考古与文物研究 | 河南偃师灰嘴遗址新石器时代和二里头文化时期工具残留物及微痕分析
灰嘴遗址内出土了大量切割工具，主要为石刀、石镰，但也有少量蚌镰和陶刀。以往对其他地区新石器遗址出土的石刀、镰的微痕或残留物分析显示，这些工具主要用于收割禾本科栽培植物、以及豆类和根块植物。为了进一步了解灰嘴各个时期的生计结构，我们对灰嘴出土的28件刀、镰和矛进行了微痕、淀粉粒和植硅体的综合分析。这三种方法能够提供不同的信息：微痕分析能够帮助判断被加工物质的种类 （如禾本科植物、树木、肉类等），淀粉粒分析可揭示被加工富含淀粉植物的具体种类，而植硅体分析有时可提供有关植物的更详细信息，如工具接触的是茎叶还是稃壳。
本文分析的切割工具包括仰韶时期7件（石刀5，陶刀1，蚌镰1），龙山时期11件 （石刀6，石镰2，蚌镰2，石矛1），二里头时期10件（石刀5，石镰3，蚌镰2，石矛1）。我们对所有28件工具都进行了残留物分析，但只对石器进行了微痕分析。（图一）
图 1. 本文分析的灰嘴工具
1: 仰韶石刀；
2：龙山石刀；
3：二里头石刀；
4：石镰；
5：蚌镰和陶刀；
6：石矛。
分析方法
灰嘴出土的器物在发掘之后都已经过清洗。为了最大限度提取残留物，我们使用超声波振荡器震荡6分钟，之后使用密度为2.35的多钨酸钠重液进行分离，取得淀粉粒和植硅体。在利用淀粉粒分析结果复原生计形态时，需要注意的是淀粉粒本身的形态结构会影响量化计算的结果。例如稻米淀粉粒经常以群组的形态出现，一组中往往包括若干复粒，小麦族也有同样情况。这种复粒群组现象的出现很容易增加某种植物淀粉粒在总量中的比例。为了克服单纯根据淀粉粒数量进行量化比较的缺陷，在进行定量分析时我们采用两种方法：淀粉粒数量和在器物上的出现率（ubiquity）。
后者的方法为：具有某种淀粉粒类型的器物数量÷器物总数。植硅体的鉴定参照本实验室制作的现代植硅体标本及已发表的文献。形态描述依据国际通行的植硅体命名体系（International Code for Phytolith Nomenclature 1.0 Madella et al.2005）。每件玻片标本都经过全部扫描，并记录所有观察到的淀粉粒和植硅体。我们使用配置有偏光和 DIC装置的蔡司生物显微镜观察和记录，放大倍数为200X、400X。
石器微痕的采集，使用的方式是PVS（Polyvinylsiloxane聚乙烯硅氧烷）取模法，这一方法可以解决石器体积大、不易直接使用高倍显微镜观察的困难，也有利于较长期保留微痕标本，是目前石器微痕研究较广泛使用的方法。本研究课题所观察的微痕类型主要包括光泽亮度（低、中、高）、光泽区连接形态（polish reticularpattern）、光泽区地形（polish topography）、线状痕形态（striations）、线状痕剖面（V型或U型）、微观凹坑（pitting） 和表面微观地形（surface micro-topography）等。微痕观察使用蔡司金相显微镜，放大倍数为50X、100X、200X、500X。
淀粉粒分析
28件石器中有25件表面保存有淀粉粒，共提取到385颗。根据淀粉粒的表面形态和长度（通过脐点的最长径），所发现的淀粉粒可分为7个类型，并可以与现代植物标本比较鉴定。（图二）
图二：灰嘴工具上的淀粉粒类型
1、2：I 型淀粉粒（小麦族）以单粒和复粒群组形式出现；
3：II型（粟黍）；
4：部分糊化的小麦族淀粉粒；
5：III 型淀粉粒（薏苡）；
6：IV 型淀粉粒（稻谷）；
7：V 型淀粉粒（山药）；
8：VI 型淀粉粒（百合科）；
9：VII 型淀粉粒（栝楼根）；
10：未鉴定块根淀粉粒群组。
I 型淀粉粒共发现114粒（占总数29.6%），见于16件石器上 （出现率64%），颗粒长度范围3.66 ~ 39.91微米。这些淀粉粒以两种形态出现：（1）大多数为单粒，粒型较大，圆形或椭圆形，其三维形状为透镜状，一般可见隐约层纹，脐点居中，消光十字呈“X”或“十”形，这一类型是小麦族植物 （Triticese）种子的典型淀粉粒，但是也少量存在于黍亚科（包括狗尾草、粟黍及薏苡）的茎叶中；（2）少数情况为成团组的淀粉粒，包括少量大型颗粒 （称为A型）与大量小型颗粒 （称为B型），这样的淀粉粒组合及形态特征常见于小麦族植物种子，包括栽培小麦和大麦，也见于野生小麦族植物，如生长于中国北方的冰草属（Agropyron）和赖草属（Leymus）等。这些野生和栽培种类种子中的淀粉粒形态相似，很难进一步区分。因此I型淀粉粒的情况比较复杂，即可能来自黍亚科的茎叶，也可能来自小麦族的种子。由于分析的都是收割工具，如果只有少量I型淀粉粒在标本中出现，有可能来自黍亚科茎叶或小麦族种子；但如果大量出现，尤其呈团组状，那么最有可能来自小麦族种子。
II型淀粉粒共发现43粒（占总数11.2％），见于18件石器上（出现率72%）。粒型为多面体或圆形，裂隙呈Y、V、直线形或放射线形，脐点居中，消光十字臂直，无层纹，长度范围9.56~14.7微米。这些形态类似于黍族种子中的淀粉粒，尤其与粟（Setaria italica）和黍（Panicummiliaceum）相近，其长度范围与粟更为接近。同时II型淀粉粒也存在于黍亚科植物茎叶中。因此II型淀粉粒可能主要来自黍族的种子或黍亚科茎叶。
III型淀粉粒共发现61颗（占总数的15.8%），见于12件石器上（出现率48%）。淀粉粒型为多面体、近圆形或椭圆形，脐点居中或稍偏心，裂隙呈Y、V或直线形，也有呈放射线状，消光十字呈“十”形或有“Z”形弯曲；长度范围11.94~28.58微米。III型与II型淀粉粒有很多共同特征，两者都具有多面体的粒型，并有相似的裂隙形态。但前者的某些特征不见或罕见于后者，如长度超过21.4微米，十字消光臂呈现“Z”形，脐点的偏心率超过1.44等。III型淀粉粒的这些特征与薏苡（Coixlacryma-jobi）的种子十分接近，但也和黍亚科植物茎叶中的多面体淀粉粒相似。因此，III型淀粉粒可能来自薏苡种子或黍亚科茎叶。
IV型淀粉粒共发现14颗（占总数的3.6%），见于二里头时期的1件石刀上（出现率4%）。这些淀粉粒以复粒的形态出现，颗粒为小型多面体，长度范围4.52~12.2微米。这些特征与稻米（Oryza sativa）淀粉粒近似。
V型淀粉粒共发现16粒（占总数4.2%），见于9件石器上（出现率36%）。粒型多为对称三角形。脐点极为偏心，有些可见层纹，消光十字臂弯曲，长度范围11.42~47.45微米。这些特点都见于薯蓣属的山药（Dioscoreapolystachya）。山药在河南地区广为栽培，野生山药也生长于灰嘴附近的嵩山北坡。二里头遗址曾出土炭化山药。比较我们资料库中采自中国北方的十几份标本，V型淀粉粒与来自河南商丘惠楼及山西新绛的栽培山药标本最为接近，其形态多为三角形。而采集于嵩山北坡的野生山药淀粉粒形态多样，长度也明显超出古代标本。山药何时栽培是没有解决的问题，但灰嘴的V型淀粉粒有可能属于栽培山药。
VI型淀粉粒共发现3粒（占总数0.8%），见于龙山和二里头时期的2件石器上（出现率8%）。粒形为规则或不规则的椭圆形，脐点极为偏心，消光十字弯曲，长度范围18.49~3.65微米。这些形态与百合科（Lilianceae）中的百合属（Lilium）和贝母属（Fritillaria）相似。这两种植物目前在河南山区均有分布，但不见于嵩山地区。百合是常用的食物，但贝母仅用于中药。
VII型淀粉粒共发现33粒（占总数8.6％），见于龙山和二里头时期的3件石器上（出现率12%）。粒形包括几种形式：（1）钟形；（2）圆形或近圆形；（3）来自复粒的多边体形。大多数情况下脐点偏心，较大的颗粒上可见层纹，消光十字臂有直有弯，长度范围8.38~19.91微米。与VII 型淀粉粒最具可比性的植物为栝楼根（Trichosantheskirilowii），又称天花粉，属葫芦科（Cucurbitaceae）。野生和栽培的栝楼在河南地区普遍分布，在偃师很多村庄里都可见到野生栝楼。但是根据淀粉粒的形态无法鉴定是否栽培。
有54颗淀粉粒只识别为块根植物（占总数14％），见于各期的9件器物上（出现率36%）。这些颗粒通常是圆形、长圆形、半圆形，脐点偏心，消光十字臂弯曲，有些为单粒，有些呈团组出现。其中有些在栝楼根、百合科及其他块根植物中都可找到，另一些尚无法鉴定。
有47颗淀粉粒（占总数12.2%）缺乏可供鉴定的特征，或在我们数据库中找不到可比较的标本，因此归为未鉴定一类。这类淀粉粒出现于各期的14件器物上（出现率56％）。107颗淀粉粒显示损伤特征（占总数27.8%），如宽深的裂隙、破损的边缘、消光十字中心有大片黑色区域等。另有6颗I型淀粉粒有不同程度的类似局部糊化特征，显示为消光十字部分消失、层纹变宽、体积增大变薄。这种现象可能由于淀粉粒受到比较严重的损伤，或工具曾接近热源，或工具曾接触到熟食。
总之，工具上的淀粉粒主要来自小麦族和黍亚科（包括黍族和薏米） 的种子及茎叶，少量来自块根植物（栝楼根、山药、百合）及稻米。
植硅体分析
我们在20件工具上发现321个植硅体。其中145个（45.2%）具有不同程度的鉴定特征。大多数可鉴定的植硅体来自禾本科植物（n=133），但也发现1个莎草科和 11个双子叶植物的针状毛细胞。双子叶植物植硅体出现说明存在非禾本科植物（属单子叶植物），能产生植硅体的双子叶植物中重要的经济作物包括葫芦科（Cucurbitaceae）、菊科（Asteraceae）、豆科（Fabaceae）和壳斗科（Fagaceae）。值得注意的是栝楼属于葫芦科。禾本科植硅体包括7个黍族（Paniceae）稃壳，3个水稻扇形。这两种植物在淀粉粒标本中均有发现，但属同一植物的淀粉粒和植硅体不一定出现在同一件工具上。（图三）
图三：灰嘴工具上的植硅体类型
a：针状毛细胞（双子叶植物），SHSK3；
b：哑铃型（禾本科），PKN1；
c：扇型（禾本科），SHSK2；
d：扇型（禾本科），SHSK5；
e：扇型（禾本科），PKN1；
f： 乳突饰棒型组织片（禾本科），SKN3；
g：扇型（稻谷茎叶），SPR1;
h：稃壳组织片（粟黍），SHSK3。
最常见的禾本科植硅体包括扇形（n=62，不包括水稻扇形）、哑铃形（n=24）和乳突饰棒形（单体9，组织片16）。其他形态还有十字形和帽形。除了极少量黍族稃壳外，禾本科植硅体大多数来自植物茎叶。灰嘴的哑铃形植硅体与现代标本中黍族最为接近，但薏苡也有类似的形态。薏苡植硅体中最常见的是十字形，但灰嘴标本中十字形并不多见。在未鉴定的植硅体中，最常见的是平滑棒形细胞（n=6）和组织片（n=10）及长方形（n=26）。很多植物的表皮结构都产生棒形和长方形植硅体，矛尖状植硅体也存在于多种植物中。
总之，灰嘴植硅体主要来自禾本科植物茎叶，如黍族、薏苡和稻谷，但也有可能来自于栝楼或豆科的茎叶。植硅体分析与淀粉粒分析结果可相互印证，但是我们没有发现有鉴定意义的小麦族植硅体。
石器微痕分析
灰嘴的22件石刀、镰的石料鉴定为7种，大多数为云母砂岩，其次为石英砂岩、粉砂岩、云母粉砂岩、页岩、辉绿岩和玄武岩。不同石料制成的工具及不同的加工对象都会影响微痕的形态，因此在分析中需要考虑到这两个因素。微痕的形态可以大致分为以下6个类型。A型：高度光泽，无线状痕，光泽区表面极平滑，略呈弧状；光泽区大小不等。B型：中或高度光泽，呈联接状，无线状痕，边缘磨圆，与A型的区别是光泽区表面不平滑。C型：中或高度光泽，有细线状痕。D型：中或高度光泽，有剖面呈V形的宽深线状痕。E型：大面积中或高度光泽，表面平，有细线状痕。F型：低或中度光泽，无线状痕。其中A、B、C型最为常见，出现于16件石器上，均为砂岩。
加工富含硅质植物的石器较易形成光泽和线状痕。根据我们的实验结果，A、B、C型微痕可出现在收割富含硅质的植物茎叶（如禾本科植物、芦苇、香蒲等）的石刀或石镰表面。其中A型和B型有时会出现在同一件工具上，是磨损时间长短不同的结果。这两种光泽主要出现在砂岩工具上，应是砂岩中石英颗粒磨损后形成的，光泽区的大小可能与使用时间长短及石英颗粒的大小有关。C型的细线状痕往往出现在工具上与加工对象接触最集中的部位。D型的V形线状痕会出现在收割茎杆较粗壮植物的工具上。灰嘴的E型微痕只见于一件刃部磨损严重的玄武岩石镰上；玄武岩的硬度较高，而石料硬度高和使用时间长都是形成高光泽和线状痕的重要因素。F型代表形成初期阶段的微痕，或者由于工具使用时间不长、或者由于加工质地较软的物质。例如，在我们的实验中切肉的石刀只形成很弱的微痕。总之，大多数工具的微痕都与切割富含硅质的植物茎叶有关；有4件石器显示低度光泽，可能与加工不含硅质的植物（如块根）或非植物的物质有关。（图四）
图四：灰嘴石器微痕类型
1：A型 (SKN15)；
2：B型 (SKN5)；
3：C型 (SKN6)；
4：D型 (SSK2)；
5：E型 (SSK1)；
6：F型 (SKN12)；
7：石矛上呈联接状的光泽微痕（SPR1）；
8： 石刀（SKN1）刃部呈横向及竖向分布的细线状痕。
(标尺，4：100μm，放大100倍：其它：50μm，放大200倍)。
石器功能综合分析
以下根据微痕和残留物讨论不同时期工具的功能。
仰韶时期的工具包括5件石刀、1件陶刀及1件蚌镰。石刀为打制、两侧带缺口，鉴定为4种石料。每件的微痕都显示高度光泽，大多数有细线状痕，与切割禾本科植物的微痕近似。仰韶工具上发现少量的淀粉粒（n=18）和植硅体（n=92）；其中淀粉粒主要为I-III型，可能来自小麦族和黍亚科茎叶或种子（共61.2%），仅有1颗来自山药（5.6%）。植硅体主要为禾本科植物的扇形（20.7%）和哑铃形（7.6%），但也有1个莎草科（1.1%）。微痕和残留物基本可以相互印证，指出这些工具的功能主要为收割富含硅质的禾本科植物，偶然也收获山药及莎草科一类的根块植物。
龙山时期的工具包括5件石刀、2件石镰、2件蚌镰和1件石矛。大多数石器的刃部都有光泽，但很少线状痕，应与切割包括植物在内的较软的物质有关 。 淀粉粒主要为I-III 型，来自小麦族和黍亚科的茎叶或种子（共59.1%），但也有较高比例的块根植物（26.6%），包括栝楼根（5%）、山药（5%）、百合科（0.8%）及未鉴定的块根植物（15.8%）。可鉴定的植硅体主要来自禾本科，其中两件工具上有粟黍颖壳，另外两件有水稻扇形；数件工具上有双子叶植物的针状毛细胞，说明它们不仅仅收割禾本科植物。其中石刀SKN12上既有栝楼根淀粉粒也有针状毛细胞，可相互印证。石矛上发现有属于黍亚科的淀粉粒以及水稻植硅体，说明这件石矛可能曾用做农业工具。
二里头时期的工具包括4件石刀、3件石镰、2件蚌镰和1件石矛，其中石矛上没有发现残留物。石刀、镰刃部微痕显示这些工具大都用于切割禾本科及其他植物，但也包括非植物的其他较软物质。淀粉粒中主要为来自禾本科植物，包括小麦族和黍亚科的茎叶或种子（55.1%）及稻米（5.7%）。块根植物（29.5%）的种类与龙山时期相同，包括栝楼根（10.9%）、山药（3.6%）及百合科（0.8%）。植硅体包括黍族稃壳（见于石刀SHSK5）及许多无法鉴定的来自禾本科植物的类型。一件石镰（SKN1）上发现的淀粉粒数量最多（n=164），涵盖所有7种类型，大多数来自谷物的茎叶或种子（小麦族、黍亚科及水稻）。其微痕类型属于A、B、C型，以高度光泽和细线状痕为特征；刃部的线状痕走向有横有纵，说明切割时的运动方向多元。比较SKN1的残留物和微痕特点可以证实，A、B、C型微痕与收割富含硅质的植物有密切关系，这一结论也与我们实验考古的结果吻合。石矛（SPR2）刃部也有加工植物的微痕光泽，与SPR1类似。
总之，这些不同质地不同类型的切割工具主要用于收割各种禾本科植物，尤其是栽培谷物，同时也收获或加工其他植物，如块根。这些功能从仰韶到二里头时期并无明显变化。
切割工具所反映的生计形态
根据以往灰嘴的浮选结果，二里头时期的主要农作物包括粟、黍、水稻、小麦和大豆。现在通过对切割工具的微痕和残留物分析，使我们对灰嘴的生计形态有了新的认识，可以与大植物遗存的研究结果相互印证并加以补充。
根据淀粉粒数量和出现率两种方法综合分析的结果，黍亚科和小麦族（茎叶或种子） 出现的比例最高，均超过60%，其次为山药、栝楼根及未鉴定块根植物，百合科和稻米最少。综合植硅体和淀粉粒分析结果可以看出，粟黍一直是灰嘴最重要的粮食作物，这一结论与浮选结果一致。但淀粉粒分析指出薏苡从仰韶至二里头时期也一直被利用，而这是在浮选中没有发现的。薏苡淀粉粒曾发现于若干伊洛地区裴李岗时期的磨盘磨棒上，如孟津寨根和巩义铁生沟。新石器时期薏苡的分布范围遍及长江和黄河流域，最北达到辽河流域。大多数薏苡遗存都来自淀粉粒，但也有少量来自植硅体。薏苡和粟黍一样，都是中国本土起源的植物，有可能很早就已栽培。为什么在浮选标本中很少发现炭化薏苡是需要深入研究的课题。
I型淀粉粒（来自小麦族种子或黍亚科茎叶） 在灰嘴淀粉粒遗存中出现频率最高，其比例从仰韶（16.7%）、龙山（27.%）到二里头时期（31.6%）呈明显上升趋势。但这一现象不能用来证明栽培小麦出现于仰韶和龙山时期，因为我们无法区别收割工具上的大多数I型淀粉粒（除了团组型为小麦族种子）是来自黍亚科茎叶还是小麦族种子，也无法区别是来自野生小麦族还是栽培小麦。因此我们倾向于认为仰韶和龙山时期收割工具上的 I型淀粉粒主要来自黍亚科茎叶和野生小麦族。
伊洛地区炭化小麦遗存最早见于二里头时期遗址，包括皂角树、二里头和灰嘴，但黄河下游山东地区发现了公元前2600年的小麦，说明麦类作物传入中国东部地区也许早于二里头时期。在灰嘴的样品里有类似糊化特征的I型淀粉粒出现于龙山和二里头时期，说明小麦族种子的确用作食物，但是无法确定是野生还是栽培。根据炭化小麦的发现情况，我们推测灰嘴二里头时期工具上的I型淀粉粒中有一部分可能来自小麦。
伊洛地区出土有从仰韶至二里头时期的炭化稻米，在灰嘴曾发现有仰韶时期的稻田遗迹，也在仰韶大房子（F1）地面和附近陶器的残留物中发现水稻淀粉粒和植硅体。灰嘴的炭化稻米的数量在龙山和二里头时期显著增加，但在整体大植物遗存中仍占少数。我们在石刀上发现有龙山时期的水稻植硅体和二里头时期的水稻淀粉粒，但数量极少，与炭化遗存的情况相符。根据我们对灰嘴仰韶时期大房子地面和附近陶器残留物的分析，黍和稻米也用来酿造谷芽酒，可见仰韶时期种植水稻与宴饮活动有关。这一酿酒传统是否一直延续到龙山和二里头时期，还需要进一步分析。
最早的炭化大豆发现在公元前7000年的贾湖遗址。在伊洛地区炭化大豆出现在龙山和二里头时期遗址中。大豆的淀粉粒非常小，很难在淀粉粒分析中发现。但是大豆的茎叶及豆荚都产生植硅体，包括各种型态的毛细胞。灰嘴工具上的针状毛细胞与大豆植物茎部及栝楼的毛细胞都十分相似。因此，灰嘴的刀、镰一类切割工具也可能用来收获大豆和（或）栝楼。
灰嘴切割工具上发现有少量山药、百合科和栝楼根淀粉粒及可能来自栝楼的针状毛细胞和莎草科植硅体，是残留物分析的另一重要收获。山药、百合科和栝楼根的淀粉粒最早出现在旧石器晚期的山西柿子滩和宁夏水洞沟遗址的石器上，至新石器早期这些块根淀粉粒也经常在中原地区的磨盘磨棒上发现。但从仰韶文化开始，磨盘磨棒在遗址中逐渐减少，到龙山和二里头时期则更加罕见。二里头遗址发现有少量炭化山药，但我们不清楚其他块根植物是否还继续被古人利用，利用的程度如何。山药、百合科、栝楼根及其他块根的微植物遗存在灰嘴切割工具上的出现，说明对这些植物的利用从仰韶到二里头时期一直存在，但在生计系统中不占主要地位。
结语
总之，灰嘴出土的刀、镰一类切割工具主要是用来收割栽培谷物，包括粟黍、薏苡、小麦族和稻谷。但也收获或加工其他植物，如大豆和多种块根类植物。也有些工具可能用来加工非植物物质，如肉类。
由于这些工具在发掘后都经过清洗，提取的残留物数量有限。但采用多学科分析方法仍然可以得到有关器物功能的重要信息。结合浮选结果，这些研究帮助我们复原先民在灰嘴居住的两千多年历史中的生计形态变化。其变化表现为，仰韶时期是以粟黍－薏苡为主，到龙山、二里头时期逐渐转变为以粟黍－薏苡－麦类－大豆为主，同时始终以稻米和多种块根植物 （如山药、百合科、栝楼根等）为辅。
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