河姆渡文化田螺山遺址古土壤有機(jī)質(zhì)的地球化學(xué)特征及其意義

溫證聰, 孫國平, 謝柳娟, 孫永革*

(1. 浙江大學(xué) 地球科學(xué)系, 浙江 杭州 310027; 2. 浙江省 文物考古研究所, 浙江 杭州 310014)

0 引 言

作為近百年來中國新石器時(shí)代考古史上的重大發(fā)現(xiàn)之一, 距今7000年的河姆渡文化的發(fā)現(xiàn)和發(fā)掘[1–2], 對中國稻作農(nóng)業(yè)起源與發(fā)展、全新世古氣候演化、南方地區(qū)的史前建筑狀況等諸多重要學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響[3–6]。從 20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)至今, 已在稻作農(nóng)業(yè)、聚落形態(tài)和環(huán)境變遷等重大課題上取得了豐碩的研究成果[7–8], 但同時(shí)也留下了許多亟待解決的問題。

繼河姆渡遺址發(fā)現(xiàn)之后, 近年來在長江中下游地區(qū)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)新的一系列新石器時(shí)代遺址[9–12], 不僅出土了極其豐富的文化遺物和大量的原始農(nóng)業(yè)遺存及相關(guān)動(dòng)植物遺存, 促進(jìn)了新石器時(shí)代先民生存環(huán)境背景[13]及其對“水稻田”管理方式的研究[14]。Zong et al.[14]通過對跨湖橋遺址的孢粉、硅藻和炭屑等分析認(rèn)為大約距今7700年前, 史前人類采用了燒荒清理地面等方式來種植水稻, 這是短期內(nèi)獲得較高肥力和產(chǎn)量的保證, 同時(shí), 先民可能通過筑壩來阻止上升的海水滲入水稻栽培區(qū)。但是, 這些認(rèn)識(shí)至今仍然存在很大爭議, 并未有嚴(yán)格意義上的證據(jù)。曹志洪[15]和李久海等[16]通過江蘇省昆山市馬家浜文化遺址(距今6000年)的土壤剖面沉積有機(jī)質(zhì)中多環(huán)芳烴含量分析及有機(jī)質(zhì)13C-NMR圖譜特征, 認(rèn)為古水稻土中的多環(huán)芳烴可能與水稻秸稈的焚燒有關(guān), 同時(shí)也提出了還原條件下的生物自然合成的可能性。因此, 關(guān)于長江中下游新石器時(shí)代稻作農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程, 尤其是先民最早何時(shí)開始采用“火耕水溽”的稻田管理方式至今仍未得到很好的解決[7],關(guān)鍵要在長江下游廣泛分布的新石器遺址中找到可靠的證據(jù), 并加以詳細(xì)的綜合研究。

田螺山遺址是中國新石器時(shí)代遺址中屬于河姆渡文化早期的一處重要遺址, 距離河姆渡遺址僅7 km,出土了干欄式建筑、骨耜、炭化稻、木槳、編織物和龜甲等具有河姆渡文化特色的先民生產(chǎn)、生活遺存[17], 并與河姆渡遺址有相近的聚落規(guī)模和相似的年代跨度。田螺山遺址有以下幾個(gè)特點(diǎn): 地下遺存保存完好、文化內(nèi)涵豐富, 且有年代跨度大、全新世以來的地層疊壓關(guān)系完整的古稻田剖面, 是一個(gè)殊為難得的研究機(jī)會(huì)和學(xué)術(shù)平臺(tái), 為解決河姆渡遺址遺留的諸多問題提供了一個(gè)良好契機(jī)。本文擬通過分析田螺山遺址古稻田土壤有機(jī)質(zhì)組成及地球化學(xué)特征, 初步探討河姆渡早期先民的稻田管理方式及后期稻田廢棄的原因, 希冀有助于史前稻作農(nóng)業(yè)發(fā)展過程的深入研究。

1 材料和方法

1.1 遺址概況和材料

田螺山遺址位于余姚市三七市鎮(zhèn)相岙村(30°1′N,121°22′E), 西距余姚 24 km, 東南距寧波 23 km, 向東距海岸30～40 km, 西南7 km是著名的河姆渡遺址(圖1)。田螺山遺址坐落在慈南山地南麓一個(gè)坐北朝南的小盆地, 南臨姚江谷地, 面積超過 3萬 m2,現(xiàn)代地面海拔2.3 m, 埋深1～3 m, 周圍被多個(gè)低矮的小山丘環(huán)抱。其所在區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)海洋性氣候區(qū), 年平均氣溫 16.2 ℃, 日照 2061 h, 無霜期227 d, 降水量 1361 mm, 雨熱同期, 溫暖濕潤, 自然條件優(yōu)越。

圖1 田螺山遺址區(qū)域地貌圖和采樣剖面示意圖Fig.1 Geomorphologic map of the area around Tianluoshan Site showing the sampling profile

浙江文物考古研究所等單位自 2004年至 2008年對田螺山遺址開展了 4次考古發(fā)掘, 揭露總面積1000 m2, 文化堆積平均厚度在220 cm左右, 其中農(nóng)耕遺跡發(fā)掘點(diǎn)T705探方的地層堆積情況如下: 第1層, 表土層, 現(xiàn)代水稻田, 灰色粉沙質(zhì)黏土, 厚20 cm左右; 第2層, 灰黃色粉沙質(zhì)黏土, 厚約25 cm, 有少量印紋陶、原始瓷片出土; 第3層, 灰黃色粉沙土,厚約35 cm; 第4層, 深褐色黏土泥炭層, 可見大量黃褐色的以蘆葦為代表的植物莖、葉等殘?bào)w, 厚 15 cm 左右; 第 5層, 褐色黏質(zhì)壤土, 略含植物殘?bào)w,厚25 cm; 第6層, 灰色黏土, 含微量植物殘?bào)w, 厚約15 cm; 第7層, 灰褐色黏質(zhì)壤土, 含較多植物莖桿和葉片等殘?bào)w, 厚約45 cm, 見有少量河渡文化晚期陶片, 在T703和T803探方的同地層下面發(fā)現(xiàn)了中間略弧凸隆起的條狀土層, 高20～30 cm, 寬40 cm左右, 似屬田埂的遺跡; 第9層, 水相沉積層, 純凈青灰色黏土, 厚35 cm; 第10層, 與第6層相似, 灰色黏土, 含一些植物莖、葉等殘?bào)w, 厚度超過50 cm;第11層, 褐灰色似泥炭堆積, 含較多以蘆葦為代表的莖、葉等植物殘?bào)w等有機(jī)質(zhì)遺物, 厚5～15 cm左右; 第12層, 深灰褐色黏質(zhì)壤土, 與第7層相似, 厚約25 cm, 含有少量河姆渡文化早期陶片, 出土2件木耒和 1把小木刀; 第 13層, 水相沉積, 純凈青灰色粉沙層。

關(guān)于田螺山遺址剖面已有多個(gè)年代數(shù)據(jù)發(fā)表,本文采用文獻(xiàn)[18]的14C測年數(shù)據(jù)(表1, 其中的地層編號(hào)來自保護(hù)棚內(nèi)村落發(fā)掘區(qū)的探方)。

而本項(xiàng)研究采樣點(diǎn)位于 2010年古稻田發(fā)掘區(qū)三區(qū)YTT401的探方南壁剖面(圖1, 表2), 由于耕作層剖面受到先民耕作勞動(dòng)的擾動(dòng), 無法保證沉積物準(zhǔn)確對應(yīng)于年代, 不能連續(xù)緊密采樣, 只能對于泥炭層, 良渚時(shí)期、河姆渡時(shí)期之后、河姆渡晚期的耕作層和非耕作層共采集樣品5個(gè)。

1.2 方 法

1.2.1 樣品前處理

將所有樣品進(jìn)行冷凍干燥處理, 研磨至 100～200目, 首先進(jìn)行總有機(jī)碳測定和熱解分析(Rock-Eval)。其次稱取適量樣品用三氯甲烷/甲醇(體積比7∶3)索氏抽提72 h左右以提取可溶有機(jī)質(zhì)。抽提物用石油醚沉淀法去除瀝青質(zhì), 氧化鋁/硅膠柱層析進(jìn)行族組分分離, 分別用石油醚、苯和乙醇沖脫飽和烴、芳烴和非烴組分[19], 飽和烴和芳香烴組分進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜分析。

1.2.2 氣相色譜-質(zhì)譜分析

采用Agilent 6890-5975氣相色譜-質(zhì)譜儀, DB-1M石英彈性毛細(xì)柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm), 氦氣為載氣(1 mL/min, 恒流模式), 進(jìn)樣口溫度280 ℃, GC與MS接口溫度280 ℃, 電子轟擊離子源, 70 eV, 全掃描方式, 掃描質(zhì)量數(shù) 50～550?；系蔫b定依據(jù)保留時(shí)間和文獻(xiàn)完成。

飽和烴色譜升溫程序: 初溫70 ℃, 保留2 min,以 3 ℃/min的速率升溫至 210 ℃, 再以 2 ℃/min的速率升溫到終溫300 ℃, 保留30 min。

芳香烴的色譜升溫程序: 初溫 80 ℃, 保留1 min, 以3 ℃/min的速率升溫至終溫290 ℃, 保留30 min。

表1 田螺山遺址14C年代測定[18]Table 1 14C dating data of Tianluoshan Site[18]

表2 沉積有機(jī)質(zhì)相關(guān)參數(shù)Table 2 Analysis data of sedimentary organic matter

2 結(jié)果與討論

2.1 古土壤有機(jī)質(zhì)總體特征

從考古出土的動(dòng)植物遺存包括菱角(深水性)、芡實(shí)(較淺水域)和大量的魚類, 可見淺水濕地環(huán)境是整個(gè)田螺山農(nóng)業(yè)環(huán)境的重點(diǎn), 先民耕作的稻田主要是屬于淺水濕地的沼澤類型稻田。盡管目前的考古發(fā)掘還沒有揭示非常清晰的水田系統(tǒng), 但清理濕地、改造地形, 以獲得更一致的水位, 便于種植和排水收割等活動(dòng), 這樣的人工干預(yù)行為為田螺山遺址出土的植物考古學(xué)數(shù)據(jù)所證實(shí), 比如出現(xiàn)更多一年生的植物種類, 這與從多年生普野轉(zhuǎn)變到人工干預(yù)下的一年生栽培稻的小環(huán)境是相匹配的, 而其他一些宿根性多年生的莎草類植物在人工干預(yù)的濕地中也是易于生長的類型[20]。

土壤有機(jī)碳含量和組成不僅表明土壤有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)力水平, 而且能夠說明營養(yǎng)元素N、P等的可利用狀態(tài), 同時(shí)還影響著土壤的物理特性, 是反映土壤質(zhì)量或土壤健康的一個(gè)重要指標(biāo), 直接影響土壤肥力和生物的生長[21]。由表 2可見, 泥炭層的總有機(jī)碳含量明顯高于之前的耕作層, 耕作層的有機(jī)碳含量均又高于非耕作層, 指示出該地區(qū)水稻田廢棄后生物生產(chǎn)率的增長, 腐爛后形成泥炭導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量急劇升高。耕作層由于人工干預(yù)雜草生長以及水稻成片規(guī)模生長, 使得其有機(jī)碳含量較非耕作層有所上升。土壤總有機(jī)碳同位素值介于–27‰～–29‰之間, 指示沉積環(huán)境以C3生物為主。

2.2 古土壤有機(jī)質(zhì)分子地球化學(xué)特征及其指示意義

考古文化層土壤有機(jī)質(zhì)的組成和含量不僅能反映當(dāng)時(shí)的古環(huán)境狀況, 而且記錄了人類活動(dòng)特征。沉積有機(jī)質(zhì)中正構(gòu)烷烴的分布特征通常能定性指示生源輸入特征, 如高碳數(shù)正構(gòu)烷烴呈強(qiáng)烈奇偶優(yōu)勢指示陸生高等植物輸入特征, 而 nC15、nC17或 nC19優(yōu)勢指示藻類等低等水生生物的輸入特征[22]。由圖2a所示, 田螺山遺址古水稻土正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布范圍介于nC15～nC33之間, 屬于后峰型, 在nC23以上具有明顯的奇偶優(yōu)勢, 而來源于低等生物如菌類或藻類的短鏈正構(gòu)烷烴(＜ C20), 無明顯奇偶優(yōu)勢。表明古水稻田既有低等細(xì)菌及藻類生物的輸入又有陸生高等植物的輸入。高碳數(shù)的正構(gòu)烷烴的優(yōu)勢分布揭示古水稻土有機(jī)質(zhì)以高等陸生植物輸入為主?，F(xiàn)代水稻秸稈焚燒實(shí)驗(yàn)殘留物的正構(gòu)烷烴分布范圍為nC15～nC35, 以高碳數(shù)為主, 且無明顯奇偶優(yōu)勢, 低碳數(shù)含量較低[23]。在碳數(shù)分布及其相對含量上與本研究古水稻土有機(jī)質(zhì)具有相似性。現(xiàn)代水稻秸稈焚燒實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物中正構(gòu)烷烴奇偶優(yōu)勢消失可能與有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷高溫改造有關(guān)。

沉積有機(jī)質(zhì)的萜類化合物以五環(huán)三萜類為主,強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低環(huán)萜類化合物, 低環(huán)萜以二萜類化合物為主, 含微量的三萜類化合物。古水稻土的耕作層與非耕作層有明顯的差異, 耕作層的二萜類化合物含量明顯高于非耕作層和泥炭層, 根據(jù)鑒定結(jié)果, 這些化合物主要是C19、C21樹脂二萜類, 其中檢出有 α-扁枝烷和四氫芮木淚柏烯(圖 2b)。以往的一些研究認(rèn)為樹脂是某些二環(huán)、三環(huán)倍半萜和二萜烷的來源, 通常這些化合物在針葉類植物(裸子植物)樹脂中含量最高[24]。然而, 這類化合物并不僅局限于裸子植物, 越來越多的研究發(fā)現(xiàn)與其相關(guān)的前驅(qū)物在整個(gè)植物王國都有分布, 也有可能屬于微生物成因。例如阿薩巴斯卡(Athabasca)油砂中檢出的半日花烷是一個(gè)系列的C15～C24二環(huán)烷烴, 就可能屬于微生物成因[25]。目前國內(nèi)外有關(guān)水稻秸稈腐爛后形成的生物標(biāo)志物研究尚未見于報(bào)道, 這些化合物的前驅(qū)物是否來源于稻秸稈仍需進(jìn)一步研究。

芳香烴類化合物不僅能提供有機(jī)質(zhì)生源信息,而且對于有機(jī)質(zhì)的次生改造有良好的指示效應(yīng)[26–27],如多環(huán)芳烴(PAHs)中菲(Phe)、蒽(Ant)、熒蒽(Fla)和苯并蒽(BaA)等化合物能很好地指示燃燒來源[28]。Almendros et al.[29]的研究表明, 土壤火燒后長鏈烷烴轉(zhuǎn)化為短鏈烷烴, 后者(＜ C20)占絕對優(yōu)勢。但是,本研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示土壤有機(jī)質(zhì)中還是以高碳數(shù)烷烴為主, 低碳數(shù)烷烴相對含量很低, 說明古水稻田并未受到“火”的侵?jǐn)_。另一個(gè)方面, 前人研究揭示稻秸稈的焚燒釋放的 PAHs主要以低環(huán)化合物為主,萘和菲含量最為豐富, 而高環(huán)的PAHs含量較低[30]。而本實(shí)驗(yàn)的芳香烴分布特征以高環(huán)數(shù)為主(圖 2c),其中苝的含量較高, 而低環(huán)萘、菲系列化合物的含量非常低, 幾乎檢測不出, 更沒有檢測到明顯燃燒來源的苯并芘、苯并熒蒽等多環(huán)芳香烴化合物, 代之以檢出的主要是一些來源于陸生植物的芳構(gòu)化三萜。與相鄰泥炭層的比較揭示, 泥炭層中陸源芳構(gòu)化萜類的分布遠(yuǎn)較水稻土中復(fù)雜多樣, 說明先民耕作過程中可能采用了初步的除草行為。生物的相對單一性可能是造成泥炭層和耕作層有機(jī)質(zhì)中多環(huán)芳烴差異的主要原因, 因?yàn)閮烧呔谕怀墒於人?。這一認(rèn)識(shí)與植物遺存的研究結(jié)果相吻合, 但是否已經(jīng)采取了火燒的形式來增加土壤肥力不得而知,需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3 田螺山遺址稻田廢棄的原因初探

人類社會(huì)興衰波動(dòng)的發(fā)展, 除了其自身的內(nèi)在機(jī)制, 自然環(huán)境也是不可忽視的重要原因, 自然環(huán)境的變化對文化發(fā)展起促進(jìn)或制約作用。寧紹平原自然環(huán)境條件優(yōu)越, 氣候適宜, 野生動(dòng)植物資源豐富, 燦爛的河姆渡文化, 特別是田螺山古村落就是在這樣優(yōu)越的自然環(huán)境下孕育并繁榮發(fā)展起來的,但是它由盛轉(zhuǎn)衰并最終消亡的原因仍然存在很大爭議。前人通過對田螺山遺址剖面的礦物分析恢復(fù)古鹽度[18], 農(nóng)耕遺跡的硅藻、種子分析認(rèn)為河姆渡文化之前、之中、之后均出現(xiàn)相對海面較高的時(shí)期, 對文化產(chǎn)生了一定的沖擊和影響, 同時(shí)對先民的稻作生產(chǎn)有較大影響[13]。

本研究通過對田螺山遺址古水稻田剖面的沉積有機(jī)質(zhì)地球化學(xué)指數(shù)對比計(jì)算, 認(rèn)為后期稻田廢棄與水體加深有密切關(guān)系。研究揭示, 浸水植物和浮游植物的正構(gòu)烷烴分布主要以nC21、nC23或nC25為主[31], 而非挺水水生植物輸入指數(shù)(Paq)表征的就是淡水中浸水植物和浮游植物對沉積有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)的大小。平均鏈長ACL表征中等鏈長的正構(gòu)烷烴中nC23和nC25兩者的變化, 其值越小, 表明nC23和nC25在沉積有機(jī)質(zhì)的正構(gòu)烷烴中比例越大, 反之則表明減小[32]。本文研究的沉積有機(jī)質(zhì)中, 中等鏈長的正構(gòu)烷烴以nC23和nC25為主(圖2), 平均鏈長ACL值越小, 對應(yīng)非挺水水生植物輸入指數(shù)Paq值越大, 兩者具有很好的一致性(圖 3), 說明可以運(yùn)用 Paq值來指示浸水植物和浮游植物對沉積有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)大小。為了表征藻類輸入相對陸源高等植物的貢獻(xiàn), 建立藻類輸入指數(shù) 3C19/(C27+C29+C31), 該指數(shù)值越大,說明藻類對整個(gè)沉積有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)越大。圖3顯示,隨著時(shí)間的推移這些指數(shù)值都發(fā)生了明顯的變化,進(jìn)一步而言, 浸水植物、浮游植物和藻類在氣候濕潤時(shí)期, 由于降雨頻繁, 沼澤擴(kuò)張, 水體加深, 浸水植物、浮游植物和藻類生產(chǎn)力高, 沉積有機(jī)質(zhì)對應(yīng)的 Paq值和藻類輸入指數(shù)變大, 而且代表陸源有機(jī)質(zhì)輸入貢獻(xiàn)大小的碳優(yōu)勢指數(shù)(CPI)顯著變小(圖3)。尤其以良渚時(shí)期的水稻土變化最為顯著, 這可能與4000 a BP前后的氣候突變事件有密切的關(guān)系, 盡管這一時(shí)期的冷干-暖濕交替等氣候問題仍處于爭論之中, 但這一時(shí)期于浙江省許多新石器時(shí)代遺址的野外考古發(fā)現(xiàn)土壤剖面中均有一層較厚的淤泥層,目前主流觀點(diǎn)懷疑其為洪水沉積物, 而田螺山遺址的海拔較低, 靠近河流淺灣, 也發(fā)現(xiàn)了淤泥層。因此,有可能田螺山古稻田廢棄及文化的衰落的原因與氣候變化有關(guān), 特別是水文環(huán)境變化緊密相連。

圖3 碳優(yōu)勢指數(shù)、非挺水水生植物輸入指數(shù)Paq、平均鏈長度ACL和藻類輸入指數(shù)Fig.3 Carbon preference index, non-emergent aquatic plant input index, average chain length and algae input index

3 結(jié) 論

(1) 根據(jù)遺址文化層中發(fā)現(xiàn)的水生植物孢粉,以及野生動(dòng)物遺骨所指示的湖沼地帶生活的鳥、魚和龜鱉動(dòng)物數(shù)量較多等現(xiàn)象, 推測田螺山先民仍處于沼澤農(nóng)業(yè)發(fā)展階段。泥炭層的TOC含量明顯高于耕作層, 有機(jī)質(zhì)組成所反映的生物先質(zhì)也遠(yuǎn)較耕作層復(fù)雜, 較好地指示了水稻田廢棄后植物大量生長,腐爛形成泥炭導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量升高。

(2) 水稻土有機(jī)質(zhì)中正構(gòu)烷烴分布特征反映有機(jī)質(zhì)主要來源于陸生高等植物, 水生藻類相對貢獻(xiàn)較少, 同時(shí), 泥炭層的陸源芳構(gòu)化三萜類化合物較耕作層明顯豐富、復(fù)雜, 反映兩者在生態(tài)面貌上的差異性, 可能揭示了先民在耕作過程中的除草行為。

(3) 非挺水水生植物輸入指數(shù)、平均鏈長度和藻類輸入指數(shù)顯示, 從河姆渡晚期至良渚晚期, 田螺山先民耕作區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)所反映的藻類等水生生物輸入增加, 是一個(gè)水體逐漸加深的過程, 生活區(qū)周邊湖沼水體的加深可能是古水稻田廢棄的直接原因, 甚至有可能是導(dǎo)致整個(gè)遺址衰落的原因。

感謝審稿者提出的意見和建議, 提高了文章的質(zhì)量。

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