青藏高原東北緣武山盆地中中新世炭屑記錄及其古氣候意義

周學(xué)文， 魏 曉， 陳 鵬， 石天宇， 惠爭(zhēng)闖,2,3

（1.河南大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，河南 開封 475004；2.河南大學(xué)環(huán)境規(guī)劃國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，河南 開封475004；3.河南省地球系統(tǒng)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 開封 475004）

火是地球生態(tài)系統(tǒng)中的重要因子，受氣候和環(huán)境變化的影響，新生代全球火災(zāi)活動(dòng)被認(rèn)為是影響現(xiàn)代植被和氣候改變的關(guān)鍵因素之一，因此天然火也被認(rèn)作是反映氣候變化的重要指標(biāo)之一［1-4］。炭屑是由植物組織不完全燃燒或高溫分解產(chǎn)生的黑色或深褐色無(wú)機(jī)碳化合物，通過(guò)風(fēng)力和流水搬運(yùn)沉積到地層中，能在地層中連續(xù)沉積且較好地保存，顯微鏡下鑒定為不透明、有棱角的黑色或棕色塊狀物［5-9］。已有的研究證明炭屑濃度可作為火活動(dòng)強(qiáng)度（如過(guò)火面積）的替代性指標(biāo)［4,10-11］，粒徑大小可以反映火活動(dòng)發(fā)生的距離和范圍［12-13］，形態(tài)可以反映植被燃燒的類型（草本或喬木類植物）［5,14］。因此，炭屑可以為研究火活動(dòng)歷史［15］、火活動(dòng)演化背后的驅(qū)動(dòng)力以及氣候和環(huán)境變化提供依據(jù)［11,14,16-17］。

目前，國(guó)內(nèi)研究主要集中在對(duì)全新世海洋［18-19］、湖泊［20-22］、黃土-古土壤［7,23-25］等沉積物中炭屑的提取，利用炭屑濃度/沉積通量來(lái)重建火活動(dòng)歷史，結(jié)合孢粉、粒度、磁化率等氣候替代指標(biāo)探討火活動(dòng)與植被、人類活動(dòng)以及氣候和環(huán)境變化之間的關(guān)系［26-30］，而目前缺少更早地質(zhì)歷史時(shí)期高分辨率火活動(dòng)記錄的研究［1,31-33］，尤其對(duì)我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)的天然火活動(dòng)歷史和機(jī)制尚未進(jìn)行廣泛研究。本文選取位于青藏高原東北緣武山盆地，已有高分辨率古地磁年代控制的南峪剖面［34］，進(jìn)行高分辨率炭屑記錄的研究，重建了武山盆地中中新世天然火活動(dòng)歷史，探討了研究區(qū)火活動(dòng)歷史演化機(jī)制以及對(duì)氣候、環(huán)境和全球變化的響應(yīng)。

1 研究區(qū)概況與剖面特征

地貌上，武山盆地位于青藏高原東北緣，地處天水盆地西部，是隴中盆地的次級(jí)盆地，位于甘肅省東部西秦嶺斷裂帶上（圖1）。氣候分區(qū)上，武山盆地位于青藏高原高寒區(qū)、西北內(nèi)陸干旱區(qū)和東部季風(fēng)區(qū)的交匯地帶，同時(shí)又處于“季風(fēng)三角區(qū)”的頂點(diǎn)部位［35］，對(duì)氣候變化非常敏感?，F(xiàn)代氣候?qū)儆跍貛Т箨懶园敫珊蛋霛駶?rùn)季風(fēng)氣候，冬冷無(wú)嚴(yán)寒，夏熱無(wú)酷暑，春秋相當(dāng)，四季分明。年平均降水量為500 mm，年平均氣溫為9.6 ℃，降雨主要集中在夏季。研究區(qū)主要有針葉與闊葉混交林植被帶、山地草甸植被帶、草原植被帶和干草原植被帶4 種植被類型［34,36-38］。

圖1 研究區(qū)域與剖面位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of locations of the study area and section mentioned in the text

南峪剖面（104.9°E，34.7°N）位于武山縣以南約7 km 處（圖1），海拔高度為1809 m，剖面厚度為338 m，本研究集中在中中新世氣候轉(zhuǎn)型時(shí)期［深度為0～171 m，年代為15.30～13.60 Ma（Ma：Megaannus/Million years，百萬(wàn)年）（圖2a）［34］］。根據(jù)先前對(duì)巖性和沉積相的研究顯示，湖相沉積主要分布在0～80 m和127～158 m深度的地層，主要由灰綠色泥灰?guī)r、棕紅色泥巖和棕色粉砂巖組成，偶爾有灰綠色砂巖；80～124 m 和158～171 m 深度的地層主要為河漫灘沉積，由含鈣質(zhì)結(jié)合的粉砂巖、泥巖和細(xì)砂巖組成（圖2b）［36,38］。

圖2 南峪剖面磁性地層學(xué)和巖性Fig.2 Magnetic stratigraphy and lithology of Nanyu section

2 材料與方法

采用孢粉提取的方法對(duì)120個(gè)樣品進(jìn)行炭屑的提取。首先將已知數(shù)量的石松孢子（約27600 粒·片-1）加入到每個(gè)樣品以確定炭屑濃度［32,39］；然后分別用10%濃度的稀鹽酸（HCl）和40%濃度的氫氟酸（HF）以除去樣品中的碳酸鹽和硅酸鹽，再用10 μm的篩布在超聲波水浴中除去雜質(zhì)［40］；最后用相對(duì)密度為2.0的重液（ZnI2）來(lái)提取炭屑和花粉，并將處理后的樣品存入2 mL 的比色管中保存。將制備好的樣品加入甘油進(jìn)行制片，在顯微鏡下鑒定、統(tǒng)計(jì)和拍照。所有樣品均在Leica DM 2000 光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行炭屑和石松孢子統(tǒng)計(jì)分析，炭屑濃度根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：MC為微炭屑的濃度（粒·g-1）；Nx為統(tǒng)計(jì)到的微炭屑的數(shù)量；Bx為統(tǒng)計(jì)到的石松孢子的數(shù)量；Wx為樣品的重量（g）；x為樣品的編號(hào)。

通過(guò)計(jì)算炭屑的長(zhǎng)軸與短軸的比值，將炭屑分為2 類。比值大于2.5 的炭屑?xì)w類為次長(zhǎng)形（Sublong，L）；比值小于2.5 的炭屑?xì)w類為次圓形（Subround，R）［1,32-33］。依據(jù)長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度，將炭屑分為＜50 μm、50～100 μm 和＞100 μm 共3 種粒級(jí)［33］。為了保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，每個(gè)樣品統(tǒng)計(jì)的炭屑總數(shù)達(dá)到500粒以上［32］，鑒定出的炭屑在Leica DM5500B顯微鏡下拍照（圖3）。

圖3 200倍顯微鏡下不同形狀的炭屑和石松孢子Fig.3 Different shapes of micro-charcoal and Lycopodium under microscope magnification of 200 times

3 結(jié)果與分析

從炭屑的形狀來(lái)看，以次圓形為主，其平均濃度為次長(zhǎng)形的5倍左右；從炭屑的粒級(jí)來(lái)看，以粒徑＜50 μm 的炭屑為主，其平均濃度是其他粒級(jí)的63倍。詳細(xì)記錄敘述如下：炭屑總濃度變化范圍為59～4324 ?！-1，平均濃度為835 粒·g-1。＜50 μm 的炭屑總濃度為57～4308 ?！-1，平均濃度為822 粒·g-1；＞50 μm的炭屑總濃度為0～118?！-1，平均濃度為13?！-1。次圓形炭屑濃度為42～3591?！-1，平均濃度為677 ?！-1；其中粒徑＜50 μm 的次圓形炭屑濃度為42～3583 ?！-1，平均濃度為670 ?！-1；50～100 μm的次圓形炭屑濃度為0～73?！-1，平均濃度為7?！-1；＞100 μm的次圓形炭屑濃度為0～9?！-1，平均濃度為1 粒·g-1。次長(zhǎng)形炭屑濃度為2～837?！-1，平均濃度為138 ?！-1；其中粒徑＜50 μm 的次長(zhǎng)形炭屑濃度為2～829?！-1，平均濃度為133?！-1；50～100 μm的次長(zhǎng)形炭屑濃度為0～52?！-1，平均濃度為5?！-1；＞100 μm的次長(zhǎng)形炭屑濃度為0～9?！-1，平均濃度為1?！-1（圖4）。

圖4 南峪剖面不同類型和粒徑的微炭屑濃度記錄Fig.4 Micro-charcoal concentrations for different shapes and size classes in the Nanyu section

根據(jù)炭屑總濃度變化趨勢(shì)，將南峪剖面炭屑記錄劃分出2個(gè)主階段（圖5a）：

圖5 南峪剖面炭屑濃度與孢粉數(shù)據(jù)和全球深海18O同位素記錄變化對(duì)比Fig.5 Comparison of micro-charcoal concentrations with sporopollen data in the Nanyu section and δ18O isotope record derived from global deep sea records

階段Ⅰ（年代為15.30～14.00 Ma，深度為171～50 m，78 個(gè)樣品）：在這一階段，次圓形炭屑濃度為58～3591 ?！-1，平均濃度為726 ?！-1；次長(zhǎng)形炭屑濃度為2～732?！-1，平均濃度為139?！-1；炭屑總濃度為60～4324 ?！-1，平均濃度為866 ?！-1。在這一時(shí)期，炭屑總濃度、次圓形和次長(zhǎng)形炭屑濃度的趨勢(shì)都逐步增加。

其中階段Ⅰ又可以細(xì)分為3個(gè)次階段：

階段Ⅰa（年代為15.30～14.38 Ma，深度為171～103 m，41個(gè)樣品）：在這一次階段，次圓形炭屑濃度為58～1940?！-1，平均濃度為567?！-1；次長(zhǎng)形炭屑濃度為2～66 粒·g-1，平均濃度為126 ?！-1；炭屑總濃度為60～2602 粒·g-1，平均濃度為693 粒·g-1。炭屑總濃度、次圓形和次長(zhǎng)形炭屑濃度都逐步增加。

階段Ⅰb（年代為14.38～14.20 Ma，深度為103～78 m，15 個(gè)樣品）：在這一次階段，次圓形炭屑濃度為65～3591?！-1，平均濃度為982?！-1；次長(zhǎng)形炭屑濃度為15～732粒·g-1，平均濃度為177?！-1；炭屑總濃度為103～4324 ?！-1，平均濃度為1140 ?！-1。炭屑總濃度、次圓形和次長(zhǎng)形炭屑濃度快速降低。

階段Ⅰc（年代為14.20～14.00 Ma，深度為78～50 m，22 個(gè)樣品）：在這一次階段，次圓形炭屑濃度為236～2562 粒·g-1，平均濃度為849 粒·g-1；次長(zhǎng)形炭屑濃度為35～430 ?！-1，平均濃度為139 ?！-1；炭屑總濃度為271～3082粒·g-1，平均濃度為988?！-1。炭屑總濃度、次圓形和次長(zhǎng)形炭屑濃度顯著增加。

階段Ⅱ（年代為14.00～13.60 Ma，深度為50～0 m，42個(gè)樣品）：在這一階段，次圓形炭屑濃度為43～3389?！-1，平均濃度為653?！-1；次長(zhǎng)形炭屑濃度為11～636 粒·g-1，平均濃度為124 ?！-1；炭屑總濃度為58～3955 ?！-1，平均濃度為777 粒·g-1。在這一時(shí)期炭屑總濃度、次圓形和次長(zhǎng)形炭屑濃度都快速降低。

4 討論

4.1 武山盆地中中新世天然火活動(dòng)歷史

現(xiàn)代研究表明，不同類型的植物燃燒產(chǎn)生炭屑的形狀不同。經(jīng)過(guò)破碎處理提取后的炭屑中，草本類植物的炭屑長(zhǎng)與寬的比值平均為3.9±0.1；喬木類植物的炭屑長(zhǎng)與寬比值平均為1.8±0.1［14,41］。因此，次圓形炭屑濃度可以反映森林火活動(dòng)強(qiáng)度，次長(zhǎng)形炭屑濃度反映草原地區(qū)火活動(dòng)強(qiáng)度。南峪剖面炭屑記錄顯示（圖4b），次圓形（長(zhǎng)與寬比值小于2.5）炭屑濃度遠(yuǎn)高于次長(zhǎng)形（長(zhǎng)與寬比值大于2.5）炭屑濃度，次圓形炭屑平均濃度約是次長(zhǎng)形的5倍，反映研究區(qū)的天然火活動(dòng)是以喬木類的植物燃燒為主，主要發(fā)生在森林地區(qū)［1］。

炭屑的粒徑反映火活動(dòng)的距離和范圍。現(xiàn)代炭屑運(yùn)輸過(guò)程研究表明，只有當(dāng)炭屑的粒徑大于125 μm 時(shí)，才能假設(shè)它們來(lái)自當(dāng)?shù)兀?3,33］。炭屑記錄顯示（圖4c），粒徑＜50 μm 的炭屑濃度（822 ?！-1）是粒徑＞50 μm（13 ?！-1）的63 倍左右，其中粒徑＞100 μm的炭屑極其稀少，反映了研究區(qū)主要是大范圍的區(qū)域性火活動(dòng)。

炭屑總濃度趨勢(shì)反映火活動(dòng)的變化。炭屑濃度越高，區(qū)域火活動(dòng)強(qiáng)度越高，反之區(qū)域火活動(dòng)強(qiáng)度越低［1,16-17,32］。炭屑記錄顯示（圖5a），炭屑總濃度趨勢(shì)在15.30～14.00 Ma 時(shí)期逐步增加，在14.00～13.60 Ma 時(shí)期急劇降低，反映出研究區(qū)天然火活動(dòng)在15.30～14.00 Ma時(shí)期逐步增加，在14.00～13.60 Ma時(shí)期迅速減少。

4.2 武山盆地火活動(dòng)機(jī)制探討

4.2.1 天然火活動(dòng)對(duì)植被變化的響應(yīng)炭屑來(lái)源于植物的燃燒，植被和炭屑的關(guān)系最為密切，植物燃燒受到多重因素的影響，例如，大氣中的濕度和溫度、植被的種類和數(shù)量、雷電、火山巖漿的噴發(fā)等［4,19,42-44］。孢粉記錄顯示，在中中新世時(shí)期，武山盆地植被類型為針葉闊葉混交林［36］。從植物的分布來(lái)看，針葉林和闊葉林構(gòu)成了森林植被的冠層，其中針葉林主要生長(zhǎng)在高海拔地區(qū)，闊葉林生長(zhǎng)在中低海拔地區(qū)，草本和灌木生長(zhǎng)在林下層［36］。

對(duì)比孢粉數(shù)據(jù)和炭屑濃度變化趨勢(shì)（圖5a～d）。在次階段Ⅰa（15.30～14.38 Ma），喬木類花粉百分相對(duì)較低，炭屑總濃度、次圓形炭屑濃度和闊葉類花粉百分比逐步增加，表明在這一時(shí)期濕度相對(duì)較低，森林植被相對(duì)開闊，闊葉林的蓋度逐步增加；在次階段Ⅰb（14.38～14.20 Ma），喬木花粉百分比趨勢(shì)增加，而炭屑總濃度、次圓形炭屑濃度和闊葉類花粉百分比趨勢(shì)顯著降低，表明這一時(shí)期的森林整體蓋度增加，但是低海拔地區(qū)的闊葉林蓋度降低；在次階段Ⅰc（14.20～14.00 Ma），喬木花粉百分比較高且保持穩(wěn)定，闊葉喬木類花粉百分比、炭屑總濃度和次圓形炭屑濃度的趨勢(shì)都顯著增加，表明這一時(shí)期濕度增加，闊葉林的蓋度增加；階段Ⅱ（14.00～13.60 Ma），炭屑總濃度、次圓形炭屑濃度、喬木類花粉百分比以及闊葉喬木類花粉百分比趨勢(shì)顯著降低，表明在這一個(gè)時(shí)期的森林植被和闊葉林的蓋度都顯著降低。

火活動(dòng)強(qiáng)度與氣候條件、可燃物生物量和植被類型及其抗火性有關(guān)［45］。炭屑總濃度和次圓形炭屑濃度的變化趨勢(shì)與喬木花粉百分比變化趨勢(shì)相近（圖5a～c），與闊葉植物花粉百分比變化趨勢(shì)相一致（圖5a～b、d），且炭屑數(shù)據(jù)結(jié)果表明武山盆地天然火活動(dòng)是以森林火活動(dòng)為主。相關(guān)性分析結(jié)果表明，次圓形炭屑濃度趨勢(shì)與闊葉花粉百分比顯著相關(guān)，此外孢粉數(shù)據(jù)顯示，在15.30～13.60 Ma 時(shí)期，針葉喬木類花粉占喬木類花粉平均值為37%，闊葉喬木類花粉平均占比為63%，綜合以上各個(gè)階段植被變化趨勢(shì)與炭屑濃度變化趨勢(shì)的對(duì)比分析，可以推測(cè)武山盆地天然火活動(dòng)主要發(fā)生在低海拔的闊葉林地區(qū)，火活動(dòng)強(qiáng)度受闊葉林蓋度變化的影響。在氣候溫暖濕潤(rùn)時(shí)期，炭屑總濃度高于相對(duì)寒冷的時(shí)期，天然火活動(dòng)強(qiáng)度高。

現(xiàn)代森林火的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化調(diào)查結(jié)果顯示，在全球變暖的背景下，全球各地的森林火災(zāi)呈明顯增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，森林火災(zāi)隨著氣溫升高而增多，主要是由于氣候變暖影響植物的性質(zhì)和森林植被的分布等因素，影響森林的易燃性和燃燒性［46-48］。此外，溫暖濕潤(rùn)氣候條件適宜植被生長(zhǎng)和發(fā)育，生物量累計(jì)增加，為火災(zāi)活動(dòng)提供了更多的燃料，頻繁的暴風(fēng)雨和雷電也是致使森林火活動(dòng)增加的原因之一［49］。對(duì)比了銀川盆地［28］、德國(guó)西部的埃菲爾火山地區(qū)［29］、云南省南部［50］和美國(guó)愛達(dá)荷州南部的貝爾和山脈地區(qū)［51］等其他地區(qū)的森林火活動(dòng)歷史演化機(jī)制，發(fā)現(xiàn)氣候變化是引起森林火活動(dòng)的主要原因，在相對(duì)溫暖濕潤(rùn)的氣候條件下，森林火活動(dòng)強(qiáng)度高。

4.2.2 武山盆地地區(qū)天然火對(duì)全球變化的響應(yīng)為了探求武山盆地中中新世時(shí)期天然火活動(dòng)與全球變化之間的關(guān)系，將炭屑總濃度趨勢(shì)與深海底棲有孔蟲氧同位素記錄變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析［52］（圖5a、e）。分析結(jié)果顯示，在中中新世氣候適宜期向中中新世氣候轉(zhuǎn)型期的過(guò)渡時(shí)期，來(lái)自深海底棲有孔蟲18O同位素含量在這一時(shí)期保持穩(wěn)定，全球平均溫度較高，變化幅度小（圖5e），在這樣一個(gè)全球溫度背景下，武山盆地森林植被覆蓋面積和生物量逐漸增加，天然火活動(dòng)逐步增強(qiáng)。在14.20 Ma 之后，18O同位素含量顯著降低，是一個(gè)全球溫度上升的時(shí)期，孢粉數(shù)據(jù)重建的植被和氣候變化很好地對(duì)應(yīng)了這一全球氣候變暖時(shí)期［36,52］。炭屑記錄顯示，在這一氣候進(jìn)一步變暖時(shí)期，炭屑總濃度顯著增加。在炭屑總濃度急劇降低的14.00～13.60 Ma 時(shí)期，深海底棲有孔蟲的18O 同位素記錄在這一時(shí)期顯著增加（圖5a、e），全球溫度顯著降低［52-53］。孢粉數(shù)據(jù)顯示這一時(shí)期森林蓋度急劇降低，主要是由于闊葉喬木類花粉百分比急劇降低，耐寒的針葉林取代闊葉林成為森林植被的主要組成部分［36］，森林火活動(dòng)在這一時(shí)期迅速減少。與這一現(xiàn)象最具對(duì)比性的全球性事件可能是Mi-3 事件［54］，后分裂為Mi-3a 和Mi-3b，假設(shè)這一森林火活動(dòng)顯著降低的時(shí)期對(duì)應(yīng)著Mi-3b 時(shí)期（13.82～13.65 Ma）［54-55］。Mi-3 冷卻事件對(duì)植被和生物都產(chǎn)生重大影響，14.00～13.50 Ma 時(shí)期的中歐，記錄到暖期的突然結(jié)束，大多數(shù)嗜熱生物類群發(fā)生區(qū)域滅絕事件［56］。由此推測(cè)，在中中新世氣候轉(zhuǎn)型期，全球變冷導(dǎo)致地球上的多數(shù)生物發(fā)生大規(guī)模死亡，武山盆地植被發(fā)生轉(zhuǎn)變，森林植被的蓋度顯著降低，生物量大幅減少，天然火活動(dòng)迅速減少。對(duì)比武山盆地炭屑總濃度與全球深海底棲有孔蟲18O同位素記錄的變化趨勢(shì)，推測(cè)出研究區(qū)天然火活動(dòng)與全球溫度變化有較強(qiáng)的聯(lián)系，全球溫度變化可能通過(guò)影響武山盆地植被變化來(lái)對(duì)研究區(qū)天然火活動(dòng)產(chǎn)生重要影響。

5 結(jié)論

炭屑已被證明是重建古火活動(dòng)的有效替代指標(biāo)。本研究基于武山盆地中中新世沉積物中高分辨率的炭屑記錄，重建了武山盆地地區(qū)中中新世時(shí)期（15.30～13.60 Ma）的天然火活動(dòng)歷史。炭屑記錄反映研究區(qū)火活動(dòng)是以木本植物燃燒的森林火災(zāi)活動(dòng)為主，主要是區(qū)域性火活動(dòng)。炭屑總濃度的變化趨勢(shì)反映的研究區(qū)天然火活動(dòng)在15.30～14.00 Ma時(shí)期逐步增強(qiáng)，然后在14.00～13.60 Ma 時(shí)期迅速減少。通過(guò)對(duì)比已有的氣候和環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)，探討了天然火活動(dòng)與氣候環(huán)境變化之間的關(guān)系，以及對(duì)全球溫度變化的響應(yīng)，得到以下結(jié)論：

（1）由炭屑記錄反映的武山盆地天然火活動(dòng)是以森林火活動(dòng)為主，天然火活動(dòng)的強(qiáng)度與闊葉林的蓋度關(guān)系密切。天然火活動(dòng)受氣候變化的影響，在溫暖濕潤(rùn)的氣候條件下，森林植被的蓋度增加，天然火活動(dòng)增強(qiáng)，炭屑總濃度高。

（2）通過(guò)對(duì)比炭屑總濃度與深海底棲有孔蟲18O同位素記錄的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)炭屑總濃度與全球溫度的變化有較強(qiáng)的聯(lián)系，可以推測(cè)，全球溫度變化可能通過(guò)影響武山盆地植被變化來(lái)對(duì)研究區(qū)天然火活動(dòng)產(chǎn)生重要影響。