黍、粟炭化溫度研究及其植物考古學意義

王 燦 呂厚遠

（1.山東大學歷史文化學院 山東濟南 250100；2.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所 北京 100029；3.中國科學院青藏高原地球科學卓越創(chuàng)新中心 北京 100101；4.中國科學院大學 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、粟種子在炭化過程中保存下來的概率是否存在不同，進而導致植物考古統(tǒng)計分析出現(xiàn)誤差，是解釋上述矛盾的關(guān)鍵。通過現(xiàn)代黍、粟種子的炭化模擬實驗，發(fā)現(xiàn)黍的炭化溫度區(qū)間（250～325℃）遠小于粟的炭化溫度區(qū)間（270～390℃），說明在考古遺址中黍被炭化保存下來的概率要遠低于粟，浮選結(jié)果中黍的含量可能會被低估。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—半濕潤區(qū)最古老的栽培谷物，也是我國史前北方旱作區(qū)最重要的農(nóng)作物［1］。揭示不同時期黍、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)展過程，還將為探討旱作生產(chǎn)與全新世氣候變遷以及社會發(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)境考古學界研究的熱點之一［2］。

目前，學界對北方旱作農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的認識，多是基于出土炭化植物種子的數(shù)量、比例分析得出的，認為粟自仰韶文化中晚期（距今6000—5000年）開始至秦漢時期小麥大規(guī)模普及之前一直是北方最主要的糧食作物［3］。然而，這一認識并沒有得到歷史文獻和考古遺址植硅體分析結(jié)果的支持：在甲骨文和《詩經(jīng)》中黍出現(xiàn)的次數(shù)遠超過粟，暗示黍在商周時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主要方法，二者復原的旱作農(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、黍誰唱主角，已不僅是旱作農(nóng)業(yè)研究需要面對的科學問題，還是植物考古研究需要解決的方法學問題。盡快找到炭化遺存和植硅體分析相異的原因，對于利用植物考古手段復原不同時期黍、粟種植比例，探討旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展過程至關(guān)重要。

為解釋這種矛盾，有學者對植硅體和炭化遺存數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果的含義進行了考察［9］，發(fā)現(xiàn)經(jīng)相同實驗方法處理的等重量的黍、粟種子植硅體產(chǎn)量基本相等，說明相同條件下黍、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10倍，僅以種子顆粒數(shù)量統(tǒng)計的結(jié)果如果不進行校正可能會高估粟相對于黍的重量。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)果能夠較真實地反映黍、粟相對比例，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］，而炭化的過程是在一定的溫度區(qū)間內(nèi)實現(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)計分析時的偏差，影響其所反映的農(nóng)作物相對含量的真實性。但時至今日，炭化遺存分析在解釋統(tǒng)計結(jié)果時均沒有考慮這一因素。主要是因為缺乏植物炭化形成條件的系統(tǒng)研究，而有關(guān)黍、粟種子的炭化實驗更多關(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，制約了對其復原的黍、粟比例準確性的評估。

本文選擇現(xiàn)代黍和粟種子，設(shè)計不同的加熱溫度、時間和氧氣條件，進行模擬炭化的條件實驗，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)模式提供埋藏學依據(jù)，同時促進學界重視和反思炭化過程造成的植物考古統(tǒng)計分析中的誤差。

一、材料與方法

本次炭化模擬實驗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），每個品種又分為帶殼和無殼兩類（封二∶1），均在室溫下以干燥狀態(tài)貯存4年，在2015年6月實驗前沒有經(jīng)過任何浸泡、蒸煮、烘干等加工處理過程。

本實驗利用人工加熱炭化方法來模擬高溫炭化過程。加熱炭化需要考慮四個因素，即種子含水量、氧氣條件、加熱溫度和時長［14］。本文沒有測定粟、黍種子樣品的含水量，但根據(jù)其他學者的研究［15］，經(jīng)過自然晾干，常溫存儲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驗室同一溫度和濕度條件下，因此認為這一因素是恒定的，在實驗中主要調(diào)整的是其他三種因素。

實驗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，在一次實驗中每一個品種的粟和黍都有4個樣品，分別是無殼氧化、無殼還原、帶殼氧化和帶殼還原，這樣一次實驗就包含了4種粟、黍的16個樣品。每個樣品選擇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）。將準備好的樣品放入Ney Vulcan 3-550型馬弗爐，該馬弗爐未經(jīng)預熱，每次實驗均從室溫開始加熱。實驗設(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，升至預設(shè)溫度后，恒溫加熱時間分別為0.5、1、2、3、4h。每一次實驗完畢，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)。

本文將實驗后的種子樣品分為三類：炭化、未炭化和破壞（灰化）。炭化顆粒的判定標準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，那么就認為其未炭化；而有的種子因受熱膨脹，爆裂而嚴重變形，失去鑒定標志，質(zhì)地酥軟，觸之即碎，這類種子無法在沉積過程中保存，認為其是破壞狀態(tài)（封二∶2）。然而，經(jīng)過觀察，發(fā)現(xiàn)有時在一個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)已有標準［16］，凡是樣品中出現(xiàn)未炭化種子便認為該樣品未炭化，樣品中沒有未炭化種子而有大于等于5%的種子是炭化狀態(tài)便認為該樣品炭化，破壞樣品則是其中的炭化種子少于5%。以此標準，通過實驗得出了粟和黍每個加熱時長下處于炭化狀態(tài)的溫度區(qū)間。最后，將粟、黍每個加熱時間下的炭化溫度上下限值輸入到Excel中，統(tǒng)計繪圖后進行比較研究。

圖一// 實驗所用坩堝模擬還原（左）和氧化條件（右）

表一// 粟、黍植物樣品信息

圖二// 粟和黍炭化模擬實驗結(jié)果（一）

二、黍粟炭化模擬實驗結(jié)果

圖二、三展示了粟和黍炭化模擬實驗的結(jié)果。圖中橫軸代表加熱時長（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。

首先看無殼種子的炭化實驗結(jié)果。氧化條件下，粟和黍在相似的溫度條件下開始炭化：加熱時長為0.5h時，粟炭化的起始溫度為315℃，而黍稍低，為305℃；加熱時長在1～4h之間時，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380～325℃。綜合氧化和還原兩種氧氣條件，在相同溫度和加熱時間下，無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// 粟和黍炭化模擬實驗結(jié)果（二）

帶殼種子的實驗結(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℃。與無殼種子相比，無論氧化或還原條件，同在0.5～4h加熱時間內(nèi)，帶殼粟開始炭化的溫度要高5～15℃，穎殼似乎對粟種子炭化起到了阻礙作用；而帶殼黍相反，其開始炭化的溫度較無殼種子低10～25℃，穎殼似乎對黍種子炭化起到了推動作用。在相同條件下，帶殼粟和黍種子破壞起始溫度均比無殼狀態(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0.5～4h加熱時長下粟和黍的炭化溫度上下限進行了總結(jié)。結(jié)果表明，無論在什么條件下，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，在一組實驗樣品中往往產(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)間的植物考古學意義

炭化后的種子物理化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，可以長期保存在文化堆積中［17］。但不同植物種子被炭化進而保存下來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)過了烘烤或烹煮，就會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)和堅固性，每種植物種子自身的物理化學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，一些研究對不同植物種子的炭化溫度進行了對比，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、黍種子炭化模擬實驗表明，以加熱時間和升溫速率一致為前提，在氧化條件下，無殼粟的炭化溫度區(qū)間為270～390℃，無殼黍為275～325℃；在還原條件下，無殼粟的炭化溫度區(qū)間為275～380℃，無殼黍為275～315℃。這一結(jié)果與其他學者［22］的炭化實驗結(jié)果稍有差異，主要在于炭化溫度上下限的絕對值不同。其最低值比本實驗要低（粟220℃、黍225℃），而最高值比本實驗要高（粟550℃、黍400℃），因此無論粟或黍，其確定的炭化溫度區(qū)間要大于本次實驗結(jié)果。鑒于兩個研究的實驗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。另一個不同是，他們的炭化實驗表明，相對于氧化環(huán)境，還原環(huán)境一般會增加種子的炭化區(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。在我們的模擬實驗中，粟和黍在還原條件下的炭化區(qū)間均沒有增加，甚至出現(xiàn)了些許縮減，說明對于粟、黍來說，在還原缺氧的環(huán)境下受熱會加劇它們的炭化程度。

即使這樣，已有結(jié)果都能說明無論在什么環(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，經(jīng)過這一炭化過程，炭化粟、黍組合與原有組合數(shù)量比例產(chǎn)生了偏差。因此在進行出土植物遺存數(shù)量統(tǒng)計、分析和解釋時，需要考慮粟和黍在炭化過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于炭化粟而言可能會被低估。此外，因為相同質(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)計的結(jié)果可能會高估粟相對于黍的產(chǎn)量［23］。這兩個因素相疊加，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)量是分析對比的前提。在未來旱作農(nóng)業(yè)的研究中，需要將粟、黍的數(shù)量進行校正，即將浮選結(jié)果中炭化粟的顆粒數(shù)量除以2.26，再與黍進行相對產(chǎn)量對比。即使這樣，炭化和埋藏過程也會改變粟、黍顆粒的相對比例，其如何變化與不同遺址植物加工方式（如以黍為基本原料的谷芽酒釀造）、炭化溫度、埋藏環(huán)境等多種因素相關(guān)，不能進行統(tǒng)一的量化校正，但至少同一遺址的統(tǒng)計結(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（如樹樁、草地起火）的溫度較低，一般小于300℃［24］，這種條件基本不會造成粟、黍炭化的差別。但遺址中火燃燒更多地來自火塘、灶坑的人為用火。根據(jù)學界已有實驗結(jié)果，人為用火燃燒中心區(qū)地表溫度可達600℃以上，最高可達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300℃甚至更高，那么粟因較耐高溫而更多被保存下來，黍則多數(shù)灰化，從而使黍的保存概率低于粟。

雖然有的粟、黍種子顆粒會在炭化和埋藏時消失，但其稃殼中的植硅體通常會保存下來?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，植硅體含量能夠較真實地反映黍、粟相對產(chǎn)量（重量）變化，可指示粟、黍的相對比例［26］。因此，植硅體統(tǒng)計結(jié)果在埋藏學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證。

四、粟黍炭化差異性的原因探討

粟和黍在炭化過程中的差異是何種原因造成的？一般來講，植物的炭化過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、溫度和時長，加熱形式（波動或恒溫），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程中的外界因素難以復原，其所起的作用也很難評估。我們通常默認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不予以考慮。本次實驗實際上就是在控制一些外界因素恒定的前提下進行的。在這種情況下，不同植物在炭化過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屬性（結(jié)構(gòu)和成分），這決定了其對高溫受熱的敏感性。

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影響到種子在加熱過程中的炭化程度。已有研究表明，谷物中種子顆粒越小，其對高溫越敏感，在炭化過程中越容易被破壞［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到550℃［29］，再結(jié)合我們的實驗結(jié)果，顆粒較大的黍（穎果長2.25～2.58、寬 1.82～2.56、厚 1.38～1.84mm）反而比較小的粟（穎果長 1.44～1.81、寬 1.52～1.65、厚1.14～1.6mm）［30］更易于灰化，說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，還有學者提出，種子密度越高越容易在加熱過程中受到破壞［33］，但是這種說法還沒有實驗證實，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)，那么是否由化學性質(zhì)或者說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，種子油脂含量會影響其炭化程度。油性種子如亞麻和罌粟等對高溫加熱非常敏感，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。本文沒有測定實驗種子的脂肪含量，但通過對中國作物種質(zhì)資源庫中2038份粟和681份黍的粗脂肪含量進行統(tǒng)計（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，而實際上并非如此。我們認為，粟、黍油脂比例不高，脂肪含量可能會有限地影響粟、黍炭化的過程，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

另一個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］。本次實驗采集的粟和黍樣品均是收獲脫粒后，按安全水分標準曬干，在貯藏中保持通風干燥的。雖然沒有實際測得實驗種子含水量，但根據(jù)其他學者研究［39］，這樣干燥貯藏的粟和黍種子水分含量沒有明顯差別（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］對粟、黍種子炭化過程亞顯微結(jié)構(gòu)的觀察，伴隨著種子未炭化—炭化—灰化過程，淀粉結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了晶體結(jié)構(gòu)—無定形結(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合物越多，該復合物對熱穩(wěn)定，導致淀粉顆粒破壞溫度升高［43］。換句話說，直鏈淀粉含量越高，種子顆粒炭化和灰化溫度就越高。

目前我國的黍、粟品種非常多樣。一般來說，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］。可見，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，本次實驗中即使是糯性粟，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。

炭化實驗的結(jié)果還表明，粟、黍種子在帶殼的情況下對高溫非常敏感，形態(tài)結(jié)構(gòu)很容易破壞，耐受的最高炭化溫度降低。這可能是因為粟、黍種子的穎殼和稃片與種皮緊密結(jié)合，透氣性較差，在受熱過程中種子中的水分變成水蒸氣，但無法釋放，導致種子內(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到，因而在相對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)植物考古報告沒有炭化帶殼粟、黍的報道，而在少數(shù)遺址中雖有發(fā)現(xiàn)，但數(shù)量遠少于無殼種子，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，本文并未直接測定實驗種子的成分，我們在探討中采用的是他人研究結(jié)果的平均水平，而實際上因品種、產(chǎn)地、種植環(huán)境（氣候、光照、土壤）和測定方法的差異，不同研究中粟、黍各項成分的數(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雜。如果所選粟、黍樣品成分含量一致，還會不會出現(xiàn)炭化程度上的差異？如果出現(xiàn)，其決定原因又是什么？所以本次炭化實驗的結(jié)果和原因推測還需要更多材料和實驗驗證，需要在定量控制種子成分因素的條件下，確認粟、黍炭化條件和程度的差別，再探尋差別形成的因素和機制。

五、結(jié)語

本文通過炭化模擬實驗確定了黍、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)果仍需更多工作補充驗證［49］。在未來的研究中，選取與人類關(guān)系密切的植物種類，對其種子的炭化溫度區(qū)間進行模擬實驗分析，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、粟炭化模擬實驗

2. 炭化實驗中種子的三類狀態(tài)

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［49］現(xiàn)代黍、粟品種多樣，均有黏與不黏之分，后續(xù)炭化實驗研究需要增加樣品種類，并直接測定所用黍、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，從而檢驗和完