植硅体的小材大用

2020-02-21葛利花原江

大众考古 2020年8期

关键词：植物

葛利花原江

植物考古学是通过研究考古发现的、与古代人类活动直接或间接相关的植物遗存，以解释先民生业生活等状况的一门考古学分支学科。其中植硅体因产量大、易获取、理化性质稳定、就地沉积蕴含信息即时性强等优势，应用于遗址环境复原、古代农业起源与传播、野生植物利用、生业经济结构及其转变、器物功能分析、丧葬仪式及测年等研究中，扩展了考古学研究范围和深度。

性质及概况

植硅体是指高等植物根系在吸收地下水的同时，吸收了一定量的可溶性二氧化硅，经植物的输导组织输送到茎、叶、花、果实等处时，在植物细胞间和细胞内沉淀下来的固体非晶质二氧化硅颗粒，其尺寸多在20—200μm的范围内，光学上的植硅体为各向同性、非晶质的，透射光下呈现出无色、淡粉色、棕色和黑色，淡粉色较常见，正交偏光镜下会全消光；折射率是1.41—1.48，比重为1.5—2.3。

植硅体的形状与植物细胞形状、细胞在植物中的位置、细胞之间的间隙有关，不同植物植硅体形态不同，同一植物不同部位也有差异，常见的形态有齿型、鞍型、棒型、尖型、扇型、哑铃型、竹节型等。

不同植物植硅体含量亦有差别，单子叶植物比双子叶植物高，禾本科植物较其他植物植硅体含量高；植物各器官间硅的分布具有非均质性，禾本科植硅体多集中于地上部，绛车轴草则多分布于地下部，但诸如大葱、萝卜类的草本植物，其根系和地面部分的植硅体含量大体相等，这和植物各部分生长时间长短以及蒸腾作用强弱有关。考古遗址中发现的植硅体多保存于文化层土壤和以陶器、石器、牙齿、食物、陶范、灶址、红烧土、草木灰、绳子、粪化石等为代表的遗存中，经高温处理的红烧土与草木灰往往不含其他种类的化石，更有利于鉴定和分析。

研究简史

植硅体发现至今已逾百年，人们对其探索经历了从产生到逐渐走向成熟的漫长过程，基本分为四个阶段：发现和探索阶段（1804—1900），从多种沉积物中发现并分离不同形态的植硅体，初步建立植硅体分类系统；植物学研究期（1900—1936），对现代植物中的植硅体进行生产、形态、分类方面的研究，同时引进定量分析法提出植硅體沉淀机理并最早将植硅体分析应用到考古学研究中；生态学研究期（1955—1975），对植硅体的理化性质有了较为深入的认识，其分离、鉴定、量化技术也有所进步，深入研究植物、土壤、古地层、深海沉积物以及动物排泄物中的植硅体，在复原古生态领域中也具有较大潜力；考古及地质学研究期（1971年至今），以植硅体为基础数据，恢复古生态、探索农业起源与扩散等问题，20世纪80年代以后，涉猎领域更加广泛、从业者增势迅猛。

研究方法

采样

土壤中的植硅体采样可采取剖面采样法、针对性采样法、网格式采样法和钻孔取芯采样法。灰坑遗迹的植硅体采样以针对性采样为主，主要采集部位是土壤发黑泛灰处、草木灰和红烧土等，前者有可能是富含有机质而颜色较深，残留植硅体的可能性较大；后二者则是植物燃烧留下的痕迹，经高温处理的植硅体含量高且成分纯粹，利于后期鉴定和分析。若取样部位较厚且有明显的分层现象，则可以采取分层取样以观察该遗迹的形成过程、利用的植物（薪柴）种类，甚至可推断该遗址使用的季节性。房址则多采用网格式采样，以探究房址内部功能分区及人类行为。采样时注意要保持遗物出土原貌，即保持其上所挟裹的土壤，直接将出土遗物置于封口袋内，不可清洗以免遗漏植硅体信息，同时采集周围土样以作对比。

提取

提取是指从土壤或遗物标本中提取植硅体的一整套操作流程。从土壤中提取的大体流程是：风干样品→加碱去除有机质→加酸脱铁去钙、镁等离子→离心机洗酸→镉重液浮选植硅体→提取、制片、观察。

从以陶器为代表的遗物标本中提取植硅体的大体步骤是：洗涤→采集土壤样品→研磨土器表面→超声清洗→超声波碎土器→筛析和沉降法分选→浮选→制片→镜检。

鉴定和统计

将制成的样品置于显微镜下鉴定并统计植硅体种类、数量。每份样品随机选择500粒以上植硅体作统计分析，结合定性分析、绝对数量和相对百分比等方法反映不同植硅体类型的增减趋势。鉴定依据主要参照文献中相关植硅体鉴定标准以及现代植物植硅体形态，可将常见的植硅体分为农作物植硅体和非农作物植硅体。

应用

农业起源与传播

基于植物遗存研究，中国是粟、稻作农业重要起源地这一认知得到学术界广泛认同，但其起源时间、地点、发展过程及背景探索等尚存争议。究其原因，部分早期考古遗址的炭化遗存或因土壤性质难以保存，或因年代久远破损严重，或出土后氧化变形，或在运输保管中受损，发掘规模、采样方法等人为因素亦会影响炭化植物遗存的发现及保存，这都给植物种属、性质的鉴定带来困难，提高了获取和分析的难度。因此除了在新近发掘的遗址进行综合性的、多种植物方法分析外，还可以对早期发掘且未进行植物考古工作的遗址中的土壤、陶片与红烧土进行植硅体分析等微体遗存分析，既可保证其原生性，又能补充植物材料，为全方面、多角度探索农业起源及动力机制、先民农业生产与经济生活等问题提供认识。

农业生产与加工

确认农田遗迹是研究作物栽培与管理的关键。结合灌溉水渠、田埂、土壤特点，根据农作物植硅体密度可基本判断农田遗迹。但不同时期、地区农田植硅体密度存在差异，在此基础上对连续文化层中作物植硅体进行系统的定性定量分析，可了解农业活动起止时间及农田扩展速度。对同一文化层农田植硅体组合、数量等进行定量分析后可得到很多信息，如敏感型与固定型植硅体比值可探讨稻生长模式及其性质、麦田灌溉；作物伴生杂草拟态性较好，可透视共生作物相关信息，进而反映作物种植管理与农田生态环境；植硅体密度可计算作物相对产量，粟、黍植硅体百分比值可反映其相对产量，稻产量计算则是依据植硅体与稻谷重量相关性、稻硅酸体系数得出的稻田亩产量公式进行估测等。

通过农作工具植硅体残留、农田植硅体组合以及植硅体切割形态等的分析，可研究农作物收割与加工方式。陶、石刀等收割工具上的植硅体形态、数量与组合可直接反映收割的植物种类与部位。农田作物与伴生杂草植硅体比例可反映收割高度，即遗址中发现的多为作物颖壳植硅体、茎叶部位植硅体数量较少，田地中的作物茎叶及共生杂草植硅体种类与数量均显著高于遗址，则说明作物收割高度较高，应该使用了手捋穗或割穗法；若是收割作物茎秆的收割高度降低，进入遗址中的植硅体种类更丰富，且作物颖壳植硅体比例降低。通过研究遗址内外脱壳和扬场副产品——农作物和共生杂草植硅体的分布范围、密度等可探索加工场所、方式与规模，甚至社会分化问题。

植物获取与利用

通过植硅体可以进一步研究人与植物的关系，包括食物结构、遗物功能、药方破译、酿酒工艺、织物原料、建筑工艺、铸造工艺、产地来源、造纸原料、燃料种类、丧葬仪式等。

食物结构湖南永顺老司城、广东新村沙丘、山西原平辛章、河南荥阳官庄、青海民和喇家等遗址出土的牲畜与人的牙结石、石制品表面及陶碗残留物中提取了丰富的禾本科、棕榈科、竹亚科、芦苇属、藻类、水稻、粟、小麦等植物内的植硅体，为探索先民食谱及动物饲养等提供依据。此外，胃部、墓葬腹土、粪化石中的植硅体组合也可为生物食性分析提供一定认识。

遗物功能植硅体形态与其母源植物种属、部位对应关系较为明确，对农作、储存与食用工具进行残留物分析可判定陶、石器功用及利用方式。广东新村沙丘、青海民和喇家、甘肃秦安大地湾、山东胶县赵家庄、河南巩义花地嘴、四川盐源昄家堡等遗址出土的石刀上提取了数量种类不一的哑铃型、刺棒型、平滑棒型、方型、尖型、帽型和塔型等植物茎叶中常见的植硅体类型，以及粟、黍、稻颖片及稻茎叶植硅体，说明石刀不仅仅用来收割农作物，还会收割非农作物植物，作用点多在茎叶部位。

药方破译河北满城刘胜墓、西安南郊窖藏、泉州宋代海船均有医药用具、药物、香料出土，由于中草药有碎片、粉末等类型，部分经过碾磨很难判断其成分和用量，基于文献查证基础上的定性定量的植硅体分析或可为古代医药学研究提供有益线索。

酿酒工艺郑州大河村、偃师灰嘴、渑池仰韶村、西安米家崖、高陵杨官寨等遗址陶器残留物分析显示，稻、粟、黍、小麦族、薏苡、栝楼根、芡实、山药、黍亚科等植物在不同遗址出土的漏斗、尖底瓶、平底瓶、带流壶等陶器出现的频率、比重不一，不仅直接破解了酿酒原料，还确定了部分器物功用，完整复原发芽、糖化、发酵的酿酒过程，表明谷芽酒是仰韶文化社会饮食文化中的一个重要组成部分。

织物原料浙江余姚田螺山编织物中提取了大量n型、帽型与硅化毛细胞植硅体，与现代芦苇植硅体近似，应是用芦苇茎秆织就的席子。周原遗址西周墓葬人骨及下方、二层台等地点出土的草席样品经植硅体分析证明也是芦苇茎秆编织而成，与文献中记载的“衽，下菀上簟”、“却之，加抗席”的丧葬习俗吻合。陕西凤栖原西汉家族墓棺椁中的铺垫物经微观形貌及红外光谱分析，发现其表面有瘤状物集聚成脊状突起，尺寸及化学组成偏向于稻属植物茎叶。

建筑工艺安徽蒙城尉迟寺、山东栖霞杨家圈、湖北京山屈家岭、湖北天门石家河、湖北洪山放鹰台、江西湖口史家桥、河南淅川沟湾等草拌泥墙体、房基与红烧土中发现水稻壳、芦苇和竹亚科植硅体，说明古人在建造墙体、地基时会掺入植物以降低泥型收缩率、改善填充性能、提高泥料强度，在一定程度上还可防潮，提高房屋使用年限。

铸造工艺浙江浦江上山、嵊州小黄山出土陶片，郑州南关外出土商代陶范、洛阳铁路中学出土西周陶范、河北战国燕下都出土陶范与？范、山西侯马东周陶范、南京六朝五铢钱范等中都提取到数量不等的水稻双峰型、水稻扇型、水稻哑铃型、竹节型、齿型、帽型、哑铃型、尖型、棒型、扇型、方型、长方型植硅体，揭示了先民以植物做为羼和料历史悠久，不仅变废为宝，将作物加工后的颖壳、茎叶等加以利用，更重要的是便于用非黏土制作陶器、防止坯土收缩而开裂甚至破碎。

产地来源我国古代青铜器多采用陶范铸造，在制模、翻范、制芯时多就地取土，因而青铜器中的泥芯残留很可能存在反映地质背景、土壤状况和植被条件的植硅体。基于这种情况，从魏国峰根据湖北九连墩楚墓泥芯中植硅体数量组合差异，可以判断至少两个样品来自北方生土层，即该墓出土的部分青铜器并非本地生产，而是先在北方黄土区铸造而后输入楚国。

造纸原料根据现代实验分析，我们知道安徽宣纸有水稻表皮细胞和附属长细胞、青檀树皮毛基植硅体，狼毒草纸植硅体量少且体积较小，桑皮纸则以棒型、长尖型为主，麻纸存在大量块状植硅体等，简而言之，植硅体样品需求量小且操作简易，在鉴定制作工艺相对简单、破坏性少的造纸原料科属，尤其是稻草类纤维方面潜力巨大。通过植硅体形态特异性，可以解决未知年代的人物画像纸张原料问题。

燃料种类江苏泗洪顺山集陶釜外壁水稻扇型植硅体残留暗示水稻茎叶曾作为燃料使用，在燃烧过程中植硅体脱离植物附着到陶器外表。山东章丘城子崖部分灰坑提取到黑色植硅体及大量微炭屑，炭屑主要来源木本植物，兼有一定数量的黍亚科茎叶及少量粟黍颖片，结合出土背景、残陶片等分析，推断木本、黍亚科、作物颖壳等应是炊煮燃料，随后将燃尽的草木灰、炭屑以及生活垃圾等共同堆积到灰坑中。

丧葬仪式陕西神圪垯墚M7、广州榄园岭墓葬内祭祀坑、以色列海法Raqefet Cave Natufian第18、19架人骨附近分别提取到了大量的紫草科叶子毛发型植硅体，扇型、棒型、方型、刺球型以及jigsaw-puzzle、树突状植硅体等，说明祭祀植物种类、来源多样，与其所在的自然环境密切相关，应当是某种植物崇拜，至少可證明古人对某类植物的价值认同，有益于史前丧葬习俗的探讨。

遗存性质界定

通过对比分析遗址中的植硅体组合与数量，结合数理统计分析，可探索特定社会组织结构，在恢复聚落形态、复原遗址内外空间布局及探索古人文化活动等方面具有重大意义。叙利亚上卡布尔Tell Seker al-Aheimar北区房址白灰面附近发现谷壳植硅体应与粮食储藏、加工有关，另，在谷物堆积密集处发现较多黍亚科植硅体，由此推断该处是以草席、编篮类间隔谷物的粮食储存区域；灶、烧烤面等遗迹发现植硅体，暗示其母体作为燃料使用；植硅体与粪便晶体共存，则表明部分植物衍生物来自家畜棚。河北武安磁山灰坑也出土了大量灰化物，经植硅体分析证明是用黍颖片、芦苇茎叶作为间隔物以隔层堆放谷物的窖穴。要之，室内植硅体密集处多与谷物开发、储存、烹饪、谷物加工、食物准备等活动有关，若在房址地面及填土内发现较多数量的植硅体、硅藻及粪便晶体，则意味卫生观念的缺失；房址及附近区域植硅体密集处则是堆积食物残渣、建筑废料、草席、炉渣、草木灰等家庭生活垃圾之地。突尼斯阿尔西布罗斯Numidian遗址也有相似研究。

植被与古环境恢复

植硅体就地沉积的特点使其更能帮助精准地复原小范围内的地方性植被与气候环境，对地层植硅体组合进行历时性分析还可进一步探究古代植被、古生态环境及气候的变化与波动。需要说明的是，通过植硅体的氧同位素比值（18O/16O）也可估算古代植物生长时的气候温度。通过植硅体分析构建出遗址古时的气候和生态环境，为探讨古人生产生活乃至社会形态等提供背景认识，湖北郧西黄龙洞、南京牛头岗、北京什刹海、浙江余姚田螺山等均通过植硅体重新构建古气候环境。以安徽巢湖钻探岩心沉积物分析为例，植硅体主要包括扇型、水稻扇型、芦苇扇型、方型、长方型、哑铃型、长鞍型、短鞍型、水稻双峰乳突型、棒型、刺棒型、帽型、尖型、齿型、导管、木本类植硅体和硅藻类，根据植硅体组合特点，聚类分析将该剖面自下而上分为5个组合带，为认识更新世末—全新世中期巢湖地区气候环境发展变迁阶段提供了资料。

测年

植硅体在沉积时可吸收植物在生长过程中经光合作用捕获大气二氧化碳中的部分有机碳，植物细胞硅化时，少量有机碳会封存在理化性质较为稳定的植硅体中，成为植硅体碳。植硅体碳同位素与植物中碳同位素密切相关，能代表植物生长时的大气二氧化碳水平，而且植硅体碳具有抗腐蚀、抗高温、高稳定性特点，可封存土壤内数千甚至数万年。因此在利用常规办法提取植硅体后，通过元素测定仪检测植硅体中碳含量是否充足，经一系列物理化学反应将样品制成石磨样品，就可通过加速器质谱仪测定植物死亡年龄。美国西部Ohio河流阶地土壤、厄瓜多尔古代壁炉、广西隆安娅怀洞、浙江余姚田螺山、浙江浦江上山、浙江龙游荷花山等均利用植硅体碳测定年代，其中广西隆安娅怀洞稻属植硅体测年数据更是将人类利用野生稻的历史向前推进至距今1.6万年，植硅体碳测年法在构建考古年代框架上发挥着愈发重要的作用。