第四纪研究  2018, Vol.38 Issue (6): 1424-1430   PDF    
河南二里头遗址出土陶容器内残留物的碳氮稳定同位素分析
赵春燕, 赵志军     
( 中国社会科学院考古研究所, 北京 100710)
摘要:二里头遗址位于河南省偃师市,绝对年代约为1800~1500 B.C.,因出土目前所知中国最早的城市道路系统、宫殿建筑群、青铜礼器群及绿松石龙而闻名于世。作为中国历史上著名的都城遗址,二里头遗址古代居民的生产和生活方式是当时社会经济生活的一个缩影,从而引人关注。而食物种类及其加工技术反映的是当时经济和文化发展的一个侧面。出土陶容器内残留物的分析与鉴别对于探讨古代人类饮食结构及经济生活具有重要的参考价值。因此,我们采集了二里头遗址二里头文化不同时期出土的陶器残片上的残留物及出土的炭化粟和稻进行了碳氮稳定同位素分析,检测结果显示,残留物样品的δ13C值在-12.39‰~-25.46‰之间;δ15N值在4.03‰~12.76‰之间。说明这些残留物的来源包含C3类和C4类植物,蛋白质来源也比较广泛。结合二里头遗址的动植物遗存研究,推测二里头遗址居民的食物中兼具粟和稻类植物,而且,粟的比例可能更高一些。此外,居民的食物中还可能含有一部分动物及鱼类。研究结果还表明,出土陶容器内炭化残留物的碳氮稳定同位素分析是探索古代陶器用途的有价值的手段之一,可以扩大并加深对过去人群饮食方式的认识。
关键词二里头遗址    残留物    陶器    碳氮稳定同位素    
中图分类号     K85;K871.11;P734.5;P722.6                     文献标识码    A

0 引言

二里头遗址位于洛阳盆地东部的偃师市境内,南临古洛河、北依邙山、背靠黄河,遗址范围面积不少于3 km2。经碳十四年代测定,二里头遗址的绝对年代约为1800~1500 B.C.,是我国先秦时期著名的王国都城遗址[1],因出土目前所知中国最早的城市道路系统、宫殿建筑群、青铜礼器群及绿松石龙而闻名于世。二里头遗址对研究华夏文明的起源、国家的兴起、王都建设、王宫定制等重大问题具有重要的学术价值,因而成为学术界公认的中原地区最令人瞩目的古文化之一[2]。作为二里头文化的发源地,二里头遗址古代居民的生产和生活方式是当时社会经济生活的一个缩影,从而引人关注。而食物种类及其加工技术反映的是当时经济和文化发展的一个侧面。根据以往的研究可以获知[3~6],探讨古代人类饮食结构及生存状况主要通过两种途径:其一是直接研究人类遗骸本身。由于人与动物体内的稳定同位素组成是由其饮食决定的,碳和氮稳定同位素分析在20世纪80年代已被广泛用于出土动物以及古代人群的饮食重建;其二是研究人类食用的对象,包括考古遗址中发现的动植物遗存等,而出土器物中发现的残留物的分析与研究,可以有助于考古学家获得更多的不可见的动植物利用信息。因此,出土陶容器内残留物的分析与鉴别对于探讨古代人类饮食结构及经济生活具有重要的参考价值。

残留物的分析要根据残留物出土时的状态选择采用不同的方法[7~8]。碳、氮稳定同位素分析方法在重建古人类食谱结构、古环境研究中有着广泛的应用[9~10]。对于出土容器内炭化或烧焦的残留物进行分析与鉴别,碳、氮稳定同位素分析是最重要的也是最适合的方法。因为炭化过的动植物残骸不会再受土壤微生物的影响而改变,一般认为碳、氮同位素不会发生分馏,故不干扰测定[11~12]。因此,炭化(烧焦)残留物的生物来源可以基于动植物的碳氮稳定同位素分布模式来进行区分。到目前为止所发现的植物的光合作用途径主要有3种[13]。第一种是卡尔文途径。因为它的最初产物是一种含3个碳原子的化合物,所以遵循这一途径的植物被称为C3植物;第二种是哈-斯途径。这种途径的最初产物是含4个碳原子的化合物,所以遵循哈-斯光合作用途径的一类植物被称为C4植物;第三种是少数多汁植物所遵循的称为CAM的光合作用途径[13]。自然界因光合作用的途径不同而产生的不同植物间碳同位素组成是有差别的,可以用δ13C值定量表示。C3类植物如稻米、小麦、豆类等,其δ13C值范围为- 23 ‰ ~- 30 ‰,平均值为- 26 ‰;C4类植物如玉米、小米、高粱、甘蔗等,δ13C值范围为- 8 ‰ ~- 14 ‰,平均值为- 11 ‰;CAM类植物如菠萝、甜菜等,δ13C值范围为- 12 ‰ ~- 23 ‰,平均值为- 17 ‰ [14]。豆科植物可以直接从空气固氮,其δ15N值约为0~1 ‰;非豆科植物利用土壤中的氮,δ15N值平均为3 ‰~4 ‰ [14]。还有学者通过研究发现粟和黍的碳同位素值是不同的,即使是炭化的考古样品,粟和黍的碳同位素值仍然是有差别的,粟较黍的碳同位素值总体偏正[15]。与碳同位素不同的是,氮同位素在营养级之间传递时将发生明显的分馏[16]。已有研究表明,动物在食用并消化食物的过程中δ15N值将会富集约3 ‰~4 ‰。因此,杂食类动物的δ15N值大约为7 ‰~9 ‰,食肉类动物和淡水鱼类的δ15N值通常要高于9 ‰ [17]。所以残留物的δ15N值可作为残留物中动物类或植物类来源的重要依据。

国际上文献报道的应用碳、氮稳定同位素分析区分残留物的生物来源,进而探讨古人类食物构成的实例已屡见不鲜。例如北美安大略湖南岸和北岸在600 A.D.前不同遗址中的陶器内炭化物的碳、氮稳定同位素分析结果表明,炭化物主要来自于C3类植物、食草动物的肉和淡水鱼类;在600 A.D.玉米种植引入该地区后,炭化物来源中开始含有少量的C4类植物(玉米);此外,炭化残留物中那些富集13C的碳元素,其中大部分可能来自于以玉米为食的动物(如狗或熊),而不是煮玉米的结果[18]。Craig等[19]则对公元前六千纪至四千纪期间的数个欧洲沿海及岛屿遗址出土的陶容器内残留物进行了碳、氮稳定同位素分析。测试结果表明,有一些容器可能是用于海产品的加工[19]。最近,Chaile等[20]对来自阿根廷巴塔哥尼亚地区出土陶器中有机残留物的碳、氮稳定同位素进行了分析,样本包括从阿根廷巴塔哥尼亚大陆不同纬度的森林、草原和大西洋海岸采集的陶器。分析结果证实,陶容器中处理的食物类型可能取决于不同环境中资源的可利用性,从而有助于了解在全新世晚期的巴塔哥尼亚狩猎采集者群中古食谱和生存策略[20]

目前国内关于出土陶容器内炭化残留物碳、氮稳定同位素分析的研究仅见郑会平等[21]对河南淅川龙山时代若干遗址出土陶鼎残片内壁残留的炭化物的碳、氮稳定同位素分析,研究结果显示,大部分器物曾烹煮过C3和C4类食物,包括豆科类植物、食肉类动物或鱼类资源,说明先民的蛋白质摄取来源较为丰富。

本文根据二里头遗址出土陶器内残留物疑似被烧焦的性状特点,利用碳、氮稳定同位素分析技术对二里头遗址出土的11件陶容器内残留物进行了检测,与此同时,还对同一遗址出土的炭化稻和粟进行了碳、氮稳定同位素分析,截至目前为止,国内尚无相关文献报道。在上述数据基础之上,结合二里头遗址动植物遗存研究和人与动物遗骸的碳、氮稳定同位素分析,探讨了二里头遗址古人类食物构成。

1 材料和方法 1.1 残留物样品的采集及考古背景情况

根据二里头遗址出土的陶器典型器物所作的排比,二里头文化被分为4期[1]:第一期陶器以褐陶为主,磨光黑陶占有一定比例,纹饰以篮纹为主,另有少量的方格纹、细绳纹;第二期陶器中黑陶的数量减少,以细绳纹为主,篮纹和方格纹明显减少;这两期的器形多折沿、鼓腹、小平底;第三、四期的陶器颜色普遍变为浅灰、以绳纹为主,出现粗绳纹,篮纹和方格纹几乎绝迹。在第三期遗存中,第一、二期常见的鼎、深腹盆、甑等继续沿用,但有局部的变化,同时,新出现了鬲、卷沿圜底盆、大口尊、小口高领瓮等与商代二里岗期遗物十分接近的器物。这组新器形在第四期中越来越多,并表现出融合前者的趋势[1]

二里头遗址出土残留物样品采自11件陶容器残片,依据上述陶器分期标准,这些陶器残片分别属于二里头文化第二期至第四期。陶片的选择是随机的,而且是发掘者在长达7年的时间里,在数以千计出土的陶片中通过仔细观察,选择了陶器内壁或器底附着有厚薄不一的黑色炭化物颗粒的陶器残片,所以,应该具有一定的代表性。这些陶片中的残留物为我们研究当时人类的食物结构以及对可食用植物的利用、加工提供了很好的材料,其时代背景、出土地点等列于表 1中。

表 1 二里头遗址出土残留物背景信息及测试结果 Table 1 The introduction and measurement values of the samples
1.2 残留物样品的预处理及检测方法

所有残留物样品的预处理均在中国社会科学院考古研究所化学实验室内进行。首先将陶片经去离子水反复冲洗晾干后,用洁净的手术刀从陶片内壁将黑色炭化物剔下,同时避免损坏陶器内壁。称取0.2 g左右的样品,放入烧杯中。用0.1 mol/L的盐酸溶液浸泡24 h,以去除残留物中的无机碳酸盐类。然后,将样品置于离心机中离心3 min,倒出上层清液,再用去离子水重复洗涤至溶液中性。待炭化物完全干燥后进行碳、氮稳定同位素测试。

样品的碳和氮元素含量及其稳定同位素检测是在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所测试中心进行的。所用分析仪器为Finnigan公司生产的MAT Delta Plus型气体质谱仪,碳、氮均以标定的钢瓶气为标准,用USCS 24标定碳钢气瓶(以PDB为基准),用IAEA-N一1标定氮钢瓶气(以空气为基准)。同位素的分析精度为0.1 ‰,分析结果以相对PDB的值δ13C来表示;N同位素的分析精度为0.2 ‰,其分析结果以相对N2(气态)的δ15N值来表示。测试结果见表 1

2 结果与讨论 2.1 样品的去污染鉴别

根据国外学者的研究结果,经过预处理的样品与未经过预处理的样品的碳氮稳定同位素比值并未发生显著变化,因此,预处理是不必要的[12]。Morton和Schwarcz[18]研究认为,土壤中腐殖酸的C/N摩尔比值通常大于50,具有较低的氮含量,对炭化物的污染较小。因此,可以认为碳、氮主要来源于考古残留物的有机成分[19]。我们为了结果更具有确定性,也对样品进行了预处理,检测结果证实C/N摩尔比值小于50,来自周围环境的污染确实可以忽略,数据可用。

2.2 残留物分析所反映的二里头遗址居民的食物结构

根据碳氮稳定同位素检测数据推测残留物的生物来源,一般情况下,会有3种情况:其一,残留物的碳氮稳定同位素比值在C3类植物的比值范围内,可以推测残留物的生物来源为C3类植物,再根据遗址出土的植物遗存研究结果,判断具体的C3类植物来源;其二,残留物的碳氮稳定同位素比值在C4类植物的比值范围内,可以推测残留物的生物来源为C4类植物,再根据遗址出土的植物遗存研究结果,判断具体的C4类植物来源;其三,残留物的碳氮稳定同位素比值既不在C3类植物的比值范围内,也不在C4类植物的比值范围内,推测残留物的生物来源为混合物。

表 1所示是二里头遗址出土陶容器内炭化(或烧焦)残留物的碳氮稳定同位素的检测结果。其中,碳同位素的检测数据以前发表过[1]。为方便比较,同时也将二里头遗址出土的炭化植物遗存(稻和粟)的碳、氮稳定同位素的检测结果列入表中。因为二里头遗址出土的其他植物遗存比如大豆和麦类等的数量很少,无法采集进行碳氮稳定同位素分析,所以,仅以出土数量较多且具有代表性的稻和粟作为对照标本。

根据表 1所示检测结果,残留物样品的δ13C值在- 12.39 ‰ ~- 25.46 ‰之间;δ15N值在4.03 ‰~12.76 ‰之间,说明这些残留物的来源包含C3类和C4类植物,蛋白质来源也比较广泛。在11份残留物样品中,有5个样品(编号分别为1、2、7、8、9)的δ13C值在- 12 ‰ ~- 14 ‰之间,属于C4类植物的δ13C值范围内;而且这些样品中有4个样品的δ15N值也与二里头遗址出土的炭化粟的δ15N值相近,推测这些样品原来可能是粟类植物。仅有一例样品(编号7)的δ15N值稍高于炭化粟,可能原来陶器内除了粟类植物外,还掺杂有动物类物质。还有4个样品(编号分别为3、6、10、11)的δ13C值大致在- 16 ‰ ~- 18 ‰范围内,介于C3类植物与C4类植物之间,δ15N值的范围也比较广,大致在6 ‰~10 ‰之间,推测这些样品的生物来源比较复杂,存在多种可能性。考虑到二里头遗址出土的炭化稻的δ15N值是10.2 ‰,再参照二里头遗址出土猪骨胶原的碳氮稳定同位素分析结果,猪骨胶原的δ13C值范围为- 7.1 ‰ ~- 12.5 ‰,δ13N值范围为7.7 ‰~8.7 ‰ [1]。因此,不排除出土残留物的陶器内原来盛装的既可能是稻米、小麦及小米的混合物,也可能是植物类与动物类的混合物,又或者是家养动物类残留物等;另有2个样品(编号为4和5)的δ13C值分别为- 24.67 ‰和- 25.46 ‰,在C3类植物的δ13C值范围内,δ15N值也比较高,分别达到10.28 ‰和12.76 ‰,推测陶器内原来可能盛装稻米、小麦等C3类植物,或者是这类粮食作物与动物及鱼类的混合物。将本次检测的二里头遗址出土陶器中残留物样品的δ13C值和δ15N值标示在图 1中。图 1中纵坐标表示δ15N值的高低;横坐标标示δ13C值的大小。从图 1可以明显看出,残留物样品中可能含有C3类和C4类植物,而且,C4类植物也就是粟的比例可能更高一些。此外,残留物样品中还可能含有一部分动物及鱼类,暗示二里头遗址居民食物的多样化。

图 1 二里头遗址出土陶器内炭化物样品δ13C和δ15N值的散点图 Fig. 1 Scatterplots of δ13C and δ15N in charred residues

众所周知,北粟南稻是中国传统的农业格局。因稻属喜湿作物,适宜生长在湿润多雨的南方,而粟耐旱、耐瘠,适宜在北方干旱地区中生长[22]。为何两种生长环境截然不同的农作物会同时出现在二里头居民的食谱中,是由于二里头遗址独特的生态环境所造成的[23]。二里头遗址所处的伊洛河流域属黄淮平原的西北缘,而黄淮地区作为我国南北气候的过渡地带,其农耕活动历来被气候的变化所制约。自进入历史时期以来,气候的整体趋势是向干凉方向发展,以粟作为代表的旱作农业成为这一地区的主体经济。然而古环境复原研究结果表明在二里头时期中原地区的气候条件比现今要温暖湿润,土壤肥沃,光照充足,适宜多种作物生长[23]。考古学研究表明,在新石器时代晚期,中原地区就同时存在稻粟两种农作物[22],处于稻粟混作地带。二里头遗址的植物遗存研究结果也证实,该遗址出土的农作物遗存中包含粟、黍、稻谷、大豆等品种,而且出土的炭化粟粒不仅在绝对数量上明显高于其他农作物,而且在出土概率上也是最突出的;其次是稻谷,约占出土农作物总数的三分之一,还有黍和大豆等也占一定比例[24]。在本次分析的11份残留物样品中,有5份样品可能是来自粟类等C4植物;只有2个样品可能是来自稻米等C3类植物。可见,居民主要依赖粟类粮食作物为主食。我们的检测结果与二里头遗址的植物遗存研究结果[24]大体吻合。

容器内炭化有机残留物的δ13C值取决于所加工资源的生物分子组成(蛋白质、碳水化合物和脂质)以及烹饪资源的混合和每种食物对碳的相对贡献[25~26];相反,δ15N值仅取决于蛋白质来源,因此它们构成了加工生物体营养水平的有力指标[19]。本次检测的11份出土陶容器内残留物的δ15N值低于7 ‰的有5例;δ15N值高于7 ‰而小于9 ‰为4例;δ15N值大于9 ‰为2例。以此推测二里头遗址先民的饮食中主要以植物类为主,肉类以草食性及杂食性动物为主,兼食一部分淡水鱼类。

根据动物考古学的研究结果[1],可以确定二里头遗址出土的狗、猪、羊和黄牛这几种动物为家畜,而且这几种动物的可鉴定标本数在全部动物可鉴定标本总数中占有非常高的比例,野生动物的比例始终没有超过25 %。猪、羊和黄牛等家畜在当时居民肉食资源中处于绝对的支配地位,而且猪始终是肉食的主要来源[1]。上述现象与陶容器内残留物的检测结果中有4例样品的δ13C值大致在- 16 ‰ ~- 18 ‰,δ15N值在7 ‰ ~9 ‰之间是一致的。由于氮在不同营养级之间存在着同位素的富集现象,沿营养级上升时,每上升一级,大约富集了3 ‰~4 ‰。一般来讲,食草类动物的δ15N值大约为3 ‰~7 ‰,杂食动物的δ15N值大约为7 ‰~9 ‰,一级食肉类动物以及各种鱼类δ15N值大约为9 ‰~12 ‰之间[17],据此可以推测,这些残留物来源于杂食性动物类的可能性更大。虽然二里头遗址考古几乎没有发现鱼类遗存,但考古发掘出许多网坠、鱼钩等渔具,说明当时人们已经掌握了一定的捕鱼技术,出土鱼类骨骼稀少,可能与埋藏环境、鱼骨不易保存及收集方法等有关。鱼骨本身就很细小,在长期埋藏过程中,相对大型动物骨骼,很难保存下来;如果不采用过筛等手段,也不容易被发现[1]。至于陶容器出土残留物中鱼类含量较少,原因也可能与食物加工方式有关,比如相对于在容器中煮食,鱼类更可能适用于生食或烧烤而食。

另外,根据二里头遗址出土人骨的碳同位素分析结果[1],22例人骨样品中除了2例个体以外,其余20例样品的测定结果表明其生前的食物结构中C4类植物所占比例平均达88 %,余下为C3类植物。因为稻米为一种典型的C3类植物,而小米则为一种典型的C4类植物。由此推断,当时二里头遗址的居民以小米等粟类植物为主食的可能性较大。二里头遗址出土人骨的氮同位素分析数据比较少,仅有5例。除1位儿童个体的δ13N值最高为18.9 ‰以外,其余个体的δ15N值在8.2 ‰~12.4 ‰之间[1]。依据营养级间的分馏系数(3 ‰~4 ‰)[17]测算,二里头遗址的居民摄取蛋白质的来源主要是草食性或杂食类动物。由于人类遗骸的碳和氮同位素组成是人类在过去十年中的平均饮食结果,可能包括一些没有在特定陶器上烹制的生食和熟食,而出土陶容器内炭化有机残留物提供了器内最后食物的直接信息[6]。因此,这两种类型的分析是互补的,可以扩大并加深对过去人群饮食的认识。

3 结论

通过二里头遗址出土的陶容器内炭化残留物及稻和粟等对照样品的碳氮稳定同位素分析结果表明,残留物样品的δ13C值在- 12.39 ‰ ~- 25.46 ‰之间;δ15N值在4.03 ‰~12.76 ‰之间,说明残留物的生物来源包含C3类和C4类植物,蛋白质来源也比较广泛。结合二里头遗址的动植物遗存研究,推测二里头遗址居民的食物中兼具粟和稻类植物,而且,粟的比例可能更高一些。此外,根据部分陶器内残留物的碳氮稳定同位素检测结果推测,二里头遗址的居民还可能食用一部分动物及鱼类。这一结果也表明出土陶容器内炭化残留物的碳氮稳定同位素分析是探索古代陶器用途的有价值的手段之一。

本研究旨在残留物同位素分析结果的基础上,尝试将动植物遗存研究成果及人骨的碳氮稳定同位素分析数据进行整合,形成人骨-动植物-残留物证据链,强调从多学科多维度解读出土残留物检测数据,从而更好地复原古代人类生存方式。毋庸置疑,出土陶容器内炭化残留物的碳氮稳定同位素分析与动植物遗存研究和人骨的稳定同位素研究互补,可以发掘出更多的古代人类生活信息。但是,由于受到田野考古发掘进程的制约,所以,本次研究的样品数量不多,尤其是来自二里头文化第二期和第三期的样品数量较少,这在客观上限制了研究的广度和深度。未来的研究工作将在增加样品数量、脂肪酸分析以及模拟实验等方面展开,以更好地体现出土残留物分析在考古学研究中的价值。

对二里头遗址出土的陶容器内残留物进行碳氮同位素分析同样证明了二里头时期二里头遗址处于稻粟交错地带。也许正是稻粟交错地带形成的独特发达的农业文明,推动了该地区生产力的快速发展。由此带来了作为人类文明重要标志的铜器的出现、城市的兴建,国家政权才最先在这一地区诞生。

致谢: 感谢中国社会科学院考古研究所二里头工作队的全体同仁在样品采集过程中所给予的大力协助;特别感谢匿名审稿人及编辑部杨美芳老师的宝贵意见和建议。

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Stable isotopic analyses of residues on the interiors of ceramics from Erlitou site in Henan Province
Zhao Chunyan, Zhao Zhijun     
( Institute of Archeology, Chinese Academy of Social Sciences, Beijing 100710)

Abstract

The Erlitou site is located at Yanshi City, Henan Province. This site is large settlement site of Erlitou culture, and it is dated to 1800~1500 B.C. The site is currently known with the earliest palace building, the first group of ritual bronzes, and bronze smelting workshops, and is so far to have confirmed as the site for the earliest capital of kingdom. The production and life of this historical capital residents have been greatly concerned. According to zooarchaeology's study, five domestic animals such as dog, pig, goat, sheep and cattle were found from the site. The remains of crops obtained by flotation methods mainly include millet, sorghum, rice, and soybeans. Among them, the unearthed carbonized miliary was not only significantly higher than other crops in absolute numbers, but also the most prominent in the probability of unearthing; followed by rice, accounting for about one-third of the total number of unearthed crops.This paper reports the results of stable isotope studies (δ13C and δ15N)performed on organic residues in archaeological potsherds recovered from Erlitou site in Henan Province. The objective was to identify the types and provenance of food cooked in ceramic vessels, thus contributing to the study of paleodiets and subsistence strategies among in Erlitou during the Erlitou Culture Period. The sample included residues in archaeological potsherds and unearthed millet and rice. The results showed that the δ13C values of the residue sample range from -12.39‰ to -25.46‰ and δ15N values range from 4.03‰ to 12.76‰. The results of this study have shown that most of the residues can be accounted for as mixtures of native C3 plants and C4 plants, domestic animal, herbivore flesh, and freshwater fish, according to their δ13C and δ15N values. The δ13C values might reflect C3 crops (rice)and C4 crops (millet), which were also the sources of the remains of residents meals at Erlitou site. Moreover, the proportion of C4 plants that are actually may be higher. The results also show that the carbon and nitrogen stable isotope analysis of carbonized residues in pottery is one of the valuable means to explore the use of ancient pottery, which can expand and deepen the understanding of the diet of the past population.
Key words: Erlitou site    residues    potsherds    stable isotopic analyses