河北南部两处先商文化遗址动物骨骼的稳定同位素分析

侯亮亮 乔登云

【关键词】河北南部；河北村遗址；滏阳营遗址；先商文化；替代性指标；C、N稳定同位素

【摘要】河北村遗址和滏阳营遗址是河北南部的先商文化遗址，通过对这两处遗址出土的77件动物骨骼进行C、N稳定同位素分析，发现猪（-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）的相应值，这说明前三者主要以C4类食物（粟、黍及其副产品）为食，而羊则以C3类（野生草本植物）和C4类食物为主，据此可推测这两处遗址先民可能主要从事粟黍农业。将猪的食物作为重建先民生业经济的替代性指标可知，滏阳营遗址比河北村遗址的粟黍农业发展程度更高一些。

文献记载显示，先商文化时期存在着多种生业经济，既有“伏牛乘马”式的游牧经济，也有“立皂牢，服牛马”式的家畜饲养经济，亦有“穑事”等农业经济[1]。这种情况在考古方面也得到了印证，如动物骨骼初步研究显示，先商文化时期先民获取肉食资源包括家畜饲养、狩猎等多种途径[2]；植物浮选结果显示，河南北部地区仰韶文化晚期至先商文化时期的先民主要以粟黍农业为生[3，4]。除文献史料和常规的动植物考古研究外，还可以通过分析先商文化时期遗址出土的人和动物骨骼中的C、N稳定同位素，还原人们的食物结构及家畜的饲喂方式，为先民生业经济的重建提供线索。如通过C、N稳定同位素分析可知，位于河南北部的鹤壁刘庄墓地[5]和位于河北南部的磁县南城墓地[6]的先民主要以粟黍及以粟黍饲喂的动物为食；河南北部安阳鄣邓遗址的先民以粟黍来喂养猪和狗，并在牛和羊的食物中添加了一定比例的粟黍及其副产品[7]，河北南部的邯郸白村遗址[6]和中部的赞皇南马遗址[8]的先民对动物的饲喂方式与其相似。以上成果表明，自河南北部至河北南部，先商文化时期先民主要以粟黍农业为生，并以此来饲喂家畜。

磁县的河北村遗址和滏阳营遗址是位于河北南部的两处先商文化遗址，均无人骨出土，一定程度上影响了对该遗址先民生业经济的解读[9]。鉴于此，本文拟对两个遗址发掘出土的动物骨骼进行C、N稳定同位素检测和分析，以还原动物的食物结构，间接重建无人骨发现的遗址的生业经济。

一、C、N稳定同位素分析原理

据“我即我食”的原理，不同食物的同位素组合特征不同，不同类型的食物经过生物体的消化吸收，相应的差异会保留在生物体的硬组织中，因此通过分析生物体的硬组织，如人和动物骨胶原中的C、N稳定同位素比值，可以准确有效地还原他们的食物结构。

人和动物骨胶原中C、N在不同生物体中的组成差别分别表示为13C/12C和15N/14N，习惯上用δ13C和δ15N表示。当植物被动物所食，在植物中的C经动物消化、吸收转化为骨胶原中C的过程中，δ13C值将发生约5‰的富集[10]。稻、麦、豆类及大多数草本植物等属于C3植物，δ13C均值为-26.5‰；粟、黍和玉米等属于C4类植物，δ13C均值为-12.5‰。以100%的C3、C4类食物为食的动物，其骨胶原中的δ13C值应分别约为-21.5‰和-7.5‰[11]。因此，通过分析人和动物骨骼中骨胶原的δ13C值，可大致了解他们食物来源（包括植物或动物）的类型。而N同位素更多地用以确定人和动物在食物链中的地位，通过人和动物骨骼中骨胶原δ15N值，可判断其肉食资源和营养级。研究表明，沿食物链的营养级每上升一级，δ15N值将富集3‰～5‰[12，13]。一般认为，植食类动物的δ15N值约为3‰～ 7‰，杂食类约为7‰～9‰，而食肉类则常大于9‰[14]。

二、材料与方法

本研究选取河北村遗址出土的动物骨骼样本31例（HBCS1～HBCS31），包括狗样本4例，猪样本14例，牛样本10例，羊样本3例；选取滏阳营遗址出土的动物骨骼样本46例（FYYS1～FYYS46），包括狗样本3例，猪样本21例，牛样本6例，羊样本13例，鹿样本3例。共计77例（表一）。

（一）骨胶原提取及测试

1.骨胶原的提取

骨骼的主要成分为骨胶原和羟磷灰石（矿物质），欲得到骨胶原，必须去除羟磷灰石。1999年，Richards和Hedges开始采用“酸—碱—酸”的方法有效提取骨胶原[15]；2006年，Jay和Richards对该方法进行了改进，调整了酸碱溶液的浓度和反应时间等，提高了骨胶原得率和纯净度[16]。本实验参考上述方法，具体过程如下：

①机械去除骨样内外表面的污染物后，称取2克左右骨样，放入0.5mol/L、4℃的HCl溶液中浸泡，每隔两天更换酸液，直至骨样松软，无明显气泡；将骨样从酸液中取出，用去离子水清洗至中性；

②放入0.125mol/L的NaOH溶液中浸泡20小时，然后用去离子水洗至中性；

③浸于0.001mol/L、70℃的HCl溶液中加热48小时后，趁热过滤，再将滤去残渣的溶液放入-20℃以下的环境中冷冻48小时后，得到骨胶原；

④称重，计算骨胶原得率（骨胶原重量/骨样重量）。

2.骨胶原的测定

（1）測试仪器

Elementar Vario-Isoprime100型稳定同位素质谱分析仪，由德国Isoprime公司生产。

（2）测试过程

骨胶原中C、N元素含量及其稳定同位素比值的测定工作在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所测试中心进行，其具体步骤为：

①取少量骨胶原，称重，采用Elementar Vario-Isoprime100型稳定同位素质谱分析仪测试其C、N含量及同位素比值。其中，测试C、N含量所用的标准物质为磺胺（Sulfanilamide），C、N稳定同位素比值分别以USGS 24标定碳钢瓶气（以VPDB为基准）和IEAE-N-1标定氮钢瓶气（以AIR为基准）为标准。分析精度均为±0.2‰，测试结果以δ13C（相对于VPDB）、δ15N（相对于AIR）表示。

②每测试10个样品，需插入一个胶原蛋白标准样品，以测试仪器的稳定性。标样的δ13C值为-14.7±0.2‰，δ15N值为6.9±0.2‰。若测标值与此值相同，则说明仪器性能正常，可以继续进行样本测试；若测标值与此值出入较大，则需要调试仪器至与此值相同或相近，才可继续测试样品。

（二）数据分析

本研究运用SPSS22.0和Origin8.0软件对实验所得的相关数据进行统计和分析。

1.首先运用SPSS22.0软件统计和分析骨胶原提取率，C、N含量和C/N摩尔比值的分布范围及均值，计算δ13C、δ15N的均值及误差范围，以判断骨胶原的保存情况。

由表一可知，77例动物骨骼样本的骨胶原提取率在0.3%～19.4%之间，均值为2.5±2.5%，和现代样品（约含20%骨胶原[17]）相比有较大差距。其中样品HBCS13、HBCS15和HBCS22的提取率最低，样品HBCS16的提取率最高。C含量在4.2‰～47‰范围内，均值为40.8±8.2%，与现代样品C含量类似（41%）[18]。其中样品FYYS18的C含量最低，样品HBCS26和FYYS36的C含量最高。N含量在1.5%～17.1%范围内，均值为15.1±3.1%，与现代样品N含量（15%）类似。其中样品HBCS18和FYYS18的N含量最低，样品HBCS25、HBCS26和FYYS27的N含量最高。C/N摩尔比值的正常范围应在2.9～3.6之间[19]，其中样品HBCS18、FYYS11的C/N摩尔比值分别为9.2、3.7，高于这一标准，样品HBCS22的C/N摩尔比值为2.8，低于这一标准，说明这三个样本受到了污染，不能用于后续研究；其余74例样品的骨胶原C/N摩尔比值均在2.9～3.6之间，说明骨胶原保存完好，可用于稳定同位素分析。

为了还原先民的生业经济，我们特别对家猪的相关数据进行了统计分析。经统计，河北村遗址共有13例家猪骨骼样本，其δ13C均值为-8.3±1.7‰；滏阳营遗址共有20例家猪骨骼样本，其δ13C的均值为-7.2±1‰——河北村遗址家猪骨骼样本的均值明显低于滏阳营遗址的相应值。而河北村遗址13例家猪骨骼样本的δ15N均值为8.6±0.5‰，高于滏阳营遗址20例家猪骨骼样本的δ15N均值7.1±0.8‰。

为了论证家猪骨骼样本所得出的δ13C和δ15N值是否在统计学上存在显著差异，我们还利用SPSS22.0做了独立样本T检验。以δ13C值为例，将两处遗址家猪样本的δ13C值分别作为一组数据计算得出一个t值和显著性概率值P。δ15N值同理。得到的结果是：δ13C值的t值为2.177，P值为0.044；δ15N值的t值为-5.794，P值为0.000。统计学中，如果P小于或等于显著性水平α（α表示原假设为真时，拒绝原假设的概率，通常取α=0.05），则认为两组数据之间存在显著差异，反之则不存在显著差异。统计结果显示，两处遗址家猪骨骼样本的δ13C和δ15N均值的P值均低于0.05，即二者统计学差异均明显，存在统计学上的意义。

2.在此基础上，又用Origin8.0软件制作了滏阳营遗址和河北村遗址动物骨骼骨胶原δ13C和δ15N值的散点图及两个遗址家猪δ13C和δ15N均值的误差棒状图。

图一为河北村遗址和滏阳营遗址动物骨骼骨胶原δ13C和δ15N值的散点图，横坐标为δ13C值的分布范围（-23‰～-5‰），纵坐标为δ15N值的分布范围（3‰～12‰）。制图选取了两个遗址中发现的74例保存完好的动物骨骼样本数据（其中包括狗骨骼7例，猪骨骼33例，牛骨骼15例，羊骨骼16例，鹿骨骼3例），可以直观地看出不同种属动物的δ13C和δ15N值的分布情况，为研究不同种属动物的摄食习惯及各自与先民的关系提供借鉴。

图二为河北村遗址和滏阳营遗址家猪δ13C和δ15N均值的误差棒状图，横坐标为δ13C值的分布范围（-12‰～-6‰），纵坐标为δ15N值的分布范围（6‰～10‰）。制图选取了河北村遗址的13例和滏阳营遗址的20例家猪骨骼样本δ13C和δ15N均值，可以直观地看出两处遗址的家猪δ13C和δ15N均值的差异情况，为研究两处遗址家猪食物结构及先民生业经济的差异提供借鉴。

三、结果与讨论

（一）动物的食物结构

由图一可见，不同种属动物的δ13C和δ15N值的分布较为分散，说明它们的食物结构存在一定的差异，这可能与不同的食物来源及生活习性有关。

本研究中的3例鹿骨骼样本均出自滏阳营遗址，δ13C值分别为-21.1‰、-20.5‰和-20.5‰，均值为-20.7±0.3‰，与前文提及的100%C3类植物为食的δ13C值（-21.5‰）相近；δ15N值分别为4.8‰、3.6‰和5.8‰，均值为4.7±1.1‰，符合植食类动物的δ15N值（3‰～7‰）范围。野生草食动物，如鹿等的稳定同位素比值可以作为当地野生植被稳定同位素基准值的参考，同时，古土壤有机碳的研究也表明，我国古代北方地区的野生植被以C3类草本植物为主[20]，因此，滏阳营遗址在先商文化时期的野生植被应是以C3类植物为主。

15例牛骨骼样本和16例羊骨骼样本的δ13C和δ15N值均明显高于鹿的相应值，但又呈现出不同的特征。首先，牛骨骼样本的δ13C值在-17.4‰～-6.5‰之间，其中样本HBCS19的δ13C值最小，样本FYYS27的δ13C值最大。羊骨骼样本的δ13C值在-21.7‰～-6.4‰之间，其中样本FYYS36的δ13C值最小，样本FYYS40的δ13C值最大。牛、羊骨骼样本的δ13C值范围均相对较宽泛，包含了C3植物和C4植物的δ13C值。从δ13C均值方面看，牛骨骼样本为-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类食物，且比例要远高于羊。但由于在先商时期我国北方主要种植粟、黍等C4类农作物，种植C3类农作物（稻、麦和豆类）的可能性极其有限，所以两处遗址牛、羊的食物可能来源于粟、黍（及其副产品）和野生草本类植物。由此可说明，这两处遗址的先民至少采用了野外放养（主要以C3野生草本植物为食）和舍饲（主要以粟、黍及其副产品等为食）两种饲喂模式。其次，牛骨骼样本的δ15N值在5.3‰～11.4‰范围内，其中样本HBCS19的δ15N值最小，样本FYYS26的δ15N值最大；羊骨骼样本的δ15N值在4.6‰～9.7‰范围内，其中样本FYYS38的δ15N值最小，样本FYYS41的δ15N值最大。牛、羊骨骼样本的δ15N值范围均非常宽泛，说明个体间对蛋白质的消费程度存在较大的差异。结合动物考古研究成果可知，本研究涉及的大部分牛和羊的年龄都在一岁以下[1]。比如，样本FYYS26是来自处于哺乳期的小牛，它的δ15N值达11.4‰，可能和母乳喂养等因素有关[21]。

33例猪骨骼样本和7例狗骨骼样本都具有较高的δ13C均值，即猪骨骼样本的δ13C均值为-7.6±1.4‰，狗骨骼样本的δ13C均值为-9±2‰，与C4类食物的δ13C值相近，说明其食物可能来自于粟黍产品的残余或人类食物的残余等，其中猪的食物结构中可能包含更多的C4食物。同时，猪骨骼样本的δ15N值在5.2‰～9.4‰范围内，其中样本FYYS21的δ15N值最小，样本HBCS5和HBCS8的δ15N值最大。狗骨骼样本的δ15N值在6.9‰～10‰范围内，其中样本FYYS1和FYYS3的δ15N值最小，样本HBCS3的δ15N值最大。猪、狗骨骼样本的δ15N值范围均较为宽泛，说明它们中的不同个体对人类食物中残余蛋白质的消费存在一定的差异。

（二）先民的生业经济

相关研究显示，在中国北方的部分时空框架下，家猪和家犬的食物结构可以作为重建先民生业经济的替代性指标，较为有效地反映先民的生业经济[22]。上述两个遗址发现的狗的个体数较少，缺乏统计意义，故下文仅以猪的相关数据来进行讨论。

按表一数据计算，河北村遗址猪骨骼样本13例，其δ13C均值为-8.3±1.7‰，δ15N均值为8.6±0.5‰；滏阳营遗址猪骨骼样本20例，其δ13C均值为-7.2±1‰，δ15N均值为7.1±0.8‰。两处遗址的猪均具有较高的C、N稳定同位素比值，说明它们主要以粟、黍类食物为食。根据C、N稳定同位素在食物链中的分馏效应（在不同营养级间C富集1‰～1.5‰，N富集3‰～5‰）[13，14]，可以推测上述两个遗址先民也可能具有较高的C、N稳定同位素比值。因此，河北村遗址和滏阳营遗址的大部分先民的主要食物应该为粟、黍及粟、黍或其副产品喂养的动物。

尽管河北村遗址和滏阳营遗址猪的C、N稳定同位素比值较为接近，但仍然存在一些差异。如图二所示，河北村遗址家猪的δ13C均值低于滏阳营遗址家猪的相应值，而δ15N均值高于滏阳营遗址家猪的相应值，独立样品T测试的结果也显示出河北村遗址与滏阳营遗址家猪的δ13C和δ15N值存在明显的差异，表明滏阳营遗址家猪的食物结构中粟、黍及其副产品的比例应该高于河北村遗址的家猪，但动物蛋白的比例却少于河北村的家猪。综上可知，滏阳营遗址和河北村遗址先民的生业经济应该存在一定的差异。具体而言，滏阳营遗址的家猪可能更有机会获取粟、黍及其副产品等作为饲料，河北村遗址的家猪则可能更多获取到先民的食物残余。究其原因，可能与两处遗址的粟黍农业发展程度的差异有关，即滏阳营遗址比河北村遗址的粟黍农业发展程度更高一些，这使得滏阳营的家猪更有机会获取粟、黍及其相关食物。

四、结论

通过对河北村遗址和滏阳营遗址动物骨骼的C、N稳定同位素分析，可知其生业模式与大多位于豫北冀南地区的先商文化遗址类似，即猪、狗和牛以C4类食物（粟、黍及其副产品）为主，羊则以C3类（野生草本植物）和C4类食物为主。若将家猪的食物结构作为讨论先民生业经济的替代性指标，可以发现河北村遗址和滏阳营遗址先民都主要以粟黍农业为生，但滏阳营遗址粟黍农业的发展程度可能更高一些。

感谢胡耀武教授在课题设计和实验分析等方面给予的帮助。

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〔编辑：迟畅；责任编辑：成彩虹〕