沈阳农业大学旧石器时代考古遗址中土壤种子库特征初报

郎冬梅，秦嗣军，吕德国，付永平

（1.沈阳农业大学园艺学院，沈阳 110161；2.沈阳市文物考古研究所，沈阳 110032）

自2011年4月起，沈阳市文物考古研究所与吉林大学边疆考古研究中心合作，开展了沈阳早期古人类探源的课题，在沈阳地区境内进行旧石器时代考古调查，探索沈阳历史的源头和寻找古人类活动的踪迹。沈阳农业大学后山遗址就是调查发现的22处旧石器遗址地点之一[1]。沈阳农业大学后山试验基地旧石器时代遗址的发现填补了沈阳地区旧石器时代考古的空白，还将沈阳地区有人类活动的历史提前至距今11万年，并为揭示东北亚地区古人类的迁徙、演变及环境变化提供了直接证据。

目前，关于遗址区古土壤的研究多集中于重建遗址区古环境、还原古人类生活状况等方面，这对于遗址内植被情况研究、重建古植被、古气候以及还原古人类活动场景等工作均具有重要的辅助意义[2]。土壤种子库是指土壤上层枯落物和土壤中全部有活力种子的总和[3]，是研究不同生境内植被潜在生活能力及演替的生态学参数。土壤种子库作为植被种群生活史的一个阶段，在植被更新与恢复、生物多样性维护、植被演替和扩散过程中有着不可低估的作用[4]。土壤种子库既对了解过去的植被植物群落具有意义，也对分析植被未来发展方向以及反映种群对环境变化的响应等方面具有至关重要的现实意义[5]。尽管土壤种子库已广泛应用于研究封育、退耕以及各种自然生境内植被与环境之间的关系，但在判定考古遗迹内植被情况及其与环境方面和人类活动的关系还鲜有报道。因此，本研究借助沈阳市文物考古研究所与吉林大学边疆考古研究中心在沈阳农业大学后山旧石器时代遗址挖掘工作的便利条件，选取发掘现场内3个不同方位的土壤样点，通过研究不同土层深度内土壤种子库的数量、组成、密度等特征，分析丰富度、多样性和均匀度，以更清楚地了解并研究沈阳地区旧石器时代中、晚期的植被历史、人类活动状况以及环境变化等方面的信息。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

旧石器时代遗址位于沈阳市沈河区东陵路120号的沈阳农业大学后山科研基地果园内。遗址地处浑河右岸Ⅲ级基座阶地顶部，地势平坦，平面呈扇形，面积约8万m2。地理坐标为北纬41°49'35″，东经123°33'49″，海拔高度82.6m，年日照时数2372h，无霜期146~163d，年平均降雨量721mm，地势平坦，土壤为棕壤土，地表种植果树，果树行间为自然生草。发掘区为长6m、宽2m的长方形区域。

1.2 材料

2015年5~9月在发掘区的3个边角预留长、宽均为40cm的土柱用于采样。采样时，剖掉表面土壤后，每25cm为1层，共取17个土层（425cm）。将采集的土壤样品装入塑料袋带回实验室后，用手轻柔捏碎大的土块并仔细挑出土壤中的植物根系、大的砾石等杂物。

1.3 方法

采用种子萌发法[6]，将处理后的土壤样品均匀地铺在36cm×36cm的塑料育苗盘内(约3cm深)。上方覆盖1000目纱布，防止室外种子污染。萌发盘每天浇水l~2次，以保持土壤中种子萌发需要的湿润度。及时记录可以辨别幼苗种、属的株数，将难以鉴定的部分幼苗移栽到另外的塑料盘，直至充分生长到可以识别为止。每15d要翻动土样1次，以促进种子的快速萌发。直到连续42d无新幼苗出现后，将萌发后的土壤经浮选法[7]，再次浮选鉴定各土层中是否存在未萌发的种子。

1.4 数据分析方法

根据各群落中旧石器时代遗址内土壤种子库的物种数和种子数量，分别采用Margalef丰富度指数(R)、Shannon-Wiener多样性指数(H)、Simpson多样性指数(D)和Pielou均匀度指数(E)来描述旧石器遗址内土壤种子库中物种多样性特征[8]。

Pielou均匀度指数：E=H/ln(S)

式中：S为物种总数；N为所有物种的个体总数；Pi为物种i的个体数占所有物种个体总数的比例。

采用Excel 2016软件进行数据处理，图、表中数据均为平均值，采用Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 旧石器遗址不同土层深度中草种类别特征

经种子萌发试验发现，在0~425cm土层内，在0~200cm有种子萌发，而在200~425cm内均无种子萌发。因此，对种子库特征的研究仅围绕0~200cm土层。在0~200cm土层深度内草种均属于被子植物，土壤种子库中具有活力种子共有471粒，隶属2个纲，14个目，15个科，16个属。0~25cm的表层土壤中物种的数量及种类最高，显著高于其余土层。旧石器遗址内土壤种子库内萌发的种子主要集中在0~100cm，土壤种子库的物种数量及种、属类别个数均随着土层深度的增加逐渐降低，而在第125~175cm土层深度内未检测到有种子萌发，在175~200cm土层内仅发现有1粒种子萌发成幼苗（表1）。

表1 旧石器遗址不同土层深度中草种类别Table 1 The category of grass in different soil layers in late Paleolithic Age

2.2 旧石器遗址中优势草种数量及比例

旧石器遗址0~200cm土层的土壤种子库中草种的数量在15个科之间存在差异。根据统计，蔷薇科（Rosa⁃ceae）种子萌发的数量最高，其次是禾本科（Gramineae）和马齿苋科（Portulacaceae），莎草科（Cyperaceae）、菊科（Compositae）、紫草科（Boraginaceae）以及车前科（Plantaginaceae）平均在30~40粒，锦葵科（Malvaceae）和石竹科（Caryophyllaceae）的种子萌发数量最少（图1）。

图1 旧石器遗址0~200 cm土层深度内各科草种子的数量Figure 1 The number of various kinds of grass in 0-200 cm soil layer in late Paleolithic Age

2.3 旧石器遗址中不同土层的种子库密度

由图2可知，不同土层中土壤种子库的密度存在差异。表层的0~25cm土层的种子库密度最高，随土层深度加深种子库密度逐渐下降，125~175cm内种子库的密度为0粒·m-2，175~200cm土层内的土壤种子库密度仅为8粒·m-2。

图2 旧石器遗址不同土层深度内土壤种子库密度Figure 2 The density of soil seed bank in different soil layer sin late Paleolithic Age

2.4 旧石器遗址中不同土层草种的生活型特征

遗址内不同土层内土壤种子库中各草种的生活型存在差异（图3）。在0~75cm内均存在1年生草本、2年生草本以及多年生草本，且均以1年生草本为主要草本。在75~100cm内土壤种子库内草种的生活型主要是2年生草本以及多年生草本，未发现有1年生草本存在。在100~125cm土层内的土壤种子库草种仅有多年生草本。在125~175cm土层内的土壤种子库内未发现有种子萌发，而在175~200cm土层内发现有1粒1年生草本种子萌发。

图3 旧石器遗址不同土层深度内各生活型草种的数量Figure 3 The number of various biotypes of grass in 0-200cm soil layer in late Paleolithic Age

2.5 旧石器遗址中草种在不同土层的分布特征

由表2可知，遗址不同土层深度内土壤种子库中不同草种的数量存在差异。在0~25cm内，朝天委陵菜为主要草种，其次为马齿苋、蒲公英和头状穗莎草；25~50cm土层内主要草种则为头状穗莎草和稗草，其次为朝天委陵菜和马齿苋；50~75cm土层内主要草种为附地菜、朝天委陵菜和稗草，其次为藜和马齿苋；75~100cm土层的主要草种为平车前和朝天委陵菜，其次是狗牙根、鹅肠菜、蔊菜和夏至草；在100~125cm土层仅发现到1粒平车前和1粒头状穗莎草的种子萌发的植株；在125~150cm以及150~175cm土层内均未发现有草种种子萌发；在175~200cm土层内仅发现有1粒苘麻种子萌发。整体上，十字花科、藜科、禾本科、马齿苋科、紫草科、唇形科以及蔷薇科均出现在0~75cm；车前科、蔷薇科以及莎草科在表层及中层土壤中均有存在；仅锦葵科既存在于表层土壤也存在于深层的200cm土层内。

表2 旧石器遗址不同土层深度中各种类草种的数量Table 2 The number of various kinds of grass in different soil layers of late Paleolithic Age

2.6 旧石器遗址中不同土层中单子叶和双子叶草种的数量特征

遗址内的0~100cm土层深度土壤中均存在单子叶和双子叶的草种，且双子叶草种的数量显著高于单子叶草种的粒数；在100~125cm土层内仅存在单子叶草种，而在175~200cm内则仅存在双子叶草种。总体上，在0~200cm土层范围内表现为双子叶草种数量高于单子叶草种数量（图4）。

图4 旧石器遗址不同土层深度内单子叶和双子叶草种的数量Figure 4 The number of monocotyledonous and dicotyledonous grass in 0-200 cm soil layer in late Paleolithic Age

2.7 旧石器遗址中不同土层中土壤种子库的多样性特征

对遗址内不同土层土壤种子库的多样性进行分析，结果发现不同土层土壤种子库的多样性指数存在差异。对于R指数，25~50cm土层最高，其次是0~25cm，其余土层则是随着土层的加深逐渐降低。对于H指数，在0~25cm与25~50cm土层之间无差异，其余土层则是随着土层的加深逐渐降低。对于D指数，0~25cm土层内最高，之后随着土层的加深逐渐降低。对于E指数，则是100~125cm最高，而其余土层内基本无差异。在125~150，150~175，175~200cm土层内由于草种个数较少，未能计算出土壤种子库的R、D、H以及E指数（图5）。

图5 旧石器遗址不同土层深度内土壤种子库的多样性Figure 5 The diversity of soil seed bank in different soil layer in late Paleolithic Age

3 讨论与结论

对遗址内植被的调查可为揭示东北亚地区古人类的迁徙、演变及环境变化提供直接证据[8]。

3.1 考古遗址古植被与年代分析

根据种子的萌发状况可知，遗址中仅在0~200cm土层内存在具有萌发活力的种子。这可能是由于0~25cm属于耕土层，位于遗址的第1层，土质松散，腐殖质等养分含量高[9]。据了解，上世纪50年代沈阳农业大学建校初期在遗址地上栽植果树以及2006年更新为苗圃，土壤管理操作在40~100cm范围内，这种人为的扰动导致地上部植株种子的掉落并深埋在25~100cm土层内且具有萌发活力，进而导致在距今1.5~3.0万年的25~125cm遗址的第2层[10]种子萌发数量相对较高。遗址的125~200cm属于第3层，距今3~5万年，为黄褐色黏土且未被现代人为扰动过，土质较致密，有垂直裂隙、孔洞和植物根系[8]。第3层土壤所处时代的气候条件与现代相差不多，可能湿润程度略大一些[11]，有利于部分植被生长和种子保存。遗址的200~425cm土层内未发现有活性的种子萌发，可能是由于该土层属于旧石器时代中期及以前，土质致密坚硬；另外，较多鼠洞且洞内较湿润[9]也不利于种子贮存。陈全家等[1]根据沉积学分析粒度和磁化率检测结果，初步认为该遗址的堆积成因主要为风力搬运，少数为河流水动力搬运，这也间接证明了风沙较大、岩石风化以及啮齿性动物活动频繁导致了第4层和第5层内未发现具有活力的种子。对于第6层和第7层由于地下水原因而未取得土壤样品，这两层距今11~12万年以前，土壤质较坚硬、致密，也含有极少量铁锰质结核，有垂直分布的裂隙状白色钙质条带，且均未出土石器[10]，这说明可能当时该地区环境恶劣而未有人类活动。由此可知，在距今7~12万以前可能环境相对恶劣不利于古人类活动和植被的生长；在距今5~7万年以前，遗址中存在草种植被，但由于环境及土质条件未能保存好，而不能准确反映出当时的植被情况；到了距今1~5万年前则表现出草种植被大量繁殖。

3.2 考古遗址古植被与古环境分析

沈阳农业大学发现的旧石器时代遗址距今1~12万年前，其中1.5~3.0万年的时间段大体与地质上的更新世相当，更新世植物区系与现代植物区系基本相同。更新世气候历经显著变冷及冷、暖交替的变化过程，具体表现为末次冰盛期（2.06~1.87万年）东北地区菊科和藜科为主的耐旱草本植物大量增长并发展成为优势草种[11]。本研究中，遗址土壤种子库的生活类型主要是旱生草本植物，在0~100cm土层主要为十字花科、藜科、禾本科、马齿苋科、紫草科、唇形科以及蔷薇科，其中十字花科、禾本科、唇形科、马齿苋科以及蔷薇科植被的数量逐渐减少表明了该地区趋于存在以禾本科、蔷薇科和藜科为主的典型草原。紫草科、蒲公英属、委陵菜属等杂类草的花粉组合指示山坡草地或灌草丛的存在；而藜科、菊科、苋属、车前科的花粉组合指示伴人杂草植物群落[13]。在100~125cm土层仅发现多年生草本，这可能是由于多年生杂草有生长势旺盛的块（球）茎，较1年生杂草种子具有较大的竞争优势，更易存活[14]。100~125cm土层的多年生草本主要为鹅肠菜和车前，这两种植株均喜欢生长在沟边、河岸湿地、水边沙土上或路旁阴湿的草丛中，这与玉木亚间冰期（约2.30~4.00万年前）东北的气候较为温暖湿润有关[15]。175~200cm的深层土壤属于遗址堆积的第3层，距今3~5万年，在此阶段气候变化剧烈，冷热交替非常明显[11]，这种环境不利于植被生存，进而导致该层仅发现1粒苘麻种子。锦葵科的苘麻属植株是亚灌木草种，抗逆性强，蒴果，种子含油量高使其在175~200cm土层中保存完好且具有萌发活力。遗址内发现的刮削器、尖状器、雕刻器和砍砸器等工具[1,10]，都具备我国北方草原早期细石器文化特征[16]，这进一步说明了在沈阳的旧石器时代晚期人类生活的地区主要是以蔷薇科、禾本科为主的典型草原。

3.3 考古遗址古植被与古人类活动分析

随着旧石器时代的中期前向晚期的过渡，遗址内土壤种子库中禾本科和蔷薇科草种的数量逐渐增多表明了该地区由杂类草为主的林下草本植物群落演替成为以禾草为主的次生草本群落，草坡增多。本调查中各土层中R值越大表明越接近旧石器时代晚期地表植被的物种种类越丰富；H值随土层的加深而逐渐降低表明旧石器年代晚期发展至今，植被的多样性增加，且每种植被物种的数量的均匀性增加；D值的变化规律也表明旧石器时代晚期至今的发展过程中，植被种类逐渐丰富。在0~100cm土层内各植被的E值基本无差异，表明各土层中草种的均匀性趋于相似。旧石器晚期遗址点周围分布着以蔷薇科为主的草本植物群落，大量出现的禾本科、蔷薇科、马齿苋科植被表明遗址附近可能形成了疏林草地[17]。在正常情况下，林下草本植物以杂类草（即多年生双子叶草本植物）为主，一旦森林遭到破坏，禾本科的草种就会大量繁殖[18]，这也间接反映出人类活动的加强。陈全家等[10]调查也表明本研究中的遗址位于Ⅲ级基座阶地，地势较高，地面开阔平坦，适合古人类活动；通过对比分析遗址中出土的石器，推测该地可能是当时人类石器加工、狩猎、采集的区域，这也直接证明了该遗址附近人类活动较频繁，进而导致在旧石器时代后期形成了以1年生草本为主的典型草原。

综上可知，沈阳农业大学后山的旧石器时代遗址在距今1~5万年前的土层表现出草种植被大量繁殖，形成以蔷薇科和禾本科为主的典型草原，且随着旧石器时代晚期至今，草本物种逐渐丰富，数量逐渐增多；距今5~12万年的旧石器时代中期以前的土层可能由于环境相对恶劣及剧烈变化不利于古人类活动和植被的生长。