全新世火灾记录的气候变化.docx

全新世火灾记录的气候变化选取华南沿海丘陵山地3个南亚热带不同地点及海拔的钻孔岩芯进行了微炭屑统计分析，结合孢粉分析结果，揭示全新世以来的植被变化与火灾历史，并讨论火灾事件与季风变化和人类活动的关系。结果表明：从80003500cal.aB.P.，3个钻孔的微炭屑浓度均极低，证实该时段森林火灾频率很低，同时高木本含量的孢粉分析结果反映了亚热带阔叶林的繁盛，并指示全新世大暖期湿润和降雨丰沛的气候特征。加上早中全新世南方人口稀少，无“刀耕火种等大面积农业活动。从3500cal.aB.P.开场，多个钻孔显示出微炭屑含量的迅速增加并持续高值，这与华南地区夏季风减弱导致降雨减少、气候变干，以及华南地区人类历史从新石器晚期进入商周时代的转折期密切相关。同时，孢粉指示的阔叶类木本植物含量显著减少，表明火灾对森林毁坏逐步严重。2000cal.aB.P.以后，人口出现第一次增长高峰，考古出土的器物证实牛耕和铁器农具开场广泛使用，农业快速发展。这一时期低海拔的GY1和中海拔的LTY钻孔微碳屑含量维持高值，禾本科以及芒萁属等次生植物孢粉含量快速增加。这反映了秦或南越国以后在华南地区较低海拔山地和平原农业活动得到迅速发展。此外，位于海拔1600m以上的钻孔GT-2的微碳屑记录显示：高海拔山区在800cal.aB.P.以后才开场出现频繁的森林火灾，反映人类农业活动和人口增加扩张到高海拔山区。关键词：微炭屑；火灾事件；华南；东亚季风；人口；人类活动；全新世全新世火灾事件历史研究表明：火灾的发生频率和强度与气候变化以及人类活动严密相关。气候变化尤其是干湿变化对火灾的影响在干旱半干旱地区尤为明显1-2，热带亚热带地区火灾历史也与气候变化关系密切3-4。在亚热带地区降水量的减少和季节性干旱不仅增加了火灾发生的可能性，在一些敏感区域还可能改变植被的类型，涉及到史前人类活动时还与古代人类用火性质的改变有关1。全新世以来，人类用火尤其是烧荒开垦农田，使得火灾发生频率大大增加。有研究显示：人类活动的地点和方式甚至直接影响了火灾的分布和强度5。近20a来，火灾与气候和人类活动的关系引起了科学界的广泛关注。目前，国内外已有大量古火灾研究结果，明晰地揭示了火、气候、植被与人类活动之间的互相作用及其经过和机制1-3,6-9。古火灾研究中，炭屑是记录火灾的一个重要指标。碳屑的分析方法在国外早在上世纪80年代就引入到火灾历史和古气候研究中10-11。近期几十年来，碳屑的研究越来越遭到学界的重视，在全球各地已开展了广泛的研究，十分是北美、澳大利亚、欧洲等地区对全新世碳屑记录的火灾历史的研究已经上升到一个新的高度12-17。陆地植物经过不完全燃烧构成炭屑，并可在湖泊、沼泽、河流和海洋等沉积物中保存下来18，通过对炭屑的定量统计，并结合可靠的测年数据，能够恢复古火灾发生的频率和变化经过。另外，连续取样的高分辨率炭屑分析还可用于定量重建研究区范围内的火事件及其发生频率2,6-7,18-20。研究中常用孢粉提取方法来提取细粒炭屑。一般粒级125m的微粒炭屑称为微炭屑，微炭屑可被气流带入高空，搬运到一定范围以外的地方沉积，通常可用于反映区域内的火灾情况18。同一个钻孔中，微炭屑的来源经常与花粉类似，因而通常将两者结合起来分析区域内古气候、古植被以及古火灾的变化，尤其是在反映新石器时代以来人类活动的分布和强度具有明显的优势5,18。目前，国内多数的炭屑研究主要集中在长江流域和黄土高原1,21-28，而南亚热带地区的火灾记录贫乏。南亚热带地区位于东亚夏季风影响的核心区，夏季风的强弱决定了降水量的变化，故而与火灾的发生频率密不可分。同时，比拟长江和黄河流域，华南地区的全新世环境考古研究相对薄弱，史前人类活动尤其是农业的发生和发展历史都有待深化研究，炭屑记录反映的火灾历史结合花粉分析所反映出的植被变化，可为揭示人类活动和农业发展的历史作补充。鉴于此，选取位于华南沿海丘陵山地不同地理位置的3个钻孔进行微炭屑统计，同时结合这3个钻孔的花粉记录进行综合分析，旨在深化认识自南亚热带地区全新世以来，火灾在空间和时间上的分布，并讨论火灾事件与季风变化和人类活动的关系。1钻孔材料和研究方法1.1钻孔材料3个钻孔LTY、GT-2、GY1分别取自华南沿海丘陵山地位于不同区域和不同海拔高度的泥炭沼泽地，均属于亚热带季风气候，主要受亚洲季风控制图1。钻孔GY122°544.32N，112°2028.32E，29m取自肇庆高要市白诸镇丘陵洼地的埋藏泥炭地，属于珠江三角洲顶部边缘地区。3个钻孔的深度如下：LTY为127cm、GT-2为194cm、GY1为610cm，用于碳屑分析研究的样品数分别为31、28和94个，需要注意的是GT-2仅选取了钻孔10ka的沉积物进行了碳屑分析。该区域地处北回归线以南，年均温22，年降水量1647mm，主要自然植被为热带、亚热带常绿阔叶林。钻孔LTY28°262.4N，119°1850.94E，902m取自丽水市松阳县的沼泽湿地烂田砚，地处仙霞岭，属于武夷山系东北边缘，年均温在1820之间，年降水量为15001900mm，区域性植被为亚热带常绿阔叶林。钻孔GT-226°0516N，110°2156E，1677m取自古田湿地，该湿地位于越城岭，南岭主要山脉之一，当地海拔高度在15002000m之间，年均温1213，年降水量1800mm，主要植被为常绿落叶阔叶混交林。1.2测年结果和研究方法根据岩性变化，选取钻孔不同深度的样品进行了AMS14C年代测定。LTY钻孔和GT-2钻孔各选取了5个测年样品，分别送至美国Beta实验室、波兰PoznanRadiocarbonLaboratory和中国科学院西安地球环境研究所完成测年表1。GY1的4个测年由中国科学院广州地球化学研究所AMS14C制样实验室和北京大学核物理与核技术国家重点实验室共同完成见表1。钻孔LTY和GY1使用R软件和clam包，选择线性类插法绘制年代-深度模型；钻孔GT-2的年代-深度模型采用一阶衰减指数函数进行非线性拟合绘制图2。微炭屑通过孢粉提取流程同步进行提取。样品经过HCI和KOH处理后采用重液进行提取ZnCl2，density1.9。样品处理时参加石松孢子药片27367粒/片作为跟踪剂，用以计算炭屑和孢粉浓度。孢粉、炭屑在光学显微镜40或100倍的目镜下进行统计和鉴定。炭屑的统计粒级设定为10125m。每个样品孢粉统计数目300粒，碳屑500粒。根据示踪石松孢子统计结果计算出炭屑浓度粒/cm3，再乘以沉积速率cm/a，得到炭屑通量粒/cm2a。2结果分析根据微炭屑和孢粉的分析结果，能够把全新世华南沿海丘陵山地的火灾活动历史分为3个阶段图3。阶段I：80003500cal.aB.P.。该阶段3个钻孔的微炭屑浓度都很低，沉积通量均值1000粒/cm2a，未见明显的峰值，讲明未有显著的的火灾事件。3个钻孔的孢粉分析表明：木本植物占绝对优势，其中钻孔LTY和GY1的木本百分含量高达80%，钻孔GT-2的木本百分含量平均60%。阶段II：35002000cal.aB.P.。此阶段钻孔GY1和LTY的微炭屑、孢粉含量变化显著。LTY的微炭屑含量在3500cal.aB.P.迅速剧增，在3200cal.aB.P.沉积通量到达最大值12526粒/cm2a，揭示此时该地区存在大型火灾事件。之后炭屑浓度震荡出现高峰值，表明之后仍有频繁的火灾事件。钻孔GY1的微炭屑浓度也在3500cal.aB.P.左右显著增加，之后沉积通量持续出现8000粒/cm2a的高峰值，表明该地区3500cal.aB.P.以后火灾事件不断发生。LTY的木本百分含量在第1次炭屑高峰以后持续快速下降，相反禾本科Poaceae和芒箕属Dicranopteris显著增加，百分含量均增加到20%左右。GY1的禾本科百分含量随炭屑的增加亦明显增加，平均百分含量20%，木本百分含量在2700cal.aB.P.左右从60%迅速下降到20%，之后芒箕属大量增加。此阶段GT-2的微炭屑和孢粉百分含量未见明显变化。阶段III：2000cal.aB.P.以后。此阶段GY1的微炭屑含量在1900cal.aB.P.左右出现最大峰值，沉积通量到达50000粒/cm2a以上，表明有一次最大火灾事件。之后GY1微炭屑含量保持高值，火灾高频发生。LTY微炭屑间断出现峰值，表明火灾不断发生，但微炭屑沉积通量逐步减少，表明火灾强度减弱。GY1木本百分含量均值10%，相反禾本科和芒萁属百分含量呈现高值，百分含量分别到达67%和55%。该阶段GT-2的微炭屑和孢粉变化最显著。2000cal.aB.P.以后，GT-2的微炭屑含量快速增加，沉积通量从183粒/cm2a迅速增加到2289粒/cm2a，之后再次剧增到7000粒/cm2a以上，最大沉积通量到达10096粒/cm2a。GT-2芒萁属和禾本科百分含量明显增加，但增长幅度没有GY1和LTY显著。3.1火灾与季风气候变化的关系已有研究表明：降水和温度变化与火灾面积的增、减存在较好的同步关系，且在中国不同地区、不同时间这种互相依存关系有差异图429。对华南地区的研究证实：森林火灾面积与气温升高具有较好的正相关关系，而降水与火灾面积的大小则存在负相关关系R-0.323，P0.0329。也就是讲，我国南方季风降雨的减少可导致火灾频率和火灾面积的增加。中国南方高分辨率的石笋记录重建了全新世亚洲季风强度和降水量的变化史30-33。全新世早中期，亚洲季风较强，气温和降水量均高于如今。至全新世中晚期，北半球太阳辐射减少34-37，热带辐合带南移，亚洲季风减弱30-31,38。中国全新世古环境记录表明：季风降雨存在不同时间尺度上的波动，夏季风强度总体在早中全新世较高，晚全新世有逐步变干凉的趋势4,39-42。本研究在华南的3个钻孔炭屑研究均揭示：早全新世炭屑浓度特别低，即早中全新世80003500cal.aB.P.期间的微炭屑的浓度呈现低值。该现象揭示华南沿海丘陵山地森林火灾事件频率较低，此阶段在全球尺度上对应全新世最湿润期或大暖期，强劲的夏季风带来丰沛的降雨，使得森林火灾的发生频率大大降低。邻近地区如福建山地SZY孢粉分析结果显示：该时期气候暖和湿润，高含量的亚热带常绿阔叶林组分反映森林茂密43，潮湿指数大，遭到的火灾干扰微弱图5。Zhang等44综合亚洲季风区湖泊和沼泽中碳、氧同位素的记录，重建了全新世降雨量变化，指出全新世最湿润期发生在106ka，之后降雨量逐步减少，在63ka气候趋于变干。本研究的碳屑浓度结果显示：3.5ka是亚热带山地火灾明显增加的时期。这一时期的季风降雨减弱亦被大量高分辨率古气候记录所证明。如贵州董哥洞31、湖南莲花洞32等石笋18O均显示晚全新世存在显著的季风减弱经过。南海高分辨率有孔虫氧同位素记录也表明4.0ka以后夏季风发生明显减退45。广东湛江湖光岩玛洱湖沉积记录则揭示4.2kaB.P.左右存在降温事件46。毋庸置疑，随着亚洲夏季风强度减弱，华南地区的降水量也相应减少，因而晚全新世气候存在变干的趋势。在相对枯燥的气候环境下，森林发生火灾的可能性大大增加，由于天然火灾强度难以控制，使该时期以森林火灾为特点的自然灾祸频繁发生，钻孔GY1和LTY的记录均在3500cal.aB.P.以后表现出频繁的火灾事件见图5。从历史文化的角度，3.5ka正好是青铜时展并进入商周时代的经过，因而气候的变干趋势加上人类活动加剧可能是引发火灾的重要原因。同样位于华南沿海丘陵山地的江西大湖沼泽钻孔和井冈山高山沼泽钻孔SMP，揭示了类似的炭屑分析结果：微炭屑在整个全新世仅4.0ka以后才逐步明显增加，随后则持续保持高值47。井冈山SMP炭屑记录揭示火灾活动增加的时间点则从3.1kaB.P.开场。与中国西南季风区个别古环境记录的炭屑数据比照发现：同样存在3.5ka前后火灾活动显著加强的趋势48。可见，该时期火灾活动的频繁发生主要与相对变干或季节性变干的气候条件有关4。3.2火灾频率与史前农业活动人类用火是导致火灾发生的一个重要因素，尤其是人类刀耕火种，去除树林，发展农业，会导致火灾频繁发生和大区域范围亚热带森林的毁坏。人类活动的影响不仅记录在炭屑上，同时也反响在孢粉组合的变化上。当代植物生态学研究表明：亚热带森林遭到人类毁坏后，芒萁属和马尾松等次生林植物迅速生长，第四纪剖面孢粉谱假如次生林树种伴随着禾本科花粉的大量增加而增加，能够反映刀耕火种的农业生产活动53。新石器早中期，根据遗址点数量统计54：我国北方的新石器时代遗址点在约3.5ka已经增加到较多水平，表明了北方人口在青铜器时代经过中的急剧增加。然而，在浙江南部以南的华南山地和沿海地区，人口增长相对缓慢，农业文明发展也远远滞后于北方和长江下游地区。早中全新世华南地区“刀耕火种的农业活动特别有限或尚未开场52。本研究剖面极低的微炭屑含量和高含量的木本花粉讲明103.5kcalB.P.期间人类对亚热带森林的干扰微弱，或影响程度特别有限。新石器晚期，大约从3500calaB.P.开场，钻孔GY1和LTY显示的火灾活动频率和强度大为提高。鉴于考古开掘研究并没有过多的稻作农业发展证据，本研究以为：这一阶段的火灾发生与气候因素关系较大，其中能否叠加了人口增长和华南早期农业的影响仍需要进一步考证。从人口统计结果来看，2000a以后，中国人口数量才有明显的增加52，主要表现为秦以后中国北方人口大量南迁，同时珠江三角洲农业发展的历史记载也主要从这一时期开场相当于炭屑第III阶段。珠江三角洲西北部西江流域的GY1和浙江南部山地的LTY钻孔均显示：次生林喜阳植物芒萁属和禾本科等孢粉在炭屑的峰值后2000cal.aB.P.才开场显著增加，可能与农业刀耕火种的经济发展形式有关。固然在华南一些地区已发现新石器稻作农业的证据55，但早于2000aB.P.之前绝大部分考古遗址均揭示华南地区的新时期时代经济形式仍以采集渔猎为主56，而水稻种植仅作为食物来源的次要补充，只在有限的局部范围发展，未对自然环境产生显著毁坏。战国至西汉约24211942aB.P.，出现了我国第一次人口增长高峰52，同时生产技术大力提高，牛耕和铁器农具广泛使用57，农业迅速发展。长江流域环境考古研究表明：此时人类活动对自然的影响无论在广度或深度上都有跳跃式的发展58。华南沿海地区，福州盆地和珠江三角洲的钻孔都揭示在2000aB.P.开场，禾本科迅速剧增，反映华南地区在秦或南越国建立以后大规模的农业发展才开场56,59-60。据记载在公元前203年2218aB.P.建立南越国，定都番禺。南越国疆域以秦朝岭南三郡的范围为主，东抵福建西部，向北延至南岭北部，西达广西西部，南濒南海61。此阶段GY1和LTY的微炭屑含量维持高值，木本百分含量进一步减少，禾本科、芒萁属等继续增加，反映了南越国建立以后农业的进一步扩大。需要注意的是，位于华南山地海拔1600m之上的钻孔GT-2炭屑浓度在2000cal.aB.P.时期仍处于低值，植被没有明显被扰动的痕迹，讲明这一时期人类活动基本限制在较低海拔区域，对高海拔山地植被影响相对滞后。至1800cal.aB.P.GT-2钻孔炭屑开场有微弱的增长，在800cal.aB.P.南宋火灾频率到达最高峰，同时微炭屑的徒增与芒萁属、松属含量迅速增加基本同步，讲明其时人类对高海拔山地的森林植被已有了相当程度的毁坏，人口显著增加，以“刀耕火种经济形式的农业发展扩张到山区。综上可见，本研究揭示的微炭屑变化不仅可反映森林火灾的频率，同时还揭示人口的迁移和农业生产活动的发展经过见图5。华南沿海丘陵山地和三角洲边缘丘陵地泥炭沉积全新世微炭屑研究表明：森林火灾现象在早全新世频率很低，其原因是区域内夏季风强劲，降雨丰沛，加上其时人口稀少，人类活动强度弱，对自然环境没有过多的扰动。从沉积物微炭屑可明显观测到的火灾活动历史可分为3个阶段。第I阶段为80003500cal.aB.P.，为天然火灾活动微弱期，对应区域气候暖湿；第II阶段35002000cal.aB.P.为森林火灾事件的频发期，该时期季风降雨逐步减弱，气候相对变干，降雨季节性加强。由于该时期华南丘陵山地尚没有规模性的水稻等农业发展，经济方式仍以渔猎采集为主，进而证实火灾增加的原因主要由气候变干所导致。第III阶段始于2000cal.aB.P.，为森林火灾普遍加强时期，这一阶段的火灾快速增加与稻作农业的快速扩张和人口的增加有直接关系。华南地区的考古研究已证实：牛耕和铁器农具在此时期已广泛使用，生产技术大力提高，“刀耕火种经济形式的农业发展更易引发山火，使华南沿海丘陵山地火灾事件日趋频繁。然而，不同海拔泥炭堆积的微炭屑记录发现火灾增加的起始时间有差异，主要表如今早期的森林火灾通常局限在较低海拔山地和平原地区，在海拔1600m以上的山地只在800cal.aB.P.左右的南宋时期以后才有频繁的火灾现象。这一结果反映了人类农业活动和人口逐步向山区迁移的经过。