中国科学院大学尚雪副教授团队联合中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、复旦大学科技考古研究院和陕西省生物农业研究所的相关学者，在有机肥对粟黍氮稳定同位素影响的实验考古研究领域取得重要进展。该研究基于粟黍的现代种植实验，探讨了粟黍氮稳定同位素对古代施肥与古饮食重建的指示意义。该研究成果以“Experimental archaeological study in China: implications for reconstruction of past manuring and dietary practices indicated by δ15N values of Setaria italica and Panicum miliaceum”为题，于北京时间2024年2月15日在线发表在国际权威期刊Heritage Science上。
粟作农业的作物种植实践研究对于理解中国北方文化与早期文明的发展具有重要意义。近些年的研究认为有机粪肥的施用对于黄土高原粟黍的持续性种植发挥着关键作用。欧亚大陆西部开展的系列实验表明，氮稳定同位素是探讨C3作物施肥的重要指标，而针对东亚起源的C4粟黍，施肥如何影响粟黍氮稳定同位素的相关认识仍不清晰，尽管已经开展了一定的粟黍种植实验，但实验地点均非中国北方粟作农业所赖以繁荣发展的黄土区，作物种植条件方面的明显差异限制着其结果的适用性。黄土高原古食谱研究尽管已经取得了丰硕的成果，但绝大多数遗址的古食谱解读是在粟黍同位素数据缺失而参考一般的植物δ15N值进行的，由于植物δ15N在种属、部位等方面的差异，这使得对古食谱的一些传统解读可能存在问题，亟需针对性地获取粟黍氮稳定同位素的变化信息。
为了探究有机肥对粟黍氮稳定同位素的影响，使古代施肥与古食谱的研究建立在更为坚实可靠的基础上，中国科学院大学尚雪副教授团队在关中盆地的实际黄土农田中开展粟类作物种植的实验考古研究，对作物、肥料、土壤等进行了稳定同位素测试，探讨了粟黍δ15N值对古代施肥与古饮食重建的指示意义。
图1 试验区布设图
结果表明，施过肥后，粟黍种子δ15N的变化范围在2.7‰-9.3‰之间。以往研究中，人骨胶原δ15N高于9‰往往被认为是较多摄入动物蛋白的结果。根据本研究结果，在3‰的营养级富集下，主食施过肥粟黍的人骨胶原δ15N值理论上可以达到5.7‰-12.3‰，从而提供了对高δ15N的另一种可能解读。举例而言，距今3000年前后畜牧业因素在内蒙古中南部生业中的地位愈发重要，其后遗址中人骨胶原的高δ15N值可能来自家畜肉类或奶制品供给的动物蛋白，而就新石器时代中晚期进入农业社会的关中、中原等地区而言，人骨的高δ15N则更有可能是食用施过肥的粟黍而非动物蛋白的结果。
图2 不同处理下种子、叶片、土壤氮稳定同位素数据误差棒图
对粟黍种子、叶片δ15N分析表明，种子与叶片δ15N在0.01水平上显著相关，且表现为叶片δ15N系统性高于种子，平均高约0.9‰。由此可能对古饮食重建产生影响，原先基于粟黍种子δ15N高于叶片的假说而对人与动植物δ15N之间差值作出的解读可能需要进行重新考虑。
图3 黍（a）和粟（b）的种子与叶片δ15N的变化关系
本研究初步描绘了施肥影响种子δ15N值与人类食谱的完整过程，包括从动物粪肥的腐熟发酵到人对粟黍种子的消费等各个环节。结果表明，腐熟过程造成有机粪肥δ15N上升0.2‰-5.0‰，解释了动物粪肥的高δ15N值。有机粪肥施用后，土壤δ15N从抽穗期到成熟期，平均上升了0.4±1.0‰。就土壤与植物的对比而言，土壤δ15N均值始终较植物偏正。而随着生育期的推移，作物种子δ15N逐步提升而达到较高水平。从粪肥腐熟至此的完整过程解释了施肥如何逐步影响种子与人类的δ15N值。
图4 施肥影响种子与人类δ15N值的过程示意
此外，本研究讨论了不同粪种及不同施肥量对粟黍δ15N的影响，不同粪种处理下种子δ15N的显著差异表明存在将粟黍种子在不同粪种处理下的施肥效应区分开的可能性。种子δ15N值并未表现出与施肥水平之间明确相关的趋势，可能在于一年的种植实践太短以至于无法展现出显著相关性，突出了进一步开展研究的必要性。粟和黍之间δ15N值及其对施肥响应程度的差异可能指示出根据氮稳定同位素将粟和黍区分开的潜力。
图5 不同粪种处理下种子δ15N值及其差异性对比
该研究得到国家自然科学基金项目（No.42277441）、国家社科基金项目（No.21BKG040）和中央高校基本科研业务费专项资金（No.E2ET0910X2）共同资助。中国科学院大学人文学院考古学与人类学系硕士研究生欧阳辉勇与尚雪副教授为论文共同第一作者，尚雪副教授与复旦大学科技考古研究院胡耀武教授、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所李小强研究员为共同通讯作者，合作者包括陕西省生物农业研究所冯志珍助理研究员、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所刘俊池高级工程师。
文章信息
Ouyang, H., Shang, X., Hu, Y. et al. Experimental archaeological study in China: implications for reconstruction of past manuring and dietary practices indicated by δ15N values of Setaria italica and Panicum miliaceum. Herit Sci 12, 55 (2024). https://doi.org/10.1186/s40494-024-01168-7
文章链接:
https://link.springer.com/article/10.1186/s40494-024-01168-7
