王 燦 呂厚遠(yuǎn)

（1.山東大學(xué)歷史文化學(xué)院 山東濟(jì)南 250100；2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 北京 100029；3.中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 北京 100101；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

內(nèi)容提要：在北方旱作農(nóng)業(yè)的研究中，有關(guān)黍、粟比例的問(wèn)題，存在同一遺址或區(qū)域植硅體和炭化植物遺存分析結(jié)果相矛盾的現(xiàn)象。黍、粟種子在炭化過(guò)程中保存下來(lái)的概率是否存在不同，進(jìn)而導(dǎo)致植物考古統(tǒng)計(jì)分析出現(xiàn)誤差，是解釋上述矛盾的關(guān)鍵。通過(guò)現(xiàn)代黍、粟種子的炭化模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黍的炭化溫度區(qū)間（250～325℃）遠(yuǎn)小于粟的炭化溫度區(qū)間（270～390℃），說(shuō)明在考古遺址中黍被炭化保存下來(lái)的概率要遠(yuǎn)低于粟，浮選結(jié)果中黍的含量可能會(huì)被低估。以炭化植物遺存研究黍、粟旱作種植格局，還需結(jié)合植硅體方法加以驗(yàn)證。相比于黍，粟一般具有更多的直鏈淀粉含量，因此種子顆粒的淀粉晶體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，耐熱性更好，這可能是粟比黍更耐高溫，炭化溫度范圍大于黍的原因。

黍（Panicum miliaceum；糜子、大黃米）和粟（Setaria italica；谷子、小米）是東亞干旱—半濕潤(rùn)區(qū)最古老的栽培谷物，也是我國(guó)史前北方旱作區(qū)最重要的農(nóng)作物［1］。揭示不同時(shí)期黍、粟種植的比例變化，不僅有助于重建旱作農(nóng)業(yè)的起源和發(fā)展過(guò)程，還將為探討旱作生產(chǎn)與全新世氣候變遷以及社會(huì)發(fā)展的關(guān)系提供參考資料，因此一直是農(nóng)業(yè)考古、植物考古、環(huán)境考古學(xué)界研究的熱點(diǎn)之一［2］。

目前，學(xué)界對(duì)北方旱作農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，多是基于出土炭化植物種子的數(shù)量、比例分析得出的，認(rèn)為粟自仰韶文化中晚期（距今6000—5000年）開(kāi)始至秦漢時(shí)期小麥大規(guī)模普及之前一直是北方最主要的糧食作物［3］。然而，這一認(rèn)識(shí)并沒(méi)有得到歷史文獻(xiàn)和考古遺址植硅體分析結(jié)果的支持：在甲骨文和《詩(shī)經(jīng)》中黍出現(xiàn)的次數(shù)遠(yuǎn)超過(guò)粟，暗示黍在商周時(shí)期還是北方居民的重要谷物［4］；關(guān)中盆地楊官寨等6處遺址（約距今6000—2100年）［5］、鄭州朱寨遺址（約距今8000—3000年）［6］以及青海喇家遺址（約距今4000—3600年）［7］的植硅體分析顯示，至少在距今4000年以前黍的植硅體含量一直高于粟，與同一遺址或相同地區(qū)其他遺址的浮選結(jié)果相反［8］。炭化遺存分析和植硅體分析是植物考古研究的兩個(gè)主要方法，二者復(fù)原的旱作農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)互相矛盾，原因有三：一是炭化遺存分析有誤；二是植硅體分析有誤；三是兩者皆有誤。因此，在史前北方地區(qū)粟、黍誰(shuí)唱主角，已不僅是旱作農(nóng)業(yè)研究需要面對(duì)的科學(xué)問(wèn)題，還是植物考古研究需要解決的方法學(xué)問(wèn)題。盡快找到炭化遺存和植硅體分析相異的原因，對(duì)于利用植物考古手段復(fù)原不同時(shí)期黍、粟種植比例，探討旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程至關(guān)重要。

為解釋這種矛盾，有學(xué)者對(duì)植硅體和炭化遺存數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果的含義進(jìn)行了考察［9］，發(fā)現(xiàn)經(jīng)相同實(shí)驗(yàn)方法處理的等重量的黍、粟種子植硅體產(chǎn)量基本相等，說(shuō)明相同條件下黍、粟植硅體的保存狀況相似，植硅體含量反映的是黍、粟的相對(duì)重量（產(chǎn)量），而炭化遺存結(jié)果反映的是種子顆粒數(shù)量，指示含義的不同可能是兩種方法得出相異結(jié)果的原因。相同重量的粟的顆粒數(shù)平均是黍的2.26倍，最高達(dá)10倍，僅以種子顆粒數(shù)量統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如果不進(jìn)行校正可能會(huì)高估粟相對(duì)于黍的重量。然而，在一些情況下，即使將黍、粟炭化顆粒數(shù)量校正為相對(duì)重量，也仍然與植硅體分析結(jié)果相異［10］。如果植硅體結(jié)果能夠較真實(shí)地反映黍、粟相對(duì)比例，那么差異產(chǎn)生的原因是否在炭化遺存方面，與粟、黍種子炭化過(guò)程有關(guān)系？

一般情況下，考古遺址中種子的炭化是由高溫烤焙造成的［11］，而炭化的過(guò)程是在一定的溫度區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，不同植物種子的炭化溫度條件不同，因此被炭化保存下來(lái)的概率是不相同的［12］。這一因素可能造成遺存數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析時(shí)的偏差，影響其所反映的農(nóng)作物相對(duì)含量的真實(shí)性。但時(shí)至今日，炭化遺存分析在解釋統(tǒng)計(jì)結(jié)果時(shí)均沒(méi)有考慮這一因素。主要是因?yàn)槿狈χ参锾炕纬蓷l件的系統(tǒng)研究，而有關(guān)黍、粟種子的炭化實(shí)驗(yàn)更多關(guān)注顆粒形態(tài)、大小和結(jié)構(gòu)特征的轉(zhuǎn)變［13］，缺少可信的炭化溫度區(qū)間數(shù)據(jù)，黍、粟炭化保存是否存在差異性尚不清楚，制約了對(duì)其復(fù)原的黍、粟比例準(zhǔn)確性的評(píng)估。

本文選擇現(xiàn)代黍和粟種子，設(shè)計(jì)不同的加熱溫度、時(shí)間和氧氣條件，進(jìn)行模擬炭化的條件實(shí)驗(yàn)，確定粟和黍種子炭化的溫度區(qū)間，以期提供新的數(shù)據(jù)約束現(xiàn)有黍、粟炭化遺存的分析框架，為利用考古遺址黍、粟炭化種子遺存研究旱作農(nóng)業(yè)模式提供埋藏學(xué)依據(jù)，同時(shí)促進(jìn)學(xué)界重視和反思炭化過(guò)程造成的植物考古統(tǒng)計(jì)分析中的誤差。

一、材料與方法

本次炭化模擬實(shí)驗(yàn)的樣品分別為兩種粟和黍的成熟種子。這些樣品分別產(chǎn)自黑龍江、遼寧和河北三地（表一），每個(gè)品種又分為帶殼和無(wú)殼兩類（封二∶1），均在室溫下以干燥狀態(tài)貯存4年，在2015年6月實(shí)驗(yàn)前沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何浸泡、蒸煮、烘干等加工處理過(guò)程。

本實(shí)驗(yàn)利用人工加熱炭化方法來(lái)模擬高溫炭化過(guò)程。加熱炭化需要考慮四個(gè)因素，即種子含水量、氧氣條件、加熱溫度和時(shí)長(zhǎng)［14］。本文沒(méi)有測(cè)定粟、黍種子樣品的含水量，但根據(jù)其他學(xué)者的研究［15］，經(jīng)過(guò)自然晾干，常溫存儲(chǔ)的粟和黍種子含水量大體相同（10～13%），而樣品采集后存放在實(shí)驗(yàn)室同一溫度和濕度條件下，因此認(rèn)為這一因素是恒定的，在實(shí)驗(yàn)中主要調(diào)整的是其他三種因素。

實(shí)驗(yàn)前先將每種樣品分為2類，即帶殼和不帶殼，每一類又分為2組，以備不同的氧氣條件（氧化和還原）。換句話說(shuō)，在一次實(shí)驗(yàn)中每一個(gè)品種的粟和黍都有4個(gè)樣品，分別是無(wú)殼氧化、無(wú)殼還原、帶殼氧化和帶殼還原，這樣一次實(shí)驗(yàn)就包含了4種粟、黍的16個(gè)樣品。每個(gè)樣品選擇50～100粒種子，稱重后放入陶瓷坩堝中，其中一半樣品覆蓋鋁箔紙模擬還原環(huán)境，另外一半敞口模擬氧化環(huán)境（圖一）。將準(zhǔn)備好的樣品放入Ney Vulcan 3-550型馬弗爐，該馬弗爐未經(jīng)預(yù)熱，每次實(shí)驗(yàn)均從室溫開(kāi)始加熱。實(shí)驗(yàn)設(shè)置的溫度區(qū)間為220～400℃，以5℃為溫度間隔，以30℃/min為升溫速率，升至預(yù)設(shè)溫度后，恒溫加熱時(shí)間分別為0.5、1、2、3、4h。每一次實(shí)驗(yàn)完畢，取出坩堝，自然冷卻至室溫后在體式顯微鏡下觀察種子炭化狀態(tài)。

本文將實(shí)驗(yàn)后的種子樣品分為三類：炭化、未炭化和破壞（灰化）。炭化顆粒的判定標(biāo)準(zhǔn)是種子里外均為黑色，形態(tài)及胚區(qū)特征仍可鑒定，斷面呈多孔狀，只有這類種子才有可能留存在考古堆積之中。有的種子雖外部已炭化變黑，但內(nèi)部斷面呈黃棕色或棕褐色，結(jié)構(gòu)緊致，那么就認(rèn)為其未炭化；而有的種子因受熱膨脹，爆裂而嚴(yán)重變形，失去鑒定標(biāo)志，質(zhì)地酥軟，觸之即碎，這類種子無(wú)法在沉積過(guò)程中保存，認(rèn)為其是破壞狀態(tài)（封二∶2）。然而，經(jīng)過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)有時(shí)在一個(gè)樣品中部分種子是炭化狀態(tài)，而另一部分卻是未炭化或破壞狀態(tài)。本文根據(jù)已有標(biāo)準(zhǔn)［16］，凡是樣品中出現(xiàn)未炭化種子便認(rèn)為該樣品未炭化，樣品中沒(méi)有未炭化種子而有大于等于5%的種子是炭化狀態(tài)便認(rèn)為該樣品炭化，破壞樣品則是其中的炭化種子少于5%。以此標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了粟和黍每個(gè)加熱時(shí)長(zhǎng)下處于炭化狀態(tài)的溫度區(qū)間。最后，將粟、黍每個(gè)加熱時(shí)間下的炭化溫度上下限值輸入到Excel中，統(tǒng)計(jì)繪圖后進(jìn)行比較研究。

圖一// 實(shí)驗(yàn)所用坩堝模擬還原（左）和氧化條件（右）

表一// 粟、黍植物樣品信息

圖二// 粟和黍炭化模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果（一）

二、黍粟炭化模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖二、三展示了粟和黍炭化模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。圖中橫軸代表加熱時(shí)長(zhǎng)（0.5～4h），縱軸代表溫度。黑線表示炭化的最低起始溫度，虛線表示種子被破壞的最下限，兩條線之間為種子的炭化溫度區(qū)間。在黑線以下種子尚未炭化，在虛線之上種子破壞灰化。

首先看無(wú)殼種子的炭化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。氧化條件下，粟和黍在相似的溫度條件下開(kāi)始炭化：加熱時(shí)長(zhǎng)為0.5h時(shí)，粟炭化的起始溫度為315℃，而黍稍低，為305℃；加熱時(shí)長(zhǎng)在1～4h之間時(shí)，粟和黍炭化的起始溫度接近，范圍分別是280～270℃和280～275℃。但是，在加熱 0.5～4h區(qū)間內(nèi)，黍在325～305℃下即被破壞，而粟至390～340℃下才被破壞。與氧化條件下的情況類似，還原條件下粟和黍加熱0.5～4h的炭化起始溫度相近，分別為315～275℃和305～275℃，但種子開(kāi)始破壞的溫度相差依然很大，黍的溫度較低，在315～305℃之間，而粟的溫度可達(dá)380～325℃。綜合氧化和還原兩種氧氣條件，在相同溫度和加熱時(shí)間下，無(wú)殼的粟比黍有著更大的炭化區(qū)間。此外，還原條件下的炭化起始溫度與氧化條件下的大致相同或略高，但其種子破壞的起始溫度明顯低于氧化條件下，從而縮小了炭化溫度區(qū)間。

圖三// 粟和黍炭化模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果（二）

帶殼種子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則有所不同（圖三）。加熱0.5～4h，粟在氧化和還原條件下的炭化起始溫度為320～275℃，而黍的炭化起始溫度略低，氧化和還原條件下分別為280～250℃和285～250℃。然而黍在炭化后隨著溫度上升很快破壞，其在加熱0.5～4h下的破壞起始溫度僅為295～280℃（氧化和還原一致），而粟在氧化和還原條件下破壞起始溫度分別為350～325℃和345～320℃。與無(wú)殼種子相比，無(wú)論氧化或還原條件，同在0.5～4h加熱時(shí)間內(nèi)，帶殼粟開(kāi)始炭化的溫度要高5～15℃，穎殼似乎對(duì)粟種子炭化起到了阻礙作用；而帶殼黍相反，其開(kāi)始炭化的溫度較無(wú)殼種子低10～25℃，穎殼似乎對(duì)黍種子炭化起到了推動(dòng)作用。在相同條件下，帶殼粟和黍種子破壞起始溫度均比無(wú)殼狀態(tài)下降低，其在高溫下很容易爆裂，內(nèi)容物向外膨脹而變形。

表二對(duì)0.5～4h加熱時(shí)長(zhǎng)下粟和黍的炭化溫度上下限進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)果表明，無(wú)論在什么條件下，黍的炭化溫度區(qū)間要小于粟，黍比粟更容易受高溫而破壞。帶殼黍雖比帶殼粟容易炭化，但更容易被破壞。與無(wú)殼種子相比，帶殼種子的炭化溫度區(qū)間較小，更難炭化而不利于在考古沉積中保存。

值得注意的是，在炭化區(qū)間內(nèi)相同加熱溫度和時(shí)間條件下，粟A（遼寧綏中，黏）比粟B（河北武安，不黏）要容易炭化和灰化，炭化程度較深，在一組實(shí)驗(yàn)樣品中往往產(chǎn)生更多的炭化或灰化種子，而黍A和黍B（均有黏性）在相同條件下的炭化程度變化則較為一致。

三、黍粟炭化溫度區(qū)間的植物考古學(xué)意義

炭化后的種子物理化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，可以長(zhǎng)期保存在文化堆積中［17］。但不同植物種子被炭化進(jìn)而保存下來(lái)的途徑和可能性不同。這一方面取決于植物加工利用的方式，如一些植物種子在食用前經(jīng)過(guò)了烘烤或烹煮，就會(huì)比其他植物更容易接近火的高溫而炭化。另一方面還取決于其在不同炭化條件下的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和堅(jiān)固性，每種植物種子自身的物理化學(xué)特性決定了其在特定的加熱條件下才能呈現(xiàn)炭化狀態(tài)［18］。例如，一些研究對(duì)不同植物種子的炭化溫度進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)苔麩（Eragrostis tef）的炭化溫度在150～250℃之間，在300℃下便迅速灰化［19］；小麥、大麥、燕麥等谷物一般在250～450℃之間炭化，但有的品種如一粒小麥（Triticum monococcum）可以耐受550℃的高溫，而葡萄和鷹嘴豆、蠶豆、扁豆種子在450℃或500℃下才被完全炭化［20］；水稻種子的炭化溫度區(qū)間為180～210℃，而普通小麥的炭化溫度區(qū)間為215～315℃，是水稻炭化溫度范圍的3倍多［21］。

表二// 粟和黍炭化溫度的最低值和最高值（0.5～4h）；單位為°C

本次現(xiàn)代粟、黍種子炭化模擬實(shí)驗(yàn)表明，以加熱時(shí)間和升溫速率一致為前提，在氧化條件下，無(wú)殼粟的炭化溫度區(qū)間為270～390℃，無(wú)殼黍?yàn)?75～325℃；在還原條件下，無(wú)殼粟的炭化溫度區(qū)間為275～380℃，無(wú)殼黍?yàn)?75～315℃。這一結(jié)果與其他學(xué)者［22］的炭化實(shí)驗(yàn)結(jié)果稍有差異，主要在于炭化溫度上下限的絕對(duì)值不同。其最低值比本實(shí)驗(yàn)要低（粟220℃、黍225℃），而最高值比本實(shí)驗(yàn)要高（粟550℃、黍400℃），因此無(wú)論粟或黍，其確定的炭化溫度區(qū)間要大于本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。鑒于兩個(gè)研究的實(shí)驗(yàn)條件和方法步驟相近，這種不同的結(jié)果有可能是采用的粟、黍品種差異所致。另一個(gè)不同是，他們的炭化實(shí)驗(yàn)表明，相對(duì)于氧化環(huán)境，還原環(huán)境一般會(huì)增加種子的炭化區(qū)間，使其可以耐受更高的溫度，而黍的情況恰恰相反，其在還原環(huán)境下的炭化區(qū)間顯著小于氧化環(huán)境下的炭化區(qū)間。在我們的模擬實(shí)驗(yàn)中，粟和黍在還原條件下的炭化區(qū)間均沒(méi)有增加，甚至出現(xiàn)了些許縮減，說(shuō)明對(duì)于粟、黍來(lái)說(shuō)，在還原缺氧的環(huán)境下受熱會(huì)加劇它們的炭化程度。

即使這樣，已有結(jié)果都能說(shuō)明無(wú)論在什么環(huán)境下，黍的炭化溫度區(qū)間均小于粟。在相同條件下，黍比粟更難炭化，且更容易灰化，因而黍在考古遺存中被炭化保存下來(lái)的概率要低于粟。粟和黍在帶殼狀態(tài)下，炭化溫度區(qū)間會(huì)縮小，主要表現(xiàn)為更加不耐受高溫（表二），這可能是遺址中很少發(fā)現(xiàn)帶殼粟、黍炭化顆粒的原因。同樣的，帶殼黍的炭化區(qū)間依然小于帶殼粟，而且不能耐受300℃及以上的高溫。由此可以假設(shè)，考古遺址中一組等數(shù)量的粟和黍種子混合，在相同環(huán)境下接觸到火，隨著溫度升高，尤其是上升到300℃之上，粟種子大多炭化而留存，而黍種子則可能灰化不可辨識(shí)，經(jīng)過(guò)這一炭化過(guò)程，炭化粟、黍組合與原有組合數(shù)量比例產(chǎn)生了偏差。因此在進(jìn)行出土植物遺存數(shù)量統(tǒng)計(jì)、分析和解釋時(shí)，需要考慮粟和黍在炭化過(guò)程中保存概率上的差異。

鑒于上述因素，遺址中炭化黍的數(shù)量、比例、密度和出土概率相對(duì)于炭化粟而言可能會(huì)被低估。此外，因?yàn)橄嗤|(zhì)量的粟產(chǎn)生的顆粒數(shù)要多于黍，那么炭化遺存以種子顆粒數(shù)量統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可能會(huì)高估粟相對(duì)于黍的產(chǎn)量［23］。這兩個(gè)因素相疊加，利用炭化遺存反映的粟、黍比例可能并不符合實(shí)際。討論農(nóng)作物的結(jié)構(gòu)和比例，產(chǎn)量是重要的量化信息，把種子顆粒數(shù)量校正為產(chǎn)量是分析對(duì)比的前提。在未來(lái)旱作農(nóng)業(yè)的研究中，需要將粟、黍的數(shù)量進(jìn)行校正，即將浮選結(jié)果中炭化粟的顆粒數(shù)量除以2.26，再與黍進(jìn)行相對(duì)產(chǎn)量對(duì)比。即使這樣，炭化和埋藏過(guò)程也會(huì)改變粟、黍顆粒的相對(duì)比例，其如何變化與不同遺址植物加工方式（如以黍?yàn)榛驹系墓妊烤漆勗欤?、炭化溫度、埋藏環(huán)境等多種因素相關(guān)，不能進(jìn)行統(tǒng)一的量化校正，但至少同一遺址的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中要考慮炭化黍數(shù)量的低代表性。

此外，考古遺址中粟、黍炭化的一些外部因素，如火燃燒的溫度條件，也可能會(huì)促成炭化黍的低代表性。遺址中火的燃燒分為自然火和人類控制用火兩種。自然火（如樹(shù)樁、草地起火）的溫度較低，一般小于300℃［24］，這種條件基本不會(huì)造成粟、黍炭化的差別。但遺址中火燃燒更多地來(lái)自火塘、灶坑的人為用火。根據(jù)學(xué)界已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，人為用火燃燒中心區(qū)地表溫度可達(dá)600℃以上，最高可達(dá)860℃，燃燒區(qū)周邊地表溫度則逐漸下降至300℃以下［25］。粟、黍在脫粒、干燥、烘烤、蒸煮等加工過(guò)程中不可避免接觸到火，如果散落在燃燒中心區(qū)附近，其溫度超過(guò)300℃甚至更高，那么粟因較耐高溫而更多被保存下來(lái)，黍則多數(shù)灰化，從而使黍的保存概率低于粟。

雖然有的粟、黍種子顆粒會(huì)在炭化和埋藏時(shí)消失，但其稃殼中的植硅體通常會(huì)保存下來(lái)。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，植硅體含量能夠較真實(shí)地反映黍、粟相對(duì)產(chǎn)量（重量）變化，可指示粟、黍的相對(duì)比例［26］。因此，植硅體統(tǒng)計(jì)結(jié)果在埋藏學(xué)和指示意義上較炭化遺存明確。以炭化植物遺存研究旱作農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，需要結(jié)合植硅體方法加以驗(yàn)證。

四、粟黍炭化差異性的原因探討

粟和黍在炭化過(guò)程中的差異是何種原因造成的？一般來(lái)講，植物的炭化過(guò)程及程度受多種因素影響，可大體歸納為兩類。一類是外界因素，包含植物加工利用方式，埋藏方式（集中或散布）和位置，火燃燒的燃料、溫度和時(shí)長(zhǎng)，加熱形式（波動(dòng)或恒溫），空氣中的氧氣和濕度條件等［27］。但是，考古遺址植物遺存炭化過(guò)程中的外界因素難以復(fù)原，其所起的作用也很難評(píng)估。我們通常默認(rèn)同一或相似背景出土的炭化遺存都是在相近的外部環(huán)境下形成的，外界因素的影響可暫時(shí)不予以考慮。本次實(shí)驗(yàn)實(shí)際上就是在控制一些外界因素恒定的前提下進(jìn)行的。在這種情況下，不同植物在炭化過(guò)程中的變化程度更多取決于內(nèi)部因素，即植物自身的物理化學(xué)屬性（結(jié)構(gòu)和成分），這決定了其對(duì)高溫受熱的敏感性。

植物種子物化屬性如大小、密度、解剖結(jié)構(gòu)、含水量、油脂含量和淀粉成分等可能會(huì)影響到種子在加熱過(guò)程中的炭化程度。已有研究表明，谷物中種子顆粒越小，其對(duì)高溫越敏感，在炭化過(guò)程中越容易被破壞［28］。然而，M?rkle和R?sch的研究表明，粟、黍炭化的最高溫度也可以達(dá)到550℃［29］，再結(jié)合我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顆粒較大的黍（穎果長(zhǎng)2.25～2.58、寬 1.82～2.56、厚 1.38～1.84mm）反而比較小的粟（穎果長(zhǎng) 1.44～1.81、寬 1.52～1.65、厚1.14～1.6mm）［30］更易于灰化，說(shuō)明種子大小并不能解釋粟、黍炭化上的差異。種子解剖結(jié)構(gòu)包含種皮、胚和胚乳，其中種皮厚度對(duì)種子炭化的影響較大，種皮越厚的種子越能經(jīng)受高溫，如葡萄、豆類種子的種皮比其他谷物厚，從而具有較高的炭化溫度［31］，但是粟和黍同屬禾本科黍族植物，其種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有同一性，種皮厚度差別很?。?2］，因此解剖結(jié)構(gòu)特征不是粟、黍種子炭化差異的原因。此外，還有學(xué)者提出，種子密度越高越容易在加熱過(guò)程中受到破壞［33］，但是這種說(shuō)法還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，而且包括粟、黍在內(nèi)的大部分農(nóng)作物種子密度均在1.2～1.6g/cm3之間［34］，差異范圍非常窄小，應(yīng)該不能影響到不同種子炭化的程度。

既然粟、黍炭化上的差別不在于其物理性質(zhì)，那么是否由化學(xué)性質(zhì)或者說(shuō)成分上的不同所造成？粟、黍種子基本的成分包括淀粉、水分、脂肪、蛋白質(zhì)和粗纖維等［35］。首先，種子油脂含量會(huì)影響其炭化程度。油性種子如亞麻和罌粟等對(duì)高溫加熱非常敏感，隨著溫度升高，種子中大量脂肪受熱而劇烈反應(yīng)，加速種子燃燒，導(dǎo)致種子分裂、膨脹、破碎和灰化，因而其從炭化到灰化的區(qū)間非常小，通常只有50～80℃，與其他谷物種子相比較難呈現(xiàn)炭化狀態(tài)，保存下來(lái)的幾率較?。?6］。粟、黍種子主要成分是淀粉，脂肪含量較低。本文沒(méi)有測(cè)定實(shí)驗(yàn)種子的脂肪含量，但通過(guò)對(duì)中國(guó)作物種質(zhì)資源庫(kù)中2038份粟和681份黍的粗脂肪含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表三）［37］，發(fā)現(xiàn)粟平均脂肪含量（4%）略高于黍（3.6%），但差別不大。而且粟、黍脂肪含量的分布區(qū)間大致相同，統(tǒng)計(jì)上應(yīng)該都呈正態(tài)分布，那么所選樣品脂肪含量接近各自平均水平的概率最大。按照這一假設(shè)，脂肪含量相近的粟、黍炭化程度應(yīng)該相似，而實(shí)際上并非如此。我們認(rèn)為，粟、黍油脂比例不高，脂肪含量可能會(huì)有限地影響粟、黍炭化的過(guò)程，但并不是粟、黍炭化程度差異的決定因素。

表三// 現(xiàn)代粟、黍種子粗脂肪含量統(tǒng)計(jì)

另一個(gè)需要考慮的成分因素是種子含水量（moisture content）。種子含水量指種子中所含水分的重量占樣品重量的百分率。潮濕或新鮮種子比干燥種子含水量高，在受熱過(guò)程中水分快速大量釋放，更容易造成種子的變形和破壞，從而失去鑒定特征［38］。本次實(shí)驗(yàn)采集的粟和黍樣品均是收獲脫粒后，按安全水分標(biāo)準(zhǔn)曬干，在貯藏中保持通風(fēng)干燥的。雖然沒(méi)有實(shí)際測(cè)得實(shí)驗(yàn)種子含水量，但根據(jù)其他學(xué)者研究［39］，這樣干燥貯藏的粟和黍種子水分含量沒(méi)有明顯差別（10%～13%），因而種子含水量也不是粟、黍炭化差異的原因。

粟、黍最主要的成分是淀粉，含量一般在60%～70%之間［40］。淀粉的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)粟、黍籽粒的理化特性具有重要的影響。淀粉是一種天然多晶聚合物，由直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種高分子組成，二者分別構(gòu)成非結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)，交替排列形成環(huán)層。直鏈淀粉分子和支鏈淀粉分子之間以氫鍵緊密結(jié)合成散射狀結(jié)晶性“束”結(jié)構(gòu)，即雙螺旋結(jié)構(gòu)［41］。根據(jù)楊青等［42］對(duì)粟、黍種子炭化過(guò)程亞顯微結(jié)構(gòu)的觀察，伴隨著種子未炭化—炭化—灰化過(guò)程，淀粉結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了晶體結(jié)構(gòu)—無(wú)定形結(jié)構(gòu)—結(jié)構(gòu)完全破壞、淀粉顆粒消失的變化，表明淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)變化程度與種子炭化狀態(tài)關(guān)系密切。除溫度高低之外，淀粉晶體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也是淀粉顆粒變化，或種子炭化程度的影響因素，而這一因素又與直鏈淀粉含量密切相關(guān)。直鏈淀粉含量高的淀粉分子間締合程度大，分子排列緊密，結(jié)晶程度高，破壞分子間的結(jié)晶結(jié)構(gòu)需要更多能量，這樣就提高了淀粉的穩(wěn)定性和耐熱性；其次，直鏈淀粉含量越高，直鏈淀粉與脂肪形成的復(fù)合物越多，該復(fù)合物對(duì)熱穩(wěn)定，導(dǎo)致淀粉顆粒破壞溫度升高［43］。換句話說(shuō)，直鏈淀粉含量越高，種子顆粒炭化和灰化溫度就越高。

目前我國(guó)的黍、粟品種非常多樣。一般來(lái)說(shuō)，黍的黏性要大于粟，這是因其直鏈淀粉含量較低，如糯性（黏）黍的直鏈淀粉含量通常在3.7%以下，優(yōu)質(zhì)糯性黍甚至不含直鏈淀粉，而粳性（不黏）黍的直鏈淀粉含量一般在4.5%～12.7%之間，最高僅為20%左右［44］。目前作為主食的粟主要是粳性品種，其直鏈淀粉含量在品種間差異巨大，優(yōu)秀品種的直鏈淀粉含量為14%～18%［45］，但大多數(shù)品種的直鏈淀粉含量在20～45%之間［46］，與之不同，一些糯性粟（黏谷子）的直鏈淀粉含量可低至 2.22%［47］?？梢?jiàn)，除少量糯性粟外，粟的直鏈淀粉含量往往高于黍，因而粟比黍種子更加耐高溫，這可能是粟炭化區(qū)間大于黍的原因。此外，本次實(shí)驗(yàn)中即使是糯性粟，其炭化溫度區(qū)間也要大于黍，可能反映其直鏈淀粉含量仍高于兩種黍樣品。

炭化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果還表明，粟、黍種子在帶殼的情況下對(duì)高溫非常敏感，形態(tài)結(jié)構(gòu)很容易破壞，耐受的最高炭化溫度降低。這可能是因?yàn)樗?、黍種子的穎殼和稃片與種皮緊密結(jié)合，透氣性較差，在受熱過(guò)程中種子中的水分變成水蒸氣，但無(wú)法釋放，導(dǎo)致種子內(nèi)部壓力上升，膨脹系數(shù)增加，種子體積迅速膨脹，在達(dá)到極限值后便很快爆裂和形變。溫度越高，這一極限值越容易達(dá)到，因而在相對(duì)較低的溫度條件下帶殼種子才能保持炭化狀態(tài)。較窄的炭化區(qū)間使得帶殼種子被炭化的概率低于無(wú)殼種子，在考古遺存中很少保存和發(fā)現(xiàn)。目前多數(shù)植物考古報(bào)告沒(méi)有炭化帶殼粟、黍的報(bào)道，而在少數(shù)遺址中雖有發(fā)現(xiàn)，但數(shù)量遠(yuǎn)少于無(wú)殼種子，如在北阡遺址，帶殼黍只占完整炭化黍總數(shù)的18%［48］。

需要指出的是，本文并未直接測(cè)定實(shí)驗(yàn)種子的成分，我們?cè)谔接懼胁捎玫氖撬搜芯拷Y(jié)果的平均水平，而實(shí)際上因品種、產(chǎn)地、種植環(huán)境（氣候、光照、土壤）和測(cè)定方法的差異，不同研究中粟、黍各項(xiàng)成分的數(shù)值變化范圍非常大，并互有高低，而這些成分因素都可能影響著種子的炭化狀態(tài)，這就使得粟、黍炭化結(jié)果及成因的解釋變得更為復(fù)雜。如果所選粟、黍樣品成分含量一致，還會(huì)不會(huì)出現(xiàn)炭化程度上的差異？如果出現(xiàn)，其決定原因又是什么？所以本次炭化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和原因推測(cè)還需要更多材料和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，需要在定量控制種子成分因素的條件下，確認(rèn)粟、黍炭化條件和程度的差別，再探尋差別形成的因素和機(jī)制。

五、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)炭化模擬實(shí)驗(yàn)確定了黍、粟的炭化溫度區(qū)間，提出黍的炭化溫度區(qū)間小于粟是導(dǎo)致考古遺存中炭化黍比例低于粟的可能因素，在炭化遺存的分析和解釋時(shí)應(yīng)考慮黍的低代表性。受材料和方法所限，本文研究結(jié)果仍需更多工作補(bǔ)充驗(yàn)證［49］。在未來(lái)的研究中，選取與人類關(guān)系密切的植物種類，對(duì)其種子的炭化溫度區(qū)間進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)分析，將有助于炭化遺存資料的解釋和校正，是重構(gòu)古代農(nóng)作物結(jié)構(gòu)的重要參考。

黍、粟炭化模擬實(shí)驗(yàn)

2. 炭化實(shí)驗(yàn)中種子的三類狀態(tài)

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［43］a.同［40］b；b.趙冰、陳佩、張曉等：《不同直鏈淀粉含量米淀粉結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究》，《食品研究與開(kāi)發(fā)》2015年第5期。

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［46］a.同［40］b；b.李玲伊、韓立宏、王曉慧等：《不同品種小米淀粉理化性質(zhì)的比較研究》，《中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng)》2013年第3期；c.馬力、李新華、路飛等：《小米淀粉與玉米淀粉糊性質(zhì)比較研究》，《糧食與油脂》2005年第2期；d.陳正宏、樂(lè)靜、沈愛(ài)光：《小米淀粉特性的研究》，《鄭州糧食學(xué)院學(xué)報(bào)》1992年第3期；e.趙學(xué)偉、魏益民、張波：《冀優(yōu)小香米淀粉的理化特性研究》，《糧食與飼料工業(yè)》2010年第10期；f.劉輝、張敏：《不同品種小米的直鏈淀粉含量與快速黏度分析儀譜特征值關(guān)系研究》，《食品科學(xué)》2010年第15期。

［47］a.同［40］c；b.楊斌、張喜文、張國(guó)權(quán)等：《夏谷區(qū)主栽谷子品種淀粉理化特性研究》，《食品科學(xué)》2012年第17期。

［48］王海玉：《北阡遺址史前生業(yè)經(jīng)濟(jì)的植物考古學(xué)研究》，山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012年。

［49］現(xiàn)代黍、粟品種多樣，均有黏與不黏之分，后續(xù)炭化實(shí)驗(yàn)研究需要增加樣品種類，并直接測(cè)定所用黍、粟種子的大小、密度、含水量、油脂含量和直鏈淀粉含量等理化性質(zhì)數(shù)據(jù)，以此觀察不同品種和產(chǎn)地的黍、粟炭化溫度區(qū)間是否存在明顯的種間差異，從而檢驗(yàn)和完