中國北方C4農(nóng)業(yè)與C4生物量的協(xié)同演化：黍粟農(nóng)業(yè)起源機(jī)制獲得新認(rèn)識(shí)

距今一萬年以來，中國、西亞、中美洲、南美安第斯山、東南亞、埃塞俄比亞等地區(qū)的現(xiàn)代人群共同開啟了人類對(duì)自然動(dòng)植物馴化的宏偉篇章，這一過程革命性地改變了人類的行為、文化以及社會(huì)組織方式，為人類文明的形成和發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

農(nóng)業(yè)起源的原因和機(jī)制研究對(duì)于理解人類行為演化，社會(huì)演變，以及人類與自然的關(guān)系都是至關(guān)重要的。自20世紀(jì)初，拉斐爾·龐培里（Raphael Pumpelly）和戈?duì)柕恰げ駹柕拢℅ordon Childe）提出“綠洲理論”以來，在近百年時(shí)間里，來自考古學(xué)、生態(tài)學(xué)、全球變化科學(xué)、遺傳學(xué)、基因組學(xué)的學(xué)者們紛紛加入到這場(chǎng)大討論中，批判性審視原有理論體系并相繼提出新的“農(nóng)業(yè)起源”假說，其中較為著名的包括人口壓力說、氣候變化適應(yīng)說、社會(huì)變革說、二氧化碳濃度變化說和進(jìn)化論說等十多種，但總體來說這些假說可以分為“內(nèi)因”和“外因”兩大類別。

其中“內(nèi)因”說，無論是人口壓力說、進(jìn)化說、還是競(jìng)爭(zhēng)宴享說，都傾向于將“農(nóng)業(yè)起源”歸結(jié)為人類演化歷程中一個(gè)必然發(fā)生的事件，是人類體質(zhì)與心智演化、社會(huì)形態(tài)與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型道路上必經(jīng)的一個(gè)站點(diǎn)。這些理論有利于解釋為什么全球不同起源中心的相互獨(dú)立的現(xiàn)代人群，在大致相同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)而非更早或更晚，分別開始了動(dòng)植物的馴化過程，但無法解釋最初的農(nóng)業(yè)僅在全球幾個(gè)特定的地區(qū)出現(xiàn)，也就是農(nóng)業(yè)起源中心的特殊性及區(qū)域發(fā)展的不均衡性。

而“外因”說，包括氣候適應(yīng)說、新仙女木氣候波動(dòng)說、環(huán)境協(xié)同演化說等傾向于將“農(nóng)業(yè)起源”看作是在特定的自然環(huán)境條件，或者環(huán)境過程中，人類的適應(yīng)性行為，這個(gè)過程考慮到復(fù)雜的外部條件，并有一定的偶然性。這些“外因”說有利于解釋農(nóng)業(yè)起源的區(qū)域不均衡性，以及為什么農(nóng)業(yè)起源于一些特定的地區(qū)、特定的時(shí)間點(diǎn)和特定的馴化作物，但是又不好解釋全球農(nóng)業(yè)起源的普遍性和同期性。

毫無疑問農(nóng)業(yè)起源是由于“內(nèi)因”和“外因”共同影響下產(chǎn)生的，但是相比于撲朔迷離、難以量化表述的“內(nèi)因”，討論農(nóng)業(yè)起源過程中其周邊自然資源、氣候過程及生態(tài)環(huán)境變化等“外因”，在近年來更加受到自然科學(xué)學(xué)者們的青睞?？紤]到每個(gè)農(nóng)業(yè)起源中心的自然生態(tài)環(huán)境，歷史氣候過程，潛在資源條件以及古代人群文化不盡相同，在全球每個(gè)農(nóng)業(yè)起源中心，每種馴化作物都經(jīng)歷了不同的演化歷程。理解這些特定地區(qū)的人類行為和自然環(huán)境變化過程以及相互關(guān)系，可以為完善“農(nóng)業(yè)起源”機(jī)制提供重要參考。

中國北方是黍/粟（糜子Panicum miliaceum/谷子Setaria italica）農(nóng)業(yè)的起源中心，也是中國文明起源和發(fā)展的核心地區(qū)。近二十年來，學(xué)術(shù)界在黍粟農(nóng)業(yè)起源研究方面已取得豐碩成果，特別是對(duì)兩種作物起源傳播時(shí)空特征的理解，但對(duì)其起源過程和機(jī)制仍然認(rèn)識(shí)不清。不同于舊大陸其他馴化作物如小麥和水稻等，黍粟屬于為數(shù)不多的“小粒”C4類型作物。這些相對(duì)獨(dú)特的植物學(xué)特征，不禁引人深思：兩種C4作物如何成為早期人類優(yōu)先栽培的馴化對(duì)象？自然和人類兩類因素如何影響黍粟農(nóng)業(yè)的起源和形成？兩者在這一過程中相對(duì)重要性隨時(shí)間如何變化？

近日地球科學(xué)Nature Index 雜志Geophysical Research Letters發(fā)表了由中科院古脊椎所/生物演化與環(huán)境卓越中心李小強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)，天津大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院徐海教授和德國哥廷根大學(xué)Hermann Behling教授課題組有關(guān)中國北方C4農(nóng)業(yè)與C4生物量的協(xié)同演化與黍粟農(nóng)業(yè)起源機(jī)制的研究成果，研究人員基于穩(wěn)定碳同位素、花粉、炭屑以及AMS14C年代等多指標(biāo)記錄研究了東北查海遺址的農(nóng)業(yè)歷史，并在此基礎(chǔ)上收集目前已發(fā)表的碳同位素和考古學(xué)數(shù)據(jù)，探討了全新世中國北方區(qū)域C4生物量（C4植物的相對(duì)百分比）與C4農(nóng)業(yè)歷史的關(guān)系，為理解北方黍粟旱作農(nóng)業(yè)的起源過程和機(jī)制提供新的認(rèn)識(shí)。

據(jù)該研究介紹，相比于區(qū)域其他各類自然沉積物，查海遺址多期文化層具有較高的C4生物量估值，這種差異不能僅憑自然氣候因素的變化進(jìn)行解釋。花粉、炭屑和植物遺存等記錄指示全新世早中期的人類活動(dòng)包括農(nóng)業(yè)活動(dòng)和森林砍伐等行為。結(jié)合遺址磨石表面高比例C4植物淀粉粒以及現(xiàn)代C4作物種植實(shí)驗(yàn)等證據(jù)，研究人員認(rèn)為新石器時(shí)代早期查海地區(qū)存在耕作種植和土地清理等行為，符合已有的狩獵采集到農(nóng)業(yè)耕作連續(xù)模型。進(jìn)一步研究計(jì)算顯示遺址文化層與周邊自然沉積物的碳同位素差值在全新世期間逐步增加，與黍粟遺存等植物考古數(shù)據(jù)所揭示的馴化過程近乎同步，表明早期人類管理種植C4作物能力持續(xù)增強(qiáng)，這也得到了文化層中碳同位素信號(hào)波動(dòng)特征的驗(yàn)證。

為從更大時(shí)空尺度評(píng)估黍粟馴化過程中人類和自然因素的相對(duì)影響變化，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了首張中國北方一萬四千年以來的C4生物量等值線圖，并匯總已發(fā)表的考古遺址和黍粟遺存年代數(shù)據(jù)。對(duì)比結(jié)果顯示全新世早中期東北C4生物量的變化與黍粟農(nóng)業(yè)的起源和發(fā)展近乎同步，這種同步關(guān)系受北半球中高緯度降溫影響于四千年左右正式發(fā)生解耦，預(yù)示在一定C4生物量閾值內(nèi)，人類因素開始取代自然因素在黍粟農(nóng)業(yè)中扮演更為重要的角色。

綜合研究結(jié)果表明，C4生物量不斷增加的自然環(huán)境背景和人類對(duì)C4植物的持續(xù)管理或栽培行為共同驅(qū)動(dòng)了中國北方地區(qū)C4農(nóng)業(yè)的起源。C4生物量的增長有助于提高潛在C4作物（包括黍粟及其野生祖本）的數(shù)量和多樣性、維持相對(duì)安定的史前人類定居環(huán)境、增加人類管理種植各種C4植物的練習(xí)嘗試機(jī)會(huì)。部分地區(qū)在氣候好轉(zhuǎn)后率先實(shí)施C4植物集約化利用策略，最終導(dǎo)致早期C4農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)和人口的增長。同時(shí)人口膨脹引起的糧食供需矛盾增大進(jìn)一步促進(jìn)了黍粟農(nóng)業(yè)的集約化和推廣。這種正反饋機(jī)制顯示一種漸進(jìn)的共同進(jìn)化模式，C4生物量與黍粟遺存首個(gè)峰值約二千年的偏差再次證實(shí)野生植物馴化是一個(gè)延續(xù)數(shù)千年的過程。

該項(xiàng)研究不僅對(duì)中國北方地區(qū)C4生物量的分布及演變進(jìn)行了系統(tǒng)歸納，為相關(guān)的穩(wěn)定同位素生物考古學(xué)研究提供了背景數(shù)據(jù)，而且在時(shí)間和空間上對(duì)比了北方黍粟農(nóng)業(yè)的起源與C4生物量的耦合變化，論證了人類行為與區(qū)域自然生態(tài)的協(xié)同演變關(guān)系，對(duì)理解中國北方黍粟農(nóng)業(yè)的起源機(jī)制、農(nóng)業(yè)文化演變與氣候環(huán)境變化具有重要科學(xué)意義。