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兰州大学环境考古团队在Nature子刊发文揭示古老的集约化农业如何改变中国

2022-06-20


人类起源、农业起源和文明起源是史前人类社会发展的三大里程碑。新石器时代晚期(距今6000-4000年),在西南亚的两河(底格里斯河和幼发拉底河)流域、北非的尼罗河流域、南亚的印度河流域、东亚的长江和黄河流域相继出现了大型聚落或中心城市、明显的贫富分化、社会分工和公共权力,这一社会发展过程被称为社会的复杂化(social complexity),也被称为文明化进程或文明起源。社会的复杂化意味着,在中心聚落或城市会出现大量不从事农业生产的工匠、商人、士兵、统治阶层等非农业人口。那么,什么样的农业策略可以生产足够的粮食盈余来供养这些非农业人口?

从已有研究来看,支撑世界各地社会复杂化进程的农业策略是多样的。在西亚的美索不达米亚北部地区,主要通过扩大耕地种植面积、降低单位面积上的投入来增加农业产量,以这样一种扩张型的农业模式来供给城市发展;在南亚的印度河地区,则采用多种作物全年轮种的模式来提高农业产量以支持社会发展,种植的作物既包括当地驯化的小米、水稻和热带豆类,也包括从西亚传播而来的大麦和小麦。

中国是世界文明起源和发展的核心地区之一。在东亚夏季风的影响下,新石器时代的中国形成了南稻北粟的农业格局——北方的黄河流域以粟作农业为主,南方的长江流域以稻作农业为主。在南北两套农业体系的支撑下,中国南方和北方在新石器时代晚期开始了社会复杂化进程(图1)。在黄河流域,仰韶文化早中期(距今6500-5500年)的半坡、姜寨遗址已经显现社会复杂化的信号,出现了有规划的大型聚落、墓地以及象征特殊权力的器物。仰韶文化晚期(距今5500-5000年),以大地湾、下河、西坡和双槐树遗址为代表,出现了大型仪式性建筑、宫殿和等级化墓地等明显的社会复杂化现象。至距今4300年左右,以石峁遗址和陶寺遗址为代表的城市中心崛起,最终在距今3800年前后,以二里头遗址为代表的区域性国家出现。在长江流域,距今5300年已经出现了以良渚古城为代表的区域性国家,植物考古研究显示,单一的精细化稻作农业支撑了良渚的城市发展。

地图描述已自动生成

1  新石器时代晚期中国地区社会复杂化的代表性遗址及黄河流域粟作农业遗址分布

(1,大地湾. 2,半坡. 3,姜寨. 4,下河. 5,石峁. 6,西坡. 7,陶寺. 8,二里头. 9,双槐树. 10,良渚.)

为什么单一的稻作农业能支撑良渚古国?一个重要原因是水稻的产量高。但在黄河流域,粟作农业的两种主要农作物粟(俗名谷子,脱壳后称为小米)和黍(俗名糜子,脱壳后称为黄米),其产量不及水稻的一半。而且,粟、黍的主要种植区在黄土高原,土壤粘土含量低,有机物容易流失,无法维持长期高强度的耕种,如果不施肥的话需要休耕来恢复地力。产量低和休耕使北方的粟作农业社会面临粮食生产的瓶颈。如何提升产量?是扩大耕种面积?还是通过施肥来避免休耕期?

兰州大学环境考古团队以位于陇西黄土高原的甘肃秦安大地湾遗址(图1)为研究对象,从遗址出土的粟作农业系统核心要素——粟、黍和家猪入手,通过猪牙表层残留物中的淀粉粒和植硅体分析重建猪的食谱,通过粟、黍炭化种子的氮同位素(δ15N)分析追踪农田的施肥行为,发现在距今5500年前,大地湾遗址已经形成了一种高度集约化的农业模式(图2):1)人吃粟米,猪吃稃壳;2)圈养家猪,收集粪便;3)猪粪肥田,维持地力,避免休耕,提高产量。这种农业模式与现代可持续的集约化农业模式完全一致,说明新石器时代晚期中国北方粟作农业社会便通过粟、黍种植与家猪饲养的紧密结合,克服了粟、黍产量低和黄土肥力有限的瓶颈,为当时中国北方的复杂社会发展提供了经济基础。该研究于2022616以“Sustainable intensification of millet-pig agriculture in Neolithic North China (新石器时代中国北方可持续的集约化粟作农业系统)”为题,在线发表Nature杂志子刊Nature Sustainability(IF=19.346)。

图示, 日程表描述已自动生成

2  新石器时代中国北方可持续的集约化粟作农业系统

甘肃秦安大地湾遗址是中国北方新石器时代典型的粟作农业遗址,包括了前仰韶和仰韶文化时期的各类遗存。遗址出土了大量家猪骨骼和粟、黍的炭化种子,为本研究提供了丰富的研究材料。以往研究发现,新石器时代晚期中国北方粟作农业遗址的家猪骨骼碳同位素(δ13C)数据指示,C4植物(包括粟和黍)在猪的食谱中占比高达80-90%,这不免让人怀疑猪与人是否同时消费粟米,形成竞食关系。通过此项研究发现,大地湾遗址中猪与人并不存在竞食关系,家猪食用的是农作物废料-稃壳;而用稃壳喂猪是一种严格的食谱控制行为,暗示家猪是圈养的模式,更方便于收集粪便。

目前,全球有25亿农民从事类似的集约化农业生产模式(intensive crop-livestock systems),管理着全球60%的耕地,生产了全世界50%的粮食。在当今自然环境恶化和粮食危机背景下,在广大发展中国家和地区发展可持续的集约化农业,仍然是捍卫全球粮食安全和推进生态文明建设的关键途径。中国农业农村部的调查数据显示,1986-2017年,中国采用类似集约化生产模式的农户比例从71%下降到了12%,家畜粪便越来越不被回收利用,不仅浪费重要资源而且破坏生态环境。正如Nature Sustainability高级编辑William Burnside博士对该研究的评论中指出的The development of complex societies and their agricultural bases underlies key challenges we still face,我们应当从中国北方新石器时代的古老案例中汲取启示。

此项研究的参与者还包括来自中国科学院青藏高原研究所、甘肃省文物考古研究所、南京农业大学、伦敦大学学院、澳大利亚国立大学等多家研究单位的考古学家和植物考古学家。兰州大学新莆京3969博士研究生杨继帅为论文第一作者,杨晓燕教授和张东菊教授为该论文通讯作者和共同第一作者。陈发虎院士与杨晓燕教授、张东菊教授共同设计和指导了此项研究。论文第一作者杨继帅,从大学四年级开始执行这项研究,除了针对考古样品的分析,还通过现代农田施肥实验不断验证猜想,从第一批数据产出到文章发表,历时五年。

Nature Sustainability期刊每期会选择1-2篇论文,邀请论文作者撰写研究简介(Research Briefing),与研究论文同期在线刊出,方便读者更好理解重要的研究成果。张东菊教授和陈发虎院士代表论文作者以“Intensive millet–pig systems supported the rise of complex societies in North China(集约化粟作农业系统支撑了中国北方复杂社会的兴起)”为题,简要介绍了此项研究的背景、过程、发现和意义。以色列希伯莱大学长期从事中国考古学研究的Gideon Shelach-Lavi教授以“How Neolithic farming changed China”为题,对研究成果进行了评述。

兰州大学环境考古研究团队由陈发虎院士组建于上世纪80年代,经过30年的发展,形成了以陈发虎院士为核心,国家杰出青年基金获得者、长江学者特聘教授、青年长江教授等国家级人才为骨干的研究团队,为环境考古领域培养了一批高质量人才;完成了14C测年实验室、光释光测年实验室、万级超净实验室(含古蛋白分析、动物古DNA分析、沉积物古DNA分析)、植物考古实验室、动物考古实验室、同位素考古实验室的建设;依托实验室建设,在人类演化与扩散、农业起源与传播等领域发表了一系列研究成果,主要成果发表在Nature、Science、PNAS和Science Bulletin等国内外高影响刊物上。

文章原文:Yang, J., Zhang, D.*, Yang, X.*, Wang, W., Perry, L., Fuller, D. Q., Li, H., Wang, J., Ren, L., Xia, H., Shen, X., Wang, H., Yang, Y., Yao, J., Gao, Y. and Chen, F. 2022.Sustainable intensification of millet-pig agriculture in Neolithic North China.Nature Sustainability,DOI: 10.1038/s41893-022-00905-9.https://www.nature.com/articles/s41893-022-00905-9

研究简介:Zhang, D. and Chen, F. 2022. Intensive millet–pig systems supported the rise of complex societies in North China. Nature Sustainability,DOI:10.1038/s41893-022-00907-7.https://www.nature.com/articles/s41893-022-00907-7

专家评述:Shelach-Lavi, G. 2022. How Neolithic farming changed China.Nature Sustainability, DOI: 10.1038/s41893-022-00899-4.https://www.nature.com/articles/s41893-022-00899-4#auth-Gideon-Shelach_Lavi