中國北方C4農業與C4生物量的協同演化：黍粟農業起源機制獲得新認識

距今一萬年以來，中國、西亞、中美洲、南美安第斯山、東南亞、埃塞俄比亞等地區的現代人群共同開啟了人類對自然動植物馴化的宏偉篇章，這一過程革命性地改變了人類的行為、文化以及社會組織方式，為人類文明的形成和發展提供了物質基礎。

農業起源的原因和機制研究對于理解人類行為演化，社會演變，以及人類與自然的關系都是至關重要的。自20世紀初，拉斐爾·龐培里（Raphael Pumpelly）和戈爾登·柴爾德（Gordon Childe）提出“綠洲理論”以來，在近百年時間里，來自考古學、生態學、全球變化科學、遺傳學、基因組學的學者們紛紛加入到這場大討論中，批判性審視原有理論體系并相繼提出新的“農業起源”假說，其中較為著名的包括人口壓力說、氣候變化適應說、社會變革說、二氧化碳濃度變化說和進化論說等十多種，但總體來說這些假說可以分為“內因”和“外因”兩大類別。

其中“內因”說，無論是人口壓力說、進化說、還是競爭宴享說，都傾向于將“農業起源”歸結為人類演化歷程中一個必然發生的事件，是人類體質與心智演化、社會形態與結構轉型道路上必經的一個站點。這些理論有利于解釋為什么全球不同起源中心的相互獨立的現代人群，在大致相同的時間節點而非更早或更晚，分別開始了動植物的馴化過程，但無法解釋最初的農業僅在全球幾個特定的地區出現，也就是農業起源中心的特殊性及區域發展的不均衡性。

而“外因”說，包括氣候適應說、新仙女木氣候波動說、環境協同演化說等傾向于將“農業起源”看作是在特定的自然環境條件，或者環境過程中，人類的適應性行為，這個過程考慮到復雜的外部條件，并有一定的偶然性。這些“外因”說有利于解釋農業起源的區域不均衡性，以及為什么農業起源于一些特定的地區、特定的時間點和特定的馴化作物，但是又不好解釋全球農業起源的普遍性和同期性。

毫無疑問農業起源是由于“內因”和“外因”共同影響下產生的，但是相比于撲朔迷離、難以量化表述的“內因”，討論農業起源過程中其周邊自然資源、氣候過程及生態環境變化等“外因”，在近年來更加受到自然科學學者們的青睞。考慮到每個農業起源中心的自然生態環境，歷史氣候過程，潛在資源條件以及古代人群文化不盡相同，在全球每個農業起源中心，每種馴化作物都經歷了不同的演化歷程。理解這些特定地區的人類行為和自然環境變化過程以及相互關系，可以為完善“農業起源”機制提供重要參考。

中國北方是黍/粟（糜子Panicum miliaceum/谷子Setaria italica）農業的起源中心，也是中國文明起源和發展的核心地區。近二十年來，學術界在黍粟農業起源研究方面已取得豐碩成果，特別是對兩種作物起源傳播時空特征的理解，但對其起源過程和機制仍然認識不清。不同于舊大陸其他馴化作物如小麥和水稻等，黍粟屬于為數不多的“小粒”C4類型作物。這些相對獨特的植物學特征，不禁引人深思：兩種C4作物如何成為早期人類優先栽培的馴化對象？自然和人類兩類因素如何影響黍粟農業的起源和形成？兩者在這一過程中相對重要性隨時間如何變化？

近日地球科學Nature Index 雜志Geophysical Research Letters發表了由中科院古脊椎所/生物演化與環境卓越中心李小強研究員團隊，天津大學地球系統科學學院徐海教授和德國哥廷根大學Hermann Behling教授課題組有關中國北方C4農業與C4生物量的協同演化與黍粟農業起源機制的研究成果，研究人員基于穩定碳同位素、花粉、炭屑以及AMS14C年代等多指標記錄研究了東北查海遺址的農業歷史，并在此基礎上收集目前已發表的碳同位素和考古學數據，探討了全新世中國北方區域C4生物量（C4植物的相對百分比）與C4農業歷史的關系，為理解北方黍粟旱作農業的起源過程和機制提供新的認識。

據該研究介紹，相比于區域其他各類自然沉積物，查海遺址多期文化層具有較高的C4生物量估值，這種差異不能僅憑自然氣候因素的變化進行解釋。花粉、炭屑和植物遺存等記錄指示全新世早中期的人類活動包括農業活動和森林砍伐等行為。結合遺址磨石表面高比例C4植物淀粉粒以及現代C4作物種植實驗等證據，研究人員認為新石器時代早期查海地區存在耕作種植和土地清理等行為，符合已有的狩獵采集到農業耕作連續模型。進一步研究計算顯示遺址文化層與周邊自然沉積物的碳同位素差值在全新世期間逐步增加，與黍粟遺存等植物考古數據所揭示的馴化過程近乎同步，表明早期人類管理種植C4作物能力持續增強，這也得到了文化層中碳同位素信號波動特征的驗證。

為從更大時空尺度評估黍粟馴化過程中人類和自然因素的相對影響變化，研究團隊進一步建立了首張中國北方一萬四千年以來的C4生物量等值線圖，并匯總已發表的考古遺址和黍粟遺存年代數據。對比結果顯示全新世早中期東北C4生物量的變化與黍粟農業的起源和發展近乎同步，這種同步關系受北半球中高緯度降溫影響于四千年左右正式發生解耦，預示在一定C4生物量閾值內，人類因素開始取代自然因素在黍粟農業中扮演更為重要的角色。

綜合研究結果表明，C4生物量不斷增加的自然環境背景和人類對C4植物的持續管理或栽培行為共同驅動了中國北方地區C4農業的起源。C4生物量的增長有助于提高潛在C4作物（包括黍粟及其野生祖本）的數量和多樣性、維持相對安定的史前人類定居環境、增加人類管理種植各種C4植物的練習嘗試機會。部分地區在氣候好轉后率先實施C4植物集約化利用策略，最終導致早期C4農業的出現和人口的增長。同時人口膨脹引起的糧食供需矛盾增大進一步促進了黍粟農業的集約化和推廣。這種正反饋機制顯示一種漸進的共同進化模式，C4生物量與黍粟遺存首個峰值約二千年的偏差再次證實野生植物馴化是一個延續數千年的過程。

該項研究不僅對中國北方地區C4生物量的分布及演變進行了系統歸納，為相關的穩定同位素生物考古學研究提供了背景數據，而且在時間和空間上對比了北方黍粟農業的起源與C4生物量的耦合變化，論證了人類行為與區域自然生態的協同演變關系，對理解中國北方黍粟農業的起源機制、農業文化演變與氣候環境變化具有重要科學意義。