人類起源、農業起源和文明起源是史前人類社會發展的三大里程碑。新石器時代晚期（距今6000—4000年），在西南亞的兩河（底格裏斯河和幼發拉底河）流域、北非的尼羅河流域、南亞的印度河流域、我國的長江和黃河流域相繼出現了大型聚落或中心城市、明顯的貧富分化、社會分工和公共權力，這一社會發展過程被稱為社會的復雜化，也被稱為文明化進程或文明起源。
社會的復雜化意味著，在中心聚落或城市會出現大量不從事農業生産的工匠、商人、士兵、統治階層等非農業人口。那麼，什麼樣的農業策略可以生産足夠的糧食來供養這些非農業人口？
近日，蘭州大學環境考古團隊題為《新石器時代中國北方可持續的集約化粟作農業係統》的研究成果在《自然·可持續發展》線上發表，揭示了秦安大地灣遺址5500年前就有了“生態迴圈農業”，與現代可持續集約化農業模式完全一致。
我國新石器時代晚期開始社會復雜化進程
論文第一作者楊繼帥説，從已有研究來看，支撐世界各地社會復雜化進程的農業策略是多樣的。在西亞的美索不達米亞北部地區，主要通過擴大耕地種植面積來增加農業産量，以這樣一種擴張型的農業模式來供給城市發展；在南亞的印度河地區，則採用多種作物全年輪種的模式來提高農業産量以支援社會發展，種植的作物既包括當地馴化的小米、水稻和熱帶豆類，也包括從西亞傳播而來的大麥和小麥。
中國是世界文明起源和發展的核心地區之一。新石器時代，在東亞夏季風的影響下，我國形成了南稻北粟的農業格局——北方的黃河流域以粟作農業為主，南方的長江流域以稻作農業為主。在南北兩套農業體係的支撐下，中國南方和北方在新石器時代晚期開始了社會復雜化進程。在黃河流域，仰韶文化早中期（距今6500—5500年）的半坡、姜寨遺址已經顯現社會復雜化的信號，出現了有規劃的大型聚落、墓地以及象徵特殊權力的器物；仰韶文化晚期（距今5500—5000年），以秦安大地灣、下河、西坡和雙槐樹遺址為代表，出現了大型儀式性建築、宮殿和等級化墓地等明顯的社會復雜化現象；至距今4300年左右，以石峁遺址和陶寺遺址為代表的城市中心崛起，在距今3800年前後，最終出現了以二裏頭遺址為代表的區域性國家；在長江流域，距今5300年前已經出現了以良渚古城為代表的區域性國家，植物考古研究顯示，單一的精細化稻作農業支撐了良渚的城市發展。
為什麼單一的稻作農業能支撐良渚古國？楊繼帥認為，一個重要原因是水稻的産量高。而在黃河流域，粟作農業的兩種主要農作物粟（俗名谷子，脫殼後稱為小米）和黍（俗名糜子，脫殼後稱為黃米）的産量不及水稻的一半。而且，粟、黍主要種植在黃土高原，土壤黏土含量低，有機物容易流失，無法維持長期高強度的耕種，如果不施肥的話需要休耕來恢復地力。産量低和休耕使北方的粟作農業社會面臨糧食生産的瓶頸。
那麼，北方的粟作農業是如何提升産量以保證社會復雜化進程呢？是擴大耕種面積，還是通過施肥來避免休耕期？
粟黍種植和家豬飼養相結合
2017年，楊繼帥進入了蘭州大學環境考古團隊，開始開展關于秦安大地灣遺址的研究，意外的在甘肅省博物館存放秦安大地灣遺址發掘材料的庫房裏有了新發現。
位于隴西黃土高原的甘肅秦安大地灣遺址是中國北方典型的粟作農業遺址，時代涵蓋了前仰韶和仰韶時期（距今7800—4800年），出土了大量家豬和人的骨骼，以及粟黍的炭化種子。人和豬的骨骼穩定同位素分析顯示，該遺址粟黍種植和家豬飼養相結合的粟作農業模式在仰韶早期已經建立，並且該遺址在仰韶晚期（距今5500—4800年）出現了明顯的社會復雜化現象，聚落規模空前擴張，房屋建築等級化，出現了面積約300平方米的大型儀式性建築。
為了探求究竟是什麼樣的農業策略支撐了中國北方的社會復雜化進程，蘭州大學環境考古團隊以秦安大地灣遺址為研究對象，從遺址出土的粟作農業係統核心要素——粟、黍和家豬入手，通過豬牙表層殘留物中的淀粉粒和植硅體分析重建豬的食譜，通過粟、黍炭化種子的氮同位素分析追蹤農田的施肥行為。為了評估施糞肥對粟、黍種子氮同位素的影響，研究團隊還在黃土高原東部的傳統粟作農業區開展了現代農田實驗。
對豬頜骨和炭化種子的直接測年結果和考古文化分期顯示，只有1件豬頜骨來自前仰韶時期，其余34件豬頜骨應在仰韶晚期（距今5500—4800年），而炭化種子的年代覆蓋了整個仰韶時期（距今6500—4800年）。
秦安大地灣34個仰韶晚期的豬牙殘留物樣品中發現了3764片來自粟黍稃殼的特徵型植硅體，粟黍稃片植硅體的平均含量達57.4%，有6個樣品甚至達到了80%，出現頻率高達91.2%。然而，在所有仰韶晚期的豬牙殘留物中僅發現15顆粟類淀粉粒，出現頻率極低，僅為17.6%。粟類淀粉粒來自脫殼後的粟黍籽粒，粟黍稃片植硅體來自粟黍稃殼，豬牙殘留物中粟黍稃片植硅體與粟類淀粉粒在數量和出現頻率上懸殊的對比，説明當時的人用粟黍稃殼餵養家豬。
存在持續的粟黍農田施肥行為
研究團隊在黃土高原東部的山西武鄉縣找到了一塊長期施用豬糞的農田開展了糞肥對粟的氮同位素值影響的現代過程研究。通過測試田內和田外粟、C3和C4雜草的種子樣品，發現田外不受施肥影響的C3和C4雜草的氮同位素值很低，均值分別為-1.0‰和-1.5‰，田內長期受糞肥影響的粟的氮同位素值的范圍在+4.5‰—+9.2‰，均值+6.2±1.2‰，説明施糞肥可以顯著提升粟的氮同位素值，考古遺址出土粟、黍的氮同位素值是反映施肥效應的可靠指標。12份秦安大地灣粟、黍炭化種子樣品的氮同位素值在+4.4‰—+6.6‰，不僅明顯高于仰韶時期秦安大地灣遺址當地自然植被的氮同位素估計值（+2.5±1.2‰），而且與長期施糞肥的現代農田中的粟氮同位素值相當，説明秦安大地灣遺址仰韶時期存在持續的粟、黍農田施肥行為。
綜合多種證據科研人員得出結論：在距今5500年前，秦安大地灣遺址已經形成了一種高度集約化的農業模式：人吃粟米，豬吃稃殼；圈養家豬，收集糞便；豬糞肥田，維持地力，避免休耕，提高産量。這種農業模式與現代可持續的集約化農業模式完全一致，説明新石器時代晚期中國北方粟作農業社會，便通過粟、黍種植與家豬飼養的緊密結合，克服了粟、黍産量低和黃土肥力有限的瓶頸，為當時中國北方的復雜社會發展提供了經濟基礎。
