全新世火災記錄的氣候變化范文

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《熱帶地理雜志》2016年第二期

摘要：

選取華南沿海丘陵山地3個南亞熱帶不同地點及海拔的鉆孔巖芯進行了微炭屑統計分析，結合孢粉分析結果，揭示全新世以來的植被變化與火災歷史，并探討火災事件與季風變化和人類活動的關系。結果表明：從8000―3500cal.aB.P.，3個鉆孔的微炭屑濃度均極低，證明該時段森林火災頻率很低，同時高木本含量的孢粉分析結果反映了亞熱帶闊葉林的繁盛，并指示全新世大暖期濕潤和降雨豐沛的氣候特征。加上早中全新世南方人口稀少，無“刀耕火種”等大面積農業活動。從3500cal.aB.P.開始，多個鉆孔顯示出微炭屑含量的迅速增加并持續高值，這與華南地區夏季風減弱導致降雨減少、氣候變干，以及華南地區人類歷史從新石器晚期進入商周時代的轉折期密切相關。同時，孢粉指示的闊葉類木本植物含量顯著減少，表明火災對森林破壞逐漸嚴重。2000cal.aB.P.以后，人口出現第一次增長高峰，考古出土的器物證明牛耕和鐵器農具開始廣泛使用，農業快速發展。這一時期低海拔的GY1和中海拔的LTY鉆孔微碳屑含量維持高值，禾本科以及芒萁屬等次生植物孢粉含量快速增加。這反映了秦或南越國以后在華南地區較低海拔山地和平原農業活動得到迅速發展。此外，位于海拔1600m以上的鉆孔GT-2的微碳屑記錄顯示：高海拔山區在800cal.aB.P.以后才開始出現頻繁的森林火災，反映人類農業活動和人口增加擴張到高海拔山區。

關鍵詞：

微炭屑；火災事件；華南；東亞季風；人口；人類活動；全新世

全新世火災事件歷史研究表明：火災的發生頻率和強度與氣候變化以及人類活動緊密相關。氣候變化（尤其是干濕變化）對火災的影響在干旱半干旱地區尤為明顯[1-2]，熱帶亞熱帶地區火災歷史也與氣候變化關系密切[3-4]。在亞熱帶地區降水量的減少和季節性干旱不僅增加了火災發生的可能性，在一些敏感區域還可能改變植被的類型，涉及到史前人類活動時還與古代人類用火性質的改變有關[1]。全新世以來，人類用火尤其是燒荒開墾農田，使得火災發生頻率大大增加。有研究顯示：人類活動的地點和方式甚至直接影響了火災的分布和強度[5]。近20a來，火災與氣候和人類活動的關系引起了科學界的廣泛關注。目前，國內外已有大量古火災研究結果，清晰地揭示了火、氣候、植被與人類活動之間的相互作用及其過程和機制[1-3,6-9]。古火災研究中，炭屑是記錄火災的一個重要指標。碳屑的分析方法在國外早在上世紀80年代就引入到火災歷史和古氣候研究中[10-11]。最近幾十年來，碳屑的研究越來越受到學界的重視，在全球各地已開展了廣泛的研究，特別是北美、澳大利亞、歐洲等地區對全新世碳屑記錄的火災歷史的研究已經上升到一個新的高度[12-17]。陸地植物經過不完全燃燒形成炭屑，并可在湖泊、沼澤、河流和海洋等沉積物中保存下來[18]，通過對炭屑的定量統計，并結合可靠的測年數據，可以恢復古火災發生的頻率和變化過程。另外，連續取樣的高分辨率炭屑分析還可用于定量重建研究區范圍內的火事件及其發生頻率[2,6-7,18-20]。研究中常用孢粉提取方法來提取細粒炭屑。一般粒級＜125μm的微粒炭屑稱為微炭屑，微炭屑可被氣流帶入高空，搬運到一定范圍以外的地方沉積，通常可用于反映區域內的火災情況[18]。同一個鉆孔中，微炭屑的來源經常與花粉相似，因此通常將兩者結合起來分析區域內古氣候、古植被以及古火災的變化，尤其是在反映新石器時代以來人類活動的分布和強度具有明顯的優勢[5,18]。目前，國內多數的炭屑研究主要集中在長江流域和黃土高原[1,21-28]，而南亞熱帶地區的火災記錄貧乏。南亞熱帶地區位于東亞夏季風影響的核心區，夏季風的強弱決定了降水量的變化，故而與火災的發生頻率密不可分。同時，比較長江和黃河流域，華南地區的全新世環境考古研究相對薄弱，史前人類活動尤其是農業的發生和發展歷史都有待深入研究，炭屑記錄反映的火災歷史結合花粉分析所反映出的植被變化，可為揭示人類活動和農業發展的歷史作補充。鑒于此，選取位于華南沿海丘陵山地不同地理位置的3個鉆孔進行微炭屑統計，同時結合這3個鉆孔的花粉記錄進行綜合分析，旨在深入認識自南亞熱帶地區全新世以來，火災在空間和時間上的分布，并探討火災事件與季風變化和人類活動的關系。

1鉆孔材料和研究方法

1.1鉆孔材料3個鉆孔LTY、GT-2、GY1分別取自華南沿海丘陵山地位于不同區域和不同海拔高度的泥炭沼澤地，均屬于亞熱帶季風氣候，主要受亞洲季風控制（圖1）。鉆孔GY1（22°54′4.32″N，112°20′28.32″E，29m）取自肇慶高要市白諸鎮丘陵洼地的埋藏泥炭地，屬于珠江三角洲頂部邊緣地區。3個鉆孔的深度如下：LTY為127cm、GT-2為194cm、GY1為610cm，用于碳屑分析研究的樣品數分別為31、28和94個，需要注意的是GT-2僅選取了鉆孔＞10ka的沉積物進行了碳屑分析。該區域地處北回歸線以南，年均溫22℃，年降水量1647mm，主要自然植被為熱帶、亞熱帶常綠闊葉林。鉆孔LTY（28°26′2.4″N，119°18′50.94″E，902m）取自麗水市松陽縣的沼澤濕地爛田硯，地處仙霞嶺，屬于武夷山系東北邊緣，年均溫在18~20℃之間，年降水量為1500~1900mm，區域性植被為亞熱帶常綠闊葉林。鉆孔GT-（226°05′16″N，110°21′56″E，1677m）取自古田濕地，該濕地位于越城嶺，南嶺主要山脈之一，當地海拔高度在1500~2000m之間，年均溫12~13℃，年降水量1800mm，主要植被為常綠落葉闊葉混交林。

1.2測年結果和研究方法根據巖性變化，選取鉆孔不同深度的樣品進行了AMS14C年代測定。LTY鉆孔和GT-2鉆孔各選取了5個測年樣品，分別送至美國Beta實驗室、波蘭PoznanRadiocarbonLaboratory和中國科學院西安地球環境研究所完成測年（表1）。GY1的4個測年由中國科學院廣州地球化學研究所AMS14C制樣實驗室和北京大學核物理與核技術國家重點實驗室共同完成（見表1）。鉆孔LTY和GY1使用R軟件和clam包，選擇線性類插法繪制年代-深度模型；鉆孔GT-2的年代-深度模型采用一階衰減指數函數進行非線性擬合繪制（圖2）。微炭屑通過孢粉提取流程同步進行提取。樣品經過HCI和KOH處理后采用重液進行提取（ZnCl2，density1.9）。樣品處理時加入石松孢子藥片（27367粒/片）作為跟蹤劑，用以計算炭屑和孢粉濃度。孢粉、炭屑在光學顯微鏡40或100倍的目鏡下進行統計和鑒定。炭屑的統計粒級設定為10~125μm。每個樣品孢粉統計數目＞300粒，碳屑＞500粒。根據示蹤石松孢子統計結果計算出炭屑濃度（粒/cm3），再乘以沉積速率（cm/a），得到炭屑通量（粒/cm2•a）。

2結果分析

根據微炭屑和孢粉的分析結果，可以把全新世華南沿海丘陵山地的火災活動歷史分為3個階段（圖3）。階段I：8000―3500cal.aB.P.。該階段3個鉆孔的微炭屑濃度都很低，沉積通量均值＜1000粒/cm2•a，未見明顯的峰值，說明未有顯著的的火災事件。3個鉆孔的孢粉分析表明：木本植物占絕對優勢，其中鉆孔LTY和GY1的木本百分含量高達80%，鉆孔GT-2的木本百分含量平均＞60%。階段II：3500―2000cal.aB.P.。此階段鉆孔GY1和LTY的微炭屑、孢粉含量變化顯著。LTY的微炭屑含量在3500cal.aB.P.迅速劇增，在3200cal.aB.P.沉積通量達到最大值（12526粒/cm2•a），揭示此時該地區存在大型火災事件。之后炭屑濃度震蕩出現高峰值，表明之后仍有頻繁的火災事件。鉆孔GY1的微炭屑濃度也在3500cal.aB.P.左右顯著增加，之后沉積通量持續出現＞8000粒/cm2•a的高峰值，表明該地區3500cal.aB.P.以后火災事件不斷發生。LTY的木本百分含量在第1次炭屑高峰以后持續快速下降，相反禾本科（Poaceae）和芒箕屬（Dicranopteris）顯著增加，百分含量均增加到20%左右。GY1的禾本科百分含量隨炭屑的增加亦明顯增加，平均百分含量＞20%，木本百分含量在2700cal.aB.P.左右從60%迅速下降到20%，之后芒箕屬大量增加。此階段GT-2的微炭屑和孢粉百分含量未見明顯變化。階段III：2000cal.aB.P.以后。此階段GY1的微炭屑含量在1900cal.aB.P.左右出現最大峰值，沉積通量達到50000粒/cm2•a以上，表明有一次最大火災事件。之后GY1微炭屑含量保持高值，火災高頻發生。LTY微炭屑間斷出現峰值，表明火災不斷發生，但微炭屑沉積通量逐漸減少，表明火災強度減弱。GY1木本百分含量均值＜10%，相反禾本科和芒萁屬百分含量呈現高值，百分含量分別達到67%和55%。該階段GT-2的微炭屑和孢粉變化最顯著。2000cal.aB.P.以后，GT-2的微炭屑含量快速增加，沉積通量從183粒/cm2•a迅速增加到2289粒/cm2•a，之后再次劇增到7000粒/cm2•a以上，最大沉積通量達到10096粒/cm2•a。GT-2芒萁屬和禾本科百分含量明顯增加，但增長幅度沒有GY1和LTY顯著。

3討論

3.1火災與季風氣候變化的關系已有研究表明：降水和溫度變化與火災面積的增、減存在較好的同步關系，且在中國不同地區、不同時間這種相互依存關系有差異（圖4）[29]。對華南地區的研究證明：森林火災面積與氣溫升高具有較好的正相關關系，而降水與火災面積的大小則存在負相關關系（R＝-0.323，P＝0.03）[29]。也就是說，我國南方季風降雨的減少可導致火災頻率和火災面積的增加。中國南方高分辨率的石筍記錄重建了全新世亞洲季風強度和降水量的變化史[30-33]。全新世早中期，亞洲季風較強，氣溫和降水量均高于現在。至全新世中晚期，北半球太陽輻射減少[34-37]，熱帶輻合帶南移，亞洲季風減弱[30-31,38]。中國全新世古環境記錄表明：季風降雨存在不同時間尺度上的波動，夏季風強度總體在早中全新世較高，晚全新世有逐漸變干涼的趨勢[4,39-42]。本研究在華南的3個鉆孔炭屑研究均揭示：早全新世炭屑濃度十分低，即早中全新世8000―3500cal.aB.P.期間的微炭屑的濃度呈現低值。該現象揭示華南沿海丘陵山地森林火災事件頻率較低，此階段在全球尺度上對應全新世最濕潤期或大暖期，強勁的夏季風帶來豐沛的降雨，使得森林火災的發生頻率大大降低。鄰近地區如福建山地SZY孢粉分析結果顯示：該時期氣候溫暖濕潤，高含量的亞熱帶常綠闊葉林組分反映森林茂密[43]，潮濕指數大，受到的火災干擾微弱（圖5）。Zhang等[44]綜合亞洲季風區湖泊和沼澤中碳、氧同位素的記錄，重建了全新世降雨量變化，指出全新世最濕潤期發生在10―6ka，之后降雨量逐漸減少，在6―3ka氣候趨于變干。本研究的碳屑濃度結果顯示：3.5ka是亞熱帶山地火災明顯增加的時期。這一時期的季風降雨減弱亦被大量高分辨率古氣候記錄所證實。如貴州董哥洞[31]、湖南蓮花洞[32]等石筍δ18O均顯示晚全新世存在顯著的季風減弱過程。南海高分辨率有孔蟲氧同位素記錄也表明4.0ka以后夏季風發生明顯減退[45]。廣東湛江湖光巖瑪洱湖沉積記錄則揭示4.2kaB.P.左右存在降溫事件[46]。毋庸置疑，隨著亞洲夏季風強度減弱，華南地區的降水量也相應減少，因此晚全新世氣候存在變干的趨勢。在相對干燥的氣候環境下，森林發生火災的可能性大大增加，由于天然火災強度難以控制，使該時期以森林火災為特點的自然災害頻繁發生，鉆孔GY1和LTY的記錄均在3500cal.aB.P.以后表現出頻繁的火災事件（見圖5）。從歷史文化的角度，3.5ka正好是青銅時展并進入商周時代的過程，因此氣候的變干趨勢加上人類活動加劇可能是引發火災的重要原因。同樣位于華南沿海丘陵山地的江西大湖沼澤鉆孔和井岡山高山沼澤鉆孔SMP，揭示了相似的炭屑分析結果：微炭屑在整個全新世僅4.0ka以后才逐漸明顯增加，隨后則持續保持高值[47]。井岡山SMP炭屑記錄揭示火災活動增加的時間點則從3.1kaB.P.開始。與中國西南季風區個別古環境記錄的炭屑數據對比發現：同樣存在3.5ka前后火災活動顯著增強的趨勢[48]。可見，該時期火災活動的頻繁發生主要與相對變干或季節性變干的氣候條件有關[4]。

3.2火災頻率與史前農業活動人類用火是導致火災發生的一個重要因素，尤其是人類刀耕火種，清除樹林，發展農業，會導致火災頻繁發生和大區域范圍亞熱帶森林的破壞。人類活動的影響不僅記錄在炭屑上，同時也反應在孢粉組合的變化上。現代植物生態學研究表明：亞熱帶森林遭到人類破壞后，芒萁屬和馬尾松等次生林植物迅速生長，第四紀剖面孢粉譜如果次生林樹種伴隨著禾本科花粉的大量增加而增加，可以反映刀耕火種的農業生產活動[53]。新石器早中期，根據遺址點數量統計[54]：我國北方的新石器時代遺址點在約3.5ka已經增加到較多水平，表明了北方人口在青銅器時代過程中的急劇增加。然而，在浙江南部以南的華南山地和沿海地區，人口增長相對緩慢，農業文明發展也遠遠滯后于北方和長江下游地區。早―中全新世華南地區“刀耕火種”的農業活動十分有限或尚未開始[52]。本研究剖面極低的微炭屑含量和高含量的木本花粉說明10―3.5kcalB.P.期間人類對亞熱帶森林的干擾微弱，或影響程度十分有限。新石器晚期，大約從3500calaB.P.開始，鉆孔GY1和LTY顯示的火災活動頻率和強度大為提高。鑒于考古發掘研究并沒有太多的稻作農業發展證據，本研究認為：這一階段的火災發生與氣候因素關系較大，其中是否疊加了人口增長和華南早期農業的影響仍需要進一步考證。從人口統計結果來看，2000a以后，中國人口數量才有明顯的增加[52]，主要表現為秦以后中國北方人口大量南遷，同時珠江三角洲農業發展的歷史記載也主要從這一時期開始（相當于炭屑第III階段）。珠江三角洲西北部西江流域的GY1和浙江南部山地的LTY鉆孔均顯示：次生林喜陽植物芒萁屬和禾本科等孢粉在炭屑的峰值后（2000cal.aB.P.）才開始顯著增加，可能與農業刀耕火種的經濟發展模式有關。雖然在華南一些地區已發現新石器稻作農業的證據[55]，但早于2000aB.P.之前絕大部分考古遺址均揭示華南地區的新時期時代經濟形式仍以采集漁獵為主[56]，而水稻種植僅作為食物來源的次要補充，只在有限的局部范圍發展，未對自然環境產生顯著破壞。戰國至西漢（約2421―1942aB.P.），出現了我國第一次人口增長高峰[52]，同時生產技術大力提高，牛耕和鐵器農具廣泛使用[57]，農業迅速發展。長江流域環境考古研究表明：此時人類活動對自然的影響無論在廣度或深度上都有跳躍式的發展[58]。華南沿海地區，福州盆地和珠江三角洲的鉆孔都揭示在2000aB.P.開始，禾本科迅速劇增，反映華南地區在秦或南越國建立以后大規模的農業發展才開始[56,59-60]。據記載在公元前203年（2218aB.P.）建立南越國，定都番禺。南越國疆域以秦朝嶺南三郡的范圍為主，東抵福建西部，向北延至南嶺北部，西達廣西西部，南瀕南海[61]。此階段GY1和LTY的微炭屑含量維持高值，木本百分含量進一步減少，禾本科、芒萁屬等繼續增加，反映了南越國建立以后農業的進一步擴大。需要注意的是，位于華南山地海拔1600m之上的鉆孔GT-2炭屑濃度在2000cal.aB.P.時期仍處于低值，植被沒有明顯被擾動的痕跡，說明這一時期人類活動基本限制在較低海拔區域，對高海拔山地植被影響相對滯后。至1800cal.aB.P.GT-2鉆孔炭屑開始有微弱的增長，在800cal.aB.P.（南宋）火災頻率達到最高峰，同時微炭屑的徒增與芒萁屬、松屬含量迅速增加基本同步，說明其時人類對高海拔山地的森林植被已有了相當程度的破壞，人口顯著增加，以“刀耕火種”經濟模式的農業發展擴張到山區。綜上可見，本研究揭示的微炭屑變化不僅可反映森林火災的頻率，同時還揭示人口的遷移和農業生產活動的發展過程（見圖5）。

4結論

華南沿海丘陵山地和三角洲邊緣丘陵地泥炭沉積全新世微炭屑研究表明：森林火災現象在早全新世頻率很低，其原因是區域內夏季風強勁，降雨豐沛，加上其時人口稀少，人類活動強度弱，對自然環境沒有太多的擾動。從沉積物微炭屑可明顯觀測到的火災活動歷史可分為3個階段。第I階段為8000―3500cal.aB.P.，為天然火災活動微弱期，對應區域氣候暖濕；第II階段（3500―2000cal.aB.P.）為森林火災事件的頻發期，該時期季風降雨逐漸減弱，氣候相對變干，降雨季節性增強。由于該時期華南丘陵山地尚沒有規模性的水稻等農業發展，經濟方式仍以漁獵采集為主，從而證明火災增加的原因主要由氣候變干所導致。第III階段始于2000cal.aB.P.，為森林火災普遍增強時期，這一階段的火災快速增加與稻作農業的快速擴張和人口的增加有直接關系。華南地區的考古研究已證明：牛耕和鐵器農具在此時期已廣泛使用，生產技術大力提高，“刀耕火種”經濟模式的農業發展更易引發山火，使華南沿海丘陵山地火災事件日趨頻繁。然而，不同海拔泥炭堆積的微炭屑記錄發現火災增加的起始時間有差別，主要表現在早期的森林火災通常局限在較低海拔山地和平原地區，在海拔1600m以上的山地只在800cal.aB.P.左右的南宋時期以后才有頻繁的火災現象。這一結果反映了人類農業活動和人口逐步向山區遷移的過程。

作者：馬婷 鄭卓 滿美玲 李杰 彭環環 韓愛艷 黃康有 單位：中山大學 地球科學與地質工程學院 廣東省地質過程與礦產資源探點實驗 國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室 青島海洋地質研究所 廣東省近海海洋變化與災害預警技術重點實驗室