粟和黍的氮稳定同位素组成是反映施粪肥行为的可靠指标

粟（Setaria italica）和黍（Panicum miliaceum）是距今10000年前驯化于中国北方的农作物。距今10000~4000年，新石器时代的中国逐渐形成了“南稻北粟”的农业格局，南方长江流域以稻作农业为主，北方黄河流域以粟作农业为主，南北两套农业体系共同孕育了中华文明。在以粟、黍种植和家猪（Sus scrofa domesticus）饲养为核心的粟作农业系统中，猪粪肥田很有可能促进粟作农业形成正反馈循环的生产模式，在中国北方土壤肥力有限的黄土区实现农业的可持续集约化。

考古遗址出土粟、黍炭化种子的氮稳定同位素组成（δ¹⁵N），常被用于指示古代农田的施肥行为，但因现代施肥模拟实验的不足而引发各种争议。《中国科学：地球科学》发表了兰州大学杨晓燕教授课题组关于粟、黍施肥实验的结果。该团队为建立施肥强度与粟、黍δ¹⁵N值的对应关系，开展了针对粟和黍的田间和盆栽实验。施肥梯度实验显示，粟的δ¹⁵N值会随着粪肥量的增加而升高，并且粟叶片的δ¹⁵N值比种子系统性地高出约1.6‰。田间实验显示，停止施肥2~3年的对照组和施肥的实验组的δ¹⁵N值没有显著性差异，说明停止施肥后，残留粪肥对粟、黍δ¹⁵N值的影响持续存在，验证了粪肥的长期残留效应。

综合已发表的农作物现代施肥实验结果，可以发现粪肥自身的δ¹⁵N值和投入量是决定其对植物δ¹⁵N值改变幅度的关键要素。施粪肥会显著提升粟、黍的δ¹⁵N值，而且粟、黍的δ¹⁵N值会随着施肥量的增加而升高；长期、大量粪肥投入对粟、黍δ¹⁵N值的提升幅度约为7‰。考古遗址出土的粟、黍炭化种子δ¹⁵N值小于+1‰很可能代表不受粪肥影响或受到轻度施加粪肥的影响，介于+1‰~+4‰之间很可能代表受到中度施加粪肥的影响，高于+4‰很可能代表受到重度施加粪肥的影响。中国北方史前粟、黍种子的δ¹⁵N值普遍高于现代实验界定的重度施肥的界限+4‰，说明仰韶早期至龙山晚期，中国北方以黄土高原为主体的区域普遍存在较高强度的粟、黍农田施肥行为。

论文：

杨继帅, 杨晓燕, 游婷, 陈发虎. 2024. 粟和黍的氮稳定同位素比值是反映施粪肥行为的可靠指标. 中国科学: 地球科学, 54(9): 2963–2976.