溫 睿,祁學(xué)楷

(西北大學(xué) 文化遺產(chǎn)學(xué)院,陜西 西安 710127)

沉積物指任何可以通過水或其他流體運(yùn)輸?shù)墓腆w顆粒物質(zhì)(黏土、沙子、淤泥、礫石、樹葉、貝殼和其他材料)構(gòu)成的除水和巖石以外的所有地球表面,土壤指地球表面風(fēng)化作用在原地產(chǎn)生的一種特殊的沉積物[1]。沉積物的概念更為廣泛,涵蓋了地球表面包括陸地、海洋、湖泊等多種地質(zhì)地貌現(xiàn)象,而土壤的概念相對較窄,更偏向于描述陸地表面礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水、氣體、生物體組成的復(fù)雜體系。雖然按照定義,目前絕大多數(shù)考古的遺跡遺物都是沉積的結(jié)果,但與古代人類生產(chǎn)生活關(guān)系更加密切且考古實(shí)踐涉及較多的是土壤。因此,本文不強(qiáng)調(diào)土壤和沉積物區(qū)別之處統(tǒng)一使用“土壤”。此外,由于沉積物古DNA研究中已有使用“沉積物”一詞概括土壤和沉積物的習(xí)慣,本文仍沿用“沉積物”。

在古代遺址中,土壤及各類沉積物是最普遍的各類型遺存的載體,通過觀察土質(zhì)、土色及包含物,以確定不同的文化層堆積或遺跡單位,實(shí)際是沉積物研究的一部分[2]。同時(shí),土壤及沉積物本身也是考古研究的樣本,其考古學(xué)研究不斷從宏觀的土質(zhì)、土色及包含物研究走向微觀研究,包含以下3個(gè)方面。

1)考古土壤地球化學(xué)分析。主要通過分析考古土壤的磷酸鹽和元素分布,探究人類活動對土壤中磷酸鹽和元素分布的影響,從而為復(fù)原人類活動提供信息。

2)土壤微形態(tài)分析。將顯微鏡下觀察、描述的土壤微形態(tài)特征及變化用來說明土壤生成、發(fā)育的演變規(guī)律,有助于了解一般自然力量或人為因素對土壤形成過程的影響[3]。

3)不可見包含物研究。對于細(xì)胞這一級別的包含物,主要通過植物微體化石分析(植物硅酸體、孢粉、淀粉粒)進(jìn)行植物考古學(xué)研究。1992年中國學(xué)者正式提出植物考古學(xué)概念后,植物微體化石分析同植物大遺存研究快速發(fā)展和普及[4]。在分子層面主要涉及有機(jī)殘留物分析。先民在加工、利用和消費(fèi)生物資源的過程中,相關(guān)的有機(jī)分子可能殘存或沉積在器物、土壤、遺跡或人體組織等各種遺存上,其中經(jīng)歷長期埋藏而保存至今的有機(jī)物質(zhì)統(tǒng)稱為有機(jī)殘留物[5]。按照檢測對象劃分,有機(jī)殘留物主要包含古代殘留下的DNA、蛋白質(zhì)、脂類、植物微體化石以及其他能夠追溯生物來源的如有機(jī)酸、萜烯等的生物標(biāo)記物[6]。其中,植物微體化石分析方法屬于植物考古學(xué)研究范疇,古DNA分析因其獨(dú)特的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增技術(shù)及其為人類演化研究帶來的革命性影響而自成體系[7],因而有機(jī)殘留物分析主要指基于色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的蛋白質(zhì)、脂類以及其他生物標(biāo)記物分析。

隨著考古學(xué)的發(fā)展,考古土壤的研究呈現(xiàn)出從宏觀到微觀、從無機(jī)到有機(jī)的發(fā)展趨勢(見表1)。目前我國考古土壤研究涉及到上文提及的分析方法,在土壤宏觀研究方面已取得顯著進(jìn)展,但在土壤微觀研究方面發(fā)力不均衡,研究方向相互間缺少串聯(lián),沒有形成系統(tǒng)。大量的土壤在考古過程中往往被處理掉或缺乏良好保存,其蘊(yùn)含的考古信息一旦失去將產(chǎn)生不可逆的損失,與其他遺存相比重視程度嚴(yán)重不足。在考古土壤微觀研究中,土壤地球化學(xué)、土壤微形態(tài)、沉積物古DNA和有機(jī)殘留物分析能夠有效挖掘考古土壤信息,提升土壤在考古研究中的重要性。本文將從以上4個(gè)方面梳理相關(guān)的研究史、實(shí)驗(yàn)手段以及相關(guān)研究案例,探討考古土壤微觀研究形成有機(jī)整體的可能性,以期推動考古土壤微觀研究的發(fā)展。

表1 土壤及沉積物的考古學(xué)研究方法統(tǒng)計(jì)Tab.1 Methods for archaeological study on soils and sediments

1 土壤地球化學(xué)研究

包括磷酸鹽分析和元素分析在內(nèi)的考古土壤地球化學(xué)研究,不斷為考古土壤和沉積物研究提供依據(jù)[8]。由于考古遺址中人工建筑等遺跡為殘留物創(chuàng)造了一個(gè)相對封閉的環(huán)境,明顯減緩了殘留物因自然風(fēng)化從土壤中消失的速度,而人類活動對土壤的影響程度又遠(yuǎn)高于天然土壤,從而構(gòu)成了土壤中化學(xué)殘留物的兩個(gè)形成機(jī)制[9]。人類活動區(qū)域的有機(jī)殘留物和元素殘留物會積聚在地面的微觀孔隙中,并吸附在亞微米土壤顆粒上,其他區(qū)域的化學(xué)成分則不會因活動而改變[10]。因此,多樣的人類活動引起所在環(huán)境土壤的地球化學(xué)元素變化,進(jìn)而反映遺址過去的空間分布[11]。在考古遺址沒有被后來的現(xiàn)代化人類活動破壞的情況下,這些遺址的一系列元素濃度的變化已被證明可用于考古學(xué)分析[12]。考古土壤地球化學(xué)分析以磷元素與磷酸鹽分析為基礎(chǔ),加上磷元素以外的其他元素及多元素組合分析,可以進(jìn)行遺址勘探和劃定遺址邊界[9]并區(qū)分遺址中不同功能區(qū)[10-11,13-14]。特別是在一些缺乏明顯人工遺物的考古遺址中[15],通過元素分析能提供額外證據(jù),幫助考古學(xué)家判斷遺跡現(xiàn)象和研究人類廢棄物[16-17]、食物殘?jiān)图S便[18]、施肥行為[19-22]、金屬冶煉和加工活動[23-25]、陶瓷加工[26]等和“居住效應(yīng)”(habitation effect)[12]相關(guān)的人類活動。

國外應(yīng)用土壤地球化學(xué)分析進(jìn)行考古學(xué)研究已有百余年的歷史。埃及農(nóng)學(xué)家Hughes于1911年開創(chuàng)了土壤地球化學(xué)在考古學(xué)中的應(yīng)用,他在考古遺址中觀察到了磷酸鹽的增強(qiáng)。然而真正系統(tǒng)性開展考古遺址土壤磷酸鹽分析的是瑞典學(xué)者Arrhenius,他在20 世紀(jì)20年代和30年代對瑞典南部的廣大地區(qū)進(jìn)行了測繪,發(fā)現(xiàn)維京農(nóng)場和居址遺骸區(qū)的土壤中磷含量異常高,并利用這一現(xiàn)象指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)古代先民定居點(diǎn)[27]。從20世紀(jì)50年代開始,開展了考古土壤中更為廣泛的微量元素分析研究[28],元素從磷元素拓展到銅、鋅、氮、鈣、鎂、鉀等,特別是2000年左右通過電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更多元素的土壤分析,開始將元素分析拓展到鋇、稀土元素(如鑭、鈰、鐠、鉀、銫、釷和銣)等更多元素[29]。隨著考古土壤地球化學(xué)分析不斷發(fā)展,近10年來有多位學(xué)者回顧總結(jié)該學(xué)科方向的進(jìn)展[8,28,30-31]。

國內(nèi)運(yùn)用土壤元素分析方法開展考古學(xué)研究起步較晚,主要是分析不同層位土壤化學(xué)成分(碳、氮、磷等元素和可溶性鹽等),探究遺跡遺物功能[32-33]以及各時(shí)期人類活動強(qiáng)度及其對土壤性質(zhì)的影響[34-37]等。國內(nèi)學(xué)者先后兩次對秦始皇帝陵墓封土進(jìn)行土壤汞元素檢測,結(jié)果表明封土中心部位存在強(qiáng)度較高且連片分布的汞異常,汞異常的范圍局限在地宮范圍內(nèi),證實(shí)了文獻(xiàn)關(guān)于地宮中存在大量水銀記載的正確性。此外,地宮內(nèi)汞異常的分布狀況和秦帝國版圖內(nèi)水系的分布有一致的對應(yīng)關(guān)系,驗(yàn)證了《史記·秦始皇本紀(jì)》關(guān)于地宮中“以水銀為百川江河大海,機(jī)相灌輸”的記載(見圖1)[38]。冶金是人類的重要發(fā)明,古代冶金活動會造成環(huán)境土壤的重金屬異常,通過檢測這類重金屬元素的異常分布可以推斷古人冶煉活動的情況。河西走廊被認(rèn)為是中國較早出現(xiàn)冶煉活動的地區(qū),通過研究河西走廊新石器時(shí)代晚期到青銅時(shí)代地層土壤中重金屬元素的異常分布,發(fā)現(xiàn)從公元前4000年到公元前3400年,該地區(qū)考古沉積物中重金屬元素濃度增加,在公元前300到公元前2400年期間有所下降,但仍然高于自然背景值,直接反映了當(dāng)?shù)叵让褚睙捇顒訌?qiáng)度的變化[39-40]。關(guān)中地區(qū)商文化老牛坡遺址是商代重要青銅冶煉遺址之一,學(xué)者對遺址的地層剖面土壤進(jìn)行取樣,根據(jù)系列土壤樣品的磁化率和重金屬濃度分布來推測古人冶煉活動的范圍和強(qiáng)度,為商代煉銅活動的研究提供依據(jù)[41]。

圖1 秦始皇帝陵園遺址分布及封土汞元素含量分布[38]Fig.1 Distribution of the Emperor Qinshihuang’s Mausoleum and distribution of Hg of the mound

土壤地球化學(xué)分析主要根據(jù)檢測數(shù)據(jù)的異常分布來推測人類活動,不少學(xué)者探討過其中的機(jī)理。磷元素和磷酸鹽在土壤元素分析中具有重要作用,是考古土壤分析中最常用的指示人類來源的指標(biāo)[30]。因?yàn)榱讖V泛存在于生物組織、骨骼、糞便、灰燼等有機(jī)物中[42],這些有機(jī)物分解后會在土壤中積累,且磷在土壤中相對穩(wěn)定,可存在于大多數(shù)土壤pH值范圍內(nèi)[43]。除磷以外的其他元素與元素組合也是考古土壤地球化學(xué)研究中的重要指標(biāo)。鈣和鍶也是考古遺址常見的元素,因?yàn)殒J可能來源于骨骼[44],鈣來源于骨骼、灰燼和糞便[45-46]。含量較高的鈣、磷和鍶是考古遺址常見的元素組合,三者通常表現(xiàn)出高度相似的分布模式,被認(rèn)為與人類活動特別是食物加工和畜牧活動有關(guān),而對于三者產(chǎn)生關(guān)聯(lián)而形成強(qiáng)相關(guān)性元素組合的原因還缺乏合理的解釋[47-48]。Oonk等總結(jié)了考古遺址和相關(guān)遺跡中土壤元素及元素組合的聯(lián)系(見表2)[30]。此外,含量較高的鋯元素可能反映遺址中存在的陶瓷遺存,而鉀、釩、鉻組合可能指示有機(jī)物和燃燒活動的存在[47]。

表2 考古遺跡和相關(guān)土壤元素

土壤地球化學(xué)檢測方法也在不斷完善。2013年之前,檢測方法主要有比色法、原子吸收光譜法(AAS)、電感耦合等離子體(ICP)光譜法(ICP-AES、ICP-OES和ICP-MS)。2013年開始,由于測試成本低、測試速度快,便攜式熒光光譜儀(pXRF)得到越來越廣泛的應(yīng)用,尤其適用于考古發(fā)掘現(xiàn)場的多元素分析[49]。已有研究比較了常用的AAS、ICP和pXRF這3種方法,在元素分析方面具有足夠的準(zhǔn)確性,在測量磷元素方面可以與測量土壤和沉積物中磷含量的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)ICP-OES相媲美[45,50]。 Save等使用pXRF對考古遺址進(jìn)行大規(guī)模地球化學(xué)調(diào)查, 對測量方法、 測量時(shí)間、 測量后繪圖和數(shù)據(jù)分析、 測試周期和成本等進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)[48]。 pXRF在土壤地球化學(xué)研究中具有很大潛力, 因?yàn)閜XRF檢測速度快、 成本低, 可用于考古發(fā)掘現(xiàn)場原位檢測, 便于研究人員利用pXRF開展大規(guī)模檢測分析,進(jìn)而建立數(shù)據(jù)庫開展大數(shù)據(jù)分析, 以此為考古研究提供更多信息。

2 土壤微形態(tài)分析

土壤微形態(tài)分析是土壤科學(xué)的一個(gè)分支,其基本任務(wù)是將顯微鏡下觀察、描述的土壤微形態(tài)特征及變化用來說明土壤生成、發(fā)育的演變規(guī)律,有助于了解一般自然力量或人為因素對土壤形成過程的影響。對于考古學(xué)而言,土壤微形態(tài)學(xué)可用于環(huán)境考古研究,即分析區(qū)域環(huán)境演化與考古遺址形成及考古學(xué)文化發(fā)展的關(guān)系,也可分析考古遺址內(nèi)各類遺存的特征及其所反映的人類活動特點(diǎn)[3]。對于土壤殘留物分析來說,土壤微形態(tài)學(xué)能夠從宏觀層面為殘留物分析提供依據(jù),通過更為細(xì)致的觀察為殘留物所處微環(huán)境提供詳細(xì)信息,通過分析土壤沉積和埋藏過程的變化來分析殘留物所處環(huán)境的變化,通過土壤的物理、化學(xué)指標(biāo)預(yù)判殘留物類型。

靳桂云是最早倡導(dǎo)將土壤微形態(tài)分析應(yīng)用到中國考古的學(xué)者,她介紹了土壤微形態(tài)分析的基本原理、采樣和分析方法及在考古學(xué)中的優(yōu)勢,強(qiáng)調(diào)土壤微形態(tài)分析對環(huán)境考古、分析考古遺址內(nèi)各類遺存的特征及其所反映的人類活動特點(diǎn)具有重要意義[3]。此后,多位學(xué)者就土壤微形態(tài)在考古中的應(yīng)用問題發(fā)表過綜述文章[51-54]。其中,姜鈺等將考古文化遺址區(qū)按照功能分成用火相關(guān)區(qū)(灰燼層、火堆、火塘)、生活居住區(qū)、耕作區(qū)、墓葬區(qū)、制陶區(qū)、冶金區(qū)6種類型,并按照上述類型總結(jié)了土壤微形態(tài)分析的研究進(jìn)展,提出建立不同古人類活動區(qū)對應(yīng)的土壤微形態(tài)特征數(shù)字圖像庫[55]。除綜述外,國內(nèi)學(xué)者也積極運(yùn)用土壤微形態(tài)分析方法研究考古遺址形成的原因和過程。青海喇家遺址是一處新石器時(shí)代的災(zāi)難遺址,已有研究對于災(zāi)難的成因尚存在爭議。對青海喇家遺址齊家文化地層之上的紅色黏土進(jìn)行土壤微形態(tài)分析方法發(fā)現(xiàn),這些紅色黏土層不具有古洪水沉積物的一般特征,屬于典型的泥流沉積物,證明了造成喇家遺址毀滅的直接原因是地震后突發(fā)的暴雨泥石流(見圖2)[56]。 古代壕溝從建造到廢棄的過程在一定程度上能夠反映當(dāng)時(shí)的社會組織變遷。 通過土壤微形態(tài)分析對河南禹州瓦店遺址龍山文化壕溝采集的系列樣品進(jìn)行觀察和分析, 發(fā)現(xiàn)瓦店龍山文化壕溝是直接與古潁河河道相通的水利設(shè)施, 起到引水排灌作用, 歷經(jīng)連續(xù)的維護(hù)和使用, 被廢棄后又被再度開發(fā)利用, 重建了壕溝從建造、 使用、 維護(hù)及廢棄到再利用的完整生命周期[57-58]。

注:(a)喇家遺址災(zāi)難遺跡;(b)遺跡中的人類遺骸,紅色黏土覆蓋人類遺骸;(c)覆蓋喇家遺址人類遺骸的紅色黏土;(d)喇家遺址馬蘭黃土;(e)喇家遺址上游積石峽堰塞湖沉積層。

國際上土壤微形態(tài)學(xué)在考古學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用包括環(huán)境考古、 農(nóng)業(yè)考古、 城市考古及遺物微環(huán)境。 Lang和Stump利用土壤微觀形態(tài)研究坦桑尼亞Engaruka遺址的灌溉情況, 證明該遺址自然降水足以維持當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展, 形成類似稻田的土壤環(huán)境, 駁斥了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)必須有人工灌溉的假設(shè)[59]。 Wouters等通過土壤微觀形態(tài)分析, 研究了11到15世紀(jì)比利時(shí)Lier地區(qū)的考古遺址地層形成過程, 揭示了該地區(qū)從農(nóng)業(yè)活動區(qū)域到城市市場區(qū)域的轉(zhuǎn)變[60]。 Goldberg和Berna采用土壤分析的方法記錄考古出土遺物所處的微環(huán)境及特征, 并用該方法更為準(zhǔn)確的解釋考古記錄[61]。 Gutiérrez-Rodríguez等提出倡議, 將土壤微形態(tài)的高分辨率動態(tài)圖用于出版物中并共享研究數(shù)據(jù)[62]。

3 沉積物古DNA研究

古DNA不僅存在于考古出土的動物骨骼、植物遺存中,也存在于古代沉積物中,被稱為沉積物古DNA(sediment ancient DNA,sedaDNA)[63]。古環(huán)境DNA(ancient environmental DNA/palaeoenvironmental DNA,ancient eDNA)是散布于古環(huán)境樣品中的生物古DNA[64],與沉積物古DNA的概念基本一致,因而國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)常將這兩者混用。這些DNA主要是從冰川、凍土、湖泊沉積物、泥炭沉積物、遺址文化層、牙結(jié)石、糞便化石等環(huán)境樣品中提取得到的混合了古代動物、植物和微生物等遺傳信息的古DNA[64-65],它們隨著生物的遺留物質(zhì)(遺體、毛發(fā)、糞便和尿液等)進(jìn)入環(huán)境并迅速降解、緩慢變性,最終吸附在礦物等顆粒上,或者被微生物整合到自身基因組上而長期保存[66]。沉積物古DNA分析發(fā)軔于1998年[67-68],發(fā)展至今形成了宏條形碼技術(shù)(metabarcoding)和鳥槍法宏基因組(shotgun metagenomic)技術(shù)為主流的檢測方法[69-70]。宏條形碼技術(shù)屬于靶向分析方法,使用特異性引物對目標(biāo)生物類群的基因進(jìn)行擴(kuò)增,并通過高通量測序技術(shù)增加測序深度,獲得主要生物類群的分類信息[71-72]。鳥槍法宏基因組技術(shù)屬于非靶向分析方法,將環(huán)境中的全部生物遺傳物質(zhì)通過高通量技術(shù)進(jìn)行測序,然后通過生物信息學(xué)算法將這些遺傳信息與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫比對,將基因信息破譯為物種組成信息,從而分析古環(huán)境生物群落的組成[73-74]。

國內(nèi)學(xué)者侯衛(wèi)國等在2017年撰寫的關(guān)于沉積物古DNA的綜述文章強(qiáng)調(diào)了沉積物DNA在古生態(tài)、古環(huán)境和古氣候研究中的應(yīng)用,但并未涉足在考古學(xué)研究中的應(yīng)用[75]。2020年,顧政權(quán)等從技術(shù)發(fā)展、研究方法、應(yīng)用方向和存在問題等方面詳細(xì)介紹了古環(huán)境DNA及其在環(huán)境考古中的應(yīng)用,總結(jié)了國外采用較為成熟的條形碼技術(shù)和宏基因組技術(shù)開展的分析案例,研究對象包括凍土、湖泊沉積物、冰川下沉積物、糞便化石、牙結(jié)石等古環(huán)境樣品,在古生態(tài)環(huán)境重建、古代農(nóng)業(yè)發(fā)展、古代人類食性、人類擴(kuò)散歷史和人類活動對環(huán)境影響等環(huán)境考古領(lǐng)域取得了良好進(jìn)展并發(fā)表了大量研究成果[66]。國內(nèi)關(guān)于沉積物古DNA的考古學(xué)研究尚處于起步階段,但前景廣闊。第一個(gè)成功案例是甘肅白石崖溶洞沉積物的相關(guān)研究。通過對溶洞沉積物古DNA的分析,研究人員成功提取并確認(rèn)了屬于丹尼索瓦人的線粒體DNA,這是首次在俄羅斯丹尼索瓦洞之外找到丹尼索瓦人的DNA(見圖3)[76]。顧政權(quán)等將沉積物古DNA技術(shù)應(yīng)用于西藏廓雄遺址(3 160～2 954 cal a BP)的調(diào)查剖面,鑒定出的大麥等農(nóng)作物和綿羊等家養(yǎng)動物與考古發(fā)現(xiàn)的動植物遺存相印證。此外還發(fā)現(xiàn)了粟以及多種與農(nóng)作物伴生的微生物,其中粟在大植物遺存中并沒發(fā)現(xiàn),這顯示了沉積物古DNA技術(shù)具有通過曠野遺址文化堆積物復(fù)原其中動植物種屬信息的潛力[77]。

注:(a)白石崖溶洞發(fā)掘現(xiàn)場;(b)白石崖溶洞發(fā)掘現(xiàn)場沉積物地層,其中丹尼索瓦人DNA發(fā)現(xiàn)于沉積物地層2、3、4、7;(c)沉積物地層4中所有DNA片段的譜系推斷;(d)沉積物地層4中脫氨基DNA片段的譜系推斷。

沉積物古DNA分析與土壤微形態(tài)、生物標(biāo)記物分析等方法相互結(jié)合,能夠挖掘更多的考古信息。有學(xué)者通過古DNA分析和脂質(zhì)分析鑒定湖泊沉積物中的生物來源并將結(jié)果相互印證,為先民定居和動植物管理提供直接證據(jù)[78]。Morley等在丹尼索瓦洞中進(jìn)行土壤微形態(tài)分析研究時(shí)發(fā)現(xiàn),土壤微形態(tài)分析可以幫助確定沉積物中有利于保存古DNA的區(qū)域[79]。Massilani等借鑒土壤微形態(tài)中的方法,嘗試用樹脂包埋的方式保存和固定沉積物樣品,結(jié)果表明該方法便于進(jìn)行古DNA保存,且DNA在沉積物中的遷移程度較小[80]。

4 有機(jī)殘留物分析

這里的有機(jī)殘留物是指除DNA外的蛋白質(zhì)、脂類分子和其他生物標(biāo)記物。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,目前陶器吸附殘留物的研究已經(jīng)成為考古有機(jī)殘留物分析中的顯學(xué),特別是陶器吸附脂質(zhì)的研究,方法成熟,成果豐碩。陶器吸附蛋白質(zhì)和其他生物標(biāo)記物(如黍素),也有不少成功鑒定的案例[81-82]。相比之下,考古土壤中的有機(jī)殘留物研究則十分薄弱。特殊的礦物結(jié)構(gòu)能夠?yàn)樘掌鞅趦?nèi)部有機(jī)殘留物分子提供保護(hù),從而減少有機(jī)殘留物降解[83]。與陶器相比,考古土壤的兩個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致其有機(jī)殘留物分析更加困難。①陶器的成分相對單一,不同地區(qū)的考古遺址土壤或沉積物組成復(fù)雜且差異巨大。②陶器內(nèi)壁提供了相對封閉的空間,而土壤或沉積物的環(huán)境更加開放,存在多種導(dǎo)致有機(jī)物分子降解的因素。此外,有機(jī)殘留物在土壤中降解后,很容易和其他分子混雜,從而難以區(qū)分出古代殘留物,目前主要依靠考古學(xué)背景和設(shè)置陰性對照來區(qū)分古代和現(xiàn)代有機(jī)物分子,通過殘留物本身的特征直接區(qū)分的相關(guān)研究還需加強(qiáng)。古代DNA可以通過特有的損傷模式識別[84],蛋白質(zhì)、脂類和其他生物標(biāo)記物還缺乏十分成熟的直接判斷方法。區(qū)分古代蛋白質(zhì)可以通過評估蛋白質(zhì)老化程度實(shí)現(xiàn),目前有3種方法,分別是檢測蛋白質(zhì)降解的脫酰胺率、氨基酸外消旋分析和氨基酸單體碳同位素測年[85-87]。

4.1 考古土壤中脂質(zhì)殘留物研究

脂質(zhì)具有疏水性,在水中溶解度低,并且容易和土壤有機(jī)物聚集和膠聯(lián)形成物理屏障,從而限制微生物的降解,可使脂質(zhì)殘留物能夠在沉積物中保存長達(dá)百萬年[88]。土壤中脂質(zhì)的檢測方法借鑒了成熟的陶器吸附脂質(zhì)殘留物的檢測方法,普遍采用基于氣相色譜(gas spectrometry,GS)的分析方法,除氣相色譜外還包括氣相色譜火焰離子化檢測器聯(lián)用(GC-FID)、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)、氣相色譜燃燒同位素質(zhì)譜聯(lián)用(GC-C-IRMS)等。Green曾對考古土壤脂質(zhì)殘留物開展系統(tǒng)性研究,通過對眾多墓葬尸骨周邊土壤進(jìn)行系統(tǒng)性采樣和脂質(zhì)分析,發(fā)現(xiàn)一些列包括脂肪酸、甾醇、樹脂酸、正構(gòu)醛、正構(gòu)烷烴等在內(nèi)的生物標(biāo)記物[89]。國外學(xué)者運(yùn)用土壤脂質(zhì)分析方法主要解決以下2個(gè)考古學(xué)問題。

1)研究古代食物及加工利用方式。Heron等學(xué)者使用GCMS的脂質(zhì)分析結(jié)合碳氮穩(wěn)定同位素(δ13C和δ13N)分析對挪威北極地區(qū)約900～1 700 BP的長方形坑中的膠結(jié)狀沉積物和木炭展開分析,檢測出長鏈不飽和脂肪酸和異戊烯脂肪酸,以及不飽和酸的氧化和熱分解產(chǎn)物,如二羧酸(dicarboxylic acid)、二羥基脂肪酸(dihydroxyfatty acid)和ω-(鄰?fù)榛交?烷酸(ω-(o-alkylphenyl)alkanoic acid),指示了水生生物脂肪的存在,從而推斷這些坑是先民加工海洋動物油脂的場所[90]。古代食物的一種特殊使用情況是作為祭祀時(shí)的祭品。通過對墨西哥城阿茲特克神廟內(nèi)不同區(qū)域地面脂質(zhì)殘留物的分析,研究人員確認(rèn)了脂質(zhì)濃度高的區(qū)域?yàn)橄让窦漓牖顒又蟹胖眉榔返募琅_所在(見圖4)[91]。

注:(a)Tudela法典中記錄的阿茲特克人在神靈前的放血儀式;(b)阿茲特克神廟旁雄鷹勇士之家地面脂肪酸分布圖。顏色較深的區(qū)域代表脂質(zhì)含量較高。

2)爐灶遺跡的研究。Lejay先后做過兩次爐灶模擬實(shí)驗(yàn),探究了使用木材和動物骨骼作為燃料加工肉類后爐灶土壤中脂質(zhì)殘留物的差異,完善了爐灶加工肉類后有機(jī)殘留物的特征數(shù)據(jù)庫,包括支鏈二元酸、酮、短鏈酸和正烷烴/正烯烴雙酯等動物脂肪的受熱產(chǎn)物[92-93]。Buonasera也開展過類似的模擬實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步測試了殘留物不同層位的溫度,為殘留物受熱分解提供依據(jù),并采用土壤微形態(tài)方法觀察爐灶沉積物空間形態(tài)和組成,指出某些對稱和輕微不對稱飽和長鏈酮類(14-nonacosanone、16-hentriacontanone、16-tritriacontanone和18-pentatriacontanone),特別是與十七烷(C17正構(gòu)烷烴)一起存在,是陸生動物脂肪熱降解的分子指標(biāo)[94]。

4.2 考古土壤中蛋白殘留物研究

相較于脂質(zhì),蛋白質(zhì)和糖類更容易因化學(xué)變化和微生物的影響而降解,其保存潛力不如脂質(zhì)[95]。然而,蛋白質(zhì)可通過吸附在黏土和腐殖質(zhì)上從而得到保存,其中角質(zhì)蛋白在考古土壤中已成功檢測到[96-97]。整體而言,考古土壤蛋白的研究尚不成熟,研究案例較少,研究方法仍然以古蛋白分析方法為主,包括氨基酸分析、免疫學(xué)方法和蛋白質(zhì)組學(xué)分析(包括肽質(zhì)量指紋圖譜分析、自下而上和自上而下的液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS/MS)分析)[98]。

1996年,Evershed通過直接水解粉末狀土壤和陶器樣品,并通過高效離子交換色譜對一批薩克遜晚期/中世紀(jì)早期陶器及相關(guān)墓葬土壤進(jìn)行蛋白質(zhì)和氨基酸分析。結(jié)果表明,檢測到的微量氨基酸和蛋白質(zhì)難以作為考古解釋的證據(jù),只有兩件陶器中檢測到的明膠可以作為微量動物膠原蛋白的證據(jù)[99]。這是首個(gè)考古土壤蛋白研究的案例。2012年,Oonk等通過牛血清蛋白在不同類型土壤中的埋藏進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),探究不同溶劑的提取效果,并將結(jié)果應(yīng)用于古羅馬一處房址地板的研究中,檢測到了古代殘留的角質(zhì)蛋白,并提出角質(zhì)蛋白可能成為考古居址的生物標(biāo)記物[96]。盡管該研究考古意義有限,但這是首次將蛋白質(zhì)組學(xué)方法應(yīng)用于考古土壤研究的案例。此后,有研究使用靶向分析的方法,采用專為識別熟制動物材料而設(shè)計(jì)的ELISA(酶聯(lián)免疫)試劑盒和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù),檢測捷克Katovice附近的一處中世紀(jì)早期遺址(公元9—10世紀(jì))的陶器吸附和所在地層的土壤樣本中的蛋白殘留物,鑒定出陶器吸附了熟制的豬肉蛋白殘留,通過對照土壤中含有未經(jīng)加工的豬蛋白殘留,判斷其可能來自于野豬的糞便[100]。

4.3 考古土壤中生物標(biāo)記物分析

除上文提及的脂質(zhì)分析中的一些生物標(biāo)記物〔如指示水生生物的ω-(鄰?fù)榛交?烷酸〕外,考古土壤中的相關(guān)生物標(biāo)記物種類較少。具有高水溶性的生物標(biāo)記物在受到地下水影響的考古土壤中難以保存[101],包括常作為識別酒類殘留物的有機(jī)酸(酒石酸、琥珀酸、馬酸、富馬酸、檸檬酸等)[102]?？脊懦练e物中發(fā)現(xiàn)較多的是糞便生物標(biāo)記物,包括coprostanol、β-stigmastanol、5β-stanols、24-ethylcoprostanol等[103-104],其中24-ethylcoprostanol來源于食草動物糞便[105]。Shillito等利用糞便生物標(biāo)記分析確認(rèn)了約14萬年前Paisley洞穴中存在人類,證實(shí)了之前對相同糞化石進(jìn)行的古DNA分析結(jié)果[106]。Evershed等根據(jù)類固醇生物標(biāo)志物含量來區(qū)分考古遺址土壤中不同糞便的輸入來源,結(jié)果表明,人類(雜食動物)與反芻動物(食草動物)的糞便可以區(qū)分,人類糞甾醇(coprostanol)與5β-stigmastan-3β-ol的比例約為5.5∶1,而反芻動物這一比例約為1∶4[107]。Prost等也試圖通過對土壤中不同家畜糞便殘留物中類固醇〔Δ5sterols, 5α-stanols, 5β-stanols, epi-5β-stanols, stanones和膽汁酸(bile acids)〕的分類來區(qū)分動物來源,但同時(shí)指出,類固醇生物標(biāo)記物在降解后會失去特異性,因此很難應(yīng)用于考古研究,只有膽汁酸具有良好的鑒定效果[108]。此外,烷基酰胺(alkyl amides)在考古和古環(huán)境研究中可能具有作為新生物標(biāo)志物的潛力,其在考古地層中的變化可以指示環(huán)境差異,這在安徽蒙城縣尉遲寺考古遺址的沉積物研究中得到了驗(yàn)證[109]。

5 總結(jié)與展望

土壤是考古遺址中最常見的各類遺跡和遺物載體,同時(shí)其本身也是重要的考古研究材料。以考古土壤自身為研究對象,通過土壤地球化學(xué)分析、土壤微形態(tài)分析、沉積物古DNA分析和有機(jī)殘留物分析這4種研究方法,可發(fā)掘更多考古潛信息,逐漸將考古學(xué)研究對象從宏觀拓展到微觀。從研究趨勢來看,考古土壤研究在以下幾個(gè)方面需要持續(xù)發(fā)力。

1)多方法綜合研究。國外學(xué)者將多種研究方法綜合應(yīng)用于同一考古學(xué)問題研究稱為多方法(multi-proxy)研究?？脊磐寥朗枪糯z留下的各種遺存及其殘留物的綜合反映,將上述各研究方法按照需要匯聚并開展多方法研究,才能充分挖掘考古土壤信息,有效解決考古學(xué)問題。上文提及的一些研究或多或少涉及到多方法研究,不少學(xué)者也主動開展多方法研究,包括地球化學(xué)和土壤微形態(tài)分析相結(jié)合[110-111],生物標(biāo)記物、土壤微形態(tài)、植物微體化石分析相結(jié)合[112],土壤微形態(tài)和植物微體化石分析相結(jié)合[113],生物標(biāo)記物和古DNA分析相結(jié)合[114]等,這已成為考古土壤研究的趨勢。

2)考古土壤保存方法研究?？脊磐寥姥芯恐械腄NA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等有機(jī)殘留物均易污染、易降解,需要相對嚴(yán)格的防污染和保存措施。目前的保存方法可以參考已有的古DNA[68]、蛋白質(zhì)[85]、脂質(zhì)[115]的保存方法。然而,不同保存條件對古DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等殘留物的具體影響機(jī)制和它們降解的規(guī)律尚未厘清。同時(shí),不同方法的有機(jī)結(jié)合也是值得探索的方向。近期,有研究借鑒土壤微形態(tài)的樹脂包埋方法固定和保存沉積物古DNA[80],對于樹脂包埋脂質(zhì)也有初步嘗試[116],樹脂包埋是否能成為保存考古土壤的統(tǒng)一方法是值得探索的方向。

3)土壤有機(jī)殘留物研究。在考古土壤有機(jī)殘留物研究中,沉積物古DNA、脂質(zhì)分析的方法比較成熟,而考古土壤蛋白質(zhì)的研究在方法上仍處于起步階段,亟待加強(qiáng)研究。生物標(biāo)記物數(shù)據(jù)庫也需要擴(kuò)充成為提高分析效率的工具,這有賴于從更多已經(jīng)驗(yàn)證的考古研究中進(jìn)行總結(jié),以及通過開展模擬老化實(shí)驗(yàn)的方式來發(fā)現(xiàn)。

國內(nèi)開展考古土壤研究具有良好的基礎(chǔ)。首先,殘留物分析在考古遺址發(fā)掘中日益受到重視,考古遺址內(nèi)樣品盡可能全部留存也成為一種趨勢,2021年開始的四川廣漢三星堆祭祀?yún)^(qū)發(fā)掘是這一趨勢下的成功實(shí)踐。其次,考古土壤的分析方法可繼承已有的殘留物分析方法,因?yàn)橥寥乐械臍埩粑镱愋团c已有的殘留物分析內(nèi)容有重合,不少高校和科研院所已經(jīng)配備了相關(guān)科技檢測設(shè)備,積累了數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。最后,土壤微形態(tài)分析、沉積物古DNA分析等研究方法日趨成熟,在考古中的應(yīng)用案例日益增多,為考古土壤分析創(chuàng)造了條件。已有研究充分說明,考古土壤具有重要的研究價(jià)值,若在考古發(fā)掘中給予重視、妥善保存,能有效擴(kuò)大考古研究對象,助力考古信息挖掘,為考古和文物保護(hù)研究提供依據(jù)。