河北南部兩處先商文化遺址動物骨骼的穩定同位素分析

侯亮亮 喬登云

【關鍵詞】河北南部；河北村遺址；滏陽營遺址；先商文化；替代性指標；C、N穩定同位素

【摘要】河北村遺址和滏陽營遺址是河北南部的先商文化遺址，通過對這兩處遺址出土的77件動物骨骼進行C、N穩定同位素分析，發現豬（-7.6±1.4‰，n=33）、狗（-9‰±2‰，n=7）和牛（-9.4‰±2.6‰，n=15）的δ13C值普遍高于羊（-13.3±3.9‰，n=16）的相應值，這說明前三者主要以C4類食物（粟、黍及其副產品）為食，而羊則以C3類（野生草本植物）和C4類食物為主，據此可推測這兩處遺址先民可能主要從事粟黍農業。將豬的食物作為重建先民生業經濟的替代性指標可知，滏陽營遺址比河北村遺址的粟黍農業發展程度更高一些。

文獻記載顯示，先商文化時期存在著多種生業經濟，既有“伏牛乘馬”式的游牧經濟，也有“立皂牢，服牛馬”式的家畜飼養經濟，亦有“穡事”等農業經濟[1]。這種情況在考古方面也得到了印證，如動物骨骼初步研究顯示，先商文化時期先民獲取肉食資源包括家畜飼養、狩獵等多種途徑[2]；植物浮選結果顯示，河南北部地區仰韶文化晚期至先商文化時期的先民主要以粟黍農業為生[3，4]。除文獻史料和常規的動植物考古研究外，還可以通過分析先商文化時期遺址出土的人和動物骨骼中的C、N穩定同位素，還原人們的食物結構及家畜的飼喂方式，為先民生業經濟的重建提供線索。如通過C、N穩定同位素分析可知，位于河南北部的鶴壁劉莊墓地[5]和位于河北南部的磁縣南城墓地[6]的先民主要以粟黍及以粟黍飼喂的動物為食；河南北部安陽鄣鄧遺址的先民以粟黍來喂養豬和狗，并在牛和羊的食物中添加了一定比例的粟黍及其副產品[7]，河北南部的邯鄲白村遺址[6]和中部的贊皇南馬遺址[8]的先民對動物的飼喂方式與其相似。以上成果表明，自河南北部至河北南部，先商文化時期先民主要以粟黍農業為生，并以此來飼喂家畜。

磁縣的河北村遺址和滏陽營遺址是位于河北南部的兩處先商文化遺址，均無人骨出土，一定程度上影響了對該遺址先民生業經濟的解讀[9]。鑒于此，本文擬對兩個遺址發掘出土的動物骨骼進行C、N穩定同位素檢測和分析，以還原動物的食物結構，間接重建無人骨發現的遺址的生業經濟。

一、C、N穩定同位素分析原理

據“我即我食”的原理，不同食物的同位素組合特征不同，不同類型的食物經過生物體的消化吸收，相應的差異會保留在生物體的硬組織中，因此通過分析生物體的硬組織，如人和動物骨膠原中的C、N穩定同位素比值，可以準確有效地還原他們的食物結構。

人和動物骨膠原中C、N在不同生物體中的組成差別分別表示為13C/12C和15N/14N，習慣上用δ13C和δ15N表示。當植物被動物所食，在植物中的C經動物消化、吸收轉化為骨膠原中C的過程中，δ13C值將發生約5‰的富集[10]。稻、麥、豆類及大多數草本植物等屬于C3植物，δ13C均值為-26.5‰；粟、黍和玉米等屬于C4類植物，δ13C均值為-12.5‰。以100%的C3、C4類食物為食的動物，其骨膠原中的δ13C值應分別約為-21.5‰和-7.5‰[11]。因此，通過分析人和動物骨骼中骨膠原的δ13C值，可大致了解他們食物來源（包括植物或動物）的類型。而N同位素更多地用以確定人和動物在食物鏈中的地位，通過人和動物骨骼中骨膠原δ15N值，可判斷其肉食資源和營養級。研究表明，沿食物鏈的營養級每上升一級，δ15N值將富集3‰～5‰[12，13]。一般認為，植食類動物的δ15N值約為3‰～ 7‰，雜食類約為7‰～9‰，而食肉類則常大于9‰[14]。

二、材料與方法

本研究選取河北村遺址出土的動物骨骼樣本31例（HBCS1～HBCS31），包括狗樣本4例，豬樣本14例，牛樣本10例，羊樣本3例；選取滏陽營遺址出土的動物骨骼樣本46例（FYYS1～FYYS46），包括狗樣本3例，豬樣本21例，牛樣本6例，羊樣本13例，鹿樣本3例。共計77例（表一）。

（一）骨膠原提取及測試

1.骨膠原的提取

骨骼的主要成分為骨膠原和羥磷灰石（礦物質），欲得到骨膠原，必須去除羥磷灰石。1999年，Richards和Hedges開始采用“酸—堿—酸”的方法有效提取骨膠原[15]；2006年，Jay和Richards對該方法進行了改進，調整了酸堿溶液的濃度和反應時間等，提高了骨膠原得率和純凈度[16]。本實驗參考上述方法，具體過程如下：

①機械去除骨樣內外表面的污染物后，稱取2克左右骨樣，放入0.5mol/L、4℃的HCl溶液中浸泡，每隔兩天更換酸液，直至骨樣松軟，無明顯氣泡；將骨樣從酸液中取出，用去離子水清洗至中性；

②放入0.125mol/L的NaOH溶液中浸泡20小時，然后用去離子水洗至中性；

③浸于0.001mol/L、70℃的HCl溶液中加熱48小時后，趁熱過濾，再將濾去殘渣的溶液放入-20℃以下的環境中冷凍48小時后，得到骨膠原；

④稱重，計算骨膠原得率（骨膠原重量/骨樣重量）。

2.骨膠原的測定

（1）測試儀器

Elementar Vario-Isoprime100型穩定同位素質譜分析儀，由德國Isoprime公司生產。

（2）測試過程

骨膠原中C、N元素含量及其穩定同位素比值的測定工作在中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所測試中心進行，其具體步驟為：

①取少量骨膠原，稱重，采用Elementar Vario-Isoprime100型穩定同位素質譜分析儀測試其C、N含量及同位素比值。其中，測試C、N含量所用的標準物質為磺胺（Sulfanilamide），C、N穩定同位素比值分別以USGS 24標定碳鋼瓶氣（以VPDB為基準）和IEAE-N-1標定氮鋼瓶氣（以AIR為基準）為標準。分析精度均為±0.2‰，測試結果以δ13C（相對于VPDB）、δ15N（相對于AIR）表示。

②每測試10個樣品，需插入一個膠原蛋白標準樣品，以測試儀器的穩定性。標樣的δ13C值為-14.7±0.2‰，δ15N值為6.9±0.2‰。若測標值與此值相同，則說明儀器性能正常，可以繼續進行樣本測試；若測標值與此值出入較大，則需要調試儀器至與此值相同或相近，才可繼續測試樣品。

（二）數據分析

本研究運用SPSS22.0和Origin8.0軟件對實驗所得的相關數據進行統計和分析。

1.首先運用SPSS22.0軟件統計和分析骨膠原提取率，C、N含量和C/N摩爾比值的分布范圍及均值，計算δ13C、δ15N的均值及誤差范圍，以判斷骨膠原的保存情況。

由表一可知，77例動物骨骼樣本的骨膠原提取率在0.3%～19.4%之間，均值為2.5±2.5%，和現代樣品（約含20%骨膠原[17]）相比有較大差距。其中樣品HBCS13、HBCS15和HBCS22的提取率最低，樣品HBCS16的提取率最高。C含量在4.2‰～47‰范圍內，均值為40.8±8.2%，與現代樣品C含量類似（41%）[18]。其中樣品FYYS18的C含量最低，樣品HBCS26和FYYS36的C含量最高。N含量在1.5%～17.1%范圍內，均值為15.1±3.1%，與現代樣品N含量（15%）類似。其中樣品HBCS18和FYYS18的N含量最低，樣品HBCS25、HBCS26和FYYS27的N含量最高。C/N摩爾比值的正常范圍應在2.9～3.6之間[19]，其中樣品HBCS18、FYYS11的C/N摩爾比值分別為9.2、3.7，高于這一標準，樣品HBCS22的C/N摩爾比值為2.8，低于這一標準，說明這三個樣本受到了污染，不能用于后續研究；其余74例樣品的骨膠原C/N摩爾比值均在2.9～3.6之間，說明骨膠原保存完好，可用于穩定同位素分析。

為了還原先民的生業經濟，我們特別對家豬的相關數據進行了統計分析。經統計，河北村遺址共有13例家豬骨骼樣本，其δ13C均值為-8.3±1.7‰；滏陽營遺址共有20例家豬骨骼樣本，其δ13C的均值為-7.2±1‰——河北村遺址家豬骨骼樣本的均值明顯低于滏陽營遺址的相應值。而河北村遺址13例家豬骨骼樣本的δ15N均值為8.6±0.5‰，高于滏陽營遺址20例家豬骨骼樣本的δ15N均值7.1±0.8‰。

為了論證家豬骨骼樣本所得出的δ13C和δ15N值是否在統計學上存在顯著差異，我們還利用SPSS22.0做了獨立樣本T檢驗。以δ13C值為例，將兩處遺址家豬樣本的δ13C值分別作為一組數據計算得出一個t值和顯著性概率值P。δ15N值同理。得到的結果是：δ13C值的t值為2.177，P值為0.044；δ15N值的t值為-5.794，P值為0.000。統計學中，如果P小于或等于顯著性水平α（α表示原假設為真時，拒絕原假設的概率，通常取α=0.05），則認為兩組數據之間存在顯著差異，反之則不存在顯著差異。統計結果顯示，兩處遺址家豬骨骼樣本的δ13C和δ15N均值的P值均低于0.05，即二者統計學差異均明顯，存在統計學上的意義。

2.在此基礎上，又用Origin8.0軟件制作了滏陽營遺址和河北村遺址動物骨骼骨膠原δ13C和δ15N值的散點圖及兩個遺址家豬δ13C和δ15N均值的誤差棒狀圖。

圖一為河北村遺址和滏陽營遺址動物骨骼骨膠原δ13C和δ15N值的散點圖，橫坐標為δ13C值的分布范圍（-23‰～-5‰），縱坐標為δ15N值的分布范圍（3‰～12‰）。制圖選取了兩個遺址中發現的74例保存完好的動物骨骼樣本數據（其中包括狗骨骼7例，豬骨骼33例，牛骨骼15例，羊骨骼16例，鹿骨骼3例），可以直觀地看出不同種屬動物的δ13C和δ15N值的分布情況，為研究不同種屬動物的攝食習慣及各自與先民的關系提供借鑒。

圖二為河北村遺址和滏陽營遺址家豬δ13C和δ15N均值的誤差棒狀圖，橫坐標為δ13C值的分布范圍（-12‰～-6‰），縱坐標為δ15N值的分布范圍（6‰～10‰）。制圖選取了河北村遺址的13例和滏陽營遺址的20例家豬骨骼樣本δ13C和δ15N均值，可以直觀地看出兩處遺址的家豬δ13C和δ15N均值的差異情況，為研究兩處遺址家豬食物結構及先民生業經濟的差異提供借鑒。

三、結果與討論

（一）動物的食物結構

由圖一可見，不同種屬動物的δ13C和δ15N值的分布較為分散，說明它們的食物結構存在一定的差異，這可能與不同的食物來源及生活習性有關。

本研究中的3例鹿骨骼樣本均出自滏陽營遺址，δ13C值分別為-21.1‰、-20.5‰和-20.5‰，均值為-20.7±0.3‰，與前文提及的100%C3類植物為食的δ13C值（-21.5‰）相近；δ15N值分別為4.8‰、3.6‰和5.8‰，均值為4.7±1.1‰，符合植食類動物的δ15N值（3‰～7‰）范圍。野生草食動物，如鹿等的穩定同位素比值可以作為當地野生植被穩定同位素基準值的參考，同時，古土壤有機碳的研究也表明，我國古代北方地區的野生植被以C3類草本植物為主[20]，因此，滏陽營遺址在先商文化時期的野生植被應是以C3類植物為主。

15例牛骨骼樣本和16例羊骨骼樣本的δ13C和δ15N值均明顯高于鹿的相應值，但又呈現出不同的特征。首先，牛骨骼樣本的δ13C值在-17.4‰～-6.5‰之間，其中樣本HBCS19的δ13C值最小，樣本FYYS27的δ13C值最大。羊骨骼樣本的δ13C值在-21.7‰～-6.4‰之間，其中樣本FYYS36的δ13C值最小，樣本FYYS40的δ13C值最大。牛、羊骨骼樣本的δ13C值范圍均相對較寬泛，包含了C3植物和C4植物的δ13C值。從δ13C均值方面看，牛骨骼樣本為-9.4±2.6‰，低于羊骨骼樣本的-13.3±3.9‰，也暗示牛的食物中含有C4類食物，且比例要遠高于羊。但由于在先商時期我國北方主要種植粟、黍等C4類農作物，種植C3類農作物（稻、麥和豆類）的可能性極其有限，所以兩處遺址牛、羊的食物可能來源于粟、黍（及其副產品）和野生草本類植物。由此可說明，這兩處遺址的先民至少采用了野外放養（主要以C3野生草本植物為食）和舍飼（主要以粟、黍及其副產品等為食）兩種飼喂模式。其次，牛骨骼樣本的δ15N值在5.3‰～11.4‰范圍內，其中樣本HBCS19的δ15N值最小，樣本FYYS26的δ15N值最大；羊骨骼樣本的δ15N值在4.6‰～9.7‰范圍內，其中樣本FYYS38的δ15N值最小，樣本FYYS41的δ15N值最大。牛、羊骨骼樣本的δ15N值范圍均非常寬泛，說明個體間對蛋白質的消費程度存在較大的差異。結合動物考古研究成果可知，本研究涉及的大部分牛和羊的年齡都在一歲以下[1]。比如，樣本FYYS26是來自處于哺乳期的小牛，它的δ15N值達11.4‰，可能和母乳喂養等因素有關[21]。

33例豬骨骼樣本和7例狗骨骼樣本都具有較高的δ13C均值，即豬骨骼樣本的δ13C均值為-7.6±1.4‰，狗骨骼樣本的δ13C均值為-9±2‰，與C4類食物的δ13C值相近，說明其食物可能來自于粟黍產品的殘余或人類食物的殘余等，其中豬的食物結構中可能包含更多的C4食物。同時，豬骨骼樣本的δ15N值在5.2‰～9.4‰范圍內，其中樣本FYYS21的δ15N值最小，樣本HBCS5和HBCS8的δ15N值最大。狗骨骼樣本的δ15N值在6.9‰～10‰范圍內，其中樣本FYYS1和FYYS3的δ15N值最小，樣本HBCS3的δ15N值最大。豬、狗骨骼樣本的δ15N值范圍均較為寬泛，說明它們中的不同個體對人類食物中殘余蛋白質的消費存在一定的差異。

（二）先民的生業經濟

相關研究顯示，在中國北方的部分時空框架下，家豬和家犬的食物結構可以作為重建先民生業經濟的替代性指標，較為有效地反映先民的生業經濟[22]。上述兩個遺址發現的狗的個體數較少，缺乏統計意義，故下文僅以豬的相關數據來進行討論。

按表一數據計算，河北村遺址豬骨骼樣本13例，其δ13C均值為-8.3±1.7‰，δ15N均值為8.6±0.5‰；滏陽營遺址豬骨骼樣本20例，其δ13C均值為-7.2±1‰，δ15N均值為7.1±0.8‰。兩處遺址的豬均具有較高的C、N穩定同位素比值，說明它們主要以粟、黍類食物為食。根據C、N穩定同位素在食物鏈中的分餾效應（在不同營養級間C富集1‰～1.5‰，N富集3‰～5‰）[13，14]，可以推測上述兩個遺址先民也可能具有較高的C、N穩定同位素比值。因此，河北村遺址和滏陽營遺址的大部分先民的主要食物應該為粟、黍及粟、黍或其副產品喂養的動物。

盡管河北村遺址和滏陽營遺址豬的C、N穩定同位素比值較為接近，但仍然存在一些差異。如圖二所示，河北村遺址家豬的δ13C均值低于滏陽營遺址家豬的相應值，而δ15N均值高于滏陽營遺址家豬的相應值，獨立樣品T測試的結果也顯示出河北村遺址與滏陽營遺址家豬的δ13C和δ15N值存在明顯的差異，表明滏陽營遺址家豬的食物結構中粟、黍及其副產品的比例應該高于河北村遺址的家豬，但動物蛋白的比例卻少于河北村的家豬。綜上可知，滏陽營遺址和河北村遺址先民的生業經濟應該存在一定的差異。具體而言，滏陽營遺址的家豬可能更有機會獲取粟、黍及其副產品等作為飼料，河北村遺址的家豬則可能更多獲取到先民的食物殘余。究其原因，可能與兩處遺址的粟黍農業發展程度的差異有關，即滏陽營遺址比河北村遺址的粟黍農業發展程度更高一些，這使得滏陽營的家豬更有機會獲取粟、黍及其相關食物。

四、結論

通過對河北村遺址和滏陽營遺址動物骨骼的C、N穩定同位素分析，可知其生業模式與大多位于豫北冀南地區的先商文化遺址類似，即豬、狗和牛以C4類食物（粟、黍及其副產品）為主，羊則以C3類（野生草本植物）和C4類食物為主。若將家豬的食物結構作為討論先民生業經濟的替代性指標，可以發現河北村遺址和滏陽營遺址先民都主要以粟黍農業為生，但滏陽營遺址粟黍農業的發展程度可能更高一些。

感謝胡耀武教授在課題設計和實驗分析等方面給予的幫助。

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〔編輯：遲暢；責任編輯：成彩虹〕