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