碳同位素分析

二里头遗址出土陶容器内残余物的碳同位素分析

赵春燕赵海涛陈国梁许宏

（北京，王府井大街27号，中国社会科学院考古研究所，100710）

摘要：考古出土陶容器内残余物的分析与鉴别对于探讨古代人类饮食结构、生存状况及周围环境等问题具有特别重要的意义.依据残余物的碳同位素分析可以区分食物的种类，因而碳同位素分析是最重要的方法之一. 对二里头遗址出土的11份陶容器内残余物进行的碳同位素分析结果表明，二里头遗址居民食物中兼具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。

关键词：二里头遗址，残余物，碳同位素

考古出土陶容器内残物的分析与鉴别对于探讨古代人类饮食结构、生存状况及周围环境等问题具有特别重要的意义。人类在学会制作陶器以后,生活方式发生了质的改变。蒸煮等烹调方式的使用改善了古人类的生活,使得人类对动植物的利用更加充分,吸收更多的营养,身体更加健康。因而,了解古代人类烹饪方式的发生、发展的历史也就是了解人类自身文明发展的历史。一般而言,了解古代人类饮食结构及生存状况所涉及的研究对象主要可以分为两个方面：一是被研究的主体-人类本身，包括对人类骨骼和牙齿遗存的研究；二是人类食用的对象，包括考古遗址中发现的动植物的遗存研究等等。但出土器物中发现的残余物的分析研究，可以帮助考古学家获得更多的不可见的动植物利用信息。

残余物的分析方法比较多, 根据残余物的状态不同相应有不同的方法.其中,碳、氮同位素分析是最重要的方法之一。依据残余物的碳同位素分析可以区分食物的种类。其原理并不复杂: 植物是通过光合作用将空气中的二氧化碳转化为植物组织。到目前为止所发现的光合作用的途径主要三种。一是卡尔文途径。因为它的最初产物是3-磷酸酰甘油酸（3-PGA），这是一种含三个碳原子的化合物，所以又称为C3途径,遵循 C3光合作用途径的一类植物称为C3植物。温和湿润环境下生长的大部分植物都属于C3植物,例如各种乔木、灌木和大部分禾本科的植物。二是哈-斯途径。这种途径的最初产物是含四个碳原子的化合物-草酰乙酸,所以遵循哈-斯光合作用途径的一类植物称为C4植物。 C4植物包括玉米、粟、甘蔗等旱暖开放环境中生长的某些草类。三是少数多汁植物如菠箩、甜菜等所遵循的称为CAM的光合作用途径[1、2]。

自然界的植物因光合作用的途径不同，而导致了最初产物的不同。而不同的最初产物的植物间碳同位素组成是有差别的,可以用δ13C值定量表示。通过对自然界数百种不同科、属、种的植物的研究发现，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‰。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‰。这些研究结果给后来的研究提供了直接的对比标准。对于出土残余物而言，因炭化过的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。因此可以基于动植物的碳氮同位素分布模式来判别炭化物的食物来源。

国际上文献报道的应用残余物的碳、氮同位素分析区分食物的种类,进而探讨古人类食物构成的实例已屡见不鲜.例如研究者对墨西哥考古遗址的残余物研究表明，公元前200-公元1000年，居民的主要食品是非豆科C3类植物，公元1000-1200年期间又同时食用玉米，公元1200-1400年停止食用玉米。这种变化反映了农作物种植量的变化。（3）还有研究者对北美安大略湖南岸和北岸公元600年前后不同遗址中的陶器内炭化物进行了碳氮同位素分析，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；在公元600年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（4）。 Craig等人则对公元前6000年-公元前4000年期间的数个欧洲沿海及岛屿遗址出土的陶容器内残余物进行了碳、氮同位素分析。测试结果表明，有一些容器可能是用于海产品的加工（5）。

目前国内关于出土残余物碳、氮同位素分析的研究尚未见报道，因此，我们利用碳同位素分析技术首次对二里头遗址出土的陶容器内残余物进行分析以区分食物的种类并继而探讨古人类食物构成。

二里头遗址位于河南省偃师市二里头村，总面积约300万平方米。考古发掘和研究情况表明，此遗址的主体文化遗存属于二里头文化,是二里头文化时期的一处超大型聚落遗址,绝对年代约为公元前1800-公元前1500年。该遗址拥有目前所知中国最早的城市道路系统、最早的宫城、最早的宫殿建筑群、最早的青铜礼器群及青铜冶铸作坊，是迄今为止可确认的我国最早的王国都城遗址（6）。出土遗物中有青铜器和大量陶器、玉石器等。通过浮选方法获得的农作物遗存主要有粟、黍、稻谷、大豆等品种。其中，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，这表明二里头遗址先民的饮食结构中主食是多品种的。尽管如此，在二里头文化不同时期该遗址的居民主食结构中稻粟的比重究竟孰轻孰重，其是否存在一定程度的变化仍是未解之迷。有鉴于此，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余物进行了碳十三同位素分析，以期能够为探讨二里头遗址先民的饮食结构及其变化提供信息。

1、材料和方法

1.1 样品采集

残余物样品采自11件陶容器残片，分别属于二里头文化二至四期。这些残片的内壁附着有厚薄不一的炭化物颗粒，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、出土地点列于表1中。

1.2 样品测试

残余物样品的碳十三同位素分析是在中科院生态和环境稳定同位素实验室进行的，主机型号为DELTA plus XP外加元素分析仪 Falsh EA1112，精度：13C<0.1‰ 15N<0.2‰。检测结果列于表1中。

表1 二里头遗址出土残余物背景信息及测试结果

2、 结果与讨论 2.1 残余物分析所反映的二里头遗址居民的食物结构

根据检测结果，11份残余物样品中，有5个样品的δ13C 值大约在 -12‰～-14‰，在C 4类植物的δ13C 值范围内，推断其原来可能是盛装粟类植物的。还有5个样品的δ13C 值大约在 -16‰～-18‰，介于C 3类植物与C 4类植物之间，原来盛装的既可能是稻米、小麦、豆类及小米的混合物，也可能是CAM 类植物如甜菜等；另有2个样品的δ13C 值大约在 -24‰～-26‰，在C 3类植物的δ13C 值范围内，判断其原来可能是盛装稻米、小麦、豆类等类植物的。所有样品的δ13C 值如图1 所示。图1中纵坐标表示δ13C 值的大小，横坐标表示二里头文化不同期别。从图1可以明显看出，二里头遗址的居民食物中兼具C 3类和C 4类植物，而且，C 4类植物也就是粟的比例可能更高一些。此外，不同时期出土残余物的δ13C 值是不同的，这反映了二里头文化不同时期二里头遗址的居民食物结构发生了变化。

δ13

图1 二里头遗址不同时期出土残余物的δ13C 值

粟是中国最古老的作物之一。它具有生育期短、耐旱、耐瘠，籽粒耐贮藏等特点，适宜

在北方干旱地区中生长。而稻属喜湿作物，适宜生长在湿润多雨的南方。南稻北粟是中国传统的农业布局，这既反映了稻和粟在古人食物结构中的重要地位，也反映了这两种农作物生长环境的差异。那么，为什么两种生长环境截然不同的农作物同时出现在二里头居民的食谱中呢？因为二里头遗址具有独特的生态环境。

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。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[7]，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[8]。与我们的测定结果十分吻合。在我们分析的11份残余物样品中，有5份样品可能是来自粟类等C4植物；只有2个样品可能是稻米等C3类植物的。可见，居民主要依赖粟类粮食。

另外，根据二里头遗址出土人骨的碳同位素分析结果，22例人骨样品中除了2个以外，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[9]。众所周知，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。

综上所述，二里头遗址出土陶容器内残余物的碳同位素分析表明，二里头遗址的居民食物中兼具C3类和C4类植物，主食是多品种的。而且，C4类植物也就是粟的比例可能更高一些。这一结果与植物遗存的考古学研究结论是一致的，与出土人骨的食物结构研究结果也是一致的。

2.2残余物分析所反映的不同时期食物结构的变化

在我们所分析的11份残余物样品中，属于二里头文化二期的样品有2例，δ13C值范围为–12～-14‰，有可能来自C4类植物，如玉米、小米、高粱、甘蔗等。属于二里头文化三期的样品只有1例，δ13C值为-16‰，介于C3类植物与C4类植物之间，既可能是稻米、小麦、豆类及小米的混合物，也可能是CAM类植物如甜菜等。属于二里头文化四期的样品有8例，其中有3例δ13C值范围为–12～-14‰，可能来自C4类植物，如小米、高粱，甘蔗等；还有3例样品δ13C值范围大致为-16‰～-18‰，介于C3类植物与C4类植物之间，既可能是稻米、小麦，豆类及小米的混合物，也可能是CAM类植物如甜菜等；另有2例样品δ13C 值范围大致为-24‰～-25‰，可能来自C3类植物如稻米、小麦、豆类等，表明此时二里头居民食物内容的丰富。

由于来自二里头文化二、三期的残余物样品数量不多，目前我们还无法推断二、三期的居民饮食结构的具体情况怎样，但由于我们所分析的样品来自田野考古中的随机取样，就目前的数据结果而言，大致可以看出，与二、三期相比，二里头文化四期的居民食物中C3类植物的比例增加了。前已述及，C3类植物有稻米、小麦、豆类等农作物，二里头遗址出土的

农作物遗存中C3类植物主要有稻谷、大豆。稻谷数量约占出土农作物总数的三分之一，加上大豆，C3类植物的数量与C4类植物植物几乎相当，居民的食物结构中C3类植物的比例增加应在情理之中。

3、结论

通过对二里头遗址出土的陶容器内残余物进行碳同位素分析，可以得到以下结论：（1）对二里头遗址出土陶容器内残余物进行碳同位素分析的结果表明，可以由此推断陶容器内原来盛装的植物种类，进而推测古人的食物结构，因而是一种十分有效的技术。

（2）研究结果表明，二里头遗址的居民食物中兼具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。

（3）对二里头遗址出土的陶容器内残余物进行碳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。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快速的发展。因此，作为人类文明重要标志的铜器的出现、城市的兴建同时出现在这一地区。也正是稻粟交错地带所创造的高度文明奠定的基础，取代氏族组织的国家政权才最先在这里诞生。

参考文献

1．Nikolaas J.Vander Merwe，etc，Isotopic evidence for prehistoric subsistence change at Parmana，Venezuela， Nature， Vol 292，August，6， 1981。

2．陈铁梅，科技考古学，北京大学出版社，2008年。

3. M. J. DeNiro, Stable isotope and archaeology, Amer.Sci., 75,182~191. 1987。

4. June D. Morton, Henry P. Schwarcz. Palaeodietary Implications from Stable Isotopic Analysis of Residues on Prehistoric Ontario Ceramics. Journal of Archaeological Science, 2004, 31 （5）： 503-517.

5. O.E.Craig, MForster,S.H.Andersen et al.,Molecular and isotopic demonstration of the processing of aquatic products in northern European prehistoric pottery, Archaeometry 49,1:135-152,2007.

6. 许宏，最早的中国，科学出版社，2009年，14-18。

7. 王星光、徐栩，新石器时代粟稻混作区初探，中国农史，2003年第3期。

8. 赵志军，公元前2500年-公元前1500年中原地区农业经济，科技考古（第二辑），1-11，科学出版社，2007年。

9. 张雪莲，仇士华等，二里头遗址、陶寺遗址部分人骨碳十三、氮十五分析，科技考古（第二辑），41-48，科学出版社，2007年。