近日，山东大学文化遗产研究院环境与生业考古团队在国际期刊Frontiers in Plant Science上发表最新研究成果“The potential of stable carbon and nitrogen isotope analysis of foxtail and broomcorn millets for investigating ancient farming systems”（粟、黍碳氮稳定同位素分析在古代农业研究中的应用前景）。董豫教授为第一作者，共同作者包括山东大学、英国牛津大学和丹麦奥胡斯大学的七位学者。

近年来，利用植物遗存的碳、氮稳定同位素分析探讨古代农业技术的研究逐渐增多，但主要集中在欧洲和中亚地区。多位学者通过现代农田调查、实验种植、炭化模拟实验等方法，证明了考古出土大麦、小麦、豆类等农作物遗存的碳氮稳定同位素分析用于重建古代农业的可行性。

将植物碳氮稳定同位素分析方法应用于中国考古学研究，存在的问题之一是欧亚大陆东西侧农作物类型的不同。中国北方早期的主要农作物为粟、黍，均属于C₄植物，其光合作用的途径与麦类和豆类等C₃植物有所区别。欧洲学者建立的C₃作物碳氮稳定同位素值与水分和施肥水平的模型，无法直接应用于中国的考古学材料。

董豫教授团队与牛津大学合作，在牛津大学植物学系开展了粟(Setaria italica L.)、黍(Panicum miliaceum L. Kornberger)、小麦(Triticum aestivum)的温室实验种植（种植条件见表1），成熟后每株植物随机选取20-30粒种子用于碳氮稳定同位素测试。现代粟、黍的炭化实验在山东大学环境与社会考古国际合作联合实验室进行。

表1牛津大学植物学系温室种植粟、黍和小麦的七个条件

实验结果显示（见图1），温室种植粟的碳稳定同位素值（δ¹³C）与水分水平正相关，温室种植黍和小麦的碳稳定同位素值与水分水平负相关。粟、黍碳稳定同位素值随水分变化的幅度小于小麦。

施用牛粪肥可以提高作物的氮稳定同位素值（δ¹⁵N）。在相同水分条件下，粟、黍和小麦的δ¹⁵N值在5%施肥水平下都明显高于1%施肥水平。施肥引起的δ¹⁵N的变化量，在实验种植的粟、黍、小麦中体现出相似性。在相同施肥水平下，水分较差的粟、黍、小麦比水分较好的作物具有更高的δ¹⁵N值，符合干旱效应的预期。

图1不同实验条件下种植粟(Setaria)、黍(Panicum)、小麦(Triticum)的碳稳定同位素值（A）和氮稳定同位素值（B）

炭化后粟、黍的碳氮同位素值均有所上升（见图2）。215℃加热24小时、230℃加热8小时和24小时、245℃加热4小时和8小时等这几个条件下谷物炭化完全且形态较完整可进行种属鉴定。在以上几个炭化条件下，粟的δ¹³C值炭化偏移为0.2-0.3‰，δ¹⁵N值偏移为0.8-1.2‰；黍的δ¹³C值炭化偏移为0.1-0.2‰，δ¹⁵N值偏移为1.1-1.7‰。

图2在不同加热温度和时长下粟、黍的碳氮同位素值的变化

根据之前的工作和本研究的成果，施肥会导致粟、黍的氮同位素值升高。氮稳定同位素值可以作为研究粟黍类作物早期施肥的重要工具。考古遗址出土人骨中较高的δ¹⁵N值需要重新考虑，不能简单的将其解释为较多的动物蛋白摄入。由于干旱也可能导致粟黍的氮同位素值升高，因此在解释考古材料时还应考虑环境因素。浇水导致C₄作物碳同位素值变化的幅度远小于小麦，使用粟、黍的碳稳定同位素值来推断水分状况似乎是一个挑战。炭化实验表明，炭化粟、黍的碳氮稳定同位素值与未炭化相比都有所增加。粟、黍的δ¹³C值炭化偏移较小，δ¹⁵N值炭化偏移略高于之前对C₃作物的研究。

总之，对考古遗址出土炭化粟、黍进行稳定同位素分析，可以加深我们对过去农业实践的了解，也为食谱重建提供关键基础信息。本研究为将来开展粟黍等C₄类作物的稳定同位素分析提供了重要依据和参考。

Frontiers in Plant Science为植物科学领域的顶级专业期刊,该刊2021年影响因子/JCR分区：6.627/Q1。

原文链接：https://doi.org/10.3389/fpls.2022.1018312

【作者：文/毕晓光 审核/董豫 责任编辑：孙士美】