例如青海喇家遗址、关中盆地以及黄河中游多处遗址。研究者对这些遗址同时开展了大植物遗存和植硅体分析，却发现两者的结果并不一致。因此研究粟黍作物大植物遗存与微体化石的量化指标及其受形成条件、埋藏环境的影响之间的关系成为目前亟待探索的科学问题。目前，已有学者利用模拟实验对包括粟黍在内的主要农作物种子在炭化过程中的变化做了相关研究。然而，已有看法认为植硅体结构稳定、易于保存，这使得研究者对其在保存过程中的变化关注并不多。
中国科学院大学人文学院考古学与人类学系尚雪副教授课题组长期关注与开展有关粟黍植硅体的提取与量化研究方法等研究，并于近期发表题为“The influence of heat on phytolith morphology and implications for quantifying archaeological foxtail and common millets”的最新成果。该成果发表在国际期刊Heritage Science（SCI、A&HCI收录期刊）当中，主要探讨了高温对黍植硅体形态的影响以及对粟黍类考古遗存量化研究的影响。
一、粟黍植硅体不同提取方法的比较
目前，从沉积物中提取植硅体主要通过干灰化法和湿氧化法。与湿氧化法相比，干灰化法的优点是可以更有效地将植硅体与母体植物分离。在干灰化过程中，有机物可以在相对较高的温度下（例如500℃）被去除，剩下的灰化物可以用来提取植硅体。
由稃片产生的树枝状植硅体对粟黍鉴定具有重要意义，并且较大的植硅体碎片可以提供更多信息，有助于更准确地对粟黍进行鉴定。尚雪课题组于2014年对考古土壤样品进行植硅体提取时，通过比较干灰化法和湿氧化法两种方法得到的粟黍植硅体尺寸和形态发现，干灰化法保留了更多大尺寸植硅体，说明具有鉴定意义的稃片植硅体在干灰化法中保存得更好。此外，扫描电镜结果显示，稃片植硅体往往与稃片其他结构形成的炭化物粘连，对植硅体的鉴定产生干扰。通过干灰化法的高温处理过程，可以有效去除炭化物和有机质，大大改善了对粟黍稃片植硅体的观察和识别。相关研究成果“Comparison of dry ashing and wet oxidation methods for recovering articulated husk phytoliths of foxtail millet and common millet from archaeological soil” 发表在国际考古学权威期刊Journal of archaeological science（SSCI、A&HCI收录期刊）。
图 1 干灰化法（A-C）与湿氧化法（D-F）提取植硅体照片
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jas.2014.03.001
二、压点法在粟黍植硅体定量研究中的应用
植硅体形态学不仅可以对其母体植物进行定性和识别，还可以对植硅体的产量进行量化。具体到粟黍植硅体来说，在沉积环境中，粟黍稃片植硅体以不同大小的碎片形式存在。粟黍植硅体的数量和大小在理论上与粟黍植硅体总数或植硅体碎片的总表面积成正比。也就是说，在其他条件相同的情况下，更多的植硅体或所有植硅体碎片的总表面积越大，反映了产生这些植硅体的植物数量越多。虽然这是一种半定量的方法，但是在某种程度上为我们提供了一个定量比较粟黍相对丰度的机会。
上述估算粟黍植硅体产量的想法可以通过压点法实现。该方法最早由Clark等人用于微炭屑表面积的计算，进而作为微炭屑浓度的指标，这一方法简化了统计方法，可以实现对沉积物中微炭屑的高效统计，因而得到广泛应用。与微炭屑形态相似的其他沉积物（硅藻、植硅体等）同样可以采用这一方法进行统计。课题组通过对我国北方不同品种现生粟稃片植硅体进行提取（干灰化法， 500℃）、统计，成功地将压点法应用到粟稃片植硅体量化统计中，为粟作农业研究提供了一种颇为有效的方法。利用粟稃片植硅体片状结构与炭屑形态相似，通过压点法对植硅体进行面积估算，并与稃片表面积进行比较。由于粟具有鉴定意义的植硅体由稃片表皮细胞产生，覆盖于整个稃片上，因此，稃片表面积与其所产生的植硅体面积应当是一致的。该研究中植硅体面积与稃片表面积非常接近，这一结果表明，压点法可以有效地对粟稃片植硅体进行统计。相关研究成果“Point count estimation of articulated husk phytoliths of foxtail millet and its prospective use in agricultural archaeology”发表在国际期刊Quaternary International（SCI&SSCI收录）。
图 2 压点法应用于粟黍植硅体统计示意图
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.quaint.2016.04.017
三、高温对黍植硅体的影响
在以上研究的基础上，课题组进一步对不同品种现生黍进行了一系列受控加热实验，黍的谷粒按照干灰化法进行加热（500℃），提取植硅体并进行压点法统计。在加热实验中，30.8%到59.5%的黍稃片植硅体发生了损失，加热过程可能导致了黍植硅体的融化或树枝状纹饰消失，造成具有鉴定特征的植硅体数量减少。与粟的平行实验结果相比，黍植硅体的损失更加明显。
图 3 粟黍植硅体面积（Scon）与稃片表面积（Ssur）比较（FM=粟，CM=黍）
模拟实验结果在用于考古学问题的解释时需要首先考虑实验条件的代表性，研究中所使用的实验条件（500℃，2-8小时）是否可以或多大程度代表考古遗址中的用火活动和埋藏情况？考古遗址中的火主要包括人工用火和自然火，人工控制的用火主要用于取暖、制陶、烹煮食物等，一般集中在固定地点，持续一段时间或反复发生，燃烧中心区温度最高可达860℃。新石器时代陶窑燃烧区的温度可高达950℃，即使是明火也能保证600℃的烧制温度。燃烧地点如果不经常清扫，燃烧后残留的植硅体等灰烬成分会经过反复、长时间地燃烧。自然火如树桩、草地起火一般小于300℃，无法达到人工用火的温度，然而如果是贮藏有大量谷物的粮食窖穴意外起火，由于燃烧物充足，较长时间的燃烧也可能达到较高的温度。因此，本研究模拟实验的条件在考古遗址中具有一定的代表性，能够反映粟黍植硅体在考古遗址中的受热温度和受热时间。
实验结果表明，考古遗址中的黍植硅体容易受到加热影响造成数量减少，可能在考古遗址中保存下来的概率比粟更低。虽然植硅体的保存不需要经过加热的过程，在植物有机质腐烂后仍可在埋藏环境中长期保存下来，但产生鉴定意义植硅体的黍稃壳却可能在谷物烘烤、薪柴燃烧、储存、埋藏中遇火，或在植硅体提取等过程中受到加热的影响，从而降低了最终提取得到的植硅体数量，以致于无法准确反映黍植硅体的真实数量。因此，粟黍植硅体统计结果的指示意义并没有以往认为的那么明确，在黍的起源、作物结构等需要黍植硅体参与的研究中，需要考虑到其不易保存的特征。此外在实验过程中，考虑到加热可能对黍等植硅体产生重要影响，因此在提取过程中需要更加小心地选取合适的灰化温度和时间，尽量减少因实验造成的损失。
在粟作农业研究中，作物产量是讨论农业结构、作物比例的重要指标。由于粟和黍在粒径大小上有所差别（粟、黍的颖果长分别为1.44~1.81毫米、2.25~2.58毫米），因此，在利用绝对数量对粟黍作物进行比较时需要进行相应的校正。粟黍的相对丰度（例如百分比）更有可能揭示两种谷物在人类饮食中的实际消耗量，从而产生更有意义的见解。考虑到粒径差异，对于大植物遗存不同学者分别选择了质量和体积两个不同的参数对粟黍绝对数量进行校正。考虑到植硅体定量分析的目的，我们认为体积比质量更重要。由于粟黍稃片植硅体总面积与谷粒的表面积（或大小）成正比，体积（即表面积）更能反映粟黍两种作物的差异。我们的研究认为，通过计算粟黍稃片植硅体的浓度比率，对粟黍的比例做出评估在理论上是可行的，将该比率作为一个新的变量引入，可以较为准确地反映粟黍的比例，进而更加充分地理解旱作农业策略的时间和空间变化的。
