桂林市甑皮岩与大岩遗址人和动物骨骼的碳氮稳定同位素研究
中国考古
中国社科院考古研究所昨天 19:37
前言
农业出现之前，古人类主要从自然环境中获取食物资源，即狩猎采集经济（Hunter-gather Economy）。考古资料显示，旧石器时代晚期至新石器时代早期，世界各地的狩猎采集者不断拓展生存空间，获取食物资源的种类也出现了明显多元化的趋势，常被视为狩猎采集社会向农业社会过渡的必经阶段。因此，了解狩猎采集者食物资源的多元化特征及其生存策略的变化，对探讨狩猎采集社会的演变历程和农业起源具有重要意义。
通常，对遗址动植物遗存的分析，是揭示人群狩猎采集对象及探讨其生存策略的主要研究方法，已普遍应用于了解世界范围狩猎采集者生存策略的变迁。研究发现，更新世晚期至全新世早期，欧洲中高纬度地区，鸟类、小型动物和水生资源在动物遗存中的比例大幅增加；葫芦科、豆科、木薯等块茎（根）类植物和大型动物、鱼类等，成为美洲大陆先民的主要食物来源；近东地区的大型动物普遍减少而小型动物、水生资源及禾本科植物种子的利用明显增加。
考古资料显示，自旧石器时代晚期至新石器时代中期，狩猎采集群体一直活动于我国华南及东南亚地区。该区域考古遗址中发现的大量陆生动物遗存、水生动物遗存和块茎类植物遗存，说明先民食物资源获取的多元性。目前，华南地区是否存在块茎类植物的原始农业，学界仍存在一定争议，但比较明确的是，新石器时代晚期（距今5000～3000年）稻、粟等作物可能已进入本地区。
毋庸置疑，动、植物考古研究成果已为了解华南地区狩猎采集人群的生存策略提供了可靠的实物证据。然而，需要指出的是，与长江流域和黄河流域不同，狩猎采集经济在华南地区自旧石器时代晚期起一直持续至新石器时代中晚期。在此漫长的时段内，尤其是新石器时代早期至中期，先民的生存策略是否存在历时性的变化，尚缺乏细致的研究。
人和动物骨骼的碳氮（C、N）稳定同位素分析，是当前国际生物考古学界揭示古代人群食物结构、了解其生存策略的主要研究方法之一。该方法已在揭示欧洲、美洲等地中石器时代狩猎采集经济的多样性、了解先民的生存方式等方面取得了重要进展。相对而言，近些年来，国内学者虽已在华南地区开展了相关研究，但时段主要集中在新石器时代中晚期，并未涉及新石器时代早中期人群生存策略及变迁的探索。有鉴于此，本文拟以华南地区新石器时代早中期的代表性遗址，即广西桂林甑皮岩和大岩遗址出土的人和动物骨骼为研究对象，开展碳氮稳定同位素分析，揭示人与动物的主要食物来源，以此了解先民的生存策略及变迁，并对其产生的机制进行进一步探讨。
一、稳定同位素分析原理
稳定同位素分析原理认为生物体（人、动物）身体组织的稳定同位素组成直接取决于其摄取食物的稳定同位素组成。根据植物不同的光合途径，可分为C3、C4和CAM类型。C3植物和C4植物的δ13C平均值分别为-26.5‰和-12.5‰。在食物被生物体消化吸收并转化为其组织的过程中，将发生稳定同位素的分馏。一般认为，自食物至生物体的骨胶原，δ13C值约富集5‰，沿营养级上升时约富集1～1.5‰。对于氮稳定同位素而言，δ15N值沿营养级上升约富集3～5‰。在实践中常以3‰作为区分营养级的指标。此外因水生环境（淡水或海水）比陆地环境具有更长的食物链，同营养级的水生动物通常比陆地动物的δ15N值更高，而海生生物的δ15N值则最高。由此，根据生物体组织的碳氮同位素数据，即可估计其主要的食物类型和营养级别。需要指出的是，因不同生态系统中动植物的同位素数据可能存在一定的差异，若紧密结合当地生态系统中不同营养级的动物同位素数据，并将其作为同位素背景值（Isotopic Baseline），便可依据自食物至生物组织的同位素分馏效应，进一步揭示其主要的食物组成。
二、材料与方法
（一） 遗址的考古背景
甑皮岩遗址和大岩遗址均位于广西桂林市，是华南地区重要且相对较早的洞穴遗址，时代为旧石器时代晚期至新石器时代早中期。
甑皮岩遗址位于桂林市南郊独山西南麓一座石灰岩孤峰的脚洞，东距漓江约4公里，总面积约260平方米。遗址发现于1965年，1973～1979年和2001年，广西壮族自治区文物管理委员会和中国社会科学院考古研究所等单位分别对遗址进行了多次发掘，发现有史前时期的石器加工场所、用火遗迹和墓葬，出土遗物有陶器、石器、蚌器、骨角器和大量水陆生动植物遗存。遗址主体遗存的年代为距今12000～7000年，分五期（表一）。墓葬的葬式均为屈肢葬，少数墓坑中放置了石块或以蚌壳覆盖头骨，可能源于特殊的埋葬习俗。人骨的体质特征为古华南类型，属于当地居民。人牙齿普遍具有较高的龋齿率，可能与食用富含淀粉类或螺蚌类（螺蚌类食物含有大量泥沙，长期食用会导致龋齿率的升高）的食物有关。此外，在甑皮岩遗址第一至五期出土石器和蚌器上发现的淀粉粒，以及遗址出土的炭化块茎（根）类植物遗存，均说明人群存在长期利用块茎类等植物的现象。
大岩遗址位于桂林市临桂区下岩门山北麓，东距甑皮岩遗址约4公里，1999年由中国社会科学院考古研究所等单位进行发掘。遗址主体遗存的年代为距今15000～5000年，分六期（见表一）。大岩遗址发现的遗迹有灰坑、用火遗迹和墓葬（表二），出土遗物有大量的陶器、石器、骨器和蚌器等。大岩遗址发现墓葬10座，均属于大岩第五期（新石器时代中期），葬式以蹲踞葬和屈肢葬为主，人骨体质特征见表三，墓内随葬有石器、骨器和穿孔蚌器，反映出先民已存在埋葬习俗和死亡观念。经北京大学黄蕴平教授和张颖老师鉴定，出土的动物种属包括鹿科、猪、水牛、食肉类、龟鳖类、少量鱼骨等。目前，该遗址尚未发表文化遗存、动植物遗存分析的资料。
（二） 样品选择
本研究挑选两个遗址出土的人和动物骨骼样品共68例，包括甑皮岩遗址人骨18例、动物骨骼42例，大岩遗址人骨8例。所选取人骨样品多属甑皮岩遗址和大岩遗址第五期，即新石器时代中期，少部分属甑皮岩遗址第三期，即新石器时代早期。为进一步明确人骨年代，挑选了部分样品进行加速器质谱碳十四（AMS-14C）测年。样品的出土单位、人骨的性别和年龄、动物种属等见表四。
（三） 骨胶原制备
骨胶原的提取主要根据理查德（Richard）等的提取方法并略作修改。机械去除骨样内外表面的污染物质；称取约2克骨样，置于0.5摩尔/升的盐酸溶液中，于4℃下浸泡脱钙，每隔两天更换新鲜酸液，直至样品松软，且溶液无明显气泡；蒸馏水洗至中性后在0.125摩尔/升的氢氧化钠溶液中浸泡20小时以去除腐殖酸；洗至中性，置于0.001摩尔/升的盐酸溶液中在70℃下明胶化48小时，浓缩热滤，冷冻干燥获得骨胶原，称重并计算骨胶原的产率。
（四） 样品测试
骨胶原碳氮元素含量及稳定同位素比值在中国科学院大学考古学与人类学系稳定同位素考古实验室测试，仪器为元素分析仪（Vario Pyro Cube）联用的同位素质谱仪（IsoPrime-100IRMS）。测试的胶原蛋白质量为0.5～1毫克。碳氮稳定同位素比值分别表示为相对于国际标准VPDB和AIR的δ13C和δ15N值。测试中的国际标准样品包括乙酰苯胺（Acetanilide）、IAEA-600、IAEA-N-2、IAEA-CH-6、USGS40和USGS41，用于元素含量和稳定同位素值的校正。标准物质的δ13C和δ15N值，分析精度低于±0.2‰。此外，每测试10个样品中插入一个实验室自制胶原蛋白标样（δ13C值为-14.7±0.2‰，δ15N值为7.0±0.2‰），以监测仪器的稳定性。测试数据见表四。
（五） 加速器质谱碳十四测年
根据样品重量及保存状况，选取甑皮岩遗址出土的6例骨骼样品（4例人骨和2例鹿骨），在美国贝塔（Beta）实验室进行加速器质谱碳十四测年。6例样品中仅有2例得出可用的骨胶原，测年结果见表五。
三、分析结果
（一） 甑皮岩遗址人骨的年代
仅存的2例甑皮岩人骨样品，碳十四校正年代为距今8327～8180年（2σ，95.4％）和距今9471～9367年（2σ，65.6％），属于新石器时代中期早段，与表一所列的年代范围基本一致。
（二） 骨胶原的保存状况
骨胶原为骨中的有机基质，在长期的埋藏过程中受温度、地下水侵蚀、酸性土壤及微生物活动等因素的干扰，易发生降解或流失，导致骨胶原原初化学成分的丧失。本研究中，68例样品骨胶原含量介于0.1～1.5％之间，均值为0.7±0.3％（n=67），远低于现代样品（约含20%骨胶原）；1例未提取出骨胶原，说明绝大部分的骨胶原已流失。根据未受污染骨胶原的元素指标，即碳含量在15.3～47％之间，氮含量在5.5～17.3％之间，及碳与氮摩尔比为2.9～3.6。其余67例样品中仅有37例的碳与氮含量及碳与氮的摩尔比符合要求，可以开展稳定同位素分析。
（三） 动物群的δ13C和δ15N值分析
甑皮岩遗址动物群的δ13C值分布范围为-23.8～-10.2‰，δ15N值介于3.4～8.2‰（n=20）之间，说明不同种类动物的食物结构和生存环境存在较大差异（图一）。此外，由图一和表四可以看出，不同时段的同种动物，其同位素数据较为相似，说明新石器时代早中期的生境较为稳定，食物来源未发生较大变化。这为了解甑皮岩遗址新石器时代早中期生态系统的同位素背景值奠定了基础。
由图一可以看出，不同种类的鹿科动物，其同位素数据存在明显的差异。大型鹿的δ13C和δ15N平均值分别为-21.5±1.6‰（n=3）和3.6±0.3‰（n=3），而中小型鹿则为-21.9±1.4‰（n=5）和6.4±0.3‰（n=5）。这说明两者虽主要摄取C3植物，但栖息环境和食物来源皆有所差异。与鹿科动物不同，水牛的δ13C和δ15N平均值分别为-12.8±3.7‰（n=2）和5.2±0.2‰（n=2），说明其食物中包含了大量的C4植物。以上动物的δ15N平均值为5.3±1.3‰（n=10），可视为食草类动物营养级的δ15N值。
作为杂食动物，猪的δ13C和δ15N平均值分别为-21.9±0.1‰（n=3）和4.9±0.7‰（n=3），说明其主要以C3植物为食。
陆生食肉类及小型食肉类动物的δ13C和δ15N平均值分别为-17.2±2.4‰（n=5）和7.3±0.5‰（n=5），说明其摄取了一定量的C4类食物。其δ15N值较以上食草类动物高2‰，说明其食物主要来自陆生生态系统。
与陆生动物不同，淡水鱼的δ13C和δ15N平均值分别为-22.5±0.2‰和7.0±0.0‰（n=2）。其δ15N值明显高于陆生食草类动物而与食肉类动物相近，体现了淡水生态系统的同位素特征。
（四） 人骨的δ13C和δ15N值分析
甑皮岩遗址第一至五期和大岩遗址第三至五期同处于新石器时代早中期（见表一）。鉴于二者的时空范围及主体文化面貌均较为一致，故将二者出土人骨的同位素数据一并进行分析。
如图二所示，人骨的同位素数据明显异于动物。其δ13C值分布范围为-22.6～-20.6‰，平均值为-21.2±0.6‰（n=17）；δ15N值的范围为7.5～11.6‰，平均值为10.2±1.2‰（n=17）。由此可以看出，先民的食物来源非常多样，动物蛋白的摄取差异明显。此外，其δ15N平均值远高于陆生的食草类动物（5.3±1.3‰）和食肉类动物（7.3±0.5‰），差值分别为4.9‰和2.9‰，说明其摄取的动物蛋白并非主要来自陆生系统。由图二可以看出，人的同位素数据更接近于淡水鱼，两者的δ13C和δ15N平均值差分别为1.3‰和3.2‰，接近于营养级间的富集效应（约1‰和3‰）。由此可说明先民摄取了大量的淡水类动物资源。
此外，人骨碳氮同位素数据的统计分析表明，不同性别人群的δ13C值（P=0.2）和δ15N值（P=0.3）以及不同年龄人群的δ13C值（P=0.3）和δ15N值（P=0.3）均无明显差异，说明其对食物资源的获取较为一致。然而，人群在不同时段内（新石器时代早期和中期）却存在明显的同位素数据差异（见表四），其原因将在后面进行详细讨论。
四、相关讨论
（一） 新石器时代早中期的古环境与先民生存策略
近期的古环境研究可知，新石器时代早中期（距今12000～7000年）华南地区处于全新世升温期，气候温暖湿润。甑皮岩和大岩遗址出土了大量可食用的植物种子以及块茎（根）类、坚果类、十字花科等植物遗存以及陆生、水生动物遗存，反映了多元的生态系统。动物群的同位素数据说明，其生境以C3植物为主，兼有少量C4植物。C4植物的存在可能与末次冰期至全新世早期华南地区的温度升高及降雨量的季节性变化有关。尤为重要的是，同种动物群在不同时段的同位素数据（见图一；表四）较为相近，说明当时的生境较为稳定，存在丰富的陆生及淡水类动植物资源。
总体上，甑皮岩和大岩遗址人骨的碳氮同位素数据说明其食物中应包含大量的淡水类资源，如淡水鱼、贝类等。这一结果与两个遗址考古发现的大量贝类堆积以及出土的渔猎工具（鱼钩、鱼镖等）等证据相一致。此外，不同性别和年龄的人群在食物资源的分配上无明显差异，反映了新石器时代早中期华南地区狩猎（渔猎）采集社会成员的平等地位。然而，不同时段内先民的同位素数据却发生了显著的改变（见表四），说明先民的生存策略发生了历时性变化。
（二） 先民生存策略的变化
如前所述，在生态环境较为稳定的情况下，不同时段内先民的生存策略却发生了明显的变化。在此，通过图三和表六可以更为深入地分析不同时段内先民食物来源的差异。
如图三和表六所示，新石器时代早期人群与中期人群的δ13C值，尽管平均值较为相似，且无显著差异，但早期明显趋同，中期则较为分散。这种趋势更为突出地体现在早期、中期人群δ15N值的差异上。早期人群的δ15N平均值为11.5±0.1‰（n=6），与淡水鱼（7.0±0.0‰，n=2）和陆生食肉类动物（7.3±0.5‰，n=5）之差分别为4.5‰和4.2%，已远超氮同位素在营养级间的富集效应（3‰）。这说明其主要的食物来源应具有更高的δ15N值（本研究并未分析到的动物样品），如具有更高营养级的淡水类资源。此外，早期人群的δ13C值和δ15N值高度集中，标准差均仅为0.1‰，说明人群食物来源高度接近。这可能反映了新石器时代早期人群平等分配和分享食物资源，以应对日益增长的人口压力。反观中期人群，同位素数据的差异极大，δ13C值为-22.8～-20.8‰，平均值为-21.4±0.6‰（n=11）；δ15N值范围为7.5～10.4‰，平均值为9.5±0.9‰（n=11），说明先民的食物来源更加广泛和多元，而中期人群的δ15N值较早期显著下降，说明其增强了对陆生资源的利用。
（三） 人群组成与生存策略演变动因
自末次冰期之后，随着气温的不断上升，人类在全球的生存空间不断拓展。然而，现有考古证据显示，全新世早期的遗址和人类遗存均相对较少，反映了此时人群仍然存在较大的生存压力。本研究中新石器时代早期（距今12000～9500年）人群（n=6）的食物来源高度集中，反映了当时的群体应遵循食物的平均分配方式，人群的组成也较为单一，狩猎和采集的范围也相对有限。至新石器时代中期（距今9500～7000年），全球范围内考古遗址的数量急剧增加，占据了不同的生境。本研究中，新石器时代中期的人群组成（n=11）较为离散，获取食物的种类明显多样且陆生资源显著增加。
植物考古证据显示，块茎（根）类植物遗存最早出现在甑皮岩遗址第一期（新石器时代早期），至甑皮岩遗址第四、五期（新石器时代中期）数量显著增加。大岩遗址第五期还出土了少量的炭化稻遗存。尽管这些证据尚需进一步分析证实，但新石器时代中期人们已逐渐重视对陆生资源的开发利用。此外，虽然目前尚不明确甑皮岩和大岩遗址的人群是否存在定居，但从制陶技术的发展以及生活用具如骨针、骨锥以及饰品在甑皮岩遗址第四、五期逐渐增多，也可反映出这一时期人群逐渐形成了稳定的居住方式，降低了人群的流动性，从而为后期向农业社会的过渡提供了保障。
综上所述，新石器时代早中期人群生存策略的变化，可能与人群组成、环境适应和活动范围的转变密切相关。加强全球范围内狩猎采集人群的生存策略与人群组成及演变过程的比较分析，可深入了解狩猎采集人群的社会结构与生存策略，进一步揭示狩猎采集经济向农业经济过渡和转变的动因。
结语
华南地区新石器时代早中期人群生存策略及其演变轨迹一直缺乏细致的研究。本文对广西桂林甑皮岩和大岩遗址出土的人骨、动物骨骼进行了碳氮稳定同位素分析和加速器质谱碳十四测年，可得出如下结论。
1.不同时段动物群的同位素数据相近，反映出新石器时代早中期广西地区的生态环境较为稳定。
2.甑皮岩和大岩遗址人群（n=17）的食物来源中，包含大量淡水类动物资源及一些陆地C3类植物资源。不同性别和年龄的人群在食物资源的分配上无明显差异。
3.新石器时代早期人群（n=6）的食物来源高度集中。新石器时代中期人群（n=11）获取食物的途径较早期广泛，并增加了对陆生资源的利用。
4.结合考古资料和两例人骨的碳十四校正年代（距今8327～8180年和距今9471～936年），甑皮岩和大岩遗址新石器时代早期阶段（距今12000～9500年）人群组成较为单一，其生存策略为食物资源的平均分配。新石器时代中期（距今9500～7000年）的人群组成趋于复杂，其生存策略也发生明显改变，渔猎采集减少而陆生资源的利用显著增加。这反映了新石器时代中期华南地区人群组成、环境适应和活动范围的较大改变。
附记：本研究得到国家自然科学基金项目“步氏巨猿的摄食行为及对其演化和灭绝的潜在影响”（项目编号：41773008）、“多稳定同位素示踪黄牛家养化的文化特征：以陕西关中地区为例”（项目编号：41373018）的资助。广西桂林甑皮岩遗址博物馆周海、韦军，中国社会科学院考古研究所傅宪国、付永旭、黄超，中山大学社会学与人类学学院李法军，北京大学考古文博学院黄蕴平、何嘉宁、张颖，中国国家博物馆张昕煜等诸位学者在样品选取、骨骼鉴定及论文写作过程中给予了热忱帮助并提出宝贵意见，谨致谢忱。