中国现代小麦种植实验：为古代农田管理技术研究提供有效的替代指标

《Journal of Archaeological Science: Reports》：Modern wheat cultivation experiment in China: Providing effective proxies for the research on ancient farmland management techniques

小麦施肥的δ1?N稳定同位素分析及模型构建研究在北方开展，通过对比牛、羊、猪粪不同施用量对小麦千粒重及同位素值的影响，发现有机肥显著提升千粒重（增幅达5.9‰）且同位素值梯度明显，猪粪效果优于牛羊粪但低浓度下不具优势，为早期农业施肥研究提供量化指标。

　　

孙欣|尚雪|冯志珍|欧阳慧勇|刘俊琪|于晓阳|谭亮成|李晓强

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所脊椎动物进化与人类起源重点实验室，北京100044，中国

摘要

小麦在中国农业结构中始终占据着至关重要的地位。它是理解早期农业实践特征以及东西方文化互动的关键切入点。此外，施肥是维持古代农业发展的关键方法。由于缺乏关于作物施肥的系统性现代田间实验，小麦作物的施肥指标和强度仍然不明确。本研究在中国北方进行了首次基于田间的小麦施肥定位实验，为解读古代小麦遗存的δ¹⁵N值提供了重要参考。研究结果表明，施用有机肥料显著提高了小麦的千粒重，并使其δ¹⁵N值上升（范围从1.9‰到5.9‰）。在相同的肥料类型和强度下，小麦籽粒的δ¹⁵N值变化不超过2.2‰。与施用猪粪相比，施用牛粪和羊粪的籽粒δ¹⁵N值显著更高。籽粒的δ¹⁵N值随着施肥强度的不同而呈现明显梯度。基于这些发现，本研究旨在构建中国北方早期小麦种植的施肥模型，为古代小麦遗存的氮稳定同位素值与施肥强度之间的关系提供新的见解。

引言

考古证据表明，小麦（Triticum aestivum L.）起源于西亚，并在大约5000年前传入中国（Zhou等人，2020年）。根据国家统计局的数据，预计2024年中国的小麦总产量将达到1.40099亿吨，占全国粮食总产量的近20%（1）。小麦在当代经济和农业系统中发挥着重要作用。作为“五谷”之一，它在中国古代也是一种重要的作物。研究小麦在东亚的出现、传播、利用及其影响，可以为了解古代文明的农业社会结构和演变提供重要见解。

小麦在中国的发展是一个渐进的过程。最初，小麦在农业系统中的作用较小（Chen等人，2010年；Deng和Gao，2012年；Zhao，2015年；Gao和Deng，2016年）。随着时间的推移，它逐渐取代了普通小米（Panicum miliaceum L.）和狗尾粟（Setaria italica L.），成为主要的粮食作物（Li，2014年；Ren和Liu，2023年）。随着小麦种植和使用的普及，古代人们采用了哪些农业实践？这些实践的普及程度如何？有哪些可靠的指标可以用来研究它们？这些问题需要进一步探讨。

历史记录显示，在古代中国，尤其是北方，肥料是一种重要的农业资源，因为那里的土壤肥力有限。施肥对于维持农业甚至推动其发展至关重要（Wang等人，2018年）。诸如《泛胜之书》等古典文献描述了一些作物种植的施肥方法（Fanshengzhi，2024年），例如古人使用人和动物的排泄物来施肥。然而，这些资料对施肥强度和具体应施用哪种肥料等细节信息很少，尤其是在商朝晚期之前。因此，我们对中国古代小麦种植的早期农业实践了解有限。

最近关于植物氮同位素的研究表明，自然因素（如降水、温度、大气CO₂）和人类活动（如农业实践）都会显著影响植物的δ¹⁵N值（Pate，1994年；Handley等人，1999年；Kahmen等人，2008年；Liu和Wang，2009年；Qu，2019年）。其中，使用富含¹⁵N的有机肥料对作物生长期间的氮输入影响更大，导致作物的δ¹⁵N值显著升高（Amundson等人，2003年；Bateman等人，2005年）。因此，氮同位素已成为研究古代农业的重要工具，尤其是在没有书面记录的史前时期。这种方法引起了考古学家的广泛关注（Bogaard等人，2007年；Bogaard等人，2013年；Sheng等人，2020年；Li等人，2022年）。

小麦施肥模型（Fraser等人，2011年；Bogaard等人，2013年）被广泛用于研究与古代小麦遗存相关的施肥实践。其施肥水平——0吨/公顷、10–15吨/公顷和35吨/公顷——与现代农业标准较为接近（NBSC，2009年）。然而，尚不清楚古代社会是否能够维持如此高的肥料施用率。此外，原始实验设计缺乏足够的细节，限制了其准确反映中国古代农民实际使用肥料量的能力。

在当前的考古小麦种植实验中，主要使用牛粪和羊粪（Bogaard等人，2007年；Fraser等人，2011年；Kanstrup等人，2011年；Bogaard等人，2013年），而其他动物粪肥（特别是猪粪）的影响仍大多未被探索。研究表明，不同类型的动物粪肥对土壤养分和作物产量有显著影响（Li等人，2024年）。大约在8000年前，内蒙古的兴隆洼遗址、北中国的磁山遗址和长江边的库花桥遗址已经有人养猪（Yuan，2009年），这表明猪粪可能是早期中国农民可获得的资源。小麦的δ¹⁵N值对猪粪有何反应？随着小麦的引入，牛和羊逐渐成为早期中国社区日常生活的一部分（Dong等人，2022年）。这些动物在中国西部被更广泛地饲养，增加了它们的粪便被用于农业的可能性。施用猪粪的小麦与施用牛粪或羊粪的小麦在δ¹⁵N值上是否存在明显差异？这个问题值得进一步研究。

关于中国北方小麦种植的考古研究仍然有限。目前大多数实验是在欧洲和底格里斯-幼发拉底河流域进行的（Fraser等人，2011年；Bogaard等人，2013年；Styring等人，2016年）。英国罗瑟姆斯特的土壤被归类为铬质淋溶土，质地为含燧石的粉砂粘壤土；丹麦阿斯科夫的土壤属于阿尔菲土（典型Hapludalf），质地为粗砂壤土；德国巴特劳赫施泰特的遗址是在黄土沉积物上发育的典型黑土；英国萨顿博宁顿的土壤被鉴定为停滞灰壤土；叙利亚阿勒颇的实验地点的土壤为浅棕色白垩土（Fraser等人，2011年）。研究表明，不同地区的土壤类型存在显著差异（Fischer等人，2008年）。中国北方的黄土土壤特别容易失去有机质，氮含量较低（Catt，2001年；Yao，2006年；Qiao等人，2022年）。该地区的小麦对施肥有何反应？现有的小麦施肥模型是否适用于中国北方？这些问题需要进一步研究。

鉴于确定小麦施肥实践和强度的指标存在不确定性，通过现代过程研究进一步探讨小麦施肥梯度与氮稳定同位素之间的关系至关重要。本研究代表了中国首次应用基于田间的定位实验方法进行系统性的考古实验研究。通过评估不同类型动物粪肥在多种施用强度下对小麦不同成分的氮稳定同位素的影响，本研究旨在揭示古代人类的早期农业管理策略，并为探索小麦在农业系统中的变化提供科学依据。

实验背景

本研究采用了基于田间的控制实验。实验地点位于陕西省西安市临潼区，地处关中平原东部，李山以北（见图1）。该地区属于大陆性暖温带季风气候，年平均气温为13.5℃，年降水量约为677毫米，主要集中在7月份。临潼的土壤类型为黄土。实验从2023年持续到2024年，重点研究了为期一年的小麦种植情况。

种植计划

为了最小化……

小麦籽粒千粒重的数据

小麦籽粒千粒重的结果如图3和表2所示。在施用猪粪的情况下，籽粒千粒重与施肥强度之间存在显著的正相关关系（r² = 0.1889，p < 0.05）。随着施肥量的增加，籽粒千粒重也随之增加。相比之下，在施用牛粪和羊粪的情况下，效果因施肥强度而异——籽粒千粒重要么增加要么减少。未施肥的对照组具有相似或更高的籽粒千粒重。

施肥对小麦籽粒千粒重的影响

籽粒产量对古代人类社会具有经济重要性，因为更高的产量能够支持更大的人口。小麦产量由单位面积的穗数、每穗的籽粒数和籽粒千粒重等关键指标决定（Niu和Zhao，2008年）。小麦籽粒千粒重与总体产量之间存在明显的正相关关系（Zhang等人，2018年）；较高的籽粒千粒重通常表示更高的生产力。因此，本研究使用籽粒千粒重来评估产量。

结论

小麦传入中国后的施肥实践受到社会需求和古代经验的影响。施肥可以增加小麦籽粒的千粒重。使用猪粪的实验表明，随着施肥强度的增加，籽粒千粒重也会增加。然而，在低施用水平下，猪粪产生的籽粒千粒重低于牛粪或羊粪。

本研究显示，肥料类型和施肥强度都显著影响……

作者贡献声明

孙欣：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、资源准备、方法论设计、调查实施、数据分析、数据整理。 尚雪：写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督、项目管理、资金筹集、概念构思。 冯志珍：资源准备、方法论设计。 欧阳慧勇：资源准备、调查实施。 刘俊琪：方法论设计。 于晓阳：调查实施。 谭亮成：项目管理、方法论设计、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42277441）、国家社会科学基金（项目编号21BKG040）以及国家黄土科学重点实验室开放基金（项目编号SKLLQGFZ2519）的支持。