孺子可教的意思植物学通报 Chine Bulletin of Botany 2008, 25 (1): 20−26, w w w .
.研究论文.
甘肃西山坪遗址 5 000 年水稻遗存的植物硅酸体记录
李小强 1, 2* , 张宏宾 1 ,3 , 周新郢 1 ,3 , 尚雪 1, 3, 纪明 1 ,3 , 赵克良 1, 3
1
中国科学院地球环境研究所, 西安 710075; 2 中国科学院黄土与第四纪地质国家重点实验室, 西安 710075
3
中国科学院研究生院, 北京 100039
摘要带薪休假制度
西山坪遗址水稻遗存的植物硅酸体记录和炭屑以及碳化种子加速器14C测年显示甘肃天水5 00 0年前已开始种植水稻,
南京是什么城
是我国西北部有精确定年的最古老的稻作遗存, 也是水稻种植的最西北端。西山坪水稻遗存将稻作农业记录向西拓展了至少 2个经度。这一发现有助于准确判定5 00 0年这一重要时点东亚水稻种植的区域以及了解水稻的种植与传播对农业和环境产 生的影响。
关键词 水稻遗存, 5 000年, 甘肃, 植物硅酸体, 西山坪遗址
李小强, 张宏宾, 周新郢, 尚雪, 纪明, 赵克良 ( 2008). 甘肃西山坪遗址 5 000 年水稻遗存的植物硅酸体记录. 植物学通报 25, 20−26.
人类世(Anthropocene)是 21 世纪提出的一个新的 地质单元(Crut zen, 2002), 即从全新世的 1 万年中, 提 出的一个新的地质时期(刘东生, 2006)。这一概念的提 出强调了对人类活动研究的重要性, 告诉我们需要从新 的视角来考察今天的地球系统, 把叠加在自然变化之中 的人类活动影响因子研究清楚, 才能有效地提取和研究 人类活动对环境的影响 。对人类世农业活动的考古生 物指标研究, 有助于我们探讨农业起源、扩散与传播以 及人类农业活动产生的环境效应, 重建人类史前历史与 活动特征, 探索文化与文明的冲突及融合(Diamond and B ellwood, 200 3; Haz elwood a nd S t eele, 20 04; B ellwood, 2005)。 植物硅酸体是沉淀在植物细胞(茎、叶、根和花序) 中的微小硅质体。由于土壤、水分、气候条件和植物 细胞结构的不同, 沉淀形成的植物硅酸体具有典型且可 区分的特征(Har vey an d Full er, 2 005; Lu et a l. , 200 5b)。植物硅酸体作为一种重要的生物指标, 在近 20余年中得到了很大的发展, 已
被广泛应用于古生态与 古气候重建、环境考古和农业考古等研究( 顾延生等, 1997; Lentfer and Boy d, 2000; Lu et al., 2005b), 尤其
在新石器考古 、农业起源与传播等方面的研究潜力被 进一步挖掘。科学家们运用植物硅酸体在很多文化遗 址 中 获 得 水 稻、小麦、大麦、黍、粟和玉米等农作 物遗存(陈报章, 1995; 顾延生等, 1997; Lu et al., 2005a, 2005b), 为多种农作物的起源与传播提供重要的证据, 解 决了很多考古和人类活动研究的难题。水稻是世界上 最重要的粮食作物之一, 在亚洲超过 3 × 10 8 hm 2 的土 地种植水稻(K hush, 1997; Latha et al. , 2004)。水稻 约 9 000 a B P 前起源于我国长江中下游地区(游修龄和 郑云飞, 1995; 裴安平, 1998; Zhao, 1998), 随后向周边 地区扩散与传播。稻作农业传播的时间、路径和方式, 其对新石器农业活动和文化发展的促进以及对环境产生 的影响等, 已成为重要的科研问题 。 甘肃天水及周边地区是我国新石器文化出现早、 规模大和文化沉积序列较为完整的地区, 也是我国古代 文明的发祥地之一, 在中华文明的发展过程中有着举足 轻重的作用(夏敦胜等, 1998; A n et al. , 2005)。2004 年我们选择了甘肃西山坪文化遗址开展研究工作, 利用 植物硅酸体在农作物尤其是在水稻遗存鉴定方面的优势, 开展西山坪遗址稻作农业研究, 结合高精度的 A MS 14 C
收稿日期: 2006-11- 23; 接受日期: 2007- 01- 15 基金项目: 国家自然科学基金( No. 40372077 和 40572108) 、中国科学院重大方向性项目(No. KZCX3-SW- 146) 、基金委西部重点项 目( No. 901 02017) 和“西部之光”项目 * 通讯作者。E- mail: lx q@loes s.llqg.ac .c n
李小强等: 甘肃西山坪遗址 5 00 0 年水稻遗存的植物硅酸体记录
21
测年, 获得我国西北部 5 000 年前水稻遗存的植物硅酸 体记录, 为新石器稻作农业传播和水稻在我国西北地区 种植的起始时间提供新证据。
片和炭屑颗粒物; 层6: 440－570 cm 褐色紧实文化层, 分布大量陶片 碎屑及炭屑, 向下逐渐减少; 层 7: 570－650 cm 黄色粉砂质土, 质地疏松, 未见 陶片和炭屑颗粒物 。 以 10 c m 间距分析植物硅酸体样品 65 个。首先用 30% 的H2O2 去掉有机质, 然后以稀盐酸(10%)水浴加热 (30 分钟 － 1 小时)去除铁和钙, 再用比重为 2.30 左右的 重液浮选提取植物硅酸体, 最后完成制片供鉴定统计 。 每个样品统计 450 粒以上的植物硅酸体, 采用光学显微 镜鉴定统计剖面中15种主要形态的硅酸体, 关注几种主 要农作物硅酸体并用扫描电镜观察植物硅酸体的细微纹 饰结构, 通过与现代农作物硅酸体特征进行比对以提高 鉴定的精度。选择不同层位的 6 个炭屑和 2 个碳化种子 样品, 在东京大学加速器实验室完成加速器 14C测年, 并 对所测年龄进行日历年校正( 表 1 ) ( S t u i ve r e t a l. , 1998)。考虑到 0－ 40 c m 为现代耕作层, 人为扰动明 显、误差较大, 40 c m 以上的分析数据未被使用 。60 cm 深度的炭屑年龄为 4 330 c al. a BP , 620 cm 深度 的碳化黍种子年龄为 5 165 cal. a B P, 585 c m 深度碳 化水稻种子的年龄为 5 070 cal. a BP 。选择 5 个线性 相关良好的测年数据进行线性内插, 建立西山坪剖面 650－40
cm, 年代为 5 250 cal. a B P 至 4 300 c al. a BP , 约 1 000 年的一套沉积, 此年代区间与马家窑文化 时段相当。
1
研究区概况与研究方法勇敢的反义词
1947年裴文中先生在甘肃渭河上游做史前人类遗址调查 时, 首先发现了西山坪遗址; 1986 年秋至 1990 年春甘 肃青海考古工作队对该遗址进行了全面的挖掘。西山 坪遗址现存面积大(204 800 m )、堆积层厚、文化内 涵丰富且文化序列完整, 是近年来西北地区发现的重要 遗址之一 。该 遗 址 揭 示 了 甘 肃 东 部 渭 河 上 游 地 区 8 000－ 3 000 a BP 连续的文化序列, 明确了各期文化的 时间关系, 丰富了各期文化对应类型的内涵, 具有重要的 学术研究价值(中国社会科学院考古研究所, 1999)。 西山坪文化遗址(北纬 34° 33'50'', 东经 105° 2'41'' , 海拔 1 330 m)位于甘肃省天水市西 15 k m 的耤 河南岸, 遗址分布在村西的台地上(图 1)。遗址北面是宽阔的耤 河河谷(渭河上游), 东面约 300 m 为耤 河支流普岔河。 研究区气候属暖温带半湿润气候, 年平均气温11. 6－8. 3 ° 年均降水量574 mm, 多集中在夏秋两季, 占年总降 C, 水量的 7 7% 。区内植被条件较为复杂, 基岩山地属暖 温带针阔叶混交林, 黄土梁峁区地带性植被为森林草原 和草原(吴征镒和王荷生, 1983)。 通过对西山坪遗址及周边地区的全面勘查, 选定遗 址北面一个沉积序列连续且文化层发育好的剖面( 厚约 65 0 c m, 未见明显扰动) 。通过
磁化率变化、沉积物 颜色和结构特征, 将剖面分为 7 层。 层 1: 0－40 cm 棕黄色耕作层, 质地疏松, 具虫孔 及大量植物根系和残体; 层 2: 40－130 cm 褐色弱发育土壤, 有零星陶片散 布, 散布较多炭屑颗粒; 层3: 130－260 cm 棕色疏松粉砂状土, 散布零星陶 片碎屑; 层4: 260－340 cm 黄色疏松细粉砂状土, 陶片及炭 屑颗粒物少见; 层5: 340－440 cm 黄色疏松粉砂状土, 散布零星陶
2
2
研究结果
西山坪遗址共鉴定出水稻( O r y z a s a t i v a L . ) 、粟 (S et aria it alic a (L. ) P . B eauv.)和黍(P anic um miliaceum L.) 3 种栽培作物硅酸体(图 2)。粟和黍硅酸体在 13 个样品中被检出, 主要是颖壳硅酸体。在普通光学 显微镜下很难根据表面纹饰区分黍和粟硅酸体, 通过扫 描电镜可以区分二者的细微差别, 黍的颖壳硅酸体表面 纹饰呈规则排列的 Y 字型或者一字型(图 3A ), 粟的颖壳 硅酸体表面纹饰为规则排列的抛物线(图 3B )。考虑到 剖面中粟和黍大多同时分布在不同层位, 它们的生态习
22
植物学通报
25(1)
2008
图1大于小于
西山坪遗址位置图(A)和中国新石器时期水稻作物与旱地作物的起源区与传播区(B)
1: 新石器早期稻作农业起源区; 2: 新石器稻作农业传播区; 3: 新石器早期旱作农业起源区; 4: 新石器旱作农业传播区; 5: 新石器中、 晚 期稻作和旱作农业混合区; 6: 村庄 Figur e 1 Loc ation of Xis hanping site (A) and the original and spreading areas of ric e and rain-f ed c ereal during Neolithic in China (B) 1: the area of origin of cultivated rice in early Neolithic; 2: the s preading areas of cultivated rice dur ing Neolithic ; 3: the area of origin of rain- fed cereal in early Neolithic; 4: the spreading area of rain- fed cereal during Neolithic ; 5: the over lap ar ea of ric e and rainfed c ereal dur ing middle-late Neolithic; 6: village
性较为相似, 而每个样品均用扫描电镜区分出粟和黍作 物的工作量大, 具体实施较为困难, 因此, 我们仅在 2 个 样品中用扫描电镜区分了黍和粟 2 种农作物硅酸体。 其它样品在光学显微镜下鉴定, 没有细分黍和粟硅酸体, 将它们作为一类农作物鉴定统计。通过比对哑铃型硅 酸体图谱(图 2), 可以发现黍、粟
硅酸体与哑铃型硅酸 体的峰值和次峰值吻合的很好, 其中 7 个层位完全吻合, 其它几个含黍 、粟硅酸体的层位也对应了哑铃型硅酸
香氛品牌体相对较多的层位, 这可能与黍亚科的特征硅酸体是哑 铃型有关。 水稻作物可以产生 3 种特征硅酸体: 特征扇型硅酸 体(扇缘具有鳞片状纹饰)、双峰突起颖壳硅酸体和水平 排列状哑铃硅酸体(其长轴与叶片长轴垂直), 依据这些稻 亚科硅酸体所特有的典型特征, 可以将水稻鉴定到亚 种。从西山坪遗址 5 个层位样品中鉴定出水稻硅酸体, 主要为特征扇型和平行排列的哑铃型。水稻硅酸体多
李小强等: 甘肃西山坪遗址 5 00 0 年水稻遗存的植物硅酸体记录
23
表 1 西山坪遗址加速器 14 C 测年 Table 1 A cceler ator mass spectr ometry (A MS) dates fr om Xishanping site Depth (c m) Labor ator y number Age ( 14C a BP) Cal. a BP Dated material 60 TKa13882 3 900 ± 35 4 236－4 419 charcoal 130 TKa13883 2 785 ± 30 2 839－2 949 charcoal 345 TKa13884 4 430 ± 35 4 870－ 5 069 charcoal 490 TKa13885 4 855 ± 35 5 579－ 5 655 charcoal 560 TKa13886 4 360 ± 35 4 845－4 983 charcoal 570 TKa13887 4 400 ± 35 4 859－ 5 051 charcoal 585 TKa13890 4 430 ± 100 4 833－ 5 312 charr ed ed ( ric e) 620 TKa13889 4 490 ± 35 5 035－5 295 charr ed ed (Panic um mil iac eum L.) 2 个碳化种子和 6个炭屑样品的加速器 14C测年在日本
东京大学加速器质谱实验室完成，校正年龄采用 Calib Rev 4.4 软件完成（Stuiv er et al., 1998） All assays of 6 c har coal samples and 2 c har red eds w ere run at the acc elerator mas s s pec trometry labor atory, University of Toky o, Japan. Calibrations w er e r un w ith r adioc ar bon Calibr ation Program Calib Rev 4.4（Stuiver et al., 1998）
数形成于水稻叶片表皮, 部分形成于颖壳, 其中扇缘具有 鳞片状纹饰的特征扇型硅酸体(图 3C )出现的粒数较多, 可能与特征扇型硅酸体抗风化能力较强, 在地层中能较
好保存有关。平行排列的哑铃型硅酸体相对较少, 而且 排列的哑铃个数多在 2－4 个(图 3D), 很难看到 5 个以上 哑铃型排列的硅酸体, 一些排列状哑铃的单个破损硅酸
蜗牛爱情图2
植物硅酸体百分比与农作物植物硅酸体图谱 The diagram of phytolith perc entage and cereal phytolith
Figur e 2
24
植物学通报
25(1)
2008
图 3 水稻和黍、粟化石扫描电镜 照片 (A) 黍的颖壳植物硅酸体; (B) 粟的颖壳植物硅酸体; (C) 水稻的特征扇型植物硅酸体; (D) 水稻 的 排 列 状 哑 铃 型 植 物 硅酸体。 ( 植物硅酸体化石照片均来自 56 号样品，位于第 6 层，深度为 5 6 0 cm) Fig ur e 3 The s c anning elec tronic micros cope photos of f ossils from r ice and millet (A) husk phy tolith of broomcorn millet; (B) hus k phytolith of f oxtail millet; (C) fan-shaped bullifor m of ric e; (D) sc ooped dumbells of ric e. (The photos of phytolith fos sil all come fr om the No.56 sample at 560 c m deep in lay er 6)
体清楚可见, 可能与排列状哑铃型硅酸体抗风化能力比 较弱, 在地层中不易保存, 容易破碎有关。在水稻硅酸 体出现的层位中, 植物硅酸体的个体大, 光泽度好且保存 程度完好, 硅酸体浓度也很高。5 个出现水稻硅酸体的 层位对应于扇型、方型和长方型等暖型植物硅酸体的 峰值和次峰值 。
人类是物质文化最直接且最重要的传播者, 史前先 民从农业中心区向外扩散和迁徙, 导致了农业的广泛传 播和农业文明间的交流与融合。虽然缺乏准确的测年 数据, 使我们难以准确地了解淮河流域和黄河中 、下游 地区水稻的传入和栽培时间。但在河南渑池 、陕西华 县泉护村、陕西户县丈八寺和陕西扶风等仰韶文化晚 期遗址中发现水稻遗存, 显示出新石器中、晚期我国淮 河流域和黄河中、 下游地区,
包括关中盆地的部分地区, 存在黍、粟旱作农业和水稻湿地农业的混合区, 这一区 域的范围大致位于北纬 32° －37° 东经 108° , －120°之间 (吴耀利, 1994; 陈报章等, 1995; 方修琦等, 1998)(图 1)。黄河流域所发现的稻作农业遗址基本处于河岸边及 河滩等湿地环境, 气候较为温湿。如陕西扶风案板遗址 位于渭河支流韦河岸上, 其遗址中出土的动物遗存除有 双壳类和中华圆田螺之类的腹足类软体动物之外, 还有 中华鼢鼠、豪猪和斑鹿等野生动物, 案板遗址的植被为 森林草原。甘肃天水西山坪遗址位于耤 河边, 湿润的环 境状况也适合水稻的生长。西山坪遗址水稻碳化种子 的 AMS14C 测年显示, 西山坪地区(东经 105° 2'41'')早在
3
讨论与结论
水稻一直是我国南方的主要农作物 。长江中、下游地 区是水稻最早被驯化的地区, 包含几个重要的早期稻作 农业中心, 如吊桶环遗址、彭头山遗址和河姆渡文化遗 址等(游修龄和郑云飞, 1 995; 裴安平, 1 998; Zhao, 1998)。黍和粟旱作农业起源于新石器时代的黄河流域 (Underhill, 1997; Shelac h, 2000), 中国北方大部分新 石器遗址尤其是仰韶文化遗址中, 都有黍和粟农作物遗 存出土, 还发现了大量用于谷物加工的工具, 显示了以黍 和粟为主的旱作农业系统。在新石器时期一个相当长 的阶段, 我国农业格局特征为 “南稻北黍、粟 ” 。
李小强等: 甘肃西山坪遗址 5 00 0 年水稻遗存的植物硅酸体记录
25
5 070 c al. a BP 已开始种植水稻。西山坪遗址不同层 位的黍、粟和水稻遗存的植物硅酸体记录, 显示我国西 北天水地区在新石器中 、晚期存在旱作和湿地水稻的 混 合 农 业 区。 西山坪水稻遗存是我国西北地区最古老的稻作农业 记录, 也是目前所知新石器水稻种植的最西北端 。西山 坪稻作遗存不仅证实了稻作农业早在 5 000年前已传播 到我国甘肃天水地区, 也将我国稻作农业记录向西拓展 了至少 2 个经度。这有助于我们更准确地判断 5 000 年 这一重要时点东亚水稻的种植区域以及探讨稻作农业种 植和传播对农业及环境产生的影响。
66－70. 中国社会科学院考古研究所 ( 1999). 师赵村与西山坪. 北京: 中 国大百科出版社. pp.102－160. An CB, Tang L Y, Barto n L (2005). Climate change and cultural res pon around 4 000 cal. a BP in the w estern par t of Chine Loess Plateau. Quat Sc i Rev 63, 347－352. Be llw o od P ( 2005) . Fir st Far mers: The Origin of Agric ultur al Societies. London: Blackw ell Publis hing. Crutz en P (2002). Geology of mankind. Nature 415, 23－24. Diam ond J, Bellw ood P (2003). Farmers and their languages: the first expansions. Science 30, 597－603. Harvey EL, Fulle r DQ (2005). Investigation crop processing using phytolith analy sis: the example of rice and millets. J Archaeol Sc
i 32, 739－752. Hazelw o od L, Ste ele J (2004) . Spatial dy namics of human dis per sals : c onstr aints on modeling and ar chaeological validation. J Ar chaeol Sci 31, 669－679. Khush GS (1997). Origin, dis persal, cultivation and var iation of rice. Plant Mol Biol 35, 25－34. Lath a R, Sr inivas C, Rao HM (2004). Appr oaches to breeding for salinity tolerance—a cas e study on Porter esia coarc tata.
致谢
中国科学院地质与地球物理研究所吕厚远研
１４
究员指导了植物硅酸体的分析和鉴定， 利用东京大 学加速器实验室完成 Ｃ测年， 在此一并致谢。
参考文献
陈报章 (1995). 水稻颖壳硅石的初步研究及其意义. 中国水稻科学 9, 242－244. 陈报章, 张居中, 吕厚远 (1995). 河南贾湖新石器时代遗址水稻硅 酸体的发现及意义. 科学通报 40, 339－342. 方修琦, 章文波, 张兰生 (1998). 全新世暖期我国土地利用的格局 及其意义. 自然资源学报 13, 16－22. 顾延生, 李长
窦娥冤读后感安, 章泽军 (1997). 植硅石分析在第四纪环境研究中 的应用. 地质科技情报 16, 55－58. 刘东生 (2006). 科学工作假说(Working Hypothesis)是科学创新的 基础. 第四纪研究 26, 673－677. 裴安平 ( 1998). 彭头山文化的稻作遗存与中国史前稻作农业再论. 农业考古 1, 193－203. 吴征镒, 王荷生 ( 1983). 植物地理( 上册). 北京: 科学出版社. pp. 382－383. 吴耀利 (1994). 黄河流域新石器时代的稻作农业. 农业考古稻作起 源研究 1, 78－84. 夏敦胜, 马玉贞, 陈发虎 (1998). 秦安大地湾高分辨率全新世植被 演变与气候变迁初步研究. 兰州大学学报(自然科学版) 34, 119－ 127. 游修龄, 郑云飞 (1995) . 河姆渡稻谷研究进展及展望. 农业考古 1,
Ann Appl Biol 144, 177－184. Lentfer CJ, Boyd WE (2000). Simultaneous extraction of phytolith, pollen and spor es from diments . J Archaeol Sci 27, 363－ 372. Lu HY, Wu NQ, Yang XD, Jiang H, Liu KB, Liu T S ( 2005a) . Phytoliths as quantitativ e indic ators for the recons truction of past environmental conditions in China. I. Phytolith-bad transfer functions. Quat Sc i Rev 7, 1－15. Lu HY, Yang XY, Ye M L, Liu KB, Xia ZK (2005b). Millet noodle in late Neolithic China. Nature 437, 967－968. Stuiver M, Reim er PJ, Bard E (1998). INTCAL 98 radiocarbon age calibration, 24 000－0 c al. a BP. Radioc arbon 40, 1041－ 1083. She lach G (2000) . The earliest Neolithic cultures of nor theast China: r ecent disc overies and new perspectiv es on the beginning of agricultur e. J World Prehist 14, 363－413. Und e rh ill A ( 1997). Cur r ent is sues in Chine Neolithic Archaeology. J Wo
rld Prehist 11, 103－160. Zhao ZJ (1998). The Middle Yangtze region in China is one place w here rice w as domes tic ated: phytolith evidence from the Diaotonghuan Cave, Norther n Jiangx i. Anti quity 72, 885－ 897.
