甘肅民樂東灰山遺址炭化小麥籽粒性狀分析

魏益民，郭波莉，任滿寬

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，北京 100193; 2.甘肅省民樂縣博物館，甘肅民樂 734500)

甘肅省民樂縣東灰山遺址是1958年9月甘肅省博物館開展文物普查時發(fā)現(xiàn)的。1960年，甘肅省文物局寧篤學(xué)撰寫了《民樂縣發(fā)現(xiàn)兩處四壩文化遺址》的考古學(xué)論文[1]。1975年民樂縣六壩鄉(xiāng)在東灰山東側(cè)開挖水渠時,發(fā)現(xiàn)了新石器遺址,獲得許多石器和陶片,經(jīng)甘肅省和北京的考古學(xué)家對文化遺物的研究,將此遺址定為“四壩式”文化類型。1975年,甘肅省張掖地區(qū)文化處在進行文物調(diào)查時，在東灰山遺址發(fā)現(xiàn)少量炭化小麥籽粒,但這一重要發(fā)現(xiàn)長期不為外界所知[2-3]。1985年和1986年,李 璠等[4-5]兩次對河西走廊農(nóng)作物種質(zhì)資源和古農(nóng)業(yè)遺存進行考察，收集了炭化小麥的籽粒,并做了年代考證。1986年，北京大學(xué)考古系與甘肅省文物考古研究所對甘肅河西走廊(阿克塞縣自治縣除外)進行了一次大范圍的史前考古調(diào)查，發(fā)現(xiàn)古遺址40余處，包括東灰山遺址[6]。1987年，甘肅省文物考古研究所與吉林大學(xué)北方考古研究室對地下文物的發(fā)掘，進一步揭示了東灰山人的歷史遺跡[7]。

東灰山遺址屬于“四壩文化”的一部分?！八膲挝幕敝饕植荚诟拭C省河西走廊中西部地區(qū)，屬于早期青銅時代文化。目前，東灰山遺址有1個碳同位素測年數(shù)據(jù)，年代距今約為3 900～3 400年，相當(dāng)于夏代晚期和商代早期。因最早發(fā)現(xiàn)于民樂、山丹兩縣交界的四壩灘，1956年被考古界命名為“四壩文化”。

近年來，國內(nèi)外考古學(xué)家對東灰山遺址炭化小麥的歷史年代做了較多的研究[8]。李 璠等[4-5]作為作物遺傳學(xué)家曾對東灰山炭化小麥籽粒特征做過比較研究。但還少有小麥育種、小麥栽培和食品加工的學(xué)者，甚至古植物學(xué)學(xué)者，對東灰山遺址小麥炭化籽粒特征特性和來源做過研究，或介入其中。本研究在閱讀和分析已有研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場調(diào)查、資料考證、實驗室分析，并與當(dāng)?shù)胤N植的現(xiàn)代小麥籽粒性狀做比較，進一步確證東灰山遺址炭化小麥籽粒的特征特性，展現(xiàn)栽培小麥在中國的改良與傳播路徑。

1 材料和方法

1.1 材料來源

1.1.1 碳化小麥籽粒

在東灰山東側(cè)保護區(qū)外玉米地水渠兩岸文化層取土樣。經(jīng)浮選法獲得漂浮物，從漂浮物中分揀得到105粒形態(tài)完整的炭化小麥籽粒。經(jīng)去離子水清洗、風(fēng)干后，在離心管內(nèi)密封保存，備用。

1.1.2 現(xiàn)代小麥籽粒

樣品A采自民樂縣六壩鎮(zhèn)四壩堡子村三組張戶家，1 kg，作為對照A；樣品B采自民樂縣六壩鎮(zhèn)四堡村六組鄭戶家，5 kg，作為對照B。對照均為2016年收獲的籽粒，品種為永寧15號。

1.2 試驗方法

1.2.1 小麥籽粒外觀測定

單籽粒重量測定：65粒炭化小麥籽粒用萬分之一天平稱重；2份對照小麥100粒用千分之一天平稱重。單籽粒長寬測定：碳化小麥籽粒(40粒)和2份對照(100粒)小麥籽粒用游標(biāo)卡尺測量。

1.2.2 小麥籽粒礦物元素含量測定

將粉碎后樣品分為兩份，一份進行水分含量測定，另一份用于微波消解。稱取0.25 g(m1)小麥樣品于微波消解儀(CEM，USA)專用的聚四氟乙烯消解罐中，加入6 mL濃硝酸，2 h后加入2 mL H2O2，放置0.5 h后排氣，并使酸溶液充分混合，安裝到微波消解儀進行消解。樣品消解澄清后冷卻，定容到120 mL(m2)樣品瓶中，樣品稀釋倍數(shù)為m2/m1,用于儀器測定時的數(shù)據(jù)校正。采取同樣方法消解小麥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW10011，國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心)和空白對照。

利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定小麥籽粒全粉中的Cu、Zn、Cd、Pb、Rb五種元素的含量。儀器參數(shù)為：射頻功率1 280 W,霧化室溫度2 ℃，輔助氣體流量0.98 L·min-1，補償氣體流量1.0 L·min-1，載氣流量1.0 L·min-1。每個炭化小麥樣品重復(fù)一次，對照重復(fù)2次。當(dāng)內(nèi)標(biāo)的RSD值>5%時，對樣品重新測定。所得數(shù)據(jù)利用每個樣品的水分含量校正為干基含量。

1.2.3 穩(wěn)定同位素比率測定

(1) C、N含量及其穩(wěn)定同位素比率測定

稱取5 mg樣品放入錫箔杯中，通過自動進樣器進入元素分析儀(vario PYRO cube,Elementar,Germany)通過燃燒與還原轉(zhuǎn)化為純凈的CO2和N2氣體，CO2再經(jīng)過稀釋器稀釋，最后進入穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(IsoPrime100,IsoPrime，UK)進行檢測。具體的工作參數(shù)如下：

元素分析儀條件：燃燒爐溫度為850 ℃，還原爐溫度為600 ℃，載氣He流量為230 mL·min-1。

質(zhì)譜儀分析過程中，每12個樣品穿插一個標(biāo)樣， IAEA600[δ13CPDB=(-27.771±0.043)‰，δ15Nair=(1.0±0.2)‰]對測定結(jié)果進行校正。

利用同位素比率質(zhì)譜儀測定碳、氮含量的方法：用IAEA-600咖啡因作為標(biāo)準(zhǔn)，得到y(tǒng)=a+bx的標(biāo)準(zhǔn)曲線，x為碳或氮的峰面積，a、b為常數(shù)；把所測定樣品碳或氮峰面積代入，求出絕對含量，再用絕對含量除以樣品的重量，得到樣品碳或氮的百分含量。

穩(wěn)定同位素比率計算如下：

δ=(R樣品/R標(biāo)準(zhǔn)-1)×1000‰

其中，R為重同位素與輕同位素豐度比，即13C/12C和15N/14N,δ13C的相對標(biāo)準(zhǔn)為V-PDB，δ15N的相對標(biāo)準(zhǔn)是空氣中氮氣。

測定時，δ13C和δ15N的連續(xù)測定精度<0.2‰。

(2) 穩(wěn)定氫、氧同位素測定

稱取0.3 mg樣品裝入銀杯(6 mm×4 mm)，折成小球，平衡72 h，并按順序放入120位自動進樣器，利用自動進樣器將樣品送入元素分析儀(vario PYRO cube，德國elementar公司)，高溫裂解生成CO和H2，最后進入穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(IsoPrime100，英國Isoprime公司)進行檢測。具體的工作參數(shù)如下：

分析儀條件：樣品裂解溫度為1 450 ℃，He載氣流速為120 mL·min-1。

質(zhì)譜儀分析過程中，每12個樣品穿插一個標(biāo)樣， IAEA-CH-7[δ2HV-SMOW=(-100.3±2.0)‰，δ18OV-SMOW=(23.3±0.3)‰]對測定結(jié)果進行校正。

穩(wěn)定同位素比率計算如下：

δ=(R樣品/R標(biāo)準(zhǔn)-1)×1000‰

其中，R為重同位素與輕同位素豐度比，即2H/1H和18O/16O,二者的相對標(biāo)準(zhǔn)均為V-SMOW。

測定時，δ2H和δ18O的連續(xù)測定精度<1‰。

2 結(jié)果分析

2.1 東灰山的地理位置

民樂縣位于河西走廊的中部,屬張掖-高臺-酒泉平原。東隔大黃山，為武威-民勤平原;西隔黑山，為玉門-安西-敦煌平原;南為海拔約5 000 m 的祁連山；北為海拔約2 000～2 500 m的龍首山。東灰山遺址位于民樂縣洪水河下游沙灘河?xùn)|岸的高臺地上，距民樂縣城約27 km。具體位置為北緯38°39′33.6″ ，東經(jīng)100°44′54.1″，在六壩鎮(zhèn)東北約2.5 km處的荒漠沙灘中，海拔1 828 m(圖1A)。遺址呈小山丘，高約5 m，南北長730 m，東西寬187 m，占地面積136 510 m2。遺址東側(cè)人工開挖的水渠斷面有明顯的文化堆積[6]。

2.2 東灰山炭化小麥籽粒特征

通過對采集到的炭化小麥籽粒用去離子水清洗、自然通風(fēng)干燥，對形態(tài)完整、無破損的65粒樣品稱重(圖1B、C、D)。單籽粒均重為9.52 mg，變化范圍為3.01～17.40 mg，變異系數(shù)為30.56%(表1)。與2016年當(dāng)?shù)卦耘嗟男←溒贩N永寧15號(對照A、B)相比，變異系數(shù)較大，說明炭化小麥籽粒大小差異較大。根據(jù)Frase等[9]的模擬實驗，人工炭化小麥的重量損失為50.4%。由此推測，還原后炭化小麥當(dāng)時的平均重量為18.89 mg，為對照小麥樣品的44.57%和47.25%。

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(shù)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(shù)為14.01%;籽粒寬/長比例均值為0.71，變化范圍為0.56～0.91。2016年當(dāng)?shù)卦耘嗟男←湆φ誂和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和4.42～7.00 mm，變異系數(shù)為8.18%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和2.32～4.92 mm，變異系數(shù)分別為10.10%和12.10%；籽粒寬長比例均值分別為0.59和 0.61，變化范圍分別為0.44～0.71和0.46～0.84。結(jié)果說明，炭化小麥比現(xiàn)代小麥籽粒短(0.83∶1.00，0.83∶1.00)，寬度和現(xiàn)代小麥籽?；疽恢?0.99∶1.00，0.96∶1.00)。

2.3 東灰山炭化小麥籽粒基礎(chǔ)元素含量及其同位素特征

炭化小麥籽粒的δ13C高于現(xiàn)代小麥品種，低于木炭樣本；δ15N顯著高于現(xiàn)代小麥品種和木炭；δ2H低于現(xiàn)代小麥品種，與木炭差距較??；δ18O高于現(xiàn)代小麥品種，與木炭差距較小(表4)。根據(jù)Fraser[9]的研究，人工炭化小麥籽粒的δ13C同位素?zé)o顯著變化；δ15N同位素增加129.2%。以此為據(jù)，校正后的δ15N同位素比率為6.22‰，顯著高于對照小麥品種。炭化小麥籽粒較高的δ15N值說明，東灰山小麥在栽培過程中依靠自然肥力或補充農(nóng)家肥，因為農(nóng)家肥和天然氮素富含15N。

表1 東灰山炭化小麥籽粒的重量Table 1 Single kernel weight of carbonized wheat from Donghui Hill mg

表2 東灰山炭化小麥籽粒的形態(tài)大小 Table 2 Single kernel size of carbonized wheat from Donghui Hill

2.4 東灰山炭化小麥籽粒礦物元素特征

通過對東灰山炭化小麥籽粒、木炭和對照小麥籽粒的礦物元素含量分析，可以看出，鉛含量成百倍高于現(xiàn)代小麥籽粒，鍶含量成68倍高于現(xiàn)代小麥籽粒，銅成12倍高于高于現(xiàn)代小麥籽粒，鋅成5倍高于現(xiàn)代小麥籽粒，銣成倍高于現(xiàn)代小麥籽粒。銣/鍶比值成35倍低于現(xiàn)代小麥籽粒。通過重量損失校正后的結(jié)果說明，鉛、鍶、銅仍然成倍高于對照樣品。這一結(jié)果提示，由于人類的活動，如青銅器冶煉活動，導(dǎo)致這些小麥籽粒中這幾種金屬含量很高。當(dāng)然，也不排除碳化小麥籽粒在埋藏過程中土壤、水蝕因素的影響，以及環(huán)境中這些元素本底或富集的影響。這從另一方面也說明，東灰山或附近是青銅器時代早期人類的聚居地，也可能是人類生產(chǎn)、冶煉青銅或制造器具的場所[10]。

表3 東灰山炭化小麥籽?；A(chǔ)元素含量Table 3 Content of basic elements in carbonized wheat from Donghui Hill %

表4 東灰山炭化小麥籽粒部分礦物元素含量Table 4 Mineral content in carbonized wheat from Donghui Hill

2.5 東灰山小麥籽粒的產(chǎn)地及傳播

東灰山炭化小麥籽粒主要零星分布在遺址東側(cè)水渠斷面暴露的大段文化堆積層，該堆積層厚0.5～2.0 m，其中,還夾雜著炭化大麥、粟、黍等籽粒，以及小喬木和灌木的木炭，不包含石器、陶片等雜物?，F(xiàn)場目測炭化小麥等谷物籽粒在灰層中的分布發(fā)現(xiàn)，籽粒分布極為分散，多種谷物籽粒并存。分析認為，這些灰層很可能為該部落生產(chǎn)糧食后，堆放秸稈的草料場發(fā)生火災(zāi)后的灰燼殘留，未脫離干凈的谷物籽粒夾在其中，在外部燃燒、內(nèi)部缺氧的高溫環(huán)境下炭化所致[10]。當(dāng)?shù)乩习傩諅髡f，東灰山是過去的屯兵之地，其草木灰為軍隊做飯燒火的柴草燃料灰燼的堆積物。這一說法佐證了東灰山在歷史上作為戰(zhàn)略要地的重要性，以及曾經(jīng)的部落或軍隊的聚集地。但燒飯柴草形成的草木灰不會形成分布廣泛的炭化小麥籽粒，以及數(shù)種谷物和其他作物的籽粒。

已有的考古證據(jù)初步揭示，小麥傳入中國至少有兩個途徑,即綠洲通道和草原通道。綠洲通道的傳播路線是:西亞-中亞-帕米爾高原-塔里木盆地南北兩側(cè)的綠洲-河西走廊-黃土高原地區(qū)；草原通道的傳播路線是:西亞-中亞-歐亞草原諸青銅文化-中國北方文化區(qū)-黃河中下游地區(qū)[8]。目前，在綠洲通道的傳播路線上有多個遺址發(fā)現(xiàn)了炭化小麥籽粒、大批量的小麥秸稈和小麥制作的食物(馕、面條等)，小麥從西向東傳播的路徑日漸清晰[11-15]。東灰山屬于綠洲通道傳播路線上的一個重要地點。當(dāng)小麥從西域傳播到河西走廊后，由于天山的阻隔和當(dāng)?shù)夭焕臍夂驐l件(冬春寒冷、干旱等)，小麥在當(dāng)?shù)刂荒芾锰焐奖逼卤姸嗟南鞴鹊卮耗﹥鐾寥诨牡讐劥翰?，生長季節(jié)利用夏秋的雨季，到夏末初秋收獲。由于天山的阻隔，小麥在當(dāng)?shù)胤N植和適應(yīng)了一段時間后，才通過祁連山扁都山口，傳入青海海東和甘肅臨夏地區(qū)(齊家文化區(qū))，再進入隴東和關(guān)中。楊 穎[16]則更具體寫道，小麥可能是通過河西走廊-扁都口-大通河谷地傳入河湟地區(qū)。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

3.1.1 東灰山炭化小麥籽粒的特征特性及改良

考古學(xué)界根據(jù)多個研究結(jié)果初步認為，東灰山遺址出土的炭化小麥籽粒的年代范圍上限在公元前3000-公元前2500年，下限為公元前2千紀(jì)上半葉，跨越新石器時代和青銅器時代[6]。該發(fā)現(xiàn)檢測的炭化小麥籽粒標(biāo)本的年紀(jì)為4 230±250 BP(年代數(shù)據(jù)未作樹輪年代校正)。最新應(yīng)用加速器質(zhì)譜測年方法測定該處炭化小麥年代資料說明，東灰山遺址的文化堆積及其包含的小麥遺存屬于四壩文化時期，絕對年代在距今3 600年前后[6]。東灰山遺址發(fā)現(xiàn)的炭化小麥籽粒是中國境內(nèi)年代最早、數(shù)量最多的炭化小麥標(biāo)本。

A:遺址概貌;B、C、D:炭化小麥籽粒背部、腹溝、側(cè)面(X30);E:炭化蕎麥籽粒(背部,X30);F:灰山炭化蕎麥籽粒(左側(cè)帶果皮,X30);G:炭化大麥籽粒(X30);H:炭化谷子籽粒(左側(cè)為胚部,X50);I:炭化谷子籽粒(右側(cè)帶果皮,X100)A:General picture of ruins;B,C,D:Carbonized wheat grain back,ventral cannal,side(X30);E,F:Carbonized buck wheat grain back,left pericarp(X30);G:Carbonized barly grain(X30);H:Carbonized millet grain(left is embryo part,X50);I:Carbonized millet grain(right pericarp,X100)

20世紀(jì)80年代東灰山遺址發(fā)現(xiàn)炭化小麥籽粒時,李 璠等[4]注意到炭化小麥籽粒尺寸差異的問題，發(fā)現(xiàn)小麥籽粒形態(tài)差異很大，最大的粒長為5.32 mm,最小的則為3.62 mm,兩者相差近一倍[5]。本次對40粒炭化小麥籽粒的測定結(jié)果平均長度為4.62 mm，變化范圍為3.80～5.36 mm;單籽粒平均寬度為3.26 mm，變化范圍為2.48～4.80 mm;籽粒寬/長比例均值為0.71，變化范圍為0.56～0.91。部分炭化小麥籽粒橫截距較大，呈近圓形。李 璠等[17]曾認為，東灰山曾似有蜜穗小麥籽粒(T.compactum)存在。事實上，在上世紀(jì)四十年代黃淮冬麥區(qū)、西北春麥區(qū)的河西走廊都有少量的蜜穗小麥種植。

通過現(xiàn)代小麥與東灰山炭化小麥籽粒大小的比較分析認為，在4 000年的小麥栽培、傳播和改良過程中，小麥籽粒的寬度沒有發(fā)生明顯的變化，而籽粒長度增長了0.92～0.95 mm(19.91～20.56%)。依據(jù)模擬炭化實驗結(jié)果測算出炭化小麥籽粒的實際平均重量為18.89 mg，為對照小麥樣品的44.57%和47.25%；為20世紀(jì)四十年代關(guān)中農(nóng)家品種(涇陽302號，32 mg)的59.03%[18]。

據(jù)資料記載，我國開展小麥雜交育種的時間不足百年時間。在已知的4 000年的小麥栽培歷史中，小麥品種改良和進化主要是靠自然選擇和人為的群體選擇。分析近代小麥改良進展和小麥產(chǎn)量構(gòu)成三要素的資料可以看出，單位面積穗數(shù)顯著增加，千粒重顯著提高，穗粒數(shù)有所改進。千粒重顯著提高有可能發(fā)生在農(nóng)家品種系統(tǒng)選育和雜交育種技術(shù)使用之后。因為，隨著生產(chǎn)水平的提高，穗數(shù)增加，小穗可育籽粒數(shù)增加，但生存空間有限，而較長的籽粒更有利于個體生長和單穗重量的提高?？梢姡倌陙淼男←溒贩N遺傳改良和產(chǎn)量提高主要是在群體適應(yīng)性方面取得了重要進展；其次是粒重。粒重在近4 000年的歷史過程中約提高了1倍；而在近70年以來提高了25%以上[17,19-20]。

3.1.2 東灰山遺址作物種類的新發(fā)現(xiàn)

分析已有資料可知，東灰山遺址除了發(fā)現(xiàn)大量炭化小麥籽粒外，還發(fā)現(xiàn)了大麥、粟、黍、胡桃核等。本次考察除發(fā)現(xiàn)了小麥(Triticumaetivum)、大麥(Hordeumvulgare)、粟(Setariaitalica)籽粒外(圖1B、C、D；圖1G；圖1H、I。)，還發(fā)現(xiàn)了6粒蕎麥籽粒(圖1E、F；Fagopyrumesculentum)和3粒燕麥籽粒(Avenasativa，因燕麥籽粒纖細，制作標(biāo)本時極易損壞，未附圖),以及2粒棗核。賈 鑫[21]對青海省東部地區(qū)植物遺存研究結(jié)果指出，蕎麥?zhǔn)状纬霈F(xiàn)于湟水流域的營盤地遺址(2 550 cal BP)；燕麥?zhǔn)状纬霈F(xiàn)于湟水流域的紅崖下陰坡遺址。李明啟等[22]從甘肅臨潭陳旗磨溝遺址(4 000 cal BP)2個成人牙結(jié)石淀粉粒分離出蕎麥淀粉粒。可見，東灰山遺址蕎麥和燕麥的發(fā)現(xiàn)，對了解新石器時代河西走廊的作物種類、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類食物結(jié)構(gòu)具有重要的歷史意義。

3.2 結(jié) 論

(1)東灰山炭化小麥單籽粒均重為9.52 mg，變化范圍為3.01～17.40 mg，變異系數(shù)較大(30.56%)。單籽粒平均長度為4.62 mm，平均寬度為3.26 mm;籽粒寬/長比例均值為0.71，變化范圍為0.56～0.91。炭化小麥長度比現(xiàn)代小麥品種(永寧15號)籽粒短(0.83∶1.00，0.83∶1.00)，寬度基本一致(0.99∶1.00，0.96∶1.00)。推算當(dāng)時小麥的實際單粒重量為現(xiàn)代小麥重量的45%～47%。

(2)東灰山炭化小麥籽粒的同位素15N含量較高，說明當(dāng)時人們主要依靠自然肥力，或使用農(nóng)家肥栽培小麥。

(3)主要礦物元素鉛、鍶、銅、鋅含量很高，提示當(dāng)時小麥生產(chǎn)環(huán)境與人類活動或青銅器冶煉有某種聯(lián)系。

(4)東灰山炭化小麥籽粒年代的確定和傳播路徑分析，為小麥從4 000年前起通過祁連山扁都山口逐步傳入青海海東和甘肅臨夏地區(qū)，再進入關(guān)中地區(qū)提供了佐證。

(5)在東灰山遺址炭化植物殘留中首次鑒別出了蕎麥籽粒(Fagopyrumesculentum)和燕麥籽粒(Avenasativa)。