黔西高原MIS3-MIS2期炭屑記錄與火災(zāi)模式研究

趙增友,石勝強(qiáng),殷建軍,陳志霞,秦 趣,劉安樂

1 六盤水師范學(xué)院 旅游與歷史文化學(xué)院, 六盤水 553004 2 西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 重慶 400715 3 中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 國土資源部/廣西壯族自治區(qū)巖溶動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 桂林 541004

火是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,直接影響植被類型的形成和演化,并間接的受氣候條件、植被類型、人類活動的影響[1- 2]。隨著變暖趨勢的加劇,全球火災(zāi)事件頻發(fā),如最近發(fā)生于美國加州的森林大火,給人類的生存和發(fā)展敲響了警鐘。搞清火災(zāi)發(fā)生的機(jī)制,對預(yù)測未來氣候變化及防治火災(zāi)具有重要意義。炭屑是植物組織未完全燃燒的產(chǎn)物,由于其產(chǎn)量大、易傳播、不易分解等特性,使其成為追蹤“火事件”的代用指標(biāo)[3- 4]。保存于湖泊、泥炭、沼澤中的炭屑顆粒,為研究地質(zhì)歷史時期的火事件提供了連續(xù)、長時間序列的記錄,對研究火的強(qiáng)度、頻率對植被的干擾程度具有重要的價值。

氣候、植被、火災(zāi)之間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系,一方面氣候通過閃電、可燃物濕度、溫度等對火災(zāi)產(chǎn)生直接影響,另一方面氣候通過影響植被生產(chǎn)量,而間接的影響火活動[5- 6]。進(jìn)入史前時代后,伴隨人類活動的影響,使火事件的解譯變得更加復(fù)雜[7]。晚更新世是人類活動影響少的階段[7- 9],提供了研究氣候-植被-火災(zāi)關(guān)系的理想條件。盡管國內(nèi)外晚更新世火災(zāi)研究逐漸增多[10- 18],但對火災(zāi)機(jī)制與氣候關(guān)系仍不清楚。有研究認(rèn)為火的發(fā)生與冷干期相對應(yīng)[19- 22],但也有研究認(rèn)為暖濕的氧同位素3階段(MIS3)及全新世大暖期,火災(zāi)頻繁,而在冷期的氧同位素2階段(MIS2)及末次冰盛期(LGM),火活動較弱[7,9]。因此,搞清東亞季風(fēng)區(qū)火災(zāi)模式及氣候變化與火、植被的關(guān)系對預(yù)測未來氣候及火災(zāi)防治具有重要意義。

我國西南區(qū)的黔西高原,在其地質(zhì)演化史中,由于頻繁的上升和下降,發(fā)育了豐富的第四紀(jì)沉積物,為研究區(qū)域的氣候及火災(zāi)歷史提供了良好的載體。黔西高原地區(qū)的古生態(tài)研究較為薄弱,過去主要是利用孢粉指標(biāo)來反映云貴高原貴州部分的古植被、古氣候演變[23- 25],少有炭屑記錄報(bào)道[26]。本研究旨在加強(qiáng)黔西高原地區(qū)火災(zāi)歷史研究,試圖搞清氣候-火災(zāi)-植被的關(guān)系及東亞季風(fēng)區(qū)的火災(zāi)模式。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黔西高原西南部的六盤水市郊(圖1),北鄰畢節(jié),南鄰興義,西部與云南省曲靖相鄰。地質(zhì)構(gòu)造上,屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺上揚(yáng)子臺褶帶的威寧至水城跌陷斷褶束上。裸露基巖屬于石炭系下石炭統(tǒng)黃龍群灰?guī)r,同時,山體中上部發(fā)育有巖溶洞穴(干洞)。部分山體中部發(fā)育有第三系、第四系砂、頁巖,指示遭受了強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升。

地貌上,主要屬于巖溶峰叢與巖溶洼地的地貌組合,巖溶洼地呈NW-SE向狹長分布,巖溶洼地底部發(fā)育有落水洞等排水管道。

氣候上,本區(qū)位于黔西高原,海拔2070 m,屬于亞熱帶山地氣候區(qū),冬冷夏涼,全年平均氣溫15℃,夏季7月平均氣溫19.7℃,冬季1月平均氣溫3℃,年平均降水量1200—1500 mm。

圖1 黔西高原石龍剖面位置圖(自繪)Fig.1 The location of Shilong profile in western Guizhou plateau

土壤上,在灰?guī)r的地質(zhì)背景下,周圍山地發(fā)育了黃棕壤、黃壤及山地灌叢紫色土,在巖溶洼地中發(fā)育灰色沼澤土。

植被上,屬于亞熱帶常綠落葉闊葉混交林帶,受人類活動的影響,現(xiàn)生植被主要是灌木-蕨類及人工木材林,主要代表性植物：毛栗(Castaneamollissima)、青岡子(Cyclobalanopsisglauca)、蕨類(Pteridophyta)、火棘(Pyracanthafortuneana)、水毛花(Schoenoplectusmucronatus)。主要經(jīng)濟(jì)樹種：馬尾松(Pinusmassoniana)、柳杉(Cryptomeriafortunei)。

2 材料與方法

LSL鉆孔取自貴州省六盤水市紅橋新區(qū)石龍村附近,為一古湖泊沉積。研究剖面位于巖溶洼地的中心,該巖溶洼地為斷陷構(gòu)造,研究區(qū)內(nèi)可見陡峭斷陷崖壁,巖層產(chǎn)狀近于90°。由于地形封閉,發(fā)育了小型沼澤濕地,濕地總面積不超過1 km2,呈狹長型。

巖芯長度為110 cm,按物質(zhì)組成及沉積物顏色,自上而下將剖面分為3層,其中1—13 cm為淺灰色淤泥,14—80 cm為灰色淤泥,81—110 cm為黑色淤泥。按照1 cm間距等距取樣,共取得55個樣品,將樣品裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室烘干。

炭屑提取采用孢粉常規(guī)酸堿處理法[27],對所有樣品進(jìn)行炭屑分析。稱取干樣品10 g左右,加入1片石松孢子片(27637±110) 粒,用10% HCl、40% HF及10% Na2CO3分別進(jìn)行酸堿處理,為減少實(shí)驗(yàn)流程對炭屑的影響,最后用重液浮選。

炭屑統(tǒng)計(jì)采用點(diǎn)接觸法[28],根據(jù)炭屑粒徑分為：微炭屑<30 μm、中炭屑30—125 μm,大炭屑>125 μm。在統(tǒng)計(jì)炭屑時,記錄石松孢子的數(shù)量,以計(jì)算炭屑濃度。炭屑濃度的計(jì)算采用公式：W=A×27600/(B×G),式中A為統(tǒng)計(jì)的炭屑數(shù),B為統(tǒng)計(jì)的石松孢子數(shù),G為樣品重量。炭屑統(tǒng)計(jì)在Zeiss 顯微鏡下進(jìn)行,每個樣品統(tǒng)計(jì)不少于40個視域。炭屑圖譜的繪制采用Tilia軟件完成。

根據(jù)剖面巖性的變化,選取有機(jī)質(zhì)含量豐富的3個樣品,送美國Beta實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行AMS14C測年,其中LSL- 1 樣品測試材料為炭屑,年代結(jié)果精度高,其余兩個樣品測年材料為有機(jī)質(zhì),全部測年結(jié)果如表1 所示,利用INTCAL 13軟件[29]進(jìn)行年代校正,根據(jù)測年結(jié)果建立年代序列,如圖2所示。

表1 黔西高原石龍AMS14C測年結(jié)果

*AMS14C: 質(zhì)譜加速器碳十四測年, 即Accelerator Mass Spectrometry radiocarbon dating英文縮寫

圖2 黔西高原石龍剖面年代序列圖 Fig.2 Age-Depth model for Shilong profile western Guizhou plateau

3 結(jié)果分析

3.1 炭屑分析結(jié)果

本剖面炭屑總濃度在59581—1583236粒/g之間,平均為392450粒/g。>125 μm炭屑濃度在4710—334738粒/g之間,平均為52805粒/g。30—125 μm炭屑濃度為24533—1234473粒/g,平均為223218粒/g。<30 μm炭屑濃度在9837—375077粒/g之間,平均為116427粒/g。根據(jù)炭屑濃度的變化,將剖面劃分為5個炭屑帶,如圖3 所示。

Ⅰ層(110—96 cm)。炭屑總濃度整體較高,平均為481059粒/g。微炭屑(<30 μm)平均濃度為132684 粒/g,出現(xiàn)1個峰值。30—125 μm的炭屑濃度整體較低,平均為247095粒/g。大炭屑(>125 μm)濃度較高,平均濃度為101279 粒/g,記錄到1次峰值,可能指示1次當(dāng)?shù)鼗鹗录?/p>

在中國繪畫的歷史中，“以山為德、以水為性”的內(nèi)在修為意識，散點(diǎn)透視的觀察視角，一直是山水畫演變發(fā)展的主線。山水畫歷經(jīng)一千多年的社會變革與發(fā)展，唐代之前山水僅僅作為人物畫的背景出現(xiàn)于作品中，到了唐代山水畫才逐漸成為一門獨(dú)立的畫科，經(jīng)過五代兩宋時期，山水畫得到迅猛的發(fā)展，作為山水畫中重要技法之一的皴法，也在此期間產(chǎn)生。

圖3 黔西高原石龍剖面炭屑圖譜Fig.3 The Charcoal spectra of Shilong profile western Guizhou plateau

Ⅱ?qū)?95—74 cm)。各粒徑炭屑濃度較I帶顯著降低,波動平緩。炭屑總濃度平均為256441粒/g。微炭屑(<30 μm)濃度平均為40084 粒/g。30—125 μm濃度平均為175465粒/g。大炭屑(>125 μm)濃度,平均為40891 粒/g。3個粒徑炭屑濃度整體較低,但均記錄到1次小峰值。

Ⅲ層(73—26 cm),各粒徑炭屑濃度較高且波動頻繁。炭屑總濃度較高,平均為486909粒/g。微炭屑(<30 μm)濃度較II帶上升至 154567粒/g,波動頻繁。中粒徑炭屑(30—125 μm)濃度較上帶大幅度升高,平均為281356粒/g,炭屑濃度出現(xiàn)2個峰值。大炭屑(>125 μm)濃度較II帶降至50986粒/g。各粒徑炭屑均表現(xiàn)出與中粒炭屑相近的峰值模式。

Ⅳ帶(25—11 cm)炭屑總濃度及各級粒徑炭屑均大幅降低,其中炭屑總濃度降至123647粒/g。微炭屑(<30 μm)濃度降至35351粒/g。中粒徑炭屑、大炭屑均較低。

Ⅴ帶(10—0 cm),各粒徑炭屑均表現(xiàn)出波動升高的趨勢,其中微炭屑表現(xiàn)最為顯著。炭屑總濃度升高至381660粒/g。微炭屑升高至125840粒/g,指示區(qū)域火增加。中粒徑炭屑、大炭屑較上帶升高,但峰值不明顯。

3.2 MIS3-MIS2期間火活動重建

根據(jù)炭屑濃度(CHAC),結(jié)合AMS14C測年結(jié)果,重建研究區(qū)火災(zāi)活動的記錄。

38.2—34.4 cal ka BP,MIS3 晚期,炭屑濃度較高,微炭屑和大炭屑均記錄到1次峰值,有研究認(rèn)為,微炭屑指示區(qū)域火,而大炭屑、中炭屑指示當(dāng)?shù)鼗餥30- 31]。微炭屑在36.3 cal ka BP左右達(dá)到峰值,指示1次區(qū)域火事件。大炭屑和中粒炭屑在35 cal ka BP左右達(dá)到峰值,指示1次當(dāng)?shù)鼗稹?/p>

27.4—20.3 cal ka BP,MIS2期,炭屑濃度頻繁達(dá)到峰值,中粒徑炭屑分別在26.2、23.6 ka記錄到本剖面的最高值,可能指示2次較大的地方火,其中23.6 cal ka BP的炭屑濃度達(dá)本剖面峰值,說明這次火事件強(qiáng)度大。微炭屑共記錄到4次峰值,除上述2次峰值外,在LGM期間,有2次峰值,指示2次區(qū)域火。

20.3—18.9 cal ka BP,各粒徑炭屑均降低,指示火災(zāi)事件減少。

18.9—17.6 cal ka BP,微炭屑和大炭屑波動升高,其中尤以微炭屑表現(xiàn)最為顯著,記錄到多次峰值,說明區(qū)域火災(zāi)事件增多。

4 討論

4.1 氣候與火的關(guān)系

火災(zāi)模式與氣候的關(guān)系是古生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容,本研究根據(jù)火災(zāi)重建的結(jié)果并結(jié)合格陵蘭冰芯記錄[32]、石筍記錄[33- 36],試圖搞清黔西高原MIS3-MIS2期間的火災(zāi)模式與氣候的關(guān)系。

MIS3期,石筍記錄[33- 36]顯示中國南方季風(fēng)區(qū)整體較為濕潤。但在36.3、35 cal ka BP左右,微炭屑、大炭屑先后峰值,分別指示1次區(qū)域火和1次地方火。同期,在南京葫蘆洞[34]及黔西霧露洞石筍中,存在亞周期的冷干事件[33,36],尤其黔西WU3石筍,在35 ka左右的沉積間斷[35-36]對應(yīng)于格陵蘭冰芯DO7—DO8之間的冷事件[32],Duan認(rèn)為該沉積間斷是由夏季風(fēng)減弱的h事件造成[36]。32.5 cal ka BP和29.3—28.7 cal ka BP各檢測到1次弱峰值,可能是對葫蘆洞、霧露洞石筍[34-36]δ18O亞周期干旱事件的響應(yīng),其中WU3石筍中,32.5 cal ka BP冷干事件被稱為f事件[36](圖4)。H3期間研究區(qū)各粒徑炭屑總體水平較低,說明H3事件對研究區(qū)的火災(zāi)影響小。同期,沉積物δ13Corg明顯偏負(fù)(-27.16‰)說明研究區(qū)H3期間較濕潤,與周邊地區(qū)石筍δ18O差異顯著,這可能是受黔西高原特殊地形有關(guān)。

圖4 黔西高原石龍剖面炭屑記錄與石筍、冰心記錄對比 Fig.4 The comparison of Charcoal record in western Guizhou plateau section with Hulu cave stalagmite record and NGIR record圖中黑色陰影指干冷事件；圖中數(shù)字指DO事件

MIS2是末次冰期中最寒冷干旱的階段,先后經(jīng)歷 H2、LGM等冷干事件。在26.2 cal ka BP,研究區(qū)各粒徑炭屑記錄到1次峰值,說明1次強(qiáng)地方火災(zāi)事件,對應(yīng)于石筍記錄的H2b[34-36]事件,火災(zāi)造成木本植物花粉由33.75%降至26.64%左右,而蕨類孢子含量由火災(zāi)前的12.88%升至22.36%。24.2—23.6 cal ka BP期間,南京葫蘆洞[34]及黔西霧露洞石筍[35-36]指示H2a事件,此時中粒徑炭屑記錄在23.6 cal ka BP記錄到1次峰值,指示1次強(qiáng)地方火事件,此事件造成喬木花粉含量降低。 這兩次火事件的時間與霧露洞石筍[36]及大西洋深海沉積物[37]中的H2事件雙峰結(jié)構(gòu)較接近,可認(rèn)為是對H2雙峰結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。23.6—20.3 cal ka BP,末次冰盛期[32](LGM),剖面中微炭屑濃度較高且頻繁波動,指示區(qū)域火災(zāi)頻繁。冰后期,尤其是20.3—18.7 cal ka BP炭屑濃度較低,此時木本植物和草本植物花粉異常貧乏,說明干冷的氣候造成植被減少,故炭屑濃度較低。

通過炭屑記錄與高分辨率石筍記錄與格陵蘭冰芯記錄的比較,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)火災(zāi)的發(fā)生與冷干事件高度相關(guān),火災(zāi)活動強(qiáng)烈期主要對應(yīng)于H事件、LGM以及亞周期的干旱事件,DO事件對應(yīng)于火活動減弱期,Hubau等也認(rèn)為干旱是自然火災(zāi)的主要驅(qū)動因素[38]。同時,MIS2期比MIS3期在火的強(qiáng)度和頻率上都要高,MIS2期的地方火災(zāi)均導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)的波動,而MIS3期的火災(zāi)強(qiáng)度和范圍都要小的多,這與歐洲的火災(zāi)模式顯著不同。

4.2 東亞火災(zāi)模式對比

東亞地區(qū)的石筍[34- 36]、湖泊[39]等記錄均顯示東亞地區(qū)的季風(fēng)環(huán)流存在大范圍的千年尺度的旋回,受東亞季風(fēng)氣候的影響,火災(zāi)事件,是否存在大區(qū)域相似的火災(zāi)模式,尤其是無人類干擾之前的火災(zāi)模式,這是當(dāng)前學(xué)界較為關(guān)注的問題。

圖5 東亞地區(qū)炭屑記錄對比Fig.5 The comparison of Charcoal records in East Asia

長時間尺度的炭屑記錄,無論是國內(nèi)還是國外都較少,已有研究發(fā)現(xiàn)處于不同氣候區(qū)的火災(zāi)模式有顯著差異[7]。本文主要選取處于同一季風(fēng)氣候影響下的東亞地區(qū)炭屑記錄進(jìn)行對比,檢討東亞季風(fēng)區(qū)晚更新世是否存在相似的火災(zāi)模式。涉及末次冰期的炭屑記錄主要有：南海記錄[19- 20]、雷州半島[9]、洞庭湖[40]、月亮湖記錄[41]及云南記錄[14]、黃土高原[11,42](圖5),其中,本研究與南海、黃土高原、洞庭湖的炭屑記錄在軌道尺度上具有較好的一致性,均指示MIS2期火災(zāi)活動較MIS3末期火災(zāi)強(qiáng)烈。尤其是在南海[19- 20]、黃土高原[11,42]、洞庭湖的記錄[40],在 MIS2期間炭屑濃度明顯較高。在千年尺度上,黔西高原炭屑記錄與渭南、南海、洞庭湖的記錄均對H2、LGM有響應(yīng),甚至對H2雙峰結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也趨于一致。同處東亞季風(fēng)區(qū)的泰國記錄[10]及新幾內(nèi)亞的記錄[43]也顯示出相似的模式。但雷州半島研究表明,MIS3期火活動要較MIS2期強(qiáng)烈[9],火的發(fā)生對應(yīng)于DO事件(圖5),與東亞地區(qū)記錄顯著不同,甚至與南海的記錄也有較大差異,造成這種差異原因尚不明確。

通過以上分析,黔西高原火災(zāi)記錄與東亞季風(fēng)區(qū)火災(zāi)在MIS3-MIS2期間的可對比性表明,在軌道尺度上,東亞季風(fēng)區(qū)MIS2期的火活動要較MIS3末期強(qiáng)烈,且火活動主要對應(yīng)于冷干事件,這與東亞夏季風(fēng)自MIS3以來逐漸減弱的大趨勢相對應(yīng)。千年尺度上,這些區(qū)域的火事件對冷干的H事件、LGM響應(yīng)事件一致。這與歐洲地區(qū)的同期火災(zāi)模式有較大差異[7,12- 13]。當(dāng)然,限于東亞地區(qū)長尺度的炭屑記錄較有限,需要更多研究來驗(yàn)證。

4.3 火災(zāi)發(fā)生機(jī)制探討

探討火災(zāi)發(fā)生機(jī)制在火研究中是一個復(fù)雜的問題,火的發(fā)生受多種因素的影響,如氣候、植被、人類活動等[7]。本研究區(qū)位于中國南方亞熱帶季風(fēng)區(qū),西南地區(qū)孢粉記錄指示,既使是干冷的末次冰盛期,降水條件都能提供充足的可燃物[44-46]。檢視本研究中的火災(zāi)事件,大部分發(fā)生于冷干期(千年尺度—百年尺度),炭屑峰值均與中國石筍記錄中的干旱事件相對應(yīng),如Hulu洞石筍記錄[34]中H事件、LGM及亞周期冷干事件對應(yīng)于炭屑記錄中的峰值,而DO事件則對應(yīng)于炭屑低值。前人研究發(fā)現(xiàn)冷干氣候造成區(qū)域內(nèi)相對濕度的降低,可能為火災(zāi)發(fā)生提供了條件[21,38,47-49]。云南青海湖炭屑記錄也指示炭屑峰值響應(yīng)于冷干事件[46]。因此,氣候的干濕狀況是火災(zāi)的主控因子。

植被類型也對火災(zāi)產(chǎn)生重要的影響,易燃植被更易引起火災(zāi)[50-51]。據(jù)已有孢粉分析結(jié)果顯示,孢粉類型主要是松(Pinus)、冷杉(Abies)、鐵杉(Tsuga)、櫟屬(Quercus)、禾本科(Poaceae)、莎草科(Cyperaceae)為主,從植被類型上來說,植被組成具有易燃的性質(zhì),如松、杉、禾本科均是易燃植被[50-51],這為火災(zāi)的發(fā)生提供了另一重要條件。

5 結(jié)論

(1)通過高精度的AMS14C測年及炭屑分析,重建黔西高原的MIS3-MIS2期間的火活動歷史：研究區(qū)的火災(zāi)主要發(fā)生在36.3—35、26.2—17.7 cal ka BP期間,其中,中粒炭屑和大炭屑分別在35、26.2、23.6 cal ka BP記錄到3次地方火。

(2)火活動呈現(xiàn)與石筍氧同位素相似的千年尺度的旋回特征,即冷干的Heinrich事件及LGM對應(yīng)于火災(zāi)活動期,而溫暖濕潤DO事件對應(yīng)于火活動減弱期。

(3)區(qū)域?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn),在大區(qū)域范圍上,在東亞季風(fēng)區(qū)MIS2期的火活動要較MIS3末期強(qiáng)烈,且火活動主要對應(yīng)于冷干事件,這與歐洲地區(qū)的火災(zāi)模式有顯著差異。

(4)本區(qū)MIS3-MIS2期間火災(zāi)的發(fā)生機(jī)制主要取決于兩個因素：一、氣候干濕狀況是火災(zāi)發(fā)生的決定因素,二、植被狀況也在一定程度上影響火災(zāi)的發(fā)生。