第1章 中国农业起源演化研究新方法与新进展①
1.1 引言
越来越多的证据揭示，在*近一个冰消期（约19000～11000a BP），即全球平均气温大幅度转暖（7～9℃）过程中（Lu et al.，2007；Clark et al.，2009 ；王绍武，2011），人类首先在全球三个中心地区（中国、西亚和中美洲）从渔猎采集逐步进入原始农业社会（严文明，1982；Crawford，2006），开始了人类控制和创造食物资源的新时代。农业的起源是人类社会发展历史进程中的重要事件，农业的繁盛让人类演化走向了一条全新之路。1 万多年以来，气候变化和农业的发展，在全球加速了人类社会的演化进程，诞生出形式多样的东西方文明（Bellwood，2005）。在中国滋生了南方稻作和北方旱作两套农业系统，孕育出历史悠久的农耕文化（严文明，1982），其深远影响延续至今。
为什么在末次冰消期-全新世气候变暖过程中，原始农业在全球几个中-低纬度地区同步出现？先后有十多种假说或观点来解释人类驯化农作物的过程和机制，如进化论说、绿洲说、人口压力说和社会变革说等（张光直，1987；Bellwood， 2005；Crawford，2006），这些假说无论是涉及人类主动驯化农作物还是被动驯化农作物，由于受研究材料、方法和学科的限制，对末次冰消期-全新世气候变化过程、农业起源机制，以及人类适应的认识，还存在着较多的假设和推理（Bar-Yosef， 1998；Crawford，2006）。具体到中国稻作、旱作农业起源的过程和规律有什么异同，气候环境变化起到了怎样的作用，对史前文明发展产生怎样影响等，都是至今没有理清的科学事实和科学问题。
目前影响史前农业起源、演化研究深入开展的关键问题，集中在研究材料、方法和多学科研究等几个方面：在研究材料方面，越是早期的农作物“大化石”保存得越稀少，而且更容易腐烂、灰化，难以发现或无法发现（Harvey and Fuller，2005；Piperno，2006；Pearsall，2015），长期以来中国南方稻作、北方旱作地区很少有老于8000a BP 的农作物以及野生亲缘植物大化石（如炭化种子）证据，难以对早期的农业起源和发展过程做准确全面的了解和分析；在研究方法方面，由于缺少早期考古遗存、地层中植物化石准确鉴定的标准，许多地区的农业起源、演化、传播问题，更多地被肢解为是否是野生、采集、栽培、驯化等不同阶段、不同种类的争议，以及是否是多中心起源和单一起源的争议等问题（Liu et al.， 2007；Fuller et al.，2009；Deng et al.，2015）；在多学科研究方面，特别是缺少对精确年代控制下的考古遗址区域古气候、古环境、地貌演化背景的综合研究，难以从时间和空间上了解气候-环境变化背景下的农业起源、传播以及人类适应过程和机制。
近年来国际学术界注重考古遗址和沉积地层中农作物分析、鉴定方法的创新（Piperno，2006；Pearsall，2015；Ball et al.，2016；Miller et al.，2016），特别是在微体化石（植硅体、淀粉粒、花粉）（Woodbridge et al.，2014；Pearsall，2015； Ball et al.，2016）、生物标志物（蛋白质、同位素、分子化合物、DNA）（Izawa et al.，2009；Dallongeville et al.，2015）等用于识别不同农作物或野生祖本方面，取得了许多新成果，发表了一些重要的专著（Piperno，2006；Pearsall，2015）。部分新方法、新技术开始以在线检索方式展示出来，并以很快的速度充实、丰富和传播。例如，Pearsall 教授在美国密苏里堪萨斯大学植物考古实验室建立的植硅体（Phytolith）数据库；伦敦大学Dorian Fuller 教授建立的植物考古数据库；Linda Perry 博士关于国际淀粉命名法的网站等，都促进了农业考古研究的深入。
中国学者在利用多指标、多手段开展农业考古，特别是农作物分析鉴定方法方面，取得了许多重要成果（刘长江和孔昭宸，2004 ；张居中等，2004；Lu et al.， 2005 ；靳桂云等，2007 ；郑云飞等，2007 ；顾海滨，2009；樊龙江等，2011；Zhang et al.，2011，2012 ；秦岭，2012；Yang et al.，2012b ；赵志军，2014）。近年来，针对中国史前农业、气候变化与人类适应研究存在的问题，先后有中国科学院战略性先导科技专项、科技部973 计划项目、国家自然科学基金和国家社会科学基金项目等，分别从不同角度、不同区域、不同时间，特别是方法学方面开展相关研究（Lu et al.，2009a，2009b；Yang et al.，2012b；Zhang et al.，2012 ；李小强，2013；Gu et al.，2013；Jin et al.，2014；WuY et al.，2014 ；侯西勇等，2016；邱振威等，2016 ；杨玉璋等，2016 ；张东菊等，2016 ；张双权等，2016；Ge et al.，2018）， 部分成果集中在：①如何利用自然科学的手段发现、区分、鉴定早期野生-驯化农作物；②明确早期农业起源时间、空间变化的过程；③建立年代准确的气候变化与农业起源、人类活动的关系等方面（吕厚远，2018）。本章重点选择中国科学家在新方法方面取得的新进展及相关成果做介绍。
1.2 农业起源、演化研究的农作物分析鉴定新方法
随着科学技术的发展、人类观察、探测自然精度的提高，农作物“化石”的鉴定也从大化石颗粒形态（如炭化种子颗粒）识别，逐渐向大化石细胞形态、微体化石形态（植硅体、淀粉粒等）、分子生物结构（生物标志物）、遗传学识别的方向发展（Piperno，2006；Pearsall，2015）。其研究方法有一个共同点，即通过分析大量现代植物样品，寻找可重复、可检验、特征明显的鉴定标志，而且这些标志能够在地层中长期保存下来。其研究目标有两个方向，一个方向是不同属种植物间的区分，如区分炭化粟（谷子，脱壳为小米）和黍（糜子，脱壳为大黄米，不黏的黍称稷子）的种子，或者炭化大麦（Hordeum vulgare）和小麦（Triticum aestivum）的种子；另一个方向是驯化农作物与野生祖本的区分，如区分炭化的野生稻和驯化稻的种子。
1.2.1 植物大化石鉴定标志的新进展
随着考古遗址浮选方法的推广（赵志军，2014），鉴定炭化植物种子的需求增多，多种现代中国农作物以及植物杂草种子图鉴（印丽萍和颜玉树，1996 ；郭琼霞，1998 ；刘长江等，2008 ；郭巧生等，2009 ；赵志军，2014）为我们的研究提供了很好的帮助，但现代植物形态特征与考古遗址中植物炭化颗粒仍然有很大区别（刘长江和孔昭宸，2004），研究炭化颗粒鉴定形态特征、埋藏过程依然是植物考古研究需要深入的工作。
1. 野生、驯化稻小穗轴基盘离层、维管束组织鉴定特征
考古遗址中水稻炭化颗粒的鉴定已经取得了众多成果（陈报章等，1995a ；赵志军，2014），但利用水稻炭化颗粒判断水稻是野生还是驯化有许多不确定性。水稻驯化涉及20 多个形态、生理性状变化（区树俊等，2012 ；郑云飞等，2016）， 种子落粒性降低是其中*重要的变化之一，种子落粒性直接影响了稻谷小穗轴基盘形态。傅稻镰等（2009）根据水稻炭化小穗轴基盘形态特征，发现驯化稻小穗轴基盘具有不均匀的轮廓、凹陷的外表和不大对称的伤痕，而野生稻小穗轴基盘处常具有连续轮廓、平而圆的脱落伤痕和一个小而独*的维管束。郑云飞等（2016） 和Zheng 等（2016）进一步对小穗轴基盘离层维管束组织结构进行研究，发现野生稻（Oryza rufipogon）、籼稻（Oryza sativa subsp. indica）、粳稻（Oryza sativa subsp. japonica）小穗轴基盘组织结构的差异（图1-1）。从野生到驯化表现为离层组织逐步消失→离层细胞退化形成的维管束组织呈星散状分布→维管束组织密集分布，是水稻农业考古鉴定方法的突破。进一步对约9000a BP 的浙江湖西遗址小穗轴基盘进行研究，发现其具有不完全离层组织，离层细胞退化形成的维管束组织呈现星散状分布，有粳稻特征，但不发达。在7000a BP 的河姆渡文化时期，开始出现具有典型粳稻离层特征的水稻小穗轴，表明水稻驯化经历了落粒性不断降低、粳稻特征逐渐明显的漫长过程。
图1-1 野生稻、籼稻、粳稻小穗轴基盘离层-维管束组织结构
（据Zheng et al.，2016；郑云飞等，2016）
不过稻谷小穗轴基盘在早期地层保存较少，很难建立水稻驯化演化序列，另外关于小穗轴基盘离层-维管束组织结构的观察分类，还需要具体量化的指标。
2. 野生、驯化大豆炭化颗粒形态鉴定特征
虽然学术界普遍认为，大豆（Glycine max）起源于中国（赵团结和盖钧镒，2004），但一直缺少从野生到驯化的考古学证据，主要是缺少鉴定史前炭化野生大豆和驯化（栽培）大豆的形态标志。赵志军和杨金刚（2017）通过对我国大量现代野生大豆和驯化大豆的炭化实验，发现了一个重要的鉴定标志：驯化大豆炭化后，豆皮爆裂成碎片状，大部分豆皮甚至完全脱落；野生大豆炭化后的豆皮虽然也出现爆裂现象，但从不脱落，从而建立了炭化野生大豆和驯化大豆的鉴定标准（表1-1）。
表1-1 考古出土炭化野生-驯化大豆鉴定标准（据赵志军和杨金刚，2017）
研究认为驯化大豆的豆皮易于脱落，可能与人类蒸煮食用的选择有关。进一步对河南贾湖遗址出土的炭化大豆进行形态鉴定发现，炭化大豆饱满，豆皮脱落严重，初步认为出现了驯化大豆的特征，说明我国驯化大豆的起源可以追溯到约8000a BP，提供了中国是大豆起源地的考古学证据。
中国野生和驯化豆类种类众多，还需要深入开展基础研究，获取可量化的鉴定指标，特别是从野生到驯化之间的过渡指标，可以方便将来准确地探索大豆驯化的过程。
3. 粟、黍炭化过程初步分析及在旱作农业研究中的意义
植物（种子）受热（火）炭化后，成分十分稳定，可以长期在地层中保存下来，没有被炭化的富含有机质的植物体在地层中会很快氧化、腐烂（杨青等，2011）， 特别是在我国东部温暖湿润的地区是很难长期保存的。当然，超过炭化温度的有机质都已经氧化-灰化成粉，失去了形态鉴定特征。因此，从遗址中浮选的炭化植物大化石都是受热（火）炭化后保存下来的，已经有学者（M.rkle and R.sch，2008； 王祁等，2015b）通过对部分农作物的炭化分析，了解到不同农作物种子受热炭化的温度区间、过程是否存在差异，以及会不会影响对出土炭化植物的种类、含量的判断。
在黄河流域旱作农业考古记录中，有粟、黍遗存的新石器遗址多以粟为主，少有黍的报道（游修龄，1993 ；陈文华，2002），近年来考古遗址浮选的结果，也多以粟为主，粟被认为在中华农耕文明演化中一直“唱主角”。然而，一些学者也发现中原地区粟、黍种子炭化颗粒考古记录和历史记录以及微体化石的记录并不一致。在历史文献方面，黍在甲骨文和《诗经》中出现的次数远超过粟（陈有清，2000 ；陈文华，2002 ；张健平等，2010）。*近通过对相同遗址单元浮选的粟、黍炭化种子和植硅体分析出的粟、黍的比例进行对比，发现炭化种子中黍的比例远小于植硅体分析出的黍的比例（王灿等，2015 ；王灿，2016 ；王灿和吕厚远，2020），不同的记录指标得出了不同的结果。
张健平等（2010）对现代黍、粟种子的植硅体产量进行分析，表明相同重量的黍、粟种子稃壳的植硅体产量基本相等（每克45 万粒左右，干式法），其植硅体含量大致反映了黍、粟的相对产量（重量）
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