（考古学及博物馆学专业论文）植硅石分析在黄瓜山等遗址中的初步应用.pdf

摘要 随着科学的发展，考古学家们越来越注重于发现和研究考古学文化的科技内 涵。对于考古发掘所发现的古代植物遗存的关注使得植物考古学只益成为考古研 究的一个重要分支。植硅石分析就是考古学家们创见性地利用植物学和地质学方 法来阐明、解释人类发展过程的成功例证。 植r 硅石( p h y t o l i t h ) 或称植物硅酸体、植物蛋白石，是指某些高等植物将吸收 自地下水中的二氧化硅，沉淀于植物体细胞壁、细胞腔内部或细胞之间的间隙而 形成的含水非晶态二氧化硅。因为其可以“复制”细胞体的三维形态，因此，我们 可以根据植硅石在植物体组织中的来源，结合其大小、形状( 二维和三维结构特 征) 、外壁纹饰、外壁厚度、细胞定向以及与周围硅化细胞的关系等特征，来鉴 定其母源植物的种类。从而我们可以通过对各种沉积环境下植硅石组合的分析和 诠释，来复原古代植被环境、气候以及人类活动对环境的影响等等。 植硅石分析方法的诸多优点，使其在我国农业考古学研究中得到了广泛的应 用。本文对福建黄瓜山遗址中具有鉴定特征的水稻哑铃形、扇形、双峰形植硅石 进行了分析，表明在4 0 0 0 b p 的时候，闽东地区已经存在栽培水稻的原始农业， 其栽培的水稻品种为籼稻。同时，特殊的硅化颖片表皮植硅石表明当时可能还有 小麦的种植。这一发现对了解闽东史前人类的生活状态以及南岛语族起源与闽东 渊源问题具有极其重要的意义。 另外，我们还对六安堰墩遗址的炭化稻样品进行了研究，并且提出在利用现 代水稻样本作为参照来研究古代水稻样本时，有时需考虑自然和人为因素所导致 的形态变异的影响。 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fm o d e m s c i e n c e ，a r c h a e o l o g i s t sb e c o m em o r ea n d m o r ei n t e r e s t e di nt h es c i e n t i f i cc o n t e n t so fv a r i o u sc u l t u r e s s i n c em o r ea t t e n t i o n sa r e p a i do np l a n tr e m a i n se x c a v a t e df r o ma r c h a e o l o g i c a ls i t e sp a l e o e t h n o b o t a n yi sb e i n g r e g a r d e da s a ni n t e g r a lb r a n c ho fa r c h a e o l o g i c a lr e s e a r c h p h y t o l i t ha n a l y s i si sa n e x a m p l eo f h o wi n v e n t i v er e s e a r c h e r si na r c h a e o l o g yu s et h eh a r ds c i e n c ep r o c e s s e s o f b o t a n ya n dg e o l o g y t oi l l u m i n a t et h es o f t - s c i e n c ei n t e r p r e t a t i o n so fh u m a n h i s t o r y p h y t o l i t h s ，a l s oc a l l e d a s o p a lp h y t o l i t h s o r p l a n to p a l ，a r e m i n u t eb i o g e n i c s t r u c t u r e so fs i l i c at h a t sd e p o s i t e d ，d e p e n d i n go nt h es p e c i e so f p l a n t ，b e t w e e nt h e c e l l s ，w i t h i n t h ec e l l w a l l s ，o r e v e ns o m e t i m e s c o m p l e t e l yi n f i l l i n g t h ec e l l s t h e m s e l v e s s i n c ep h y t o l i t h sc a nc r e a t et h r e e d i m e n s i o n a lr e p l i c ao ft h ep l a n tc e l l b o d i e s ，t h e ym a yb ei d e n t i f i e dt o c e r t a i ng e n u so rs p e c i e si nr e s p e c tt ot h e i rp l a n t t i s s u eb a c k g r o u n da n dt h e i rs h a p e ( p l a n eo rt h r e e - d i m e n s i o n a l ) ，s i z e ，o r n a m e n t s ，c e l l o r i e n t a t i o na n do t h e ra n a t o m i c a l f e a t u r e s t h e y s e r v ea se f f i c i e n tc l u e st o p a l e o e n v i r o n m e n t a lr e c o n s t r u c t i o n ，p a l e o c l i m a t e ，a n d h u m a na c t i v i t i e s t h r o u g h a n a l y s i s a n di n t e r p r e t a t i o no fp h y t o l i t ha s s e m b l a g e sf r o mv a r i o u ss e d i m e n t s a l s o p h y t o l i t h sc a nh e l pd i f f e r e n t i a t eb e t w e e n w i l da n dd o m e s t i cp l a n ts p e c i e s b e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e s ，p h y t o l i t ha n a l y s i s i s w i d e l ya p p l i e d i n a g r o a r c h e o l o g i c a l r e s e a r c hi nc h i n a i nt h i sa r t i c l e ，w ei d e n t i f i e dt h ed i a g n o s t i c p h y t o l i t h sf o r m s ，i e b u l l i f o r m ，d u m b b e l l ，a n di n f l o r e s c e n c ed o u b l e p e a k e d ，s p e c i f i c t or i c e ( s a t i v ao r y z al ) f r o mt h eh u a n g g u a s h a ns i t e ，f u j i a np r o v i n c e t h u sw e d e e m e dt h a tt h e r eh a db e e nd o m e s t i c a t e dr i c ea g r i c u l t u r a la c t i v i t i e sa n dt h ee x p l o i t e d s p e c i e si si n d i c a ( 0 s a t i v al s u b s p h s i e nt i n g ) 4 0 0 0 b ra n d t h e r em i g h th a db e e n w h e a t p l a n t a t i o nd u e t ot h ed i s c o v e r yo fak i n do fc h a r a c t e r i s t i cp h y t o l i t h t y p es i m i l a r t ot h ed e n d r i f o r mo rs i l i c i f i e dw h e a th u s kr e p o r t e db ya r l e n em i l l e rr o s e na n d t e r r y b b a l l t h i sh e l p sp r o v i d ed i r e c te v i d e n c e st ot h es u b s i s t e n c es t y l eo ft h er e s i d e n t so f e a s t e r nf u j i a na n db e t t e ru n d e r s t a n dt h eo r i g i no f a u s t r o n e s i a n l a n g u a g ep e o p l e a d d i t i o n a l l y , t h ec a r b o n i z e dr i c ef r o my a n d u nv i l l a g e ，aw e s t e r n z h o us i t e ， k i u a nc i t y , a n h u ip r o v i n c e ，w a sa l s oa n a l y z e da n di d e n t i f i e dt ob ej a p o n i c a ( 0 s a t i v al s u b s p k e n gt i n g ) h o w e v e r , t h ed i f f e r e n tp h y t o l i t hm o r p h o t y p e sb e t w e e n t h ec a r b o n i z e dr i c ea n dm o r d e mc o m p a r a t i v es a m p l ei m p l i e dt h a tw h e na n a l y z i n g a n c i e n tr i c er e f e r r i n gw i t hm o d e r ns a m p l e st h em o r p h o l o g i c a lv a r i a b i l i t ys h o u l db e c o n s i d e r e d i j 中国科学技术人学硕士学位论文植硅7 i 分析在黄瓜山等遗址中的初步应用 第一章植硅石的概念 3 0 多年来，植硅石分析在考古科学中得到了广泛的应用。其鉴别植物种属 的效用，特别是一些重要农作物的种属，已一再为众多不同文化考古遗存的研究 提供了丰富的、有价值的信息。植硅石分析是考古学家创见性地利用植物学和地 质学方法来阐明、解释人类发展过程的成功例证。 植硅石( p h y t o l i t h ) ，曾被称为蛋白石植石( o p a lp h y t o l i t h ) 、硅石植石( s i l i c a p h y t o l i t h ) 、硅石细胞( s i l i c ac e l l s ) 、植物蛋白石( p l a n to p a l ) 或生物蛋白；1 5 ( b i o g e n i c o p a l ) 等。国内最早( 1 9 8 9 年) 直接沿用日文译名，将其称作植物硅酸体，对此，李 星学院士曾提出疑议，认为曰文源于中文，“p h y t o l i t h ”一词应由中文直译。刘 金陵先生考虑到在植物生理或现代植物研究领域多用s i l i c ab o d i e s 一词，建议将 其统称为“植硅体”，也有一些学者主张译为“植结石”。显然，有关植硅石的命 名至今尚未有确定的术语，有必要对此作一阐述。 最早观察到植硅石并对其建立分类系统的是德国科学家e h r e n b e r g ，当时， 他称其为“p h y t o l i t h a r i a ”，如今英文已统一改称为p h y t o l i t h 。首先，从词源来看， p h y t o 一表示“植物”之含义，l i t h 则表示“石”、“岩石”，但植物岩已另有专名 p h y t o l i t e ，故不宜译为植物岩。第二，从涵义来看，广义上的p h y t o l i t h 是代表高 等植物中矿化的硅质和钙质物，并不严格局限于硅质物质。虽然钙质p h y t o l i t h 也具有微体化石应用方面的价值，但是在粪化石中发现的草酸钙晶体很少能代表 某一植物科的鉴定特征( p i p e m o ) ，而且在许多沉积环境的相关研究中也未见报 道。植硅石的提取，通常需经稀盐酸处理，而这将使钙质p h y t o l i t h 荡然无存， 即实际研究对象业已不含钙质p h y t o l i t h 。第三，从成分来看，植硅石是由土壤中 的二氧化硅以单硅酸 s i ( o h ) 4 1 形式进入植物体后，以非晶态二氧化硅的形式沉积 而成，尽管不同植物种属植硅石的化学组成差别较大，但硅含量高达5 3 1 9 8 7 ( 二氧化硅含量为7 0 9 5 ，另含有3 - 1 2 的吸附水) ，显然是其主要构成成分。另 外，尽管太阳虫( 一般生活于淡水环境) 、放射虫( 海水) 、硅藻和海绵( 淡水和海水) 对重建古地貌具有重要意义( s i m p s o n & v o l c a n i ，1 9 8 1 ) ，但是这些常见于土壤和地 质沉积物中的硅石分泌体并不在我们的研究之列。由此可见，植硅石( p h y t o l i t h ) 系特指某些高等植物将吸收自地下水中的二氧化硅，沉淀于植物体内( 细胞内或 细胞外) 而形成的含水非晶态二氧化硅。于是，我们认为，北京大学将p h y t o l i t h 译为植硅石是最为确切的。 中国科学技术大学硕十学位论文植硅1 i 分析在黄瓜山等遗址中的初步应用 参考文献： l 、刘化清王军等对p h y t o l i t h 汉译名的商榷西北大学学报( 自然科学版) 1 9 9 6 年第4 期( 、b 1 2 6 ) ：3 4 0 3 4 2 2 、王永吉植物硅酸体化学成分的研究黄渤海海洋1 9 9 8 年第3 期( v 0 1 1 6 ) ： 3 3 3 8 3 、姜钦华植物细胞的硅化化石：植硅石化石1 9 9 4 ，3 ：3 0 4 、王永吉吕厚远植物硅酸体研究及应用海洋出版社1 9 9 3 5 、d o l o r e sr p i p e m o p h y t o l i t ha n a 舾i s ：a l la r c h a e o l o g i c a l a n dg e o l o g i c a l p e r s p e c t i v e a c a d e m i cp r e s s ，i n c ( u s a ) 6 、姜钦华王宪曾考古学的一门新技术：植硅石分析考古与文物1 9 9 4 ，4 ：9 4 9 8 2 中国科学技术人学硕士学位论文檀硅t 份析在黄瓜山等遗址中的初步应用 第二章样品的提取及处理 植硅石与孢粉的沉积、埋藏和沉积后过程十分相似，且同属于生物微体化石， 植硅石的取样和处理方法基本上源自孢粉学研究所采取的方法。然而，二者的形 成和扩散却有着各自的特点，且植硅石的成分主要是无机的非晶态二氧化硅，而 孢粉是有机体，故二者在取样和处理手段上仍有些许差异。植硅石分析因其研究 目的不同，通常需选取现代对比样品、地质取芯样品以及考古样品。 现代对比样品：包括植物标本及表层土壤样本。植物样本的采集最好与植被 下表层土壤样本的采集同步进行，而表层土壤样本的采集也要结合现代植被的调 查。现代植硅石参考标本是植硅石分析的基础和重要组成部分，正是由于对现代 植物中植硅石形态的深入了解以及植硅石分类和检索系统的建立，我们才能够合 理地解释不同地层壤中的植硅石类型和组合。现代植物标本可以通过野外采集 或从植物标本获得。如无特殊需要，采集时间一般应选择在植物的成熟期。根据 分析的需要，通常应于植物的不同部位各选取一定量的样本，尤其需选取植被的 优势种或重要的生态指示物。在植物分异度高的地区，应该将注意力集中在积硅 植物类群上。现代表土样本能够帮助解释现生植被与现代植硅石沉积之间关系， 并且为古代化石植硅石组合的解释提供现代类比。表土样本的采集方法与土壤学 野外采样方法相同，即在不同类型的植被下系统地采集现代土壤。“现代植硅石 研究的最低目标就是要分离出并确定与已知的现存植被和气候型式对应的现代 植硅石谱。”1 地质取芯样品：包括海洋岩芯、沼泽和湖泊沉积物、黄土、古土壤剖面以及 其他陆相自然地质沉积。这些沉积环境已证明均适合于植硅石分析。地质采样过 程中，要对整个岩芯长度和剖面的土壤进行描述和记录，并且划定地层层位的界 线。地层带中的采样间距取决于沉积物的沉积速率以及分析所需要的时间尺度， 一般不超过5 - o e m 。自然沉积样本的分析不仅可以提供过去植被、气候方面的 信息，也可以为考古地层的植硅石组合提供参照，为解释考古样本和人、地关系 提供最直接的可靠信息。 考古遗址样品：有3 种基本的采集方法：1 ，柱状剖面采样。首先在地层清 楚、干扰较少的探沟或探方壁上划定亚区，刮去表面的壁土，避免现代植硅石的 污染，然后从底至顶按照一定的间隔采集样品，每采集一个样品，清洗一次手铲， 以避免交叉污染。样品放入样品袋中封好，贴上标签。一般情况下，每一个可识 别的地层段上至少采集一个样品，地层单元内的采样间距依遗址情况和堆积的外 形特征确定，一般不应超过5 - 1 0 c m 。一个遗址一般需采集2 个柱样。柱状样品 中国科学技术人学硕士学位论文植硅ii 分析在黄瓜山等遗址中的初步应用 的分析，可提供先民在遗址各主要占用期使用植物的情况，进而给出当时先民的 生存状况、生态环境以及各占用期随时间变化的信息。2 ，出露剖面的槽式取样。 它是柱状采样的一个变种，与柱状取样相比，它更能保留采样区域的地层和土壤 特性的完整性。3 ，发掘过程中的水平取样。一般水平采样和柱状采样相伴进行。 在一个遗址的时期相同、但空间上不连续的区域之间，水平样品能够提供比单一 的或多重的柱状样品更好的对比性。此外，水平样品更好地代表了采样区域的平 均植硅石成分。对于遗址内一些特殊结构的采样，如灰坑、房屋和壁炉地面、储 藏区、牛栏等家畜的饲养区，可以帮助我们获得诸如房屋建筑材料、生计、燃料、 饲料等有关植物利用方面的证据。总的来说，采集的分析样品要能代表一定环境 下未受污染的标本。一般来说，由于人类活动影响着植物的沉积，即从考古遗址 获得的有关气候、植被和人土地相互作用等方面的信息，可能是有限的、带有 偏差的，故而有时还需要从沼泽、湖泊或者陆地的环境中采集地质沉积物样本。 植硅石的提取手段包括考古和地质样本以及现代样本两种。 一、考古和地质样品 从土壤样本中提取植硅石的方法有多种，但基本上都是基于重液浮选原理。 需要指出的是，没有一种提取方法能够适用于所有的土壤类型，因此，不同的土 壤类型需根据具体情况选择适当的方法。这县介绍的是由赵志军先生在前人工作 基础之上建立的一种比较成功的提取方法，其基本方法如下： 1 ，土壤样品的分散 植硅石提取过程中，土壤处理的关键为：如何有效地分散土壤颗粒。考虑到 碳酸盐、有机物和铁、铝氧化物有时会使土壤颗粒絮凝或结块，故首先需将这些 成分从土壤中清除。清除的基本步骤是： 1 ) ，用5 0 m l 试管量3 m l 壤样品，将其倒入2 5 0 m l 高型烧杯中，再量1 0 m | 去离子水倒入上述商型烧杯中，摇晃烧杯，使之大体均匀混合。 2 ) ，在高型烧杯中加入3 0 m l 稀h c l ( 约1 ：4 ) ，俟反应减弱后，将烧杯置 于加热板上加热，直至反应停止。 3 ) ，加入1 0 2 0 m l 浓h n 0 3 ，重复步骤2 ) 的操作程序。反应停止后，加 水稀释至9 e m 高度，静置沉降1 小时2 2 分钟以上，倾去上部清液，将沉淀部分 转入离心管内，离心甩干。操作步骤2 ) 、3 ) 的主要目的是除去土壤样品中的铁、 铝氧化物和碳酸盐，同时也有助于除去有机物。 4 ) ，用h 2 0 2 将样品转至2 5 0 m l 高型烧杯内，待反应减弱后，继续加入h 2 0 2 ， 并适当加热。反应完全后，转入离心管离心甩干。 5 ) ，配制6 n a h c 0 3 溶液，将样品转入2 5 0 m l 锥形瓶，并加入1 0 0 m l n a h c 0 3 溶液，放到振荡器上震荡分散8 1 2 小时。 2 ，沉降 4 中国科学技术人学硕士学位论文 植硅i i 分析在黄瓜山等遗址中的初步应用 这一操作的目的是去除样品中的粘土成分。理论上来说，土壤颗粒的比重取 决于其化学组成和矿物晶体结构，而与矿物的颗粒大小无关。粗看起来，重液浮 选之前似乎没有必要去除粘土，但实际上由于粘土颗粒很小，具有较大表面积， 故其有效比重将受水合作用影响。 根据s t o k e s 公式，可以计算出沉降时间。以植硅石最小直径为5 u m 计算， 有： h9 t2 1 一2 百一 ( ；) ( g ) ( ，2 ) ( d p d ，) v 兰9 。9 8 1 ( o 0 0 0 2 5 2 ) ( 2 2 9 0 9 9 7 8 ) 0 0 0 9 5 7 9 = 4 8 9 6 6 3 秒，即1 小时2 2 分。 其中，h 为沉降高度，d 。为植硅石密度，d i 为溶液密度，r 为植硅石直 径，v 为溶液粘度，g 为重力加速度 具体操作步骤为：将样品转入2 5 0 m l 高型烧杯内，加水至9 c m ，静置沉降1 小时2 2 分以上，将上部浮液虹吸吸出。如此重复5 7 次，直至上部浮液清澈。 3 ，过筛 尽管大于粉沙级( 2 5 0 u m ) 的土壤颗粒不会影响植硅石的重液浮选，但是去 除这一组分可使样品的处理更为容易。考虑到这一点，将样品过6 0 目筛，去除 较大的颗粒成分。收集筛下滤液，转入离心管，离心甩干，再加入去离子水清洗， 甩干。 4 ，重液浮选 配制c d l 2 k i 重液，向离心管内加入适量重液，先搅拌，后离心，小心吸出 上部浮液，放入另一套干净的离心管内，回收原来离心管内剩余的重液。重复2 3 次。 在收集的浮液中加去离子水稀释，离心，回收重液。所得的提取物再用水 清洗、离心2 3 次，然后用无水酒精清洗，离心甩干后，使其自然晾干。 5 ，固定制片 将晾干的植硅石转到载玻片上，用加拿大树脂固定、制片。至此，即可置于 显微镜下观察分析。 二、现代样本 从现代植物样本中提取对比参照样本，借以解释化石植硅石组合，是古植物 学研究的一种基本方法。现代样本的处理方法又分为干灰化法和湿氧化法两种。 1 ，干灰化法 干灰化法实际上就是将植物标本直接灼热或烧成灰烬，由此获得植物的硅化 微结构烬象( s p o d o g r a m s ) 。l a n n i n g 和e l e u t e r i u s ( 1 9 8 5 ) 提出了一种非常简单的 方法，即将拟研究的材料夹在玻片之问置于马弗炉内，在5 0 0 0 c 温度下( 在这个 中国科学技术大学硕士学位论文植碎_ i 分析在黄瓜山等遗址中的初步应用 温度下，植硅石不会变成其他形式的二氧化硅，形态也不受影响1 ，灼热8 小时， 冷却后移去上面的玻片，将固定介质直接加在灰烬上，盖上盖玻片即可。当然， 这样处理的样品难免混有多余的杂质，最好经过h c i 、h 2 0 2 处理，以获得更为 清晰的烬象。 这罩拟介绍j f p a r re ta l ( 2 0 0 1 ) 提出的另一种方法：微波浸解法( m i c r o w a v e d i g e s t i o n ) ，具体步骤如下： 1 ) ，称取0 2 9 植物样本，放入浸解管。加入3 m lh n 0 3 、2 m i l l 2 0 2 和0 5 m l h c l 混合液，盖好浸解管盖子，放入微波处理器，选择浸解模式，然后浸解3 0 分钟。 2 ) ，取几张滤纸编好号，9 0 0 c 下干燥3 分钟，俟水份驱除后，称重。 3 ) ，将浸解后的样品过2 5 0 u m 孔径的分样筛，转移到装好滤纸的布氏漏斗( t l 径0 5 u r n ) 上，抽滤，然后置于微波处理器中，在9 0 0 c 下干燥3 分钟，称重，减 去滤纸的重量，即可得到植硅石的重量。 4 ) ，将滤纸放入5 0 m l 离心管，轻轻拍打，使植硅石转移到离心管中，取出 滤纸。 5 ) ，向离心管中加入1 - 2 m l7 0 1 0 0 的酒精，震荡。 6 ) ，用移液管吸取少量样品置于载玻片上，于加热板上加热干燥，冷却后用 苯( 甲) 酸苄酯固定制片。 2 ，湿氧化法 干灰化法可不改变植硅石的排列，清晰展现出植硅石的总体沉积方式，而湿 氧化法不具备这一优点，但它在三维结构的观察、测量以及样品处理的数量上具 有明显的优势。湿氧化法的制样步骤如下： 1 ) ，取0 1 9 植物标本，用l 的六偏磷酸钠溶液浸泡几个小时，然后用去离 子水洗净。 2 ) ，加入约1 0 m l 的舒尔兹溶液( 3 份浓硝酸+ 1 份饱和氯酸钾溶液) ，置于沸 水浴中加热，氧化过程不超过1 5 小时。如果植物材料未完全浸解，可在加热过 程中小心地向样品中直接加入少量固体氯酸钾，俟完全浸解后用去离子水洗净。 3 ) ，j j n a 1 0 的稀盐酸以去除钙，然后用去离子水洗两次，再用无水酒精洗 两次，自然晾干。 4 ) ，固定制片后，就可以在显微镜下观察分析了。 这里介绍的只是一些基本的植硅石制样方法，由于分析目的的不同，研究者 们所采用的取样和样品处理手段也不尽相同。限于篇幅，这里不再一一介绍了。 6 ! 里型堂壁查查堂堕主堂垡堡茎 垫壁! 坌堑垄重墨些箜堡! ! 圭堕塑生窒塑 参考文献： ltd o l o r e s r p i p e r n op h y t o l i t ha n a l y s i s ：a na r c h a e o l o g i c a l a n dg e o l o g i c a l p e r s p e c t i v e a c a d e m i cp r e s s ，i n c ( u s a ) 2 ，王永吉吕厚远植物硅酸体研究及应用海洋出版社1 9 9 3 3 ，p h y t o l i t hs y s t e m a t i c s ：e m e r g i n gi s s u e s e d i t e db ys u s a nc m u l h o l l a n d g e o r g e r a p p j r k l u w e ra c a d e m i c p l e n u mp u b l i s h e rm a y 19 9 2 4 ，p h y t o l i t h ：a p p l i c a t i o n s i ne a r t hs c i e n c e sa n dh u m a nh i s t o r y e d i t e d b yj e a n d o m i n i q u em e u n i e r ，f a b r i c ec o l i n a a b a l k e m ap u b l i s h e r ，c 2 0 0 1 5 z h i j u nz h a od e b o r a hm p e a r s a le x p e r i m e n t s f o ，i m p r o v i n gp h y t o l i t he x t r a c t i o n f r o ms o i l sj o u r n a lo f a r c h a e o l o g i c a ls c i e n c e ( 19 9 8 ) 2 5 ，5 8 7 5 9 8 6 。j f p a r rvd o l i ce ta lam i c r o w a v ed i g e s t i o nm e t h o df o ，t h ee x t r a c t i o no f p h y t o l i t h s 加m h e r b a r i u m s p e c i m e n s r e v i e wo f p a l a e o b o t a n y a n d p a l y o l o g y 11 6 ( 2 0 0 1 12 0 3 2 1 2 7 ，王才林字圈滓彻郎植物蛋白石分析法及其在考古学上的应用东南文化 1 9 9 7 年第3 ：1 4 2 2 7 中望查燮i i 查人学硕十学位论文 植碎4 1 分析在黄瓜山等遗址中的初步应用 第三章植硅石分析技术 植硅石的主要成分为非晶态含水二氧化硅( s i 0 2 n h 2 0 ) ，光学上呈均值无向 性，折光率为1 4 l 一1 4 7 ，内部几乎不见任何构造特征。其理化性质稳定，正常情 况下可以保存相当长的时间。植物生长过程中，二氧化硅以非晶态的形式沉积在 细胞壁、细胞腔内部或细胞之阃的闻隙，并“复制”细胞体的三维形态，故其形态 特征主要依赖于植物组织、细胞的形态类型。每一类植物产生的硅石形态皆由两 个方面因素决定：即积累硅的细胞类型和它在植物体中的具体位置。 大量现代植物调查表明，植物中植硅石的产生具有明显的规律性和重复性。 植物科和亚科之中总是同样类型的细胞或组织被硅化。不同植物可以产生不同的 植硅石形态组合和独特的个体形态。许多植硅石类型可以被准确地鉴定到科、属 甚至种。也就是说，植硅石的形态特征与其母源植物密切相关，“每类植硅石 常常在各种分类水平上( 属、族、亚科和科) 代表特定植物类群的特征，而且在植 硅石类型和它们的母源植物的自然分类亲缘关系之间有很好的对应性”。1 因此， 我们可以根据植硅石的形态特征来鉴定其母源植物的种类，并进而分析和诠释各 种沉积环境下的植硅石纪录。 然而并不是所有植物都产生区别于其它植物的特定形态植硅石，同种植物体 内常常产生多种类型和形态的植硅石( 图2 ) 。如须芒草( s c h i z a c h y r i u ms c o p a r i l i r a ， l i t t l eb l u e s t e m ) ，仅哑铃形植硅石就有2 0 种主要形态( p a g ec t w i s s ，2 0 0 1 ) ；而同 一种植硅石形态也常常在很多植物种内出现。仍以j 亚铃形为例，高粱( s o r g h u m v u l g a t e ) ，玉米( z e am a y s ) ，p a n i c u m v i r g a t u m ，a n d r o p o g o ng e r a r d i ，s o r g h a s t r u m n u t a n s ，h i l a r i am u t i c a 等都有哑铃形植硅石发育。这样一来，有效地鉴定出具有实 用价值的植硅石类型就成为十分复杂而困难的问题，而这又是植硅石分析所必须 解决的首要问题。具体说来，即植硅石发育的差异性、植硅石类型和植物种类之 侧对应关系的多解性，使得分类系统的建立以及在此基础上的土壤植硅石鉴定变 得极其复杂而困难，难以具有普适性。 那么，如何利用植硅石分析技术来鉴定某一植硅石类型呢? 先看看图l 中的两个i 亚铃形植硅石，一个来自美国堪萨斯州的h a s t i n g 土壤 中，另一个来自须芒草，从形态上看。这两个植硅石非常相似，那么是否可以说 h a s t i n g 土壤中的哑铃形就是来自须芒革昵? 对于这个问题，它的答案只能是： 可能。原因已在前面论及，即植硅石类型和植物种类之间具有复杂的对应关系。 要解决这一问题，首先需要综合研究一个种内的所有植硅石形态( 植硅石组 合) ，与此同时，还需要收集单一物种的大量标本，以度量种群内的变异对植硅 中国科学技术大学硕士学位论文植砖f i 分析在黄瓜山等遗址中的初步应用 石形态的影响。如果一些植物的植硅石组合与其它植物的植硅石组合仅有部分相 同之处( 或相关或不相关) ，那么，形态类型频度的建立和统计比较，将十分有助 于植物的鉴定。形态类型频度需要统计一个种内的所有形态类型及其大小，并需 确立它们的发生率或百分比频度( 如图2 中对2 0 种哑铃形出现频度的统计) 。现 代表层土壤植硅石组合的研究，即各种现代植被下表层土壤中的植硅石组合可为 化石组合的解释提供直接的现代对比标准，而无需逐一考虑不同沉积环境下气 温、降雨、土壤酸碱度等保存因素的影响。具体到现代h a s t i n g 地区，那里的须 芒草生长十分繁茂，如果地层样品中的植硅石组合与现代表层土壤中的组合相 同，那么我们基本上可以确定该地层中与须芒草形态相似的植硅石是来自须芒草 的。 图1h a s t i n g 土壤中和须芒草哑铃形植硅石的s e m 顶视图和侧视图 ( 据p a g ec t w i s s ，2 0 0 1 ) 9 ! 里型堂技a 坠学硕十学位论文植碑_ i 分析住黄瓜山等遗址中的初步应用 矗，i i f 彳二i 9 6 图2 须芒草( l i t t l eb l u e s t e m ) 黍型( 哑铃形) 植硅石( 据p a g ec t w i s s ，2 0 0 1 ) 建立并掌握实用的描述和检索系统，有助于研究者迅速判断一种植物或土壤 中所含某类植硅石的研究价值。因此，为了恰当地解释化石中的植硅石记录，需 要对现代植物中植硅石的类型和形态特征进行描述和比较分析。显然，植硅石的 命名和分类是上述比较分析的基础，应该先交代清楚。如前所述，一个植物种内 可能有多种植硅石形态，而同一种植硅石形态也可能出现在不同的种内，这是植 硅石分析面临的主要困难。因此，一个实用的植硅石分类系统，不仅在整体上与 植物分类及植物生态环境之间需具有明确的对应关系，而且根据具体植硅石的特 定形态应能准确鉴定其母源植物的种属。植硅石研究的历史表明，植硅石分类系 统的建立，实际上包含了众多学科、众多学者的重要贡献。这里作一简要介绍。 e h r e n b e r g ( 1 8 5 4 ) 是植硅石研究的先行者。最初他以为植硅石是一些微小有机 体的硅质残骸，然而这并没有影响其分类系统的建立。在e h r e n b e r g 分类系统中， 每一个植硅石类型都视为独立的实体，皆按照林奈的系统分类方法加以命名。在 他的专著p a s s a t s a u bu n db l u t r e g e n 中，所有硅质残留分为4 个拟分类( p a r at a x a ) ： a m p h i d i s c u st r u n c a t e s l i t h o s t y l i d i u m ，l i t h o d o n t i u m 和l i t h o s t m a t i u m 。19 7 3 年， d u m i t r i c a 对三个禾本科和一个木贼科拟属作了详细的描述，使这一拟分类系统 更为规范。需要指出的是，尽管后辈学者早己更讵了e h r e n b e r g 关于植硅石的错 误认识，使e h r e n b e r g 建立的拟分类系统成为现代自然分类系统的基础，但该拟 分类系统因未考虑母源植物的鉴定问题，致使其应用范围逐步缩小。 后来，一些科学家，如g u n t z ，g r o b 等，丌始从植物解剖学的角度探索植硅 中国科学技术人学硕七学位论文 袖石丰l i 分析在黄瓜山等遗址中的初步应用 石形态及其与母源植物的关系，片：尝试进行了分类：植物解剖学研究使得人们对 植硅石的来源更为清楚，为植硅石的进一步研究奠定了必要的基础。现代植硅石 分类方案的建立，则主要基于以下研究成果，即禾本、木本和其它草本植物的植 物分类学成果和现代植物“原位”植硅石形态的分析成果。其中，值得提的重要 研究有：t w i s se ta 1 ( 1 9 6 9 ，1 9 9 2 ) 基丁二形态特征对禾草植硅石的分类；b r o w n ( 1 9 8 4 ) 、 m u l h o l l a n da n dr a p p ( 1 9 9 2 ) 对这一分类系统的修n i 和扩展：p i p e m o ( 1 9 8 4 ，1 9 8 8 1 增加的三维形态观察以及关于其它一些单子叶和双子叶植物植硅石的描述等： d e b o r a hm p e a r s a 1 等( 1 9 9 2 ) 将多级分类系统与计算机图像数据库的连接等。我 国学者王永吉、吕厚远等在研究我国禾本科、莎草科以及其它一些植物的基础上， 结合文献研究，也提出了适合于我国情况的多级分类系统方案。分类系统的建立， 有利于庞大植硅石数据的规范化和系统化，然而，令人遗憾的是，植硅石问题太 复杂了以致这种分类系统至今未能取得统一的认识。 图3t w i s s ( 1 9 9 2 ) 禾革植硅石分类方案( 据p a g ec t w i s s ，2 0 0 1 ) 中国科学技术人学硕十学位论文 植砖i 分析在黄瓜山锋遗址中的初步应用 l + 一、一j c 7 - ：- - - ) 譬 二一- - 勺 、一1 1 ，、1 7 d a v i d b u k r y ( 1 9 7 8 1 在t w i s s e t a l ( 】9 6 6 ) 平f o l g e r ( 1 9 7 0 ) 分类方案的 基础匕将哑铃形分为1 0 类，但没有 指出这些类型所对应的主要种属和 生态环境。 ( i ) 对称形，( 2 ) 短粗形，( 3 ) 十字形， ( 1 ) 龙骨瓣形，( 5 ) 棒状哑铃形， ( 6 ) 倾斜哑铃形，( 7 ) 正交哑铃形， ( 8 ) 细k 形( g ) 义形，( 1 二瓣形 图4d a v i db u k r y ( 1 9 7 8 ) 哑铃形分类示意图 植硅石的命名，一般有两种方式：l 、基于形态的形态学术语；2 、基于细胞 来源的自然术语。后一种方式有助于了解植硅石在植物体内的具体位置。 p i p e r n o ( 1 9 8 8 ) 的方案分别采用了上述两种方式，其第一级分类的依据是细胞类 型，而第二级分类的依据则为形态特征。需要强调的是，解剖学方面的知识大大 提高了诠释化石植硅石的能力，例如，石细胞植硅石的鉴定尽管未能确定木本植 物的具体种属，但为其分类提供了重要的信息。这样，根据植硅石在植物体组织 中的来源，结合其大小、形状( - - 维和三维结构特征) 、外壁纹饰、外壁厚度、细 胞定向以及与周围硅化细胞的关系，每一类植硅石都可获得其详细特征。 植硅石分析是一种古生物学的分析方法，具体说来，即利用植硅石的原地沉 积特性及其形态上的种阳j 特异性，对比分析土壤中所含植硅石的大小、形状、种 类及丰度，以推断其母源植物1 1 l 勺种类和( 或) 产量，并依此复原古代植被环境、气 候以及人类活动对环境影响的方法。随着植硅石分类系统不断改进、更新和完善， 植硅石分析的作用和意义将闩益增强。 明确了植硅石分析的思路、方法和意义，下面拟通过b l i n n i k o vm ，e ta 1 ( 2 0 0 1 ) 复原美国哥伦比亚能地1 0 万年柬环境的工作，介绍这一分析方法的具体操作过 程。 哥伦比亚盆地介于华盛顿和俄勒冈两州之f l j ，位于c a s c a d e 山脉干旱的东部 山坡和蓝岭潮湿的西部山坡之间，盒地东部分卉j 着范围广泛的第四纪黄土沉积。 除盆地西南部边缘有c a r p 湖，可提供该地区1 3 0k a 以来气候变化的孢粉数据外， 其余地区皆无湖泊，故总体说束，该衙地内部的植被数据十分缺乏。 样品取自华盛顿州东部k a h l o t u s p a s c o 1 剖面，这个地区年平均气温+ 1 2 0 ， 年平均降雨量2 2 0 r a m ，现生植被是以b l u e b u n c hw h e a t g r a s s 为主的草原，伴有 i d a h of e s c u e 和s a n d b e r g sb l u e g r a s s 等主要相关品种。紧靠取样点西部的是年降 雨量低于2 0 0 m m 的蒿属草原，荼狭窄的草甸草原过渡带将丛生禾草草原和东 警滁 j 器潞 中国科学技术人学硕十学位论文 植硅_ i 分析在黄瓜山等遗自t 中的初步应用 南及东部6 0 k m 处的p o n d e r o s a 松林分丌。过去的1 0 0 k a 来，k p 1 地区以适度变 化速率持续沉积的黄土地层中保存了很好的植硅石记录。 为了准确地解释地层中的植硅石组合，首先，根掘现代植物标本，结合文献 资料，分析当地重要优势树木、灌丛和禾草的植硅石形态和含量，确定它们的特 征植硅石、典型植硅石及相关丰度。可明确鉴定到种或属的植硅石类型称为特征 植硅石，如p i n u sp o n d e r o s a 的短粗刺形( s p i k e df o r m ) ；而几个分类单元所共有的 植硅石类型称为典型植硅石，如羊茅属和针茅属的角状帽形( h o m e dr o n d e l ) ，但 其他禾草未见。同时，还分析了瓮地的现代土壤样本。目前，根据植硅石组合至 少能将该地区8 种不同的植被类型区分丌。如根据p