2019, Vol.39
doi:10.11928/j.issn.1001-7410.2019.06.16 
文章编号：1001－7410(2019)06-1487-16
我国古食谱稳定同位素分析的影响因素及其蕴含的考古学信息
(1 陕西师范大学西北历史环境与经济社会发展研究院, 教育部人文社会科学重点研究基地, 陕西 西安 710119;
2 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所, 中国科学院脊椎动物演化与人类起源重点实验室, 北京 100044;
3 中国科学院大学考古与人类学系, 北京 100049;
4 陕西省考古研究院, 陕西 西安 710054)
2 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所, 中国科学院脊椎动物演化与人类起源重点实验室, 北京 100044;
3 中国科学院大学考古与人类学系, 北京 100049;
4 陕西省考古研究院, 陕西 西安 710054)
摘要：根据"我即我食"原理，生物体组织的稳定同位素组成与其食物来源密切相关。多样化食物资源与复杂的新陈代谢暗示着生物体组织的稳定同位素组成可能受到自然环境、人类活动以及自身生理健康等多因素的影响。对这些影响因素的综合评估不仅为更全面准确的重建古代人（或动物）的食谱提供重要依据，同时，结合考古学文化发展脉络，判断引起考古遗址出土生物体稳定同位素组成时空变化的主导因素，又可为揭示古代人地关系、人类活动以及社会经济发展等提供新的视角。为此，以我国古代独具特色的饮食文化为背景，在多因素影响机理论述基础之上，探讨可能影响我国古代人（或动物）稳定同位素食谱分析的各方面因素；同时，通过对不同影响因素的诠释，揭秘其背后隐藏的考古学信息。
关键词：古食谱分析 稳定同位素 自然环境 人类活动 生理健康
中图分类号
K854;P597+.2
文献标识码 A
1 引言
20世纪70年代末，稳定同位素分析方法被首次用于探索美国北部地区史前玉米的最早栽培[1]，开启了考古研究中古食谱稳定同位素分析的先河。至今，随着其理论方法的不断完善与创新，其在国际考古学研究中的应用不断得到扩展与深入。我国相关研究虽起步较晚(20世纪80年代前半叶)[2]，但已在古人类(动物)演化[3~4]，农业起源与发展[5~6]、人群迁徙[7~8]、文化交流与传播[9~10]、社会等级分化[11]、动物驯化与饲养策略[12]以及古环境变迁[13~14]等方面取得丰硕成果，成为我国考古学研究的主要方法之一。
随着我国古食谱稳定同位素分析工作的全面开展，越来越多考古遗址暴露出群体中存在个别个体具有迥异的稳定同位素值。目前，对于这一特殊现象的解释，主要集中在外来人群(或动物)的迁徙，例如陕西神圪垯墚遗址[15]，山西大同北魏墓群[16]、新疆洋海墓地[7]、山东北阡遗址[17]、河南刘庄遗址[18]、河南瓦店遗址[19]、新疆多岗墓地[20]等。但随着具有地理指示作用的硫(S)、锶(Sr)、氧(O)等稳定同位素的进一步分析，具有特殊稳定同位素组成的个体或部分群体并非完全属于外来者，例如湖北青龙泉遗址个体M79、M133和M124[8]，河北南城和白村遗址个体M70[21]，河南贾湖遗址个体M341[22~23]，陕西关中机场墓地个体JCM81[24]等。据此，我们不得不驻足思考，造成这些个体具有迥异的稳定同位素组成的真正原因是什么？而深入了解影响我国古食谱稳定同位素分析的各方面因素，可能为我们解密这一现象提供重要线索。
目前，国际考古学界有关古食谱稳定同位素分析影响因素的研究主要体现在两方面：一，利用考古遗址出土生物体组织稳定同位素组成的变化规律，判断其主导影响因素，进而探索与其相关的古代人类活动、社会经济发展以及人地关系等。例如，根据古代农作物稳定同位素组成的变化规律，推断其可能的影响因素(如施肥、灌溉、田间管理、轮作等)，进而探讨古代农耕技术的发展[25]；根据人体组织稳定同位素组成在性别方面不存在明显差异的特征，推断引起古代男性与女性食谱差异的非生理因素(如劳动分工、社会地位等)，进而探讨古代人类社会组织结构的变化与发展[26~27]；根据不同年龄段个体组织稳定同位素组成的特征与变化规律，推断引起不同年龄段个体食谱差异的因素(如母乳喂养、断奶与添加辅食等)，进而探讨古代人类生长发育过程与营养健康状况[28~29]；根据个体或群体某一时间段内稳定同位素组成的突变，推断可能引起其新陈代谢异常的因素(如食物短缺与疾病引起的饥饿与营养胁迫以及个体饮食习惯的变化等)，进而探讨古代大规模自然灾害爆发与应对策略、疾病与医疗卫生等[30~34]；根据不同时期、不同地域人(或动物)稳定同位素组成的变化规律，推断引起其食谱变化的自然环境因素，进而探讨古代人类食物资源的季节性变化、生存策略的演变、生存环境的变迁以及人群迁徙等[35~37]。二，古食谱重建过程中，作为对比样的现代样品与古代样品之间稳定同位素组成常存在一定差异。为避免这种差异对古食谱重建的影响，往往通过对造成这种差异的因素分析以及差异程度的判断，对古代或现代样品的稳定同位素值进行校正。例如，受炭化作用影响，考古遗址出土农作物种子的δ15N值相对于现代农作物种子富集约1 ‰ [25]；工业革命以来大量以C3植物为主的化石燃料的燃烧，导致全球大气CO2浓度不断升高的同时，大气δ13C值则逐渐降低，最终引起现代生物体的δ13C值降低约1 ‰ ~2 ‰ [38~40]。另外，考古样品采集与储藏过程中，其稳定同位素组成也将发生较小变化[41]等。
国内考古学研究中，对古食谱稳定同位素分析原理的探讨较少。仅体现在：探讨不同气候因子对我国北方现代农作物(粟和黍)稳定同位素组成的影响，以及农作物不同组织稳定同位素组成的差异导致同一营养级人与动物(因取食农作物的不同组织)的稳定同位素组成存在明显差异[42~44]；根据我国北方白水流域新石器时代晚期粟、黍稳定同位素组成的变化规律，推断古代人类农业施肥活动，以探讨我国古代农业技术的发展[45]；探讨疾病引起的个体新陈代谢异常对个体组织稳定同位素分馏的影响[46]；以及根据不同年龄段幼儿食谱的变化规律探讨古代人类生长发育过程与营养健康状况[47~48]。另外，因现代工业革命或区域气候差异引起的以植物为底层食物链中δ13C值的变化，被用于校正现代或古代样品的稳定同位素组成，从而更准确的重建古食谱[9, 49]。
根据古食谱的稳定同位素分析原理(“我即我食”)，人类(或动物)通过饮食不断与外界自然环境进行着物质与能量的交换，并通过对食物的消化、吸收与代谢促进自身组织的形成与不断更新[50]。在此过程中，直接影响人或动物食物资源的稳定同位素组成或间接通过影响人或动物的新陈代谢，而最终导致人或动物组织的稳定同位素组成发生变化的一切外界或生物体自身因素，均可能对古食谱的分析产生一定影响。另外，动物喂养实验表明生物体对不同种类食物的消化吸收过程中稳定同位素的分馏存在明显差异[51]；且不同烹饪方式引起的食物稳定同位素的分馏也存在差异[52]。我国作为两大农业类型(北方粟、黍旱作农业和南方稻作农业)的起源中心，先民的食物资源随着农业的发展与扩张不断发生变化[5~6, 8, 22, 53~59]；且古代食物加工器具种类繁多(如鼎、釜、鬲、甑、灶、磨盘等)[60~63]，已形成独具特色的饮食文化。因此，从外界自然环境、人类活动与生物体自身生理的角度，以我国古代独具特色的饮食文化为背景，综合探讨可能影响我国古食谱稳定同位素分析的因素，从而为更准确全面的重建我国古代人与动物的食谱提供依据；同时，通过对不同影响因素的诠释，揭秘其背后隐藏的考古学信息，为我国考古学研究提供更宽广的视角。
2 多因素对我国古食谱稳定同位素分析的影响 2.1 植物生理特征与自然环境因素的影响植物作为生产者位于食物链底层，其稳定同位素组成的变化，可谓“牵一发而动全身”，将导致整条食物链上不同营养级消费者的稳定同位素组成发生不同程度的变化。因此，影响植物组织稳定同位素组成的因素是古食谱分析影响主要因素之一。
一般而言，植物的稳定同位素组成首先取决于其遗传因素与自身生理特征。例如光合碳代谢途径的不同导致C3和C4植物的δ13C值存在明显差异[64]；氮代谢过程和氮循环的差异引起不同功能型植物(乔木、灌木和草本植物)叶片δ15N值的显著差异[65]；植物不同组织成分的不同造成不同组织稳定同位素组成的差异[66~67]等。其次，地理环境和气候因子(如土壤、降水量、大气CO2浓度、温度、光照、湿度、海拔、纬度等)的变化，促使不同植物的稳定同位素组成发生不同程度的变化，某些情况下呈现明显的地域差异[68~71]。这些因素通过影响植物的稳定同位素组成最终引起其消费者(人或动物)的稳定同位素组成发生相应的变化，从而为探索古代人类(或动物)的食谱演化与生存环境变迁提供理论依据。然而，我们又往往忽略了这些因素对古食谱分析的影响。
随着我国两大农业体系的建立与发展，新石器时代晚期南稻北粟的农业格局形成；新石器时代末期起源于西亚的小麦传入，又逐渐打破这种格局，并最终取代粟成为北方经济的主体[54, 56, 72~74]。粟和黍(C4植物)与水稻和小麦(C3植物)，因遗传因素与生理特征的不同，两者组织的δ13C值存在显著差异(图 1)。正因如此，在我国古代独具特色的饮食文化背景下，稳定同位素分析的优势使其成为科技考古研究的重要手段[58]。但随着稳定同位素分析数据的不断增加，半定量的呈现古代人(或家畜)的食谱或先民的生业经济类型，已经无法满足考古学家探索古代人类社会更深层次内涵的需求。而大的时空背景下，利用稳定同位素对比分析探索古代人类生业模式的演变规律、不同文化的交流与融合、人与自然环境的互动等等，已逐渐成为稳定同位素食谱分析的焦点[9, 75~77]。
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图 1 我国现代粟、黍、小麦和水稻种子的δ13C值[42~44, 78~81] Fig. 1 δ13C values of grains from modern foxtail millet, common millet, wheat, and rice in China |
与此同时，以往常被忽略的农作物稳定同位素组成在不同种属、不同组织成分以及不同地域之间的较小差异则需要重新考量。首先，农作物稳定同位素组成存在不同程度的种间差异。例如，现代或古代粟与黍种子δ13C值差异约为+0.6 ‰ [42, 44]；现代不同品种粟(或小麦)种子δ13C值差异最高达1.0 ‰ (或0.3 ‰)，不同品种小麦种子δ15N值差异约为0.4 ‰ [42, 81]。我国北方史前旱作农业发展经历了由黍逐渐转为粟的过程[82~83]。虽然，目前尚缺乏对古代小米品种的系统研究，但粟、黍之间以及粟不同品种之间稳定同位素组成的差异，可能对我国北方史前人类食谱演变的研究产生影响。其次，同一植物不同组织稳定同位素组成也存在差异。例如，粟种子与叶片的δ13C和δ15N值差异分别约为+0.3 ‰和+2.1 ‰ [42~43]；小麦种子与叶片的δ13C值差异约为+1.2 ‰ ~4.6 ‰ [84~85]，小麦面粉与麸皮的δ13C和δ15N值差异分别约为+1.1 ‰和+0.6 ‰ [81]；水稻颖果与颖壳的δ13C和δ15N值差异分别约为+0.8 ‰和+4.6 ‰ [80]。我国古代农作物不仅是人类主要的食物来源之一(如粟籽粒和小麦面粉)，其副产品(如粟秸秆与小麦麸皮)也常被用于家畜饲养[12, 86]。因此，农作物不同组织稳定同位素组成的差异将对古代人与家畜食谱的对比分析产生一定的影响。例如，新石器时代粟作农业区三处遗址中(西坡[78, 87]、东营[12]和神圪垯墚[15]遗址)，人与家猪食谱均以粟为主(表 1)。人骨δ15N值比猪骨富集约1.1 ‰ ~2.1 ‰，其差异介于粟种子与叶片δ15N值差异的范围之内。如不考虑因取食农作物组织的不同对人与家畜稳定同位素组成的影响，可能导致过高的估算人类对动物蛋白的摄取量，从而影响史前家畜饲养的发展等相关考古学问题的讨论。
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表 1 新石器时代粟作农业区人与猪骨胶原的平均δ13C和δ15N值 Table 1 Average δ13C and δ15N values of Neolithic human and pig bones from the millet farming area in China |
此外，已有研究表明，我国农作物稳定同位素组成与地理环境和气候因子也存在明显关系，如旱作农业粟和黍与降水量之间的关系，最终导致不同地域粟(或黍)的δ13C值差异最高达2.6 ‰ (或2.3 ‰)，粟δ15N值差异最高达6.5 ‰ [42~44]。可见，自然环境变化可通过改变植物的稳定同位素组成，间接影响其消费者(人或动物)的稳定同位素组成。另外，自然环境也可通过影响人与动物的新陈代谢，直接导致人与动物组织的稳定同位素组成发生变化[88~89]。如图 2所示，距今4000年左右，我国不同气候环境中，家养或野生植食动物的δ15N值存在明显差异。也正因如此，植物(或植食动物)稳定同位素组成的地域差异，也可为古气候的重建提供依据；另外，因炭化或与埋藏环境中相关元素的交换，我国考古遗址出土植物或骨骼遗存的稳定同位素组成也将发生一定变化[80, 90~91]。
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图 2 我国不同气候考古遗址中植食动物骨骼的δ15N值[10, 15, 49, 92~93] Fig. 2 δ15N values of herbivore bones from the archaeological sites in different climatic areas of China |
综上所述，不同的植物生理特征与自然环境因素对不同种类植物的稳定同位素组成将产生不同程度的影响；另外，由于人或动物食谱的复杂性与食物选择的随机性以及居住地生态环境的多样性，使得这些因素的影响结果不断发生变化。例如，农作物种子与叶片稳定同位素组成的差异对于人与动物食谱的对比分析将产生较大影响，但对于人与人之间食谱的对比分析则影响较小；同一生态环境中，自然环境因素对于不同个体之间稳定同位素组成的影响较小，但不同生态环境下，自然环境因素对于群体之间稳定同位素组成的影响则较大，等等。因此，在古食谱分析过程中，需要根据具体的研究对象与研究目的对这些影响因素进行综合评估，以确定特定情况下的主导影响因素。
2.2 人类活动因素的影响农业出现以后，刀耕火种的生产方式加快了古代人类改造自然的步伐，从而导致植被类型、气候、土壤成分等发生变化[94~97]。由此引起的农作物生长环境的变化可能对农作物的稳定同位素组成产生影响。与此同时，野生植物驯化过程中，人类对其生长条件的控制以及选种等行为，也可能进一步影响作物的稳定同位素组成。例如，我国北方现代粟(Setaria italica)与其野生祖本狗尾草(Setaria viridis)的δ13C和δ15N值存在一定差异[42~44, 65, 78, 98](图 3)。由于引起该差异的因素较多，尚无法确定农作物野生祖本驯化过程中因人为因素干预所导致的稳定同位素组成的变化程度。
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图 3 我国北方现代粟与狗尾草的δ13C和δ15N值误差图[42~44, 65, 78, 98] Fig. 3 Error bar of mean δ13C and δ15N values in modern foxtail millet(Setaria italica)and green bristlegrass(Setaria viridis) grains from Northern China |
家畜饲养作为我国古代人类农业活动的重要组成部分，为人类提供了稳定的肉食来源[99]。现代动物喂养实验表明，低质量食物或长时间食物匮乏引起的营养胁迫通过影响哺乳动物的生理代谢最终导致其组织的稳定同位素组成发生变化[100~102]。在家畜驯化初期，古代人类对其觅食行为的限制(如拘禁、圈养)与可能存在的食物供应不足(因古代人类对驯化动物摄食规律与摄食量的不完全了解所致)，甚至对其繁殖、性情等生理方面的强加干预等[103]，均可能导致其新陈代谢发生变化，进而影响其组织的稳定同位素组成。
以家猪为例，作为我国最早驯化的动物之一，其遗存在距今8000多年前的诸多考古遗址中被发现[99]。我国北方地区野猪食谱以C3植物为主，随着粟作农业的发展以及人类喂养行为的干预，其食性发生改变，致使其组织的δ13C值发生明显变化[6, 12, 17, 78, 87, 104~107]，成为判断家畜驯化与饲养策略的重要依据[108]。然而，在家猪驯化的早期阶段(图 4)，存在食性差异较大的不同个体共生的现象。如白家遗址猪和月庄遗址猪个体A的δ13C和δ15N值介于野生鹿与野猪(根据形态特征与食性判断为野猪)[17, 104]的范围之内；个体B的δ13C值显著升高，其食性变化与先民从事的粟作农业有关[108]；个体C和D的δ13C值介于野生动物的范围内，但其δ15N值却明显增加。另外，在距今6000多年前吉林白城双塔遗址中，具有野生形态特征的猪，其δ13C值也介于野生动物范围内，但δ15N值却明显偏高[109]。由于古代人类捕获的野猪的年龄结构一般包括不同年龄段[99]，个体C和D与双塔遗址猪的δ15N值明显高于所有野猪(包括幼年个体)，因此，这些个体较高的δ15N值并非主要缘于母乳效应的影响。由此可见，在家畜驯化初期，部分猪个体在其食性尚未受到农作物明显影响且仍保留有野生体态的情况下，其δ15N值的明显增加，应过多的归因于驯化初期人类对猪习性与食性的强加干预所引起的新陈代谢异常。此外，人类活动对动、植物稳定同位素组成的影响结果，也可为农作物与家畜驯化的研究提供重要依据。
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图 4 家猪驯化初期不同猪个体与人骨的δ13C和δ15N值 数据来源于白家遗址(BJ)、月庄遗址(YZ)、双塔遗址(ST)、小荆山遗址(XJS)、万发拨子遗址(WFBZ)和北阡遗址(BQ)[17, 104, 106, 108~109] Fig. 4 δ13C and δ15N values of pig and human bones from Baijia(BJ), Yuezhuang(YZ), Shuangta(ST), Xiaojingshan(XJS), Wanfabozi(WFBZ), and Beiqian(BQ)sites during the early pig domestication in Northern China |
古代农业技术的发展，如施肥、灌溉、田间管理、耕作方式等，促使人类通过改变土壤成分以达到农作物增产的目的，而植物的稳定同位素组成又与土壤成分密切相关[110]。因此，古代农业技术的发展将引起农作物稳定同位素组成的变化。例如，灌溉通过影响农作物水分利用效率，土壤硝化、矿化、氨挥发、反硝化、淋溶流失等过程，以及土壤成分的稳定同位素组成而改变生长农作物的多种稳定同位素组成[111~114]；夏商周时期，我国先民开创了灌溉农业，至汉代，农业灌溉形成规模[115]；中国北方地区古代农田以河水灌溉为主[116]。一般而言，河水因水分蒸腾作用导致其δ18O和δD值偏高，且呈现地域差异[117]；另外，动物组织的δ18O值与氧的三大来源相关(饮用水、食物和空气)[118]。据此推测，河水灌溉将导致农作物(或家畜)的δ18O值偏高。同样，农作物(或家畜)氧同位素的分析也可为追踪农业用水来源提供依据。
我国河南省中部，商代中期小双桥遗址出土动物骨胶原的δ18O值明显高于二里头遗址(二里头文化)同种动物骨胶原的δ18O值[119~120](图 5)，两者差异范围为3.2 ‰ ~4.8 ‰。两处遗址的气候均处于中原地区暖湿期[121]，且两处遗址及周边地区，现代大气降水δ18O值的区域差异范围为0.2 ‰ ~2.5 ‰，现代黄河水系δ18O值的区域差异范围为0.1 ‰ ~0.4 ‰ [117]。可见，两处遗址同种动物骨胶原δ18O值的较大差异并非仅来源于两遗址气候环境的不同。另外，该地区不同水系的δ18O值依次为：黄河水系>大气降水>地下深层水[117, 122]。古文献记载与大量商代水井、输水和蓄水遗迹的发现，表明商代已开始引井水和河水用于浇灌和生活用水[123]。因此，小双桥遗址家畜较高的δ18O值可能与先民较多的引河水灌溉农业和饲养家畜等有关。
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图 5 小双桥遗址与二里头遗址不同种属动物骨胶原的δ18O值[119~120] Fig. 5 δ18O values of bones from different animal species in Xiaoshuangqiao and Erlitou sites |
施肥可改变农田土壤中的氮库，从而影响农作物的氮稳定同位素组成[111, 114]。一般而言，农田土壤中氮浓度在一定范围内(即植物氮需求超过氮供给时)，有机氮肥输入越多，植物δ15N值越高，且不同种类有机肥(绿肥、不同种属动物的粪肥)δ15N值存在较大差异；但当过多氮素的输入导致植物受盐分胁迫影响时，植物δ13C值将增加[111, 114, 124]。因此，古农田土壤与农作物δ13C和δ15N值的变化规律，可为探索先民不同的施肥措施提供依据。新石器时代晚期至商周时期，我国先民既已开始将粪肥(如猪粪)、绿肥施于农田[45, 125]。由于分别以C3植物或C4植物喂养的猪，其粪便的δ15N值将发生不同程度的富集(分别为3.3 ‰或0.9 ‰)[51]，因此，新石器时代我国北方因家猪食谱变化而引起猪粪肥δ15N值的变化规律仍有待进一步研究。另外，由于浸水环境对土壤硝化作用的抑制，以及大量具有较低δ15N值的水稻根和秸秆的残留(土壤有机氮源)，致使水稻田土壤δ15N值偏低[126]。由于植物δ15N值与土壤δ15N值存在明显正相关关系[69]，据此推测，同一地区，水稻δ15N值可能低于旱作农业粟和黍的δ15N值。因此，稻粟混作区随着农业结构的转变，水稻与粟δ15N值的差异，也可能影响不同消费者的δ15N值。此外，我国北方地区自然环境中以C3植物为主[127]，而粟、黍农业的起源与发展，导致过多的C4植物残骸融入土壤中，从而引起土壤δ13C值的增加，这为我国北方粟、黍农业的起源与古农田的研究提供新的视角。
此外，工业革命以来，人类对大量以C3植物为主的化石燃料的燃烧，导致全球大气CO2浓度与氮沉降不断增加以及大气δ13C值逐渐降低，从而对植物的C、N稳定同位素组成产生影响[39, 128~129]。一般而言，植物δ13C值降低约1 ‰ ~2 ‰ [39]，动物与人骨δ13C值降低约1.5 ‰ [38, 40]；而植物δ15N值的变化则较为复杂[129~131]。在中国北方地区，与古代粟和黍相比，现代粟和黍平均δ13C值降低约1.3 ‰ ~3.5 ‰ [45]，该范围超出因化石燃料燃烧导致的植物δ13C值降低的范围；且古代与现代粟和黍的平均δ15N值差异范围也较大(1.2 ‰ ~8.1 ‰)[43, 45]。可见，现代与古代粟和黍δ13C和δ15N值的差异不仅与化石燃料的燃烧有关，也与人类的农业活动有关，是人类活动多因素共同作用的结果。
2.3 人体自身生理与健康因素的影响人体通过对食物的消化、吸收与转换形成自身不同组织，因此，人体组织的稳定同位素组成不仅与食物相关，还可能受个体因性别、年龄、健康状况、饮食习惯等不同引起的新陈代谢差异的影响[50, 132]。
动物喂养实验显示，摄取相同食物的雄性与雌性个体之间骨胶原(或磷灰石)的C、N稳定同位素组成不存在明显差异[133~134]。可见，性别引起的生理差异对个体组织的稳定同位素组成影响较小。我国多处遗址男性与女性骨胶原δ13C和δ15N值的对比分析显示(表 2)，在不受外界其他因素影响的情况下，男性与女性的δ13C和δ15N值不存在明显差异。其中，姜寨遗址男性与女性δ15N值的显著差异主要与食物资源的分配不均有关[135]。因此，男性与女性食谱的差异往往作为判断劳动分工、地位等级以及社会组织变化等的重要依据[11, 27, 135~136]。另外，现代男性血液的δ56Fe值比女性低约0.3 ‰ [137]；同样，考古遗址出土男性与女性骨骼的δ56Fe值也存在差异(0.33 ‰)，因此，Fe同位素分析可为考古遗址出土人骨性别(尤其是幼年个体)的判断提供依据[138]。
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表 2 我国考古遗址中男性与女性骨胶原δ13C和δ15N值的对比分析 Table 2 Average δ13C and δ15N values of female and male human bones and P values(T-test)from archaeological sites in China |
因新陈代谢速率的不同，不同年龄段个体之间骨骼成分存在一定差异[143]。目前，我国考古遗址中不同年龄段人骨稳定同位素分析主要集中在探索不同年龄段个体的食谱差异、劳动分工、社会等级等[20~21, 139, 142, 144~145]。为了解因新陈代谢速率不同而引起不同年龄段个体间稳定同位素组成的差异，我们根据不同年龄人体代谢和骨骼成分以及史前黄河流域人口年龄结构特征[146]，将各考古遗址中人骨按年龄分为三组(第一组：< 10岁，第二组：10~40岁，第三组：>40岁)，对比分析同一遗址中不同年龄段人骨稳定同位素组成的特征(图 6)。总体而言，受母乳喂养的影响，第一组个体δ15N值相对较高；第二组与第三组个体δ13C和δ15N值无明显差异，但第三组中存在个别个体的δ15N值较高，表明不同个体在年老时，因新陈代谢变化的程度不同，其骨骼的稳定同位素组成受其影响的程度也不同。
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图 6 各考古遗址中不同年龄段个体的δ13C和δ15N值散点图 a——大同南郊北魏墓群[16]，b——郑州西山遗址[87]，c——河北南城遗址[21]，d——河南晓坞遗址[139]，e——新疆多岗墓地[20]，f——山西聂店遗址[142]；年龄划分时，如个体年龄鉴定结果为一个范围，则取中间值；年龄鉴定为“成年”，统计时予以排除；年龄鉴定为“未成年”，归入第二组 Fig. 6 Scatter plot of δ13C and δ15N values of human bones in different age groups from archaeological sites in China. a:Northern Wei cemetery in Datong City, b:Xishan in Zhengzhou City, c:Nancheng in Hebei Province, d:Xiaowu in Henan Province, e:Duogang in Xinjiang, f:Niedian in Shanxi Province. The age of individual in a range is taken by an intermediate value; the individual with the age identified as "adult" is excluded; the individual with the age identified as "minor" is classified as group Ⅱ |
疾病、生存压力、频繁活动、妊娠等特殊生理期可在短期内引起人体新陈代谢异常，从而影响个体组织的稳定同位素组成(如C、N、Fe等)[30~31, 34, 137~138, 147]。其中，最为常见的现象是机体承受营养胁迫时，为获取新陈代谢所需物质与能量，对其组织蛋白质进行分解与再合成时，导致14N流失，继而引起组织δ15N值增加；而脂肪分解产生的大量12C被机体重新利用合成不同组织成分时，将导致组织δ13C值降低[40, 147~148]。目前，因新陈代谢异常引起的人体组织稳定同位素组成的变化，为探索古代人群的生理健康、疾病卫生、营养水平等提供了新的视角[30~32]。
纵观我国多处遗址中同一年龄段(15~40岁)不同性别个体的δ13C和δ15N值[16, 20, 87, 139]，发现个别女性个体具有特殊的δ13C和δ15N值(图 7)。与同遗址其他个体相比，其稳定同位素组成特征与遭受营养胁迫导致的个体稳定同位素组成变化规律相似(即δ13C值较低，而δ15N值较高)。随葬品显示这些女性个体无特殊的社会等级地位(如大同南郊北魏墓群)[16]，且其年龄(20~35岁)也均处于生育年龄之内。据此推测，这些女性个体特殊的δ13C和δ15N值可能与其妊娠期经历的营养胁迫有关。
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图 7 各考古遗址中同一年龄段不同性别个体的δ13C和δ15N值散点图 DG：多岗遗址[20]；XS：西山遗址[87]；XW：晓坞遗址[139]；DTBW：大同南郊北魏墓群[16] Fig. 7 Scatter plot of δ13C and δ15N values of female and male bones from archaeological sites in China. Duogang(DG), Xishan(XS), Xiaowu(XW) and Northern Wei cemetery in Datong City(DTBW) |
此外，我国考古遗址出土与饮食相关的器具种类繁多，显示先民多样化的食物加工方式；其中，大量酒器与酒遗存的发现，表明我国丰富悠久的酒文化[60, 149~150]。青铜时代新疆洋海墓地发现大量大麻遗存，表明洋海先民可能吸食大麻[151]。已有研究表明，长时间烹煮将引起食物与酒水δ18O值的增加[52]，进而导致消费者组织δ18O值的增加[33]；长期吸烟也将促使人体组织的δ13C和δ15N值升高[152]。因此，稳定同位素分析对于我国古代食物加工技术、酒文化与宗教文化的研究具有潜在的应用价值。
3 结论与展望利用稳定同位素分析探索古代人类社会的发展已成为考古学研究的焦点之一。其中，如何将食谱分析更好的落足于解决考古学问题之上，还有待于对其理论方法的更深入探索。本文根据目前国内外有关稳定同位素食谱分析影响因素的研究现状，结合我国独具特色的饮食文化背景，通过对已有同位素数据的重新整理分析，探讨了我国古代食谱分析的影响因素。主要结论如下：
(1) 我国古代不同种属农作物因遗传因素与生理特征的不同，其组织的稳定同位素组成存在显著差异；同种农作物不同品种以及不同组织的稳定同位素组成也存在差异。这些差异将进一步影响不同取食者食谱的对比分析。另外，气候因子与地理环境可间接通过影响植物的稳定同位素组成或直接通过影响个体新陈代谢对人或动物组织的稳定同位素组成产生影响。
(2) 动、植物驯化之初，人类对其觅食行为、生长环境与生理过程进行干预，从而影响动、植物的稳定同位素组成。另外，人类各项农业活动(如灌溉、施肥等)或生产活动(工业燃料燃烧)通过改变植物生长条件影响其稳定同位素组成。
(3) 生物体自身生理与健康因素(如年龄、健康状况、特殊生理期、饮食习惯等)通过影响自身新陈代谢最终导致其组织的稳定同位素组成发生变化。
稳定同位素食谱分析影响因素的综合评估对于更准确全面的分析古代人(或动物)的食谱具有重要意义。与此同时，深入解析生物体稳定同位素组成的变化规律与影响因素之间的关系，又可为我国考古学、历史学、人类学等诸多领域提供一个新的研究视角。例如，不同时期农作物与家畜稳定同位素组成的变化规律可为探索动植物驯化机制以及古代农业技术发展提供重要依据；稳定同位素分析所反映的史前自然环境与人类生业模式可为历史地理学史前人地关系的研究打开新的视角；妊娠期女性组织特殊的稳定同位素组成可为判断我国古代女性生育年龄、营养水平、医疗健康以及人口增长速度等提供重要依据；古代特殊人群稳定同位素组成的变化规律，又可为历史自然灾害或大规模疾病突发以及应对政策的研究提供一定的依据；稳定同位素分析又成为我国古代食物加工技术以及饮食文化研究新的切入点，等等。此外，研究对象的多样化(如毛发、指甲、粪化石、牙结石等)以及多重同位素的分析(如S、Sr、Fe、Zn等)也将进一步扩展古食谱稳定同位素分析在多学科领域的应用。但与此同时，稳定同位素分馏机理与不同因素影响机制仍需更深入的研究，如不同埋藏环境下，成岩作用对考古遗址出土生物体组织稳定同位素组成的影响以及多因素共同作用下生物体不同组织稳定同位素的分馏机制等。
致谢: 非常感谢中国科学院古脊椎动物与古人类研究所胡耀武教授、陕西师范大学西北历史环境与经济社会发展研究院崔建新副研究员以及审稿专家和编辑对本文提出的宝贵意见。
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Factors influencing isotopic paleodiet analyses and the archaeological researches in China
(1 Northwest Institute of Historical Environment and Socio-Economic Development, Key Research Base of Humanities and Social Sciences of the Ministry of Education, Shaanxi Normal University, Xi'an 710119, Shaanxi;
2 Key Laboratory of Vertebrate Evolution and Human Origins of Chinese Academy of Sciences, Institute of Vertebrate Paleontology and Paleoanthropology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100044;
3 Department of Archaeology and Anthropology, School of Humanities, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
4 Shaanxi Provincial Institute of Archaeology, Xi'an 710054, Shaanxi)
2 Key Laboratory of Vertebrate Evolution and Human Origins of Chinese Academy of Sciences, Institute of Vertebrate Paleontology and Paleoanthropology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100044;
3 Department of Archaeology and Anthropology, School of Humanities, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
4 Shaanxi Provincial Institute of Archaeology, Xi'an 710054, Shaanxi)
Abstract
The principle "You are what you eat" reflects that the stable isotope values of organism tissues have closed correlations with those of their consuming foods. However, the diversified food resources and complex metabolism of organisms suggest that the stable isotope analysis of their diets is possibly affected by many factors, such as natural environment, human activities, and physiology and health. As the wide using of this method in archaeological researches, the dietary deviations due to these factors were gradually highlighted and would no longer be tolerated. So, the comprehensively valuing these factors is indispensable for the dietary analysis of ancient human (or animals) accurately. Meanwhile, based on the evolution of archaeological cultures, the analysis of determinant factors resulted in the spatiotemporal variation of the stable isotopic composition of archaeological remains (human, animal, plant, etc.) can also provide a new perspective for exploring the relationship between the ancient people and the land, human activities and social development. It is well known that the crops, rice (Oryza sativa) and millets (Setaria italica and Panicum miliaceum), originated in China. Meanwhile, the various domesticated animals and all kinds of utensils for food processing were also discovered in the archaeological sites in China. All of these reflect that the ancient human (or animal) in China had a complex and unique diet. In conjunction with the mechanism of these influencing factors, we discussed the potential factors influencing on the stable isotope analysis of ancient human (or animal) diet in China. These factors included natural environment (precipitation, atmospheric CO2 concentration, temperature, humidity, altitude, latitude, soil conditions, etc.), human activities (domestic animals and crops, irrigation and fertilization, and fossil fuel combustion), and physiology and health (gender, age, nutritional pressure, food processing, etc.). Furthermore, we also investigated the ancient humans (or animals) with especially isotopic compositions from different archaeological sites in China, which provides a new perspective for us to understand the metabolism abnormality of the animal in a dry climate, the physiological changes of wild animals in captivity, the reproductive age of women, and the water resources of agriculture.Key words:
dietary analysis stable isotopes natural environment human activities physiology and health