粟类作物稃片植硅体形态研究回顾与展望

中国是粟、黍的起源地,但受植物遗存保存状况及研究方法的限制,对粟类旱作农业起源与驯化的时间、地点、种类、过程等的认识仍然存在不同观点。植硅体分析为准确鉴定粟、黍及其野生祖本和亲缘物种提供了新的途径。本文总结了近几年来针对粟、黍种子稃片植硅体研究取得的新进展,获得以下认识:1)进一步明确了稃片表皮长细胞植硅体的形态特征、大小、数量是鉴定考古文化堆积中粟、黍及其野生祖本和亲缘野生物种的可靠指标;2)通过对比我国北方常见的狗尾草属稃片植硅体,发现了ΩⅢ型仅发育于粟和青狗尾草的稃片中部,且其大小与狗尾草属野生植物差异显著;3)分析和说明了稃片植硅体鉴定流程和方法、重点强调了稃片Ω/η类型的鉴定特征和应用范围,以及植硅体统计量等关键问题;4)讨论了粟类稃片植硅体产量与农作物产量的关系以及植硅体埋藏学问题,最后对深化粟类植硅体形态学研究提出了初步建议。希望通过本文的总结与讨论,能够使植硅体分析方法在粟类作物起源和传播的研究中得到更准确、更广泛的应用。     

植硅体稳定同位素生物地球化学研究进展

植硅体形态鉴定与组合分析广泛应用于古环境重建和农作物起源分析等.鉴于植硅体的抗腐蚀、抗降解,易保存,锢囚的碳不易污染,且保存了植物的原始信息等特性,其有机地球化学研究日益被重视.植硅体稳定同位素分析表明植硅体是植物通过吸收单硅酸,以蒸腾作用为主要动力,在植物的不同部位发生同位素分馏淀积形成,其稳定同位素组成具有丰富的植物生理和环境信息.植物不同部位植硅体稳定同位素组成具有差异,其含量和硅、氧同位素值沿蒸腾流通常有增加的趋势.沉积物植硅体碳同位素分析不仅可以用于恢复草本的C3、C4植物生物量的比例,并且有可能重建古大气的碳同位素构成,是三者中最具有潜力的考古学、古环境研究的指标.植硅体有机化学组成分析,特别是类脂物分析,有利于认识植硅体碳同位素值相对于总有机碳偏负,C3、C4草本植硅体同位素差值范围缩小的原因.     

RESEARCH PROGRESS OF FAN-SHAPED PHYTOLITH OF RICE AND RELEVANT ISSUES

在稻作农业起源和传播的研究中,水稻扇型植硅体对于发现、鉴定水稻遗存起到了重要的作用.目前学术界利用扇型植硅体在区分野生稻和栽培稻,粳稻和籼稻方面建立了诸多判别标准,但这些“标准”并没有得到广泛认可.本文从扇型植硅体的发育机理入手,结合前人对水稻扇型植硅体的研究成果和通过对部分现代野生、栽培水稻扇型植硅体的观察分析,认为尽管现代稻属和粳、籼稻扇型植硅体的鉴定特征是比较明确的,但由于野生稻和栽培稻扇型植硅体的区分存在不确定性,限制了扇型植硅体在早期稻作研究中的应用.本文对目前利用扇型植硅体进行水稻农业考古方面存在的问题进行分析,对如何寻找野生稻和栽培稻扇型植硅体的有效区分标准、如何应用新方法新技术提高鉴定准确性等方面进行了探讨.     

浙江浦江上山遗址水稻扇形植硅体所反映的水稻驯化过程

对长江下游最早的新石器时代遗址——上山遗址出土的各类水稻遗存,其性质是野生、驯化或者是处于驯化过程中,一直争议颇多,这也导致了关于水稻驯化开始时间的争执。本文利用植硅体分析对浙江浦江上山遗址南区剖面距今10000年至历史时期的文化层堆积物进行了研究。通过对提取出的水稻扇形植硅体进行形态测量和鱼鳞状纹饰的计数,结果发现,扇形植硅体的形态测量参数——长、宽和b/a值(扇形植硅体扇柄长度/扇面长度),在过去一万年间的变化呈无序状态;具有大于等于9个鱼鳞状纹饰的扇形植硅体,占扇形植硅体总量的比例越来越大,从上山文化早期的34.98%上升到河姆渡文化时期的44.68%,进而达到春秋战国时期的59.18%和唐宋时期的78.72%,反映了水稻漫长的驯化过程。通过与野生稻田扇形植硅体的对比,我们认为,上山文化时期水稻驯化已经开始;通过与现代稻田扇形植硅体的对比,我们认为,唐宋时期水稻扇形植硅体特征已与现代种植水稻扇形植硅体相同。     

湖北荆门屈家岭遗址史前农业发展的植硅体证据

采用植硅体分析方法,对湖北荆门屈家岭遗址南部2015~2017年度主发掘区TN14W35探方内油子岭至石家河文化时期(5800~4200 a B.P.)的地层土样进行了系统取样分析,并重点对水稻扇型植硅体形态特征进行了研究.结果显示,遗址各文化时期土样中均含有丰富的水稻(Oryza sativa)特征型植硅体,表明稻作农业在屈家岭遗址各阶段先民植物资源的开发利用中始终占据着主导地位.同时,实验还在油子岭和屈家岭文化地层发现粟(Setaria italica)、黍(Panicum miliaceum)植硅体,但从发现数量看,粟类作物在屈家岭遗址先民农作物利用结构中只占据极小的比重.论文通过对水稻扇型植硅体形态参数测量和鱼鳞状纹饰统计发现,屈家岭遗址的水稻遗存主要属于粳稻类型,且驯化程度在油子岭文化早期时期就已经达到现代栽培稻水平.本文研究揭示了屈家岭遗址先民的农业结构、水稻类型及驯化水平,为了解江汉平原汉水东部地区新石器时代晚期人类生业形式与水稻驯化水平等提供了重要科学依据.     

新疆尼勒克县吉仁台沟口遗址石器功能分析:来自植物微体遗存的证据

新疆地处欧亚大陆中心,自然环境复杂,生业经济形式多样,东西方文化交流频繁,是了解欧亚大陆古代人类活动和文化发展的重要区域.从新石器时代至青铜时代在该区域出土了丰富的石制品,但对其功能的研究较少,尤其是一些中国内地不常见,而与中亚、欧亚草原类型相似的石器.本文对新疆伊犁地区青铜时代吉仁台沟口遗址(82.77°E,43.84°N;3600~3000 cal.a B.P.)出土的具有安德罗诺沃文化特征的长条形石磨盘、石杵和饼形石器的表层残留物进行了淀粉粒和植硅体分析,为这些石器的功能研究提供了直接证据.分析结果显示,石器表面的淀粉粒来自禾本科小麦族(the tribe Triticeae)和某些块根块茎类植物,而石器表面发现的775粒植硅体中,粟类作物稃片植硅体占9%,其他类型的植硅体以早熟禾亚科(Pooideae)型和棒型为主,另在石杵上发现栝楼属(Trichosanthes)植物果皮植硅体及植物组织.结合遗址中大植物遗存证据,研究结果表明:石磨盘曾用于研磨麦类作物种子和某些块根块茎类植物,石杵亦用于麦类作物研磨,但也对粟类作物进行脱壳以及加工栝楼属植物果实.用于分析的饼形石器有两种类型,第一类为打制饼形石器,残留物中的植物遗存显示可能与石磨盘组合用于加工植物的块根块茎;第二类为磨制饼形石器,其表面发现极少量粟类稃片植硅体,推测其可能用于粟类作物脱粒.研究结果为新疆伊犁地区考古遗址出土安德罗诺沃文化石器的功能、农作物加工过程,以及古代社会生计模式的认识提供了依据;石器残留物中块根块茎类淀粉粒以及农作物植硅体的发现,是对已有大植物遗存分析结果的进一步补充.     

植硅体形态测量学研究与应用概述

植硅体形态测量学是植硅体研究的重要方向之一,随着学科交叉研究的深入,植硅体形态测量学在植物分类与生态学、环境考古学、全球变化与生态响应等领域得到快速发展。综合已有研究成果表明,长鞍型植硅体形态测量学在日本、中国的竹亚科属一级竹类生态学具有独特的指示作用,而扇型和长鞍型形态测量学在中国西南西双版纳竹亚科木本竹子属一级分类中具有重要的参考价值;稻亚科扇型形态测量学可以有效区分籼稻与粳稻,且扇型鱼鳞状纹饰与颖壳双峰植硅体形态测量学结合可以准确判别亚洲栽培稻与普通野生稻;黍亚科树状表皮长细胞形态测量学被成功运用到区分中国西北黍和粟及其亲缘物种的关系,葫芦科南瓜属刻面球型植硅体形态测量学揭示了野生种、半驯化种和驯化种之间植硅体形态大小及其关系,证实南美洲低地地区早全新世出现的南瓜驯化历史;中国东北不同环境条件下的禾本科羊草、芦苇植硅体形态测量学研究反映了陆生植物对全球变化的生理生态响应,为研究陆地生态系统对全球变化的响应及古环境重建提供了重要参考。     

植硅体研究及其应用的讨论

植硅体是填充于高等植物细胞组织中的非晶质含水二氧化硅颗粒，记录了它所起源的植物细胞的特征，可以在土层或沉积物中很好地保存下来。通过植硅体的形态鉴定和确定组合带，可以恢复古植被、讨论植物群落演替，推断第四纪古气候环境及其变迁，指导地层划分对比。结合数学方法可以进一步计算出各种古环境气候的参数值，从而用以研究气候波动和发现气候事件，进行全球对比研究。在考古学、土壤学、农学和医学等领域，植硅体也得到了广泛的应用。     

植硅体化学组成研究进展

现代植物植硅体化学组成研究有利于揭示植硅体的化学组成与细胞形态、植物种类及植物生长环境之间的关系,认识植硅体形成机制、植物分类及生态意义。植硅体化学组成测试方法多种多样,主要涉及植硅体化学元素组成及Si、O和C元素同位素组成测定,研究表明植硅体主要含二氧化硅和水,封闭有少量的有机成分及多种矿质元素。在植硅体封闭有机成分存在形式,部分元素的形成、迁移等循环机理,稳定碳同位素组成、分布及其生态指示意义以及^14C测年研究等方面取得一定认识。植物种类、组织部位、细胞微环境以及植物生长的环境因子能够影响植硅体的化学组成。植硅体化学组成研究对植硅体形成机制及碳、硅等元素循环具有重要意义,植硅体部分化学元素、植硅体稳定同位素组成及^14C测年具有较好的古环境及考古研究潜力。现代植物植硅体化学组成及其与环境因子的关系,以及植硅体电子探针微区研究有待于进一步深入开展。     

棕榈科植硅体形态分析及其环境意义

植硅体分析在古环境、古生态、环境考古、植物分类等众多领域研究中逐渐显示出其重要的作用,其应用潜力依赖于现代植硅体形态基础研究工作的深入。文章主要针对我国热带、亚热带地区常见的棕榈科15个属20个种植物进行了植硅体形态鉴定和多项形态参数(大小、突起等)的测量分析,同时对旅人蕉科的白花扇芭蕉、蝎尾蕉科的黄芭蝎尾蕉、苏木科的无忧树进行了对比研究。结合聚类分析方法把植硅体形态分为5个大的类型,棕榈科植硅体主要包括刺球形、水母形和草帽形3种形态。白花扇芭蕉植硅体呈褶球形,黄芭蝎尾蕉植硅体呈飞梭形,无忧树不含有植硅体。同时,给出了不同类型形态参数的大小和范围,为利用棕榈科植硅体等进行古环境研究提供了基础。     

浙江余姚田螺山遗址土壤植硅体AMS~(14)C测年初步研究

植硅体(phytolith)是植物体细胞中非晶体二氧化硅脱水后的产物。非晶体二氧化硅的一个聚合基有活性,能够结合植物细胞中的有机碳。植物体死亡后,非晶体二氧化硅脱水,形成坚硬的硅质物,具有抗风化、抗腐蚀、耐酸的特点。植物原生的有机碳被封闭在植硅体内,与外界隔绝,被很好地保存了下来。利用植硅体进行~(14)C年代测定,可以得到植物体死亡的年龄。本研究采集浙江田螺山新石器时代遗址水稻田土壤样本,提取其中的植硅体,通过元素分析、红外光谱进行鉴定,并利用加速器质谱对植硅体样品进行~(14)C年代测定,以期得到水稻田的使用年代;对同层位炭化植物种子也利用加速器质谱进行了~(14)C年代测定。对比结果显示,植硅体年代数据与炭化植物种子的年代在3σ误差范围内一致,植硅体年代数据的中值比炭化植物种子的年代数据中值略有偏老。可以认为植硅体的年代基本上代表了水稻田被使用的年代,植硅体测年可以作为植物年代测定的有效手段。同时,本文尝试针对本研究植硅体年代数据偏老的部分原因做了一点讨论。     

关中盆地6000～2100cal.aB.P. 期间黍、粟农业的植硅体证据

黍、粟是我国北方两种重要的旱作农作物,对中华文明起源和发展产生过重要的影响。长期以来由于受到考古样品保存及研究方法的限制,早期考古发掘报道的我国关中盆地新石器遗存的农作物多是以粟为主或粟、黍不分,统称粟类作物,缺少对该区新石器时期粟、黍农业状况的深入研究。本文利用植硅体方法,分别对现代黍、粟和水稻种子的植硅体产量以及关中盆地新石器考古样品中的植硅体进行分析。结果表明,等重量的黍、粟种子稃片的植硅体产量基本相等,其植硅体含量所反映的是黍、粟的相对产量(重量);水稻双峰型植硅体的百分含量比水稻实际含量相对偏低。关中盆地泉护、杨官寨、浒西庄、案板、王家嘴,水沟等6个考古遗址17个¹⁴C年龄和47个植硅体样品分析结果显示,约6000～2100cal.aB.P.期间,关中盆地黍子的植硅体含量一直占优势(3.4％～34.5％),粟次之(0～6.2％),即使在气候相对暖湿的阶段,黍的产量仍超过粟。泉护、杨官寨、浒西庄,案板等遗址的个别样品中保存水稻植硅体。这些结果为重新认识关中地区新石器时期农业生产与社会经济形态以及与气候环境条件的关系提供了新的参考资料。     

东北地区泥炭表层沉积中植硅体分布特征

表土沉积物中的植硅体分析是了解第四纪沉积物中植硅体组成的重要途径,也是重建第四纪古环境的基础。对东北地区跨越3个气候带、6个地区的41处泥炭地表土中的植硅体进行提取,鉴定出东北泥炭表土中主要发育哑铃型、扇型、鞍型、方型、长方型、梯型、尖型、帽型、齿型、棒型和其它等11种植硅体类型。分析显示,它们的分布与纬度、地形和温热条件具有明显关系,即哑铃型、鞍型、扇型、方型、长方型和梯型植硅体随纬度和海拔较高而含量较小,其余类型反之;较高温度条件对应扇型、哑铃型植硅体含量较高,较高湿度对应扇型植硅体含量较高。     

增温、施氮、CO2浓度升高对羊草(C3)、芦苇(C4)植硅体组合的影响

研究未来全球变暖和氮沉降下C3、C4植物植硅体的变化规律,对松嫩草原优势群落演替方向的预判、古植被及古气候的重建和全球环境变化的预测等工作具有重要意义.本文选取松嫩草原的优势物种羊草(Leymus chinensis,C3)和芦苇(Phragmites communis,C4),对其进行模拟增温、施氮、CO2浓度升高处理,研究叶片部位植硅体的组合规律及形态变化特征,试图寻找在改变某一单一环境要素条件下,C3、C4植物所含各类型植硅体百分含量及形态的变化规律,以探究C3、C4植物植硅体对不同环境因素响应的异同.结果显示:CO2浓度升高、增温对羊草植硅体发育具有促进作用,对芦苇植硅体发育起抑制作用;氮素过高对羊草和芦苇植硅体的发育都不利,但增温能减轻施氮对羊草植硅体的负面效应.棒型、板型、方型、块状、蜂窝状植硅体对模拟增温、施氮、CO2浓度升高反应敏感,可作为指示环境变化的新指标.     

植硅体分析揭示天山中段南麓北朝时期莫呼查汗沟口遗址的作物结构与生业模式

新疆位于亚欧大陆文明交流和作物传播的关键区域,该地区古代人群的饮食结构和生业模式一直是国内外考古学者共同关注的科学问题。天山地区复杂的地理构造为研究不同地貌单元人群的农业活动和生计模式提供了理想场所。本研究选取中天山南部焉耆盆地北朝时期(386～581 A.D.)的莫呼查汗沟口遗址作为研究对象,对从该遗址不同功能单元采集的样品进行了植硅体分析,并结合已有的炭化种子记录探讨了该遗址古代居民的作物结构和生业模式。结果表明：房址剖面和火塘样品中发现了较多数量的黍η型、小麦树枝状和乳突状以及少量的粟Ω型植硅体,植硅体分析和炭化种子浮选结果共同证实了北朝时期沟口先民的作物结构以小麦和黍子为主,同时兼有大麦和粟,各遗迹单元农作物植硅体的广泛分布表明该遗址农业活动发达。通过对比不同地貌单元遗址的考古研究成果发现,不同于自然条件优越的绿洲地带,在山前洪积扇或沟口地区进行大规模的作物种植必须依赖水利灌溉设施的支持。研究结果为深入研究新疆不同地貌单元人群的饮食结构、农业活动和生存策略提供了重要的线索。     

长白山泥炭湿地主要植物植硅体形态特征研究

对长白山地区常见的泥炭地25个属31个种植物进行了植硅体形态鉴定统计,共发现植硅体类型15种,它们分别是硅化气孔、棒型、扇型、板型、硅质突起、尖型、导管型、帽型、齿型、哑铃型、鞍型、多边帽型、毛发型等。除禾本科和莎草科、菊科部分植物植硅体含量高外,木贼科、堇菜科、茜草科、蓼科等部分植物植硅体的含量也较高。禾本科植物的短细胞植硅体对植物分类有意义,但可能因采样环境和种类差异等原因,长白山泥炭湿地禾本科植物的植硅体在形态和数量上都与其他区域同类研究结果有所差异,如禾本科早熟禾亚科的菵草中新发现了含量丰富的枕木型植硅体,黍亚科的荩草和水稗中还发现少量帽型植硅体; 另外菊科兴安一枝黄花和齿苞风毛菊含有大量的特殊的尖形植硅体。硅化气孔宽度大小可指示环境湿度状况,对硅化气孔的数量和大小的深入研究将对古环境和古CO₂浓度的恢复有一定帮助。长白山泥炭湿地植物的植硅体与植物的分类关系密切,湿地植物植硅体中硅质突起、棒型、哑铃型和尖型植硅体特征组合代表湿冷组合,本研究中的5块泥炭湿地植硅体的组合特征受纬度变化影响不明显。     

植硅体圈闭碳地球化学研究进展

植硅体是一种地球化学稳定性非常高的植源性非晶质二氧化硅颗粒物,在其形成过程中会圈闭一定量的有机碳。目前,植硅体圈闭碳(简称植硅体碳)被认为是一种稳定的碳汇机制,对调节全球气候变化具有重要意义,同时,植硅体碳同位素的研究对于古环境、古气候重建等研究领域具有重要的价值,因此,植硅体圈闭碳的地球化学研究受到许多学者的关注。基于国内外学者对植硅体、植硅体圈闭碳及其相关领域的研究成果,综述了植硅体的形成过程、化学元素组成、地球化学稳定性、植硅体碳汇以及植硅体碳同位素在古环境研究中的应用5个方面的研究进展,同时总结了当前植硅体及其圈闭碳在地球化学过程研究中所面临的主要问题,对于未来继续开展植硅体地球化学研究工作具有重要意义。     

中国陆地生态系统植硅体碳汇研究进展

植硅体碳(Phytolith-Occluded Carbon,Phyt OC)是一种相对稳定的碳组分,在生物地球化学碳循环和减缓全球变暖中扮演着重要角色。在总结前人研究的基础上,论述了植硅体碳的形成机制和其碳汇能力的影响因素,综述了当前中国陆地生态系统植硅体碳汇的研究成果,探讨了中国陆地生态系统植硅体碳汇的调控机制,最后对未来中国陆地生态系统植硅体碳汇的研究方向进行了展望。气候、地表植被类型、土壤环境及植硅体自身化学组份等诸多因素都将直接或间接影响植硅体的碳汇能力。中国草地、农田、森林、湿地和灌丛生态系统植硅体碳产生速率分别为(0.6±0.1)×106,(4.9±1.7)×106,(1.9±0.4)×106,(0.6±0.5)×106和(1.3±0.3)×106t CO2/a。含硅材料施加、高硅植物栽培和传统的提高植物地上净初级生产力等措施均可显著提高中国陆地生态系统植硅体碳汇潜力。今后应进一步研究不同植物产生植硅体碳的机理,加强不同陆地生态系统中植物地下部分植硅体碳汇能力的研究,对不同陆地生态系统土壤植硅体碳汇量进行量化,并提出更加全面、经济、合理的管理措施以提高植硅体碳汇量。     

植物微体化石分析揭示阿敦乔鲁遗址古人生存策略

新疆地区是史前游牧文化与农业文化交融的重要区域,而地处新疆西天山地区的阿敦乔鲁青铜时代遗址,是古代人类活动、文化发展与演化过程的重要时空节点。但是目前对该遗址古人生存策略,尤其是对于当时人们的饮食结构和遗址的季节性使用的认识,存在不同观点。本研究通过对阿敦乔鲁遗址中房址内堆积物、羊粪化石以及遗址周边现代羊粪、自然地层进行植硅体、孢粉分析,发现了农作物植硅体以黍(Panicum miliaceum)和麦类作物的稃片为主,遗址使用后期出现少量的粟(Setaria italica),揭示了该遗址农作物组成以黍、大/小麦(Hordeum spp./Triticum spp.)为主,兼有粟的混合结构。在秋季(9月份)采集的现代羊粪中,孢粉种类(24个科/属)和浓度(平均65533粒/g)显著高于羊粪化石的孢粉种类(9个科/属)和浓度(平均27189粒/g),且现代羊粪以蒿属(Artemisia)植物(7~10月开花结籽)花粉为主(平均54.95%),羊粪化石中蒿属植物花粉仅有19.20%。来自早熟禾亚科(Pooideae)种子稃片的植硅体,在现代羊粪中的含量(平均3.62%)显著低于在羊粪化石中的含量(平均13.84%),羊粪孢粉和植硅体分析结果,揭示了阿敦乔鲁遗址羊类放牧时间应该处于花期结束后,植物已结籽的秋-冬季节,为阿敦乔鲁遗址冬季牧场的性质提供了植物学证据。同时房址内火塘、活动面和储藏间的堆积中植硅体组合与羊粪化石植硅体组合接近,暗示了羊粪可能被大量收集储藏,作为主要的铺垫物和冬季燃料使用。研究结果对于深化青铜时代以来新疆西天山地区古人生存策略、食物结构等的认识具有重要的推动作用。     

植硅体碳与陆地生态系统碳循环：机遇和挑战

植硅体在形成过程中能够包裹植物有机碳,是已被证明的一种非常有潜力的大气CO₂封存方式,对于增加陆地生态系统碳汇和延缓温室气体效应带来的全球变暖具有重要意义,因此受到了学术界的广泛关注。简要回顾了植硅体碳的研究历史和现状,并着重从植硅体碳长期变化入手,探讨了植硅体碳与陆地生态系统碳汇存在的问题与挑战,以及近来有关植硅体碳存在被严重高估的论点。同时指出为了更加准确地估算植硅体碳汇,应充分考虑植硅体包裹碳能力的差异、植硅体碳来源、植硅体稳定性、土壤中植硅体碳含量衰减速率以及植硅体提取方法等在植硅体碳的长期变化中的作用,进一步提高植硅体碳在陆地碳汇研究中的地位与重要性。