宗日遗址人骨的稳定同位素分析
宗日遗址人骨的稳定同位素分析
崔亚平1 胡耀武2 陈洪海3 董豫1 管理1 翁屹1 王昌燧2
（1．中国科学技术大学科技史与科技考古系科技考古研究室；2．中国科学院研究生院人文学院科技史与科技考古系；3．西北大学考古系）
1 引言
宗日遗址位于青海省同德县巴沟乡班多村和卡力岗村间的黄河北岸。最初，该遗址被认为是马家窑文化分布最西的遗址，但在实际发掘的过程中，一些截然不同于马家窑文化的陶器（宗日式陶器）的发现以及为数众多的俯身直肢葬，表明该遗址可能是新的考古学文化遗存。在共和盆地的黄河及其支流沿岸均发现了类似的陶器，反映了此类文化相对比较独立，被定名为宗日文化。[2]根据14C测年树轮校正和陶器分期研究结果，该遗址年代为5200～4100a B. P.。[2]宗日文化基本与马家窑文化同期，后为齐家文化（4200～3800a B. P.[3]）所取代。
宗日遗址自1994年正式发掘到1996年全部发掘工作结束，共开5m×5m探方31个，清理墓葬341座、灰坑18个、祭祀坑18个。在全部341座墓葬中，有133座没有陶器，其余墓葬共出土陶器963件。陶器可区分为两个系统，宗日系统和马家窑文化系统。[2]宗日系统的陶器为夹砂陶（占总数的85%），颜色以灰白为主色调，加工纹饰主要为绳纹，半数左右为彩陶，颜色紫红，其主体图案都画在肩部，有多道连续折线纹和鸟纹，陶器内彩一般是鸟纹系列的倒三角纹，采用器壁器底直接捏合的结合方式，主要器类为瓮、罐、碗。马家窑文化系统则包含了马家窑文化发展过程中所有的类型，如雁儿滩组、王保保组、小坪子期、半山期、马厂期等陶器。陶器为泥质陶，胎和器表均呈橙黄色，质地坚硬，器表打磨光滑，大型器物通体彩绘或在腹部以上施彩，小件器物多施内彩，纹样以几何纹样为主。其中，舞蹈纹盆和二人抬物盆被誉为“国宝中的国宝”（属于马家窑文化系统）。就随葬陶器组成变化而言，马家窑系统的泥质陶越来越少，而宗日系统的夹砂陶越来越多，两个系统相对独立，几乎找不到互相影响的证据。墓葬的形式是竖穴土坑墓，有棺椁之分，以二次扰乱葬（占到半数以上）和俯身直肢葬（占整体的46%）为特点。随葬品除陶器外，还有骨珠、绿松石饰品等，几乎不见生产工具。文化层内有较多的动物骨骼和细石器、骨器出土，骨器种类有骨叉、骨勺、骨鱼钩、骨镞、骨刀等。[4]
纵观目前宗日遗址的研究，主要集中在探索该文化与马家窑文化以及先羌间的相互联系，[5]而对该遗址先民的生活方式却知之甚少。通过对遗址出土人骨中C和N稳定同位素的分析，揭示先民的食物结构、探索其生活方式，已越来越受到我国学者的重视，业已取得了较为丰硕的成果。[9]本文对该遗址墓葬出土人骨中的C和N稳定同位素进行分析，力图揭示先民的生活方式、经济结构以及文化交流等重要信息。
2 稳定同位素分析原理
地球上有碳的3种同位素，12C，13C和14C。其中，14C为放射性同位素，12C、13C为稳定同位素。依据植物光合作用途径的不同，可将高等植物分为C3植物和C4植物。当植物进行CO2固定时，碳同位素将发生分馏。C3植物的同位素分馏系数在1.026左右，与人类生活有关系的C3植物主要有稻米、小麦，[6]实际上绝大多数的植物和果实也属于此类；C4植物的同位素分馏系数在1.013左右，与人类生活有关系的有玉米、小米（黍和粟等）、高粱等。[6]C3植物的δ13C平均值为-26.5‰，C4植物的δ13C平均值为-12.5‰。[9]这种差异在食物链中始终存在，人类若长期以某种植物为食，相应地，其机体会有与之对应的δ13C值。与食物中的δ13C相比，肌肉约富集为1‰（常忽略不计），骨骼中骨胶原富集5‰，羟磷灰石则富集得更多，达到+12‰。[8]这样，根据人骨中的δ13C，就可对人类植物类食物的种类加以辨别。
对于豆科植物而言，它们根部共生的根瘤菌可以将N2转化为可以吸收的N源，而在此过程几乎没有同位素的分馏，因此豆科植物的δ15N较低，为0～1‰。而非豆科植物的N源，则必须来自硝酸盐和铵盐，其δ15N约为3‰。营养级每上升一级，δ15N会富集3‰～4‰。一般认为，陆相食肉动物δ15N约为9‰，陆相食草动物为6‰，非豆科植物为3‰，而豆科植物则几乎为零。[8]因此，对人骨δ15N的分析，则可辨别人类所处营养级的级别，即以农业生产为主或以渔猎为生。
3 样品处理和测试
3.1 样品选择
宗日遗址共清理墓葬341座，其中明确为宗日墓葬的有175座，根据随葬陶器的形制和器物组合规律，墓葬可以划分为一、二、三期。[2]本文表1中的分期来自《宗日遗存研究》中表1和表2的分期结果，[2]分期的依据是陶器形制以及器物的组合规律，未分期的原因是无随葬陶器、随葬陶器严重破损或出土陶器无法与已经建立的体系进行对照。对分布于不同期的18座墓葬以及5座未定分期的人骨进行取样（表1），共计24个（M32为合葬墓共取2个骨样）。总体而言，人骨的保存状况较好，取样部位为遗骸长骨（胫骨或肱骨）的中段。
3.2 样品预处理
清洗骨样除去表层污染物，打磨机去除沁入内外表面的污染物质，接着用固体样品粉碎机粉碎骨样，过筛，收集粒度介于0.25～0.50mm之间的粉末骨样。粉末骨样置于砂芯漏斗中，加入0.2mol/L HCl浸泡脱钙，每天更换溶液，直至骨骼颗粒全部溶解变为絮状为止，此过程大约需要3天。换用去离子水将骨样洗至中性，然后加入0.125mol/L NaOH室温下放置20h，间隙搅拌以去除其中的腐殖酸。再次换用去离子水将骨样洗至中性，在0.001mol/L HCl（pH=3）中95℃浸泡10h，趁热过滤，将滤液放置烘箱中烘至近干后冷冻干燥，收集明胶化的骨胶原。
3.3 样品测试
3.3.1 元素分析
取少许骨胶原冻干粉，在中国科学技术大学理化中心VARIOELⅢ元素分析仪上进行C和N元素含量分析。骨胶原的C和N含量见表1。
3.3.2 稳定同位素测试
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骨胶原中C和N稳定同位素的测试，测试仪器为Finn iganMAT Delta Plus。C，N均以标定的钢瓶气为标准，用IAEA-N-1标定氮钢瓶气（以空气为基准），用USGS24标定碳钢瓶气（以PDB为基准），同时与相关单位进行横向校正。C同位素的分析精度为0.1‰，N同位素的分析精度为0.2‰。C同位素的分析结果以相对PDB的δ13C表示，而N同位素的分析结果以相对N2（气态）的δ15N表示。骨胶原的δ15N和δ13C见表1。
4 结果与讨论
4.1 骨骼污染的鉴别
稳定同位素分析的一个基本前提，就是出土骨骼在埋藏过程中未受到外界环境的污染或污染甚小。然而，骨骼经历漫长的埋藏过程不可避免地受到埋藏环境的pH值、湿度、温度以及土壤微生物等因素的影响，其生物学特性和化学成分将发生不同程度的改变，此过程常称为骨骼的污染，或骨骼的成岩作用。[11]若骨骼污染较为严重，其本身的化学成分将发生改变，骨骼的稳定同位素分析也就无从谈起。因此，鉴别骨骼的受污染程度，剔除污染严重的样品，是进行稳定同位素分析的首要任务。一般认为，现代骨胶原中N的质量分数为15%，C的质量分数则为41%。[12]而研究样品的N的质量分数为14.38%±0.68%，C的质量分数为39.41%±1.96%（表1、2），变异范围较小，可以看出，基本在正常值附近。通常，判断骨骼是否污染的最重要指标为骨胶原中C/ N的摩尔比值。当其比值在2.9～3.6[11,13]，可视为未污染骨骼，过大或过小，均表明该骨已经发生污染。由表1和表2可以看出，所有样品的C/N（摩尔比）比值均在3.16～3.23之间，其平均值和标准偏差为3.20±0.02，均落在未受污染样品范围内，表明该批样品保存极好，可用作食谱分析。
表1 样品的测试分析值
Table 1 Sample measurements
续表
表2 样品的数理统计
Table 2 Statistic results of the samples
4.2 先民食谱分析
观察所有样品的δ13C和δ15N散点图（图1）。由图可以看出，所有样品δ13C值均在以C4植物为主的范围（骨胶原对δ13C会富集5‰，扣除掉骨胶原富集的部分，δ13C值为-17.20‰～-13.49‰，距离C4植物的δ13C平均值-12.5‰较近）之内，反映了先民主要以C4类植物为食的食谱。根据考古发掘资料，[14]甘青地区新石器时代种植粟或黍较为普遍，而粟和黍均为C4植物，这与稳定同位素C分析的结果相吻合。此外，古气候研究表明，宗日文化延续的时间与全新世适宜期的最后一个温暖期（5000～4000a B. P.）基本重合，这个时期气候温暖湿润，[17]甘青地区年平均气温比现今高2℃左右，1月平均温度比现在高3～5℃，相应的年降水量也比现在高出许多，很多河谷地带海拔低、日照充足、降水集中，为黍、粟的种植创造了极好的环境。[19]
据此，可以推测宗日遗址先民应以粟和黍作为主要食物。与δ13C不同，δ15N可追踪食谱中肉食资源的来源。由图1可以看出，δ15N值相差范围较大（7.59‰～9.23‰），表明肉食资源在先民食谱中的比例有一定差异。其平均值和标准偏差（8.33‰±0.44‰）位于杂食类动物δ15N范围内，表明宗日先民应为动植物混食结构。结合δ13C和δ15N分析，可以看出，宗日先民以粟和黍作为主要农作物，食物中包含一定量的动物蛋白。至于动物蛋白来源，可能来自渔猎或家畜。文化层内出土的大量动物骨骼（能辨认的有鹿角和旱獭头骨）以及用动物骨骼制作的各类骨器尤其是鱼钩的出土都表明渔猎也是先民谋生的手段之一。因遗址中有关家畜的研究尚未展开，也就无法估算家畜对先民肉食的贡献。
图1 样品的δ15N和δ13C散点图
Fig. 1 Scatter plot of δ15N and δ13C of the samples
图2 样品的聚类分析
Fig. 2 Cluster analysis of the samples
根据样品δ15N与δ13C的差异，聚类分析可将样品分为3类（图2）。第一类样品主要由一、二期样品构成，其δ15N和δ13C的平均值和标准偏差分别为8.93‰±0.29‰和-10.64‰±0.42‰，表明C4植物是第一类先民的主食，肉食消费占其食谱的一定比例；第二类样品主要由三期样品构成，其δ15N和δ13C的平均值和标准偏差分别为8.12‰±0.30‰和-9.25‰±0.38‰，表明第二类先民的C4植物消费较第一类先民多，而肉食消费较第一类先民少；第三类样品则全部由未分期的样品构成，其δ15N和δ13C的平均值和标准偏差分别为8.18‰±0.16‰和-11.62‰±0.43‰，表明第三类先民无论是C4植物的消费还是以肉类的消费都较第一和第二类先民少。其中，尤其值得注意的是未分期样品，其δ15N和δ13C与其他分期样品截然不同，自成一类。未分期的6个样品中除M272外，另外5个（M32，M32：D，M251，M80，M41：A）都落在了低δ13C和低δ15N区域。未分期样品与分期样品的较大差异，与陈洪海先生根据墓葬形制、葬俗等考古资料所甄别的结果[2]完全吻合，即M272可划入宗日文化类型，而M251，M32，M32：D，M80和M41：A则不属于宗日文化。
这表明，先民的食谱分析，对分辨不同文化类型具有一定的借鉴意义。
4.3 先民食谱变化趋势
如前所述，宗日遗址先民主要以旱作农业为主要的生活方式。通过对遗址的不同时期人群的食谱分析，即可追踪人类生活方式的变迁。若以-26.5‰为C3植物的δ13C平均值，-12.5‰为C4植物的δ13C平均值，骨胶原较食物富集5‰，那么，C4植物在人们食物中的比例可以计算如下：
C4比例（%）=-100×（δ13C-5+26.5）/（26.5-12.5）[7]
根据以上公式，即可对分期明确的样品计算出C4植物在先民食物中的比例，并据此绘出箱式图［图3（a）］以反映C4植物比例在一、二和三期的变化。分析可以看出，C4类植物一直作为该遗址的主要食物来源，但在各期所占食物比例有所不同，总体表现为从一期至三期逐渐增大［图3（a）］。与之相反，反映肉食资源变化的δ15N却呈相反的变化趋势［图3（b）］，即肉食资源在先民食谱中的比例越来越少。C4植物和δ15N的变化，均表明旱作农业在先民食物中的地位逐渐增强，而渔猎活动逐步减少。
图3 人们食物中C4植物的比例（a）和δ15N的变化（b）
Fig. 3 The changes of C4 plant proportion(a) and δ15N in human foods(b)
4.4 讨论
目前，较为普遍的认识是宗日文化发展过程中农业经济的比重越来越小而畜牧的比重是越来越大，先民最终结束了定居而转为游牧。[2]其主要证据有：①在第3次冰进事件（4000a B. P. 前后）的影响下，整个甘青地区的文化都呈现出农业经济解体开始向畜牧经济过渡的趋势，[2,3,16,17]在这样的宏观的气候大背景下，宗日文化应该也有着同样的发展趋势；②宗日后期随葬的陶器不如前期精美且存在明器化的倾向，预示着农业文明的衰落。[2]然而，仔细分析上述两个证据，仍然值得商榷。首先，宗日文化的延续时间和第三次冰进事件在时间跨度上没有多少重合，甚至可以说宗日文化的结束早于第三次冰进事件。就遗址所在的地形地貌而言，遗址位于黄河北岸的二级阶地上，北面有塔拉龙山可以阻挡冷气流，黄土发育良好，灌溉方便，整个生态环境较为优越，即使在整体气候恶化的大背景下，也能满足黍和粟生长的水热条件。即使在现代，宗日遗址也还存在农业生产，是高原牧区少有的农业区域。[2]气候小环境决定了农业经济在宗日很难灭绝，宗日先民缺乏足够的生存压力促使其向畜牧经济过渡。其次，随葬陶器与人们的生活确实有一定的联系，但是它所反映的生活与人们的现实生活尚存在一定差距。随葬陶器的明器化倾向很难说一定是农业文明衰落、生产力下降、物质财富不足的结果，完全可能是由于先民埋葬理念变化，不再随葬实用器而随葬专门制作的明器所致。另外，提到随葬器，值得注意的是未分期的墓葬，绝大多数未分期墓葬都没有随葬器出土，少量出土的陶器虽然形制上与宗日式陶器相差很多，但在质地上却与宗日式陶器有共通性，因此被怀疑是宗日文化的孑遗，同时出土的小铜器证实墓葬确实属于稍晚的墓葬。[2]从食谱分析（图1、2）的结果来看，这批先民的主食仍然是C4植物，但C4植物在整个食谱中的比重却小于宗日各期先民，其动物性食物的摄取基本与宗日文化持平。因此，如果认为未分期墓葬是宗日文化的孑遗的话，可以看到这时宗日遗址的先民还是以农业生产为主的，并没有发展畜牧经济的趋势。结合未分期墓葬的食谱特点及其随葬品特点，可以大胆推测：宗日的农业经济确实受到了第三次冰进事件的影响，但是这种影响并非体现在宗日文化后期，而是体现在未划入宗日文化的未分期墓葬上，这种突然的气候变化造成了一定程度的农业衰退，为了满足粮食供给的需要，先民一定程度上恢复了采集经济，但是并未发展起畜牧经济。另外，突然的气候变化除了使得社会物质财富大幅减少，文化也受到重大摧残，陶器生产技术水平就会陡然下降甚至失传，这样墓葬中大多无随葬器或形制差别很大的陶器就很容易理解了。最后，较宗日文化稍晚的卡约文化人骨中的稳定同位素分析也表明，[7]虽然气候条件在恶化，但是农业经济在高原仍然还占相当的比重。综上所述，认为宗日遗址已经在朝着畜牧业为主的经济过渡的论据尚不充分，根据人骨中稳定同位素分析结果，可以认为以粟和黍种植为主的农业经济仍然是先民主要的经济模式。
5 结论
对宗日遗址出土人骨进行了C和N稳定同位素分析，研究表明：
①骨骼保存状况很好，全部可用做稳定同位素分析。
②人骨中的δ13C值（-12.20‰～-8.49‰），反映了宗日先民食谱以C4植物为主，这与先民主食为粟和黍的普遍认识相吻合，而δ15N值（7.59‰～9.23‰），则表明先民食谱中存在一定量的肉食，可能来自渔猎或家畜。
③性质未明的墓葬（M32，M32：D，M251，M80，M41：A）具有相对较低的δ13C（-11.62‰±0.43‰）和δ15N值（8.18‰±0.16‰），这种在δ13C和δ15N上与宗日墓葬人骨的差异，可能与其来自不同文化有关。
④通过δ13C和δ15N在宗日遗址发展过程中的变化（一、二期：δ15N和δ13C的平均值和标准偏差分别为8.93‰±0.29‰和-10.64‰±0.42‰；三期：δ15N和δ13C的平均值和标准偏差分别为8.12‰±0.30‰和-9.25‰±0.38‰）研究表明，旱作农业在先民食物中的地位逐渐增强，而渔猎采集活动则逐步减少。
另外，从古气候学、地理学等方面得到的信息从侧面也证实了以粟和黍种植为主的农业经济一直是先民的主要经济模式，认为宗日遗址已经在朝着以畜牧业为主的经济过渡的论据尚不充分。最后应当指出的是，分析样品只占整个遗址出土人骨的一部分，同一期内先民食谱也可能存在较大差异，这些因素都将可能对了解整个遗址先民生活方式的转变产生影响，使得分析结果有失偏颇。分析更多的人骨样品，结合植物考古和动物考古的研究成果，进一步探索宗日先民的食谱、经济模式、生活方式，了解宗日文明产生、发展、衰亡等重大问题，将是我们今后工作的努力方向。
致谢：感谢西北大学史翔老师以及青海省考古所在样品提取中提供的帮助，感谢中国科学技术大学生物系邹春森同学，高分子实验室崔哲同学在样品处理过程中提供的帮助。
2006年7月
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Abstract
C/N stable isotopic analysis is used to study on the recipe of ancestors of Zongri Site, Qinghai Province, to explore the economic model and trend of recipe. Both the C/N content and C/N mole ratio in the ossein of human bones show that all samples are well-preserved, they could be used for the recipe analysis. The analysis of δ13C andδ15N in the ossein show that C4 plants(mainly millet) are the main food of the ancestors while they also take in some animal proteins, which indicate a life style of millet and panicum supplemented by fishing and hunting. The increase of C4 plants and decrease of meats in the recipe of Zongri inhabitants show the change from agricultural and huntinggathering economic model to the stable agricultural model.