四川大邑縣高山古城遺址寶墩文化先民牙本質序列的碳氮穩定同位素分析_風聞

摘要：通過對成都平原新石器時代晚期（約4500BP）高山古城遺址出土人骨和牙齒進行穩定同位素分析，重建個體層面上先民的生活史，以及斷奶行為、生活方式等重要信息。人骨同位素數據（δ13C:-19.6‰～-18.0‰）表明，該人羣主要以C3類食物為食，這應當與當時較為發達的稻作農業相關。然而，該羣體的個體牙本質序列的同位素數據（δ13C:-19.6‰～-15.0‰）較骨骼更高，顯然這是因為C4類食物（粟黍作物）在其先民斷奶過程和童年早期起到了重要作用。此外，個體牙本質序列氮穩定同位素比值的變化趨勢，顯示總體上先民的斷奶行為在2.5～4歲之間完成。這一研究成果，為探討稻粟混作區的粟作農業在先民生活方式中的重要地位以及其向南方傳播和擴散的進程提供了新的研究視角。

一 引言

本文擬以成都平原新石器時代晚期（約4500BP）高山古城遺址出土的人骨和牙齒為研究對象（圖一），通過對個體的牙齒序列以及同一個體肋骨和肢骨的碳、氮穩定同位素分析，重建個體的生活史，揭示個體的哺乳、斷奶行為以及童年時期的生存方式，探討不同作物（稻和粟）在個體生長發育過程中的地位和作用。

二 穩定同位素分析原理簡介與取樣方法

由於光合作用途徑的不同，自然界的植物可主要分為C3和C4植物。兩類植物在固碳過程中，碳穩定同位素分餾係數存在較大差異，造成二者的δ13C值差異較大。由此，利用δ13C值，即可對基於兩種植物為底層的食物鏈上的動物或人類進行區分。此外，由於海水中的二氧化碳更富集13C，δ13C值也可用於區分海洋和陸地食物。對氮穩定同位素而言，δ15N值沿食物鏈上升時逐步富集，每上升一個營養級大約增加3～5‰。因此，δ15N值可用於揭示動物或人類營養級別，瞭解它們的食物是否來自陸地、淡水和海洋資源。

目前，穩定同位素分析中的研究材料，主要是動物或人類遺留的硬組織，即骨和牙齒。對於骨骼而言，其在個體的生命週期中不斷更新，並且不同種類或部位的骨骼更新速率，也存在一定差異。例如，皮質骨（如股骨）中的化學組成完全發生替換，至少需要10年；而松質骨（如肋骨）則明顯較短，在2～5年即可完成。因此，對具有不同更新速率的骨骼進行取樣，通過其穩定同位素數據的比較，就可釋讀該個體死亡前的食物來源變化及可能的遷徙活動。

近年來，根據上述原理探討古代兒童哺乳斷奶行為及童年時期食物結構的研究，已方興未艾。研究顯示，純母乳餵養嬰兒的頭髮和指甲角蛋白，其δ13C和δ15N值較母親分別富集1‰和2～3‰。隨着斷奶過程的開始和輔食的攝入，兩者之間的差異逐漸減小，直至母乳餵養完全停止。因此，通過比較未成年羣體與成年羣體（近似代表其母親）骨骼的穩定同位素值，就可揭示羣體的斷奶模式和童年時期的食物結構。

與骨骼不斷更新相反，牙齒自形成之後就保持恆定。故此，牙釉質或牙本質的穩定同位素比值，提供了個體在牙齒形成期間的食物結構信息。恆齒在個體出生後即開始生長發育，並在不同年齡段（8～20歲）停止發育。具體的停止發育時間，依牙齒類型不同而存在差異。例如，第一磨牙在出生後不久就開始形成，並在9～10歲完成發育；而第二磨牙形成於3～4歲，並在15歲左右完成發育。假設牙本質的發育速度較為平均，對牙本質進行序列取樣，則每個序列的牙本質部分，就對應於牙齒生長期間的某一個特定時期。因此，通過牙本質序列的穩定同位素分析，就可在較高時間分辨率下（小於1年）重建個體從出生到青春期的生活史。

三 遺址考古背景

成都平原地處中國西南，位於黃河上游與長江中游之間（圖一）。特殊的地理環境使其成為南方稻作農業向北擴散和北方粟作農業向南傳播的地理通道和文化緩衝區。該地區的考古學文化序列和對應的農業類型，如表一所示。

高山古城遺址位於四川大邑縣，是川西北高原向成都平原過渡的前沿地帶（圖一），面積約34.4萬平方米，於2003年由成都文物考古研究所調查發現。2015～2016年，成都文物考古研究所對該遺址展開了第一次正式發掘，發掘面積800平方米，發現了新石器時代（寶墩文化）墓葬89座、人祭坑1座、灰坑86座、灰溝12條，發現大量人工製品如陶器、石器、骨器、玉器等。雖然該遺址的測年尚未完成，但根據墓葬出土的器物類型可以判斷，墓葬年代屬於寶墩文化一期，即距今約4500年。由此，該遺址出土的人骨，迄今為止在成都平原年代最早。

目前，出土人骨，尤其是頭骨的形態學研究，初步表明先民中可能存在着不同的族源。此外，該遺址還發現了大量的動植物遺存，包括水稻（Oryzasativa）、薏苡（CoixlacrymajobiL.）、粟（Setariaitalica）、黍（Panicummiliaceum）、蒼耳（XanthiumsibiricumPatrinexWidder）、豇豆（Vignaunguiculata(Linn.)Walp.），以及豬、狗、鹿和魚等，其中水稻和豬發現最多。目前，該遺址的植物和動物考古的系統性研究尚未展開。但在距高山古城遺址約22千米處的與本遺址同時期的寶墩遺址（圖一），先民以稻作農業為主，粟作農業為輔（表一）。

四 材料和方法

（一）材料

本研究選取了高山古城遺址中12個個體的股骨、肋骨以及牙齒為材料。參照White和朱泓提出的方法鑑定了每個個體的年齡和性別。各樣品的具體信息，包括考古學背景和人類學資料，見表二。

（二）骨膠原製備與測試

根據Beaumont等的研究方法提取了牙本質序列膠原蛋白；參考Richards和Hedges的研究方法提取了骨膠原。樣品的前處理，均在中國科學院古脊椎動物與古人類研究所脊椎動物演化與人類起源重點實驗室進行。其具體過程為：首先機械地除去樣品內外表面污染物質，並超聲沖洗以進一步清潔。考慮到牙齒保存狀況不佳，機械地剝離牙釉質與牙本質會對樣品造成二次破壞，因此直接將牙釉質溶於酸性溶液。將樣品（骨骼和牙齒）放入0.5MHCl溶液中，在4℃下放置約2周，酸液每1～2天更新一次，直至無氣泡產生。用去離子水將樣品漂洗至中性後，放置在4℃下，0.125MNaOH溶液中浸泡約20小時。再次沖洗至中性後，分開處理骨骼和牙齒。對於牙齒，首先去除次級牙本質（在牙齒髮育完成後，沉積在牙髓腔內的繼發性牙本質），再用無菌手術刀將牙本質橫向切成1mm的序列。然後，將牙齒切片和骨殘留物置於0.01M的HCl溶液中，70℃下明膠化24小時。對於骨骼，溶液需進一步熱濾。最後，將所有的溶液冷凍並乾燥得到膠原。最後稱重，計算骨膠原產率。

膠原的碳、氮元素含量及穩定同位素比值，在中國科學院大學考古學與人類學系穩定同位素考古實驗室測試。儀器為元素分析儀（VarioPyroCube）聯用的同位素質譜儀（IsoPrime-100IRMS）。測試的膠原蛋白，質量為0.5～1mg。碳氮穩定同位素比值，分別表示為相對於國際標準VPDB和AIR的δ13C和δ15N值。測試中的國際標準樣品，包括Sulfanilamide、IAEA-600、IAEA-N-2、IAEA-CH-6、USGS40和USGS41，用於元素含量和穩定同位素值的校正。標準物質的δ13C和δ15N值，其分析精度均為小於或等於±0.2‰。此外，實驗室自制膠原蛋白標樣（δ13C值為-14.7‰±0.2‰，δ15N值為7.0‰±0.2‰），也被插於樣品序列中，用以監測儀器的穩定性。每個樣品的元素含量和同位素數據，如表三、四所示。

整體上，該遺址的人骨和牙齒保存較差。24例骨骼中僅有8例骨骼（33%，包括：2例肋骨和6例股骨）以及12個個體牙齒僅有5個（42%，包括：1顆犬齒、2顆第一臼齒和2顆第二臼齒），其碳氮摩爾比在正常範圍2.9～3.6內，氮含量高於4.8%，碳含量高於13%，落於未受污染、保持較好的樣品範圍內。此外，應該指出的是，該遺址牙齒的牙冠或牙根部分都有一定程度上的磨損。因此，本文根據Beaumont和Montgomery（2015）的方法，以牙冠和牙骨質結合的點為起點，對每一序列的年齡進行了大概的估算（表四）。5顆牙齒，分別重命名為個體A到E（表四）。

五 結果與討論

（一）穩定同位素分析

如圖二和表三所示，8個先民骨膠原蛋白的δ13C值，位於–19.6‰～–18.0‰，均值為–18.8±0.6‰(n=8)，表明這些個體主要攝取了C3類的食物；δ15N變化範圍為9.5‰～11.1‰，均值為10.3±0.6‰(n=8)，表面先民的食物中包含了大量的動物蛋白。此外，8例人骨中，僅有1例兼具肋骨和股骨（M86）。由圖可見，該個體的兩類骨的同位素數據，非常接近，表明該個體的食物來源一直較為穩定。

與骨骼相比，人牙本質序列的同位素數據變化較大。如δ13C值落於-19.6‰～-15.0‰範圍，而δ15N值則在9.0‰～14.9‰。在圖三中除個體B（M86）外，其餘個體牙齒的同位素數據均存在一定程度的波動，表明他們的食物來源在其牙齒形成期間有所變化。此外，代表個體幼年期或青年期的牙齒序列（點），與代表個體成年期的骨骼（實線或虛線）並不重合，表明先民的食物結構並不是一成不變，存在着一定的變遷。這些變遷，將在以下部分進行詳細討論。

（二）個體斷奶模式與生活史重建

考古資料顯示，水稻和粟黍都是該遺址的種植作物。粟黍為典型的C4類植物，其δ13C值約為-12‰。如此，若先民食物中包含一定量或大量的粟黍，則其硬組織中的δ13C值，應明顯偏正。然而，在高山遺址中先民骨骼（肋骨和股骨）的δ13C值，卻顯示出顯著的C3類同位素信號，表明先民大量攝取了水稻（C3類植物）或其他C3類植物，抑或以C3類植物為食的動物。而粟作農業，包括粟黍作物本身以及以粟黍作物副產品為食的動物，對先民生活方式的貢獻基本不見或甚少。高山遺址先民骨骼具有偏高、多樣的δ15N值，表明其食物中包含較大量的陸地或淡水資源的動物蛋白。由此，基於先民骨骼的碳和氮穩定同位素數據，可以推斷，先民主要從事稻作農業和漁獵活動。該遺址出土的動植物遺存（參見考古學背景部分），也進一步證實了這點。

如前所述，骨骼中的穩定同位素比值，僅反映個體死前一段時間內食物來源的平均水平，而牙齒則代表了個體幼年以及青年時期。在本研究中，未受污染的牙齒，共5顆，可分為兩大類。一類是犬齒和第一臼齒（圖三中的個體A、D、E），代表童年時期，包括哺乳和斷奶期；另一類（圖三中的個體B、C）是第二臼齒，代表童年到青年時期（大於14歲）。

個體A（M6），是一名30歲左右的女性。牙本質序列的δ13C值為-17.6‰～-15.0‰，平均值為-16.8±0.7‰（n=15），與肋骨（-18.0‰）相比約富集3‰，已大於由於哺乳效應所引起的富集（約1‰）。顯然，該個體在童年時期攝取了一定量的C4類食物（粟類作物）。該個體的牙本質序列δ15N值，為9.9‰～14.9‰，平均值為11.5±1.4‰（n=15）,略高於肋骨（10.8‰）。值得注意的是，δ15N值從2.5到4歲逐漸穩定下降（圖三），這當緣於該個體的斷奶行為。

個體B（M86），是一名大約30至40歲的女性。牙本質序列的δ13C值在-17.5‰～-16.8‰之間，平均值為-17.1±0.2‰（n=15）。δ15N值在10.5‰～10.9‰之間，平均值為10.7±0.1‰（n=15）。這些值略高於肋骨值（-18.1‰，9.5‰）和股骨值（-18.3‰，9.7‰）。牙本質和骨骼之間的這種同位素差異表明，與晚年相比該個體在童年和青春期消耗了更多的C4食物（粟類作物），以及可能更多的動物蛋白。

個體C（M87），是一名20至30歲的男性。牙本質序列的δ13C值在-19.6‰～-17.8‰之間，平均值為-18.3±0.5‰（n=19）。牙本質序列的δ15N值為10.4‰～11.4‰，平均值為10.9±0.3‰（n=19）。δ13C值相比股骨值（-19.3‰）高，但在～12至17歲之間逐漸降低，顯示出偏向C3飲食的變化。與股骨（10.4‰）相比，牙本質序列的δ15N值總體上也偏高，但顯示出比δ13C更多的變化。這一現象可能表明，該個體在不同時期存在不同量的動物蛋白消耗或可能是營養壓力，已有研究發現營養壓力會導致δ15N值升高。然而，在～15至17歲之間，δ15N值增加，δ13C值下降，這種同時的轉變代表了這個年齡段某一類型的飲食變化，可能增加了水稻或其他C3食物的消費量。

個體D（M38）是男性，年齡為30至40歲。牙本質序列的δ13C值在-18.2‰～-19.3‰之間，平均值為-18.9±0.4‰（n=12）。牙本質序列的δ15N值在10.0‰～12.0‰之間，平均值為11.0±0.5‰（n=12）。由於斷奶效應，δ15N值持續下降至3.5歲，並與股骨值（10.7‰）相交於2.5～3歲，反映個體D在這一期間停止母乳餵養。相比之下，斷奶期的δ13C值增加，尤其是在4至5歲停止母乳餵養後，這可能反映了該個體斷奶期和幼年期飲食包含C4類食物即粟類作物。

個體E（M40）是一個不確定性別的個體，年齡12至15歲。牙本質序列的δ13C值在-17.9‰～-15.7‰之間，平均值為-17.0±0.9‰（n=10）。牙本質序列的δ15N值範圍為10.0‰～12.8‰，平均值為10.9±1.1‰（n=10）。牙本質δ15N值，在約3.5歲前逐漸降低至股骨值(10.7‰)，反映了停止母乳餵養的大致時間。在～2至2.5歲之間，δ13C值顯示出～1‰的增加，並且這種指示粟類作物消耗的同位素特徵在整個斷奶過程中仍然保持高值。這表明個體B在斷奶和幼年期間消耗了C4食物。

綜上所述，可以看出，先民在幼年時期均不同程度上存在食粟的現象，在性別上還存在一定的差異。在圖四中，女性（個體A和B）具有比男性更高的δ13C值（個體C和D），表明在斷奶和童年期間，女性似乎偏好食粟。然而，由於相對而言，分析可得的個體數量較少，無法明確這是偶然現象還是確實如此。倘若如此，這些女性的來源和身份，需要我們在今後的研究中進一步探索。此外，我們還發現，高山古城遺址先民的斷奶行為，發生在～2.5至4歲之間。這一結果，與我們之前在安徽西周薄陽城遺址的研究相似（圖一）。這兩個遺址，均屬稻粟混作區。由於目前國內在此方面的研究尚缺乏，稻粟混作區人羣的斷奶時間是否皆是如此，也需日後加以細緻研究。

（三）粟作農業在新石器晚期成都平原先民生活方式中的重要地位

桂圓橋遺址地處成都平原，位於高山古城遺址附近。該遺址（一期，5100至4600BP）的植物考古研究表明，粟作農業可能來自川西北高原；到了寶墩時期（4500至3700BP），隨着長江流域文化的向西擴張，稻作農業成為成都平原的主要農作物。本研究中人骨的穩定同位素分析，也證實了這點。然而，也有學者指出，粟黍相比較水稻而言，具有耐旱、生長期短的特點，可作為先民維持膳食多樣性、減少風險的重要食物來源。如此，稻粟的雙作物系統，有利於人口增長、促進新地域的開發和社會複雜性的發展。本文通過對先民牙本質序列的研究，清晰地彰顯了粟類作物的攝取在先民幼年期生長和發育過程中的重要作用。

現代營養研究表明，粟可為人類提供健康和多樣化的營養，包括蛋白質、脂肪、硫胺素、纖維素和礦物質。值得一提的是，粟含有低過敏性蛋白質，非常適合孕婦和嬰兒所食。由小米制成的粥，很容易被消化，被視為嬰兒和兒童的理想食品。即使在現今的中國北方，孕婦和嬰兒喝小米粥的現象，也非常普遍。然而，在以水稻為主食的中國南方，這種做法很少見。故此，我們推測，高山古城遺址個體在童年時期攝食小米的生活習性，很可能來自北部的甘青地區和川西北高原，並對先民的營養和健康起到了重要作用。如此，長期以來在稻粟混作區粟類作物在先民生活方式中的重要地位，需要重新加以審視。顯然，開展先民牙齒牙本質的序列研究，已是我國今後穩定同位素分析的重要研究方向。

六 結論

自距今大約8000年前，粟作農業與稻作農業在黃河流域與長江流域之間形成了廣泛的混作區域。本文基於對高山古城遺址個體的牙本質序列以及骨膠原的穩定同位素進行分析。初步研究表明，儘管該地區主要農作物是水稻，但是在先民生長發育期間，特別是在斷奶期和童年早期，小米對先民的飲食有很大貢獻。遺憾的是，由於本研究中骨骼和牙齒樣本保存較差，只有少數樣本可用於同位素分析。但我們的研究結果仍然提供了一個新的視角，重新思考粟作農業在成都平原新石器時代晚期文化交流和人羣活動過程中所起的作用。