植硅體分析與旱作農(nóng)業(yè)史研究

葛利花 王振祥

(太原市文物考古研究所，山西 太原 030000；河北省文物保護(hù)中心，河北 石家莊 050000)

植硅體，是沉淀在高等植物細(xì)胞組織中的固體非晶質(zhì)二氧化硅顆粒，具有產(chǎn)量大易獲取、就地沉積分散程度低、抗風(fēng)化耐腐蝕、種屬對(duì)應(yīng)關(guān)系較為明確等優(yōu)勢(shì)。粟、黍是東亞地區(qū)最早馴化的旱作物，也是中國(guó)北方旱作農(nóng)業(yè)中的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)作物，栽培歷史悠久，為中華文明起源與發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。距今4000年左右[2]，由西亞傳播至中國(guó)的小麥逐漸取代粟、黍的優(yōu)勢(shì)地位，成為北方旱作農(nóng)業(yè)主體作物，北方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局發(fā)生轉(zhuǎn)變。

通過(guò)獲取、鑒定和分析遺址內(nèi)外地層、灰坑、房址等遺跡單位以及各式器物中提取的植硅體，參照現(xiàn)代植物植硅體形態(tài)，為研究以粟、黍等種屬鑒定及馴化判別為主要內(nèi)容的粟作農(nóng)業(yè)起源與傳播，以作物結(jié)構(gòu)、栽培與管理、收割與加工為主的作物生產(chǎn)與加工，基于植硅體種類差異、敏感型與固定型植硅體比例關(guān)系來(lái)探究農(nóng)田灌溉的農(nóng)田管理技術(shù)，以及與糧食儲(chǔ)存和消費(fèi)等遺址內(nèi)空間利用模式相關(guān)內(nèi)容提供依據(jù)，進(jìn)而為探索先民植物利用、生業(yè)經(jīng)濟(jì)模式等問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。基于近幾十年學(xué)界對(duì)植硅體分析在農(nóng)業(yè)考古研究中的認(rèn)識(shí)[3]，本文系統(tǒng)性地總結(jié)植硅體分析在旱作農(nóng)業(yè)考古綜合分析中的研究方向，進(jìn)一步分析探討了其研究現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展方向。

一、植硅體分析與旱作物判別

旱作農(nóng)業(yè)考古研究以粟、黍、麥等為代表，通過(guò)其碳化種子、植硅體、淀粉粒等分析法對(duì)考古遺址出土植物遺存進(jìn)行鑒定和研究，為探討北方旱作農(nóng)業(yè)起源及其形成過(guò)程提供了重要的資料與信息，并且取得初步成果[4]。近年來(lái)，學(xué)者在我國(guó)本土黍、粟及其親緣野生植物等植硅體鑒定分析工作中取得顯著成果，該方法在作物種屬鑒定及其馴化等研究中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

(一)粟、黍的判別

長(zhǎng)期以來(lái)，因粟、黍小穗不同組織、不同部位的植硅體有所差異，且連續(xù)變化，稃片細(xì)胞層間硅化，形成組合特征多樣的細(xì)胞硅化結(jié)構(gòu)，難以利用植硅體形態(tài)區(qū)分粟、黍種屬[5]?；诖耍瑓魏襁h(yuǎn)采集百余種現(xiàn)代粟、黍及其近緣草本植物，通過(guò)相差和微分干涉顯微鏡，對(duì)粟、黍的生物和硅質(zhì)沉積結(jié)構(gòu)進(jìn)行解剖式分析，發(fā)現(xiàn)粟、黍植硅體形態(tài)差異明顯，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①穎片和下位外稃短細(xì)胞植硅體存在差異，粟為“十字型”，長(zhǎng)寬比率接近1，尺寸由內(nèi)向外呈遞減趨勢(shì)；黍?yàn)閺较虼怪比~脈的“雙裂片型”(啞鈴型)，比率為1∶2。②稃片植硅體形態(tài)不同，粟發(fā)育典型的“乳突型”植硅體，但也有一些乳突不明顯，或無(wú)乳突；黍表面光滑，無(wú)乳突。因此，無(wú)法根據(jù)乳突存在與否鑒別粟黍。③粟、黍孕花外稃和內(nèi)稃表皮長(zhǎng)細(xì)胞壁明顯不同，粟呈現(xiàn)“Ω” 型(頂部飽滿呈弧形)，黍?yàn)椤唉恰毙?頂部平滑較窄)，二者均分三級(jí)，一至三級(jí)由外及內(nèi)分布，第三級(jí)多位于稃片中部。需要說(shuō)明的是，粟、黍稃片兩端分布有“n”型未分化的表皮長(zhǎng)細(xì)胞，不具備鑒定特征。④孕花外稃和內(nèi)稃硅化表皮長(zhǎng)細(xì)胞末端植硅體形態(tài)和參數(shù)存在差異，粟是“波狀交叉紋飾”，寬度在4.37±0.89μm之間，寬度與兩個(gè)長(zhǎng)度平均數(shù)之比在0.33±0.11之間；黍?yàn)椤爸笭罱徊婕y飾”，寬度為8.95±2.02μm，比值是0.79±0.12μm。⑤粟稃片表面角質(zhì)層和外表皮層同時(shí)硅化往往形成脊線雕紋形態(tài)，黍則是表面平滑帶有斑點(diǎn)狀紋飾，當(dāng)黍的外表皮層與皮下纖維層貼生硅化時(shí)，則會(huì)形成鋸齒狀紋飾[6]。簡(jiǎn)言之，粟、黍的內(nèi)、外穎片和不孕花外稃分別生長(zhǎng)短細(xì)胞十字型和啞鈴型植硅體；由粟、黍孕花外稃和孕花內(nèi)稃中表皮長(zhǎng)細(xì)胞硅化而成的長(zhǎng)細(xì)胞樹(shù)枝狀植硅體是二者鑒定的依據(jù)[7]。Welmoed A.Out指出雙裂片型植硅體末端及長(zhǎng)柄尺寸差異也可區(qū)分粟、黍，粟末端是平或凸出的，黍?yàn)榘枷?；粟比黍的雙裂片型植硅體尺寸更大、形狀也更規(guī)則，三裂片與多裂片型植硅體在粟中并不常見(jiàn)[8]。由于黍亞科植物葉片存在大量啞鈴型，在使用Out的鑒定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，為排除干擾需以樣品中僅有粟、黍兩種作物為前提。此外，姚政權(quán)早年發(fā)現(xiàn)谷子穎片表皮細(xì)胞群植硅體具有較薄、透明狀、紋理規(guī)整、邊緣呈刺形或齒形等形態(tài)特征[9]。

基于粟黍植硅體判別標(biāo)準(zhǔn)，呂厚遠(yuǎn)對(duì)磁山遺址儲(chǔ)存坑進(jìn)行分層取樣研究，發(fā)現(xiàn)黍穎殼植硅體占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，粟數(shù)量極少，表明該遺址最早種植黍，是主要的植物性食物資源；粟出現(xiàn)較晚，這應(yīng)與黍較粟更能適應(yīng)冷干氣候環(huán)境有關(guān)[10]。據(jù)此鑒定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)關(guān)中地區(qū)泉護(hù)、楊官寨、滸西莊、案板、王家嘴、水溝等遺址進(jìn)行植硅體分析，發(fā)現(xiàn)在仰韶中期至龍山時(shí)期，黍植硅體含量占據(jù)優(yōu)勢(shì)，后期雖有所下降，但黍相對(duì)含量仍然多于粟，為重新認(rèn)識(shí)關(guān)中地區(qū)新石器時(shí)期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考資料[11]。由此可見(jiàn)，植硅體分析在考古樣品保存或研究方法受限制的情況下，仍然可以準(zhǔn)確鑒定出粟、黍作物種屬，并且可以判斷出相對(duì)含量，為深入研究旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況和社會(huì)經(jīng)濟(jì)形態(tài)奠定基礎(chǔ)。

(二)粟、黍的馴化

粟、黍是人類最早馴化的作物之一。植硅體分析提升了獲取粟、黍類遺存的空間，有望解決其起源的動(dòng)力、時(shí)間、地點(diǎn)等問(wèn)題，助于探索先民植物資源管理、旱作農(nóng)業(yè)起源以及考古遺址生業(yè)經(jīng)濟(jì)組成等內(nèi)容。

張健平[12]采集國(guó)內(nèi)外16種現(xiàn)代谷子和青狗尾草，對(duì)二者的小穗穎片、內(nèi)外稃片的不同部位、不同細(xì)胞層植硅體進(jìn)行研究和分析，明確ΩⅢ僅發(fā)育于粟、青狗尾草稃片中部，二者尺寸差異顯著，即粟ΩⅢ型植硅體比青狗尾草ΩⅢ型尺寸更大，稃片表皮長(zhǎng)細(xì)胞W1、W2和H尺寸差異明顯。粟的W1、W2和H值分別是64.2±5.9μm、11.9±1.9μm和26.1±2.2μm，青狗尾草是52.2±2.8μm、8.0±1.1μm、22.1±1.4μm，判別率高達(dá)75%。粟和青狗尾草的穎片和下位外稃“十字型”植硅體幾乎無(wú)差異，尺寸重合區(qū)間較大，不具備鑒定特征。粟和青狗尾草的上位外稃和內(nèi)稃中表皮長(zhǎng)細(xì)胞突起的尺寸重合區(qū)間較大，但青狗尾草更大些；部位不同會(huì)導(dǎo)致尺寸差異；部分粟和青狗尾草不發(fā)育突起，因此難以根據(jù)突起的有無(wú)和尺寸來(lái)鑒別粟及其野生祖本青狗尾草。Lisa Kealhofer[13]對(duì)金色狗尾草、間序狗尾草、粽葉狗尾草、皺葉狗尾草、云南狗尾草和大狗尾草以及莩草、西南莩草、粟等12種狗尾草屬的稃片、葉子和莖稈部位的植硅體進(jìn)行提取、鑒定和研究工作，指出：①稃片中啞鈴型尺寸小于葉子，啞鈴型尺寸與其所屬母源植物種屬也具有一定相關(guān)性。②12種狗尾草屬的啞鈴型尺寸存在明顯的重合區(qū)間，即使是同一種屬，不同部位的啞鈴型尺寸也有重合區(qū)間。③環(huán)境差異會(huì)影響啞鈴型尺寸，但狗尾草相對(duì)而言因環(huán)境改變而產(chǎn)生的差異較小。④一年生與多年生植物的啞鈴型尺寸存在差異，前者啞鈴型小于后者。⑤一般來(lái)講，粟葉子啞鈴型尺寸最小，但與青狗尾草莖稈中的植硅體以及S.halica稃片啞鈴型存在重合區(qū)間現(xiàn)象。目前根據(jù)啞鈴型尺寸，只能判斷最大和最小植硅體所屬母源植物，介入二者之間的植硅體則難以判別其植物種屬。⑥狗尾草屬中至少有一個(gè)部位存在十字型植硅體，稃片部位的十字型尺寸多有重合現(xiàn)象。青狗尾草和粟稃片啞鈴型尺寸最小，青狗尾草稃片十字型也有尺寸較大者。結(jié)合張健平等人的研究，Lisa Kealhofer認(rèn)為ΩⅢ數(shù)量較少，僅在莩草、大狗尾草、粟和青狗尾草中有發(fā)現(xiàn)，因此通過(guò)ΩⅢ型鑒別粟和青狗尾草是可行的，即青狗尾草<粟<莩草<大狗尾草，后三者植硅體尺寸存在重合區(qū)間。另外，因?yàn)棣涪裥头植计毡?，在考古遺址中發(fā)現(xiàn)概率較高，而且粟ΩⅠ型尺寸最小，通過(guò)此類植硅體區(qū)分粟、莩草和大狗尾草十分有效。至于其他植硅體類型差異，或與取樣地點(diǎn)(經(jīng)緯度、土壤、水、溫度等因素)不同有關(guān)。

黍親緣野生植物有糖稷、細(xì)柄稷、心葉稷和鋪地黍等，全國(guó)均有分布[14]。其野生祖本尚不清楚，有學(xué)者認(rèn)為可能是鋪地黍[15]，還有學(xué)者提出野生黍或野糜子實(shí)質(zhì)上是栽培黍退化的品種，并非其野生祖本[16]。一般認(rèn)為，退化的馴化作物與其野生祖本具有相似的生物學(xué)性狀[17]?；诖?，張健平[18]統(tǒng)計(jì)10萬(wàn)個(gè)野黍子與馴化黍子稃片長(zhǎng)細(xì)胞植硅體ηⅢ個(gè)體數(shù)，發(fā)現(xiàn)ηⅢ含量隨著馴化程度的加深而增加，在缺失野生祖本的條件下，一定程度上探索了黍的馴化進(jìn)程?？偠灾壳瓣P(guān)于黍的起源時(shí)間與地點(diǎn)、發(fā)展過(guò)程及背景探索等仍不清楚，未來(lái)還有很多工作要做。

(三)其他旱作農(nóng)業(yè)

除粟、黍外，稗也是亞洲史前重要的食物資源之一。在日本由稗草馴化而來(lái)的紫穗稗，以及由印度的光頭稗馴化而成的湖南稗，至今仍有栽培并作為食物資源食用，其他稗草多視為農(nóng)田雜草[19]。由于稗草結(jié)實(shí)率很高，部分地區(qū)會(huì)將野生稗草作為野生食物資源和饑荒食物[20]。葛勇等采集國(guó)內(nèi)長(zhǎng)芒稗、光頭稗、稗、額頭稗、小旱稗、無(wú)芒稗、細(xì)葉旱稗和硬稃稗，對(duì)其穎片、不孕小花和可孕小花的內(nèi)稃與外稃以及種子進(jìn)行分析和研究，建立了稗草植硅體形態(tài)鑒定標(biāo)準(zhǔn)，即稗草表層硅化細(xì)胞為β型，具體表現(xiàn)為頂端略壓縮，沿垂直軸對(duì)稱分布；β型共分四級(jí)，由外及里等級(jí)和尺寸依次遞增；W、R和H是確定稗草形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的三個(gè)參數(shù)，平均值分別為4.86±1.82、0.19±0.09、27.42±9.84μm，以R、H和Lv(β等級(jí))為變量的統(tǒng)計(jì)分析可以區(qū)分黍、粟和稗，盡管后兩者仍有重疊[21]。上山遺址沉積物和石器上存在的稗草植硅體和淀粉粒以及稻植硅體，揭示當(dāng)時(shí)先民加工并利用稗草類野生食物資源，為進(jìn)一步探索早期農(nóng)業(yè)發(fā)展提供線索[22]。一般認(rèn)為大豆起源于中國(guó)[23]，主要依據(jù)碳化物及淀粉粒判斷遺址是否存在大豆遺存，不具有種屬鑒定特征的植硅體[24]，本文不再贅述。

小麥作為重要的糧食作物之一，自傳入中國(guó)就逐步代替粟、黍成為北方旱作農(nóng)業(yè)主體，形成“南稻北麥”之勢(shì)。目前麥類植硅體分析可鑒定到種屬級(jí)別，對(duì)于碳化麥遺存保存不好的遺址來(lái)說(shuō)，可彌補(bǔ)一些缺憾。Ball詳細(xì)研究大小麥花序植硅體，認(rèn)為硅化細(xì)胞、毛基細(xì)胞、乳突型和樹(shù)枝型植硅體是種屬鑒定的關(guān)鍵。單粒小麥硅化細(xì)胞植硅體寬度平均值>11μm，內(nèi)切半徑平均值>5.7μm；普通小麥毛基細(xì)胞植硅體當(dāng)量直徑平均值>22.5μm；野生與栽培二粒小麥毛基細(xì)胞植硅體形狀因子均>0.8μm；野生二棱大麥硅化細(xì)胞頂部周長(zhǎng)平均值>44μm，六棱大麥則<44μm，置信度高[25]。此外，詳細(xì)列舉了小麥類植硅體圖譜，指出長(zhǎng)梯形和長(zhǎng)-短細(xì)胞植硅體是普通小麥較典型的植硅體類型，栽培二粒小麥為長(zhǎng)刺狀、乳突狀和毛發(fā)狀植硅體，野生二粒小麥?zhǔn)敲补梵w、不規(guī)則邊緣薄板型和樹(shù)枝狀植硅體。通過(guò)測(cè)量SiO2細(xì)胞、毛基和乳突狀植硅體的長(zhǎng)、寬、厚、周長(zhǎng)、面積以及縱橫比和形狀因子，也可鑒別小麥性質(zhì)[26]。小麥屬與燕麥屬中的植硅體樹(shù)突存在差異，即使是同一種屬，包括穎片、外稃和內(nèi)稃在內(nèi)的花序苞片及其所處位置不同也會(huì)導(dǎo)致樹(shù)突形態(tài)不同[27]。形態(tài)較尺寸參數(shù)測(cè)量所需樣本量少，置信度更高?？傊鶕?jù)表皮細(xì)胞紋理結(jié)構(gòu)差異，便可判斷遺址出土麥類作物性質(zhì)。吳妍也曾做過(guò)現(xiàn)代小麥(Triticum monococcum和Triticum aestivu)樣本的植硅體分析，發(fā)現(xiàn)小麥穎片中樹(shù)型、硅化程度高且邊緣特征明顯的長(zhǎng)細(xì)胞植硅體以及帶有一圈乳突的毛基細(xì)胞植硅體最為豐富，三種形態(tài)結(jié)合可作為小麥鑒定標(biāo)準(zhǔn)；據(jù)此判斷何郢遺址出土小麥穎片硅化表皮和樹(shù)形植硅體，或表明該遺址存在小麥種植[28]。此外，陳輝依照已有的分類方法對(duì)濟(jì)南周邊小麥植株植硅體進(jìn)行分類，主要包括橢圓型、帽型、圓型、長(zhǎng)圓型、矩型、多刺棒型、三角型、圓盤型八種常見(jiàn)類型[29]，對(duì)鑒定考古遺址小麥遺存具有借鑒意義。

玉米起源于美洲，自明朝時(shí)期傳入中國(guó)，一經(jīng)種植便成為中國(guó)重要的糧食作物和飼料作物，在中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有較大比例。參照墨西哥、秘魯?shù)鹊卦缙谶z址中玉米淀粉粒和植硅體遺存[30]，以及我國(guó)現(xiàn)代玉米作物植硅體形態(tài)、組合及數(shù)量，發(fā)現(xiàn)玉米植硅體基本組合特征為帽型、啞鈴型、棒型和尖型，十字型是玉米最典型的植硅體類型，分形維數(shù)變幅在3.22-3.60間，具有獨(dú)特性，一定程度上可揭示遺址是否存在玉米[31]。不同部位玉米植硅體總濃度差別顯著，穗中>葉中>整株；不同部位各類植硅體百分比和十字型植硅體尺寸差異較大[32]。另外，玉米在其生長(zhǎng)期內(nèi)植硅體組合及含量會(huì)發(fā)生變化，就玉米變種亞航0919而言，在其生長(zhǎng)周期內(nèi)多鈴型、尖型、棒型植硅體降低，啞鈴型數(shù)量和尺寸均有增加，葉脈和葉片中的植硅體組合與尺寸差異明顯[33]。

除了以五谷為代表的農(nóng)作物以外，全新世中后期先民應(yīng)陸續(xù)利用或馴化很多諸如果樹(shù)、蔬菜、甚至是觀賞植物等植物種類。因此，在利用植硅體分析法研究先民植物利用時(shí)，應(yīng)擴(kuò)展研究思路，豐富農(nóng)業(yè)考古研究?jī)?nèi)容。

二、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與加工

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與加工是先民維持生存與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。相較農(nóng)具、灌溉、儲(chǔ)存、加工等工具和設(shè)施而言，植物遺存能更直接客觀地反映當(dāng)時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及加工狀況。

(一)農(nóng)作物結(jié)構(gòu)分析

植硅體類型多數(shù)可鑒定到科、屬級(jí)別，部分禾本科植物可鑒定到種[34]。粟、黍、稻、麥、稗、玉米等植物植硅體種間形態(tài)差異顯著。即使是同一作物，部位不同，其植硅體種類、大小與數(shù)量存在差異。據(jù)此可判斷植硅體所屬作物的具體位置，對(duì)應(yīng)關(guān)系明確。當(dāng)然，并不是所有出現(xiàn)在遺址中的農(nóng)作物均為本地生產(chǎn)，需要結(jié)合某作物不同部位植硅體種類，才可確認(rèn)當(dāng)時(shí)有某種農(nóng)作物種植而非直接輸入糧食。

農(nóng)作物植硅體提取的數(shù)量、比重和組合，一定程度上可反映農(nóng)作物種植、生產(chǎn)與加工等情況。研究表明，采用相同的實(shí)驗(yàn)方法處理考古遺址植硅體樣品，粟、黍稃片植硅體產(chǎn)量在誤差范圍內(nèi)基本相等，即得出的粟、黍植硅體百分比值可反映其相對(duì)產(chǎn)量，稻雙峰型植硅體百分含量比稻實(shí)際含量相對(duì)偏低[35]。作物植硅體出土概率和相對(duì)數(shù)量可反映遺址農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局。

(二)作物栽培與管理

灌溉、除草、施肥等技術(shù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)步的體現(xiàn)。植硅體分析能夠更為細(xì)致、直接地研究田間農(nóng)事生產(chǎn)管理，為史前農(nóng)作生產(chǎn)方式和生產(chǎn)力水平研究提供了珍貴資料，同時(shí)促進(jìn)對(duì)其社會(huì)組織形態(tài)的深入思考。

確認(rèn)史前農(nóng)田遺跡是研究作物栽培與管理的關(guān)鍵。結(jié)合灌溉水渠、田埂等遺跡以及土壤質(zhì)地和生態(tài)特點(diǎn)等因素，根據(jù)遺址附近農(nóng)作物植硅體密度可基本判斷農(nóng)田遺跡[36]。當(dāng)然，不同時(shí)期、地區(qū)農(nóng)田植硅體密度存在差異，要因時(shí)因地而異。在此基礎(chǔ)上，對(duì)連續(xù)文化層中農(nóng)田提取的旱作物植硅體進(jìn)行系統(tǒng)性定性定量分析，可了解旱作農(nóng)業(yè)活動(dòng)起止時(shí)間及旱田擴(kuò)展速度；定量分析同一文化層內(nèi)的旱田植硅體組合、數(shù)量等，可探討旱作物灌溉、生態(tài)環(huán)境、作物規(guī)模、糧食產(chǎn)量等問(wèn)題，深化旱田研究[37]。

農(nóng)田灌溉目前主要集中于麥類研究，主要依據(jù)固定型與敏感型植硅體的比例關(guān)系進(jìn)行分析。固定型植硅體，主要受基因控制，基本不受環(huán)境干擾，包括圓臺(tái)型、鞍型、啞鈴型、十字型、多鈴型和齒型；敏感型植硅體則易形成于富含硅的土壤中或水源充足的環(huán)境中，包含光滑棒型、波狀棒型、刺棒型、long polyhedral(長(zhǎng)型多面體)、方型、扇型和氣孔[38]。Rosen在實(shí)驗(yàn)考古中發(fā)現(xiàn)二粒小麥多細(xì)胞植硅體(SiO2骨架)在灌溉區(qū)的比例要高于干旱地區(qū)[39]。M.Madella通過(guò)控制因素變量法，在伊拉克中部生長(zhǎng)室內(nèi)以及劍橋試驗(yàn)田中種植普通小麥、栽培二粒小麥、斯佩爾特小麥、六棱大麥和二棱大麥，生長(zhǎng)室內(nèi)的作物種植在盆栽中，土壤與試驗(yàn)田保持一致，避免因礦物資源不同導(dǎo)致植硅體差異；作物發(fā)芽后分為“干”、“濕”兩種灌溉模式，待植株成熟后，在莖稈和葉子采集植硅體樣品。結(jié)果表明，不同灌溉條件會(huì)直接影響普通小麥、栽培二粒小麥和二棱大麥的敏感型植硅體產(chǎn)量，普通小麥X射線分析顯示敏感型水分子化學(xué)邊界與其母源植株生長(zhǎng)期間獲取的水資源量有關(guān)。因此，M.Madella提出植硅體組合可用來(lái)探究干旱地區(qū)冬季作物生長(zhǎng)期環(huán)境，尤其是為農(nóng)田灌溉研究提供直接證據(jù)[40]。在此基礎(chǔ)上，Emma Jenkins提出灌溉區(qū)的小麥植硅體含量高，conjoined cell(連體細(xì)胞)數(shù)量也有所增加，但后者因不易保存難以在遺址中發(fā)現(xiàn)；邏輯回歸分析結(jié)果顯示灌溉程度是影響固定型與敏感型比例的主要因素，約占15.7%[41]。值得注意的是，農(nóng)田灌溉研究必須排除大氣降水因素的影響，而這需要利用小麥非蒸騰組織中植硅體氧同位素組成來(lái)判斷，因其能夠反映干旱環(huán)境下因蒸騰作用而加強(qiáng)土壤中富集水的氧同位素[42]。

植硅體組合、數(shù)量分析為農(nóng)田生態(tài)環(huán)境研究提供依據(jù)。作物有較穩(wěn)定的伴生雜草，粟、黍、大豆的伴生雜草分別是莠、稂、菟絲草，麥田中的常見(jiàn)雜草則是早熟禾、看麥娘、麥瓶草、麥藍(lán)菜、小飛蓬、蛇床子等，與稻共生的雜草多為稻穇、稗草、千金子、野慈菇等[43]。雜草對(duì)作物具有較好的擬態(tài)性，二者生存環(huán)境相同，從雜草植硅體分析結(jié)果可透視共生作物相關(guān)信息，進(jìn)而反映作物種植情況。即使未發(fā)現(xiàn)作物植硅體，共生雜草植硅體的發(fā)現(xiàn)也可作為農(nóng)田遺跡存在的判斷證據(jù)。Weisskopf系統(tǒng)分析了八里崗遺址植硅體，發(fā)現(xiàn)屈家?guī)X和石家河文化時(shí)期莎草減少而硅藻與海綿骨針增多，表明灌溉條件得到改善，同時(shí)人為限制雜草以改善農(nóng)田生存環(huán)境，農(nóng)田生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變；龍山文化晚期，植硅體組合顯示莎草等農(nóng)田雜草比例增加，暗示農(nóng)田集約化程度降低[44]。

時(shí)空范圍內(nèi)畝產(chǎn)增幅變化，對(duì)探討農(nóng)耕技術(shù)和管理水平，甚至是深入探討社會(huì)分工及社會(huì)復(fù)雜化進(jìn)程、探索文明社會(huì)形成等奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。利用植硅體密度計(jì)算作物相對(duì)產(chǎn)量具有可行性。王才林提出根據(jù)植硅體大小、種類及豐度等情況，可知母源植物種類和產(chǎn)量[45]。張健平綜合分析粟、黍植硅體，認(rèn)為等重量的粟、黍稃片植硅體產(chǎn)量基本相等，采用相同的實(shí)驗(yàn)方法處理考古遺址植硅體樣品，得出的粟、黍植硅體百分比值可反映其相對(duì)產(chǎn)量[46]。旱作物畝產(chǎn)量不如稻研究深入，可參照Fujiwara[47]提出的依據(jù)植硅體與稻谷重量相關(guān)性、水稻硅酸體系數(shù)，估測(cè)單位面積內(nèi)水稻產(chǎn)量做法，嘗試估測(cè)粟、黍、麥類等旱作物的畝產(chǎn)量。

(三)作物收割與加工

植硅體類型與其所屬農(nóng)作物及其部位對(duì)應(yīng)關(guān)系明確，通過(guò)對(duì)農(nóng)作工具上的植硅體殘留、遺存中出土的植硅體組合以及殘缺的植硅體切割形態(tài)等分析，可對(duì)農(nóng)作物收割與加工方式問(wèn)題進(jìn)行研究。

石刀等收割工具的植硅體分析，可直接反映收割的植物種類及部位。喇家遺址[48]4件石刀表面提取出376粒植硅體，可鑒定者有361粒，其中啞鈴型180粒，其余為刺棒型、平滑棒型、方型、尖型、帽型和塔型等，均是植物莖葉常見(jiàn)類型；結(jié)合8粒黍子稃片η型以及5粒粟稃片Ω型，可推測(cè)該石刀在收割粟黍農(nóng)作物以及黍亞科等野生植物時(shí)，主要接觸植物莖葉部位?；ǖ刈爝z址[49]10件石刀表面殘留物中提取92粒植硅體，以單個(gè)啞鈴型和豎排啞鈴型為主，另有少量十字型、突起棒型和未知類型。其中，十字型與突起棒型植硅體應(yīng)為薏苡屬莖稈植硅體，結(jié)合黍亞科葉片啞鈴型植硅體的大量發(fā)現(xiàn)，可判定該遺址石刀收割過(guò)包括薏苡屬在內(nèi)的黍亞科植物。

土壤樣品中植硅體組合、密度及相應(yīng)比例分析，也可反映農(nóng)作物收割方式變化。目前作物收獲方式有三，手捋穗、割穗、割莖稈，這不僅是收割高度的變化，還是先民對(duì)利用谷物滿足生存需求依賴程度的變化。以粟為例，當(dāng)收割高度較高，只收割谷穗時(shí)，進(jìn)入考古遺址中的植硅體多為稃片植硅體，“Ω”型和“波狀交叉紋飾”等數(shù)量居絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，少量莖葉植硅體會(huì)一同帶回遺址；田地殘存的粟莖葉、共生雜草植株中的植硅體就地沉積于農(nóng)田土壤中，分散程度低，加上常年耕作的影響，農(nóng)田土壤中植硅體積累通量更是豐富，其種類與數(shù)量均高于遺址中提取的植硅體。當(dāng)粟收割高度降低時(shí)，其穗、莖葉以及共生雜草的部分莖葉會(huì)被同時(shí)帶入遺址中，遺址內(nèi)植硅體種類較之前更加豐富。在粟稃片植硅體數(shù)量不變的基礎(chǔ)上，遺址內(nèi)雜草葉莖植硅體增多，植硅體基數(shù)增大，稃片植硅體所占比重降低；農(nóng)田中殘存的粟莖桿和共生雜草葉片植硅體沉積于土壤中，較谷穗收割法而言，雜草植硅體數(shù)量減少，其他變化不大。

通過(guò)分析遺址出土的脫殼和揚(yáng)場(chǎng)副產(chǎn)品，即農(nóng)作物和共生雜草植硅體分布范圍、密度、比例、形態(tài)，可探索加工場(chǎng)所、方式與規(guī)模，甚至可探討社會(huì)分化現(xiàn)象。在考古遺址中，若發(fā)現(xiàn)大空間范圍內(nèi)分布高度密集的脫殼殘留植硅體，亦或是揚(yáng)場(chǎng)副產(chǎn)品——谷殼與小尺寸雜草植硅體、小粒谷物等，基本可判斷該遺址作物經(jīng)歷了大規(guī)模、集體性的加工過(guò)程；反之，就表明以核心家庭為單位對(duì)作物進(jìn)行脫殼與揚(yáng)場(chǎng)工作，存在社會(huì)分化。

三、糧食儲(chǔ)存與食用

通過(guò)對(duì)比分析遺址，尤其是房址、儲(chǔ)藏及炊煮遺存中的植硅體分布、種類、組合、數(shù)量等，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，有助于揭示先民糧食儲(chǔ)存與食用等特定文化行為，一定程度上可恢復(fù)遺址內(nèi)部布局結(jié)構(gòu)及其功能。

當(dāng)然，作物有可能并未進(jìn)行脫殼與揚(yáng)場(chǎng)等加工步驟，便被先民存儲(chǔ)于房址或?qū)ｉT儲(chǔ)藏設(shè)施中。Tell Seker al-Aheimar遺址[50]植硅體分析表明，北區(qū)房址白灰面附近發(fā)現(xiàn)谷殼植硅體，應(yīng)與儲(chǔ)藏有關(guān)，不排除以家庭為單位進(jìn)行的小規(guī)模脫殼行為；另在谷物儲(chǔ)存區(qū)發(fā)現(xiàn)較多禾草類植硅體，應(yīng)是作為間隔物分開(kāi)谷物與地面，防止谷物受潮。河北磁山遺址[51]儲(chǔ)藏坑植硅體組合變化同樣揭示了黍穎片和蘆葦莖葉混合作為間隔物，隔層堆放谷物的儲(chǔ)存形式。新疆阿敦喬魯遺址[52]羊糞化石與疑似儲(chǔ)物間地層的植硅體組合相近，且后者糧食作物植硅體并無(wú)顯著提高，推測(cè)當(dāng)時(shí)該遺址儲(chǔ)物間功能主要是以囤積羊糞供防潮和燃料之需，而非儲(chǔ)藏食物。

喇家遺址[53]出土陶碗中的面條殘余物植硅體分析結(jié)果顯示，面條中存在粟稃殼表皮長(zhǎng)細(xì)胞硅化的Ω型、粟稃殼表皮長(zhǎng)細(xì)胞和角質(zhì)層聯(lián)合硅化的表面呈線狀雕紋的π形以及黍稃殼表皮長(zhǎng)細(xì)胞硅化的η型植硅體，粟植硅體含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，表明喇家先民以粟、黍?yàn)橹饕现谱髅鏃l。楊官寨[54]、米家崖[55]和新街遺址[56]陶器殘留物植硅體分析研究表明，以黍和麥類為基本原料的谷芽酒多是在漏斗和尖底瓶中釀造，是渭水流域仰韶文化社會(huì)飲食文化中的一個(gè)重要組成部分。辛章遺址[57]人牙提取粟、小麥穎片植硅體，以及刺棒型、光滑棒型、方型、長(zhǎng)方型、竹節(jié)型等植硅體，明確龍山時(shí)期該遺址先民食用了包括粟、小麥在內(nèi)的旱作糧食。拉乙亥遺址[58]磨盤、磨棒提取粟Ω型、黍亞科豎排啞鈴型、啞鈴型、平滑棒型和方型，揭示青藏高原東北緣全新世早中期植物資源利用種類及方式。要之，房址內(nèi)部遺存中農(nóng)作物植硅體密集處多與糧食儲(chǔ)存與食用活動(dòng)有關(guān)。

四、問(wèn)題與展望

植硅體分析是研究農(nóng)業(yè)考古的有效方法之一。在探索農(nóng)業(yè)起源與傳播、生產(chǎn)與加工、糧食儲(chǔ)存與食用等方面取得了重要成果，有助于更深入地探討生業(yè)經(jīng)濟(jì)、考古學(xué)文化發(fā)展與交流、文明形成與發(fā)展等問(wèn)題。就目前而言，植硅體分析仍然存在一些問(wèn)題制約其發(fā)展，影響其在農(nóng)業(yè)考古乃至考古研究中的應(yīng)用。

(一)基礎(chǔ)工作仍需完善。先民利用植物種類及數(shù)量繁多，不僅僅是粟、黍、稻幾種早期農(nóng)作物。我們應(yīng)在三維成像和測(cè)量的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)完善現(xiàn)代植物植硅體數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，開(kāi)展包括農(nóng)作物在內(nèi)的多種植物植硅體描述、類型比較工作，明確植硅體類型與植物對(duì)應(yīng)關(guān)系，加強(qiáng)野生親緣植物馴化系統(tǒng)研究，進(jìn)而確定不同馴化階段、不同品種間農(nóng)作物的鑒定特征，揭示先民馴化行為與植硅體形態(tài)、產(chǎn)量的關(guān)系，豐富先秦時(shí)期先民植物利用研究?jī)?nèi)容。

(二)產(chǎn)量估測(cè)存在難題。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中植硅體產(chǎn)生和積累通量研究表明，植硅體在土壤中的歸還量少于植硅體產(chǎn)生量，長(zhǎng)時(shí)間埋藏亦會(huì)影響植硅體數(shù)量及種類[59]。因此，遺址內(nèi)殘留的植硅體類型、含量與其所屬植物產(chǎn)量的關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。若我們能夠明確不同植物種類和各部位產(chǎn)生的植硅體數(shù)量、不同埋藏環(huán)境下可保存的植硅體數(shù)量以及農(nóng)作物植硅體統(tǒng)計(jì)數(shù)量與農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān)系，或可為解決該問(wèn)題提供一些思路。

(三)埋藏中的再搬運(yùn)問(wèn)題。植硅體處在生物地球化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)中，不同環(huán)境、植被、土壤條件下的植硅體運(yùn)移存在差異[60]。在風(fēng)力、火災(zāi)、劇烈地表徑流、動(dòng)物排便以及人類生產(chǎn)活動(dòng)作用下，植硅體會(huì)發(fā)生水平移動(dòng)[61]；生物擾動(dòng)和水下滲會(huì)使顆粒較小及細(xì)長(zhǎng)形植硅體下移或受到細(xì)小孔洞的機(jī)械俘獲作用[62]。這會(huì)破壞植硅體形態(tài)組合的原始性和代表性，對(duì)相關(guān)時(shí)空階段植物利用認(rèn)定、古氣候環(huán)境重構(gòu)等研究有較大影響。因此應(yīng)注意樣品采集地點(diǎn)的環(huán)境特征及埋藏狀況，同時(shí)評(píng)估植硅體所反映的古植物存在范圍，合理選擇取樣地點(diǎn)。

(四)保存狀況受多種因素影響。植硅體保存類型與沉積環(huán)境有關(guān)，在其保存過(guò)程中會(huì)受到一些物理、化學(xué)、土壤PH值、微生物影響，丟失部分信息[63]。溫度、濕度、海拔、采樣點(diǎn)上覆蓋植被等具體環(huán)境以及提取方法對(duì)保存的植硅體大小、組合、種類、數(shù)量也有影響。通過(guò)探討各類植硅體硅化機(jī)制及影響因素，明確植硅體形態(tài)變化和生態(tài)因子間的關(guān)系及作用機(jī)制，把握不同種類植硅體形態(tài)和組合對(duì)于同一環(huán)境因子變化的響應(yīng)差異以及不同環(huán)境因子對(duì)同一植硅體的影響程度，為解釋環(huán)境因子對(duì)植硅體影響程度提供基礎(chǔ)依據(jù)。