黔西高原MIS3-MIS2期炭屑记录与火灾模式研究

赵增友,石胜强,殷建军,陈志霞,秦 趣,刘安乐

1 六盘水师范学院 旅游与历史文化学院, 六盘水 553004 2 西南大学 地理科学学院, 重庆 400715 3 中国地质科学院岩溶地质研究所, 国土资源部/广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室, 桂林 541004

火是陆地生态系统的重要组成部分,直接影响植被类型的形成和演化,并间接的受气候条件、植被类型、人类活动的影响[1- 2]。随着变暖趋势的加剧,全球火灾事件频发,如最近发生于美国加州的森林大火,给人类的生存和发展敲响了警钟。搞清火灾发生的机制,对预测未来气候变化及防治火灾具有重要意义。炭屑是植物组织未完全燃烧的产物,由于其产量大、易传播、不易分解等特性,使其成为追踪“火事件”的代用指标[3- 4]。保存于湖泊、泥炭、沼泽中的炭屑颗粒,为研究地质历史时期的火事件提供了连续、长时间序列的记录,对研究火的强度、频率对植被的干扰程度具有重要的价值。

气候、植被、火灾之间存在着复杂的非线性关系,一方面气候通过闪电、可燃物湿度、温度等对火灾产生直接影响,另一方面气候通过影响植被生产量,而间接的影响火活动[5- 6]。进入史前时代后,伴随人类活动的影响,使火事件的解译变得更加复杂[7]。晚更新世是人类活动影响少的阶段[7- 9],提供了研究气候-植被-火灾关系的理想条件。尽管国内外晚更新世火灾研究逐渐增多[10- 18],但对火灾机制与气候关系仍不清楚。有研究认为火的发生与冷干期相对应[19- 22],但也有研究认为暖湿的氧同位素3阶段(MIS3)及全新世大暖期,火灾频繁,而在冷期的氧同位素2阶段(MIS2)及末次冰盛期(LGM),火活动较弱[7,9]。因此,搞清东亚季风区火灾模式及气候变化与火、植被的关系对预测未来气候及火灾防治具有重要意义。

我国西南区的黔西高原,在其地质演化史中,由于频繁的上升和下降,发育了丰富的第四纪沉积物,为研究区域的气候及火灾历史提供了良好的载体。黔西高原地区的古生态研究较为薄弱,过去主要是利用孢粉指标来反映云贵高原贵州部分的古植被、古气候演变[23- 25],少有炭屑记录报道[26]。本研究旨在加强黔西高原地区火灾历史研究,试图搞清气候-火灾-植被的关系及东亚季风区的火灾模式。

1 研究区概况

研究区位于黔西高原西南部的六盘水市郊(图1),北邻毕节,南邻兴义,西部与云南省曲靖相邻。地质构造上,属于扬子准地台上扬子台褶带的威宁至水城跌陷断褶束上。裸露基岩属于石炭系下石炭统黄龙群灰岩,同时,山体中上部发育有岩溶洞穴(干洞)。部分山体中部发育有第三系、第四系砂、页岩,指示遭受了强烈的构造抬升。

地貌上,主要属于岩溶峰丛与岩溶洼地的地貌组合,岩溶洼地呈NW-SE向狭长分布,岩溶洼地底部发育有落水洞等排水管道。

气候上,本区位于黔西高原,海拔2070 m,属于亚热带山地气候区,冬冷夏凉,全年平均气温15℃,夏季7月平均气温19.7℃,冬季1月平均气温3℃,年平均降水量1200—1500 mm。

图1 黔西高原石龙剖面位置图(自绘)Fig.1 The location of Shilong profile in western Guizhou plateau

土壤上,在灰岩的地质背景下,周围山地发育了黄棕壤、黄壤及山地灌丛紫色土,在岩溶洼地中发育灰色沼泽土。

植被上,属于亚热带常绿落叶阔叶混交林带,受人类活动的影响,现生植被主要是灌木-蕨类及人工木材林,主要代表性植物：毛栗(Castaneamollissima)、青冈子(Cyclobalanopsisglauca)、蕨类(Pteridophyta)、火棘(Pyracanthafortuneana)、水毛花(Schoenoplectusmucronatus)。主要经济树种：马尾松(Pinusmassoniana)、柳杉(Cryptomeriafortunei)。

2 材料与方法

LSL钻孔取自贵州省六盘水市红桥新区石龙村附近,为一古湖泊沉积。研究剖面位于岩溶洼地的中心,该岩溶洼地为断陷构造,研究区内可见陡峭断陷崖壁,岩层产状近于90°。由于地形封闭,发育了小型沼泽湿地,湿地总面积不超过1 km2,呈狭长型。

岩芯长度为110 cm,按物质组成及沉积物颜色,自上而下将剖面分为3层,其中1—13 cm为浅灰色淤泥,14—80 cm为灰色淤泥,81—110 cm为黑色淤泥。按照1 cm间距等距取样,共取得55个样品,将样品装袋带回实验室烘干。

炭屑提取采用孢粉常规酸碱处理法[27],对所有样品进行炭屑分析。称取干样品10 g左右,加入1片石松孢子片(27637±110) 粒,用10% HCl、40% HF及10% Na2CO3分别进行酸碱处理,为减少实验流程对炭屑的影响,最后用重液浮选。

炭屑统计采用点接触法[28],根据炭屑粒径分为：微炭屑<30 μm、中炭屑30—125 μm,大炭屑>125 μm。在统计炭屑时,记录石松孢子的数量,以计算炭屑浓度。炭屑浓度的计算采用公式：W=A×27600/(B×G),式中A为统计的炭屑数,B为统计的石松孢子数,G为样品重量。炭屑统计在Zeiss 显微镜下进行,每个样品统计不少于40个视域。炭屑图谱的绘制采用Tilia软件完成。

根据剖面岩性的变化,选取有机质含量丰富的3个样品,送美国Beta实验室进行AMS14C测年,其中LSL- 1 样品测试材料为炭屑,年代结果精度高,其余两个样品测年材料为有机质,全部测年结果如表1 所示,利用INTCAL 13软件[29]进行年代校正,根据测年结果建立年代序列,如图2所示。

表1 黔西高原石龙AMS14C测年结果

*AMS14C: 质谱加速器碳十四测年, 即Accelerator Mass Spectrometry radiocarbon dating英文缩写

图2 黔西高原石龙剖面年代序列图 Fig.2 Age-Depth model for Shilong profile western Guizhou plateau

3 结果分析

3.1 炭屑分析结果

本剖面炭屑总浓度在59581—1583236粒/g之间,平均为392450粒/g。>125 μm炭屑浓度在4710—334738粒/g之间,平均为52805粒/g。30—125 μm炭屑浓度为24533—1234473粒/g,平均为223218粒/g。<30 μm炭屑浓度在9837—375077粒/g之间,平均为116427粒/g。根据炭屑浓度的变化,将剖面划分为5个炭屑带,如图3 所示。

Ⅰ层(110—96 cm)。炭屑总浓度整体较高,平均为481059粒/g。微炭屑(<30 μm)平均浓度为132684 粒/g,出现1个峰值。30—125 μm的炭屑浓度整体较低,平均为247095粒/g。大炭屑(>125 μm)浓度较高,平均浓度为101279 粒/g,记录到1次峰值,可能指示1次当地火事件。

在中国绘画的历史中，“以山为德、以水为性”的内在修为意识，散点透视的观察视角，一直是山水画演变发展的主线。山水画历经一千多年的社会变革与发展，唐代之前山水仅仅作为人物画的背景出现于作品中，到了唐代山水画才逐渐成为一门独立的画科，经过五代两宋时期，山水画得到迅猛的发展，作为山水画中重要技法之一的皴法，也在此期间产生。

图3 黔西高原石龙剖面炭屑图谱Fig.3 The Charcoal spectra of Shilong profile western Guizhou plateau

Ⅱ层(95—74 cm)。各粒径炭屑浓度较I带显著降低,波动平缓。炭屑总浓度平均为256441粒/g。微炭屑(<30 μm)浓度平均为40084 粒/g。30—125 μm浓度平均为175465粒/g。大炭屑(>125 μm)浓度,平均为40891 粒/g。3个粒径炭屑浓度整体较低,但均记录到1次小峰值。

Ⅲ层(73—26 cm),各粒径炭屑浓度较高且波动频繁。炭屑总浓度较高,平均为486909粒/g。微炭屑(<30 μm)浓度较II带上升至 154567粒/g,波动频繁。中粒径炭屑(30—125 μm)浓度较上带大幅度升高,平均为281356粒/g,炭屑浓度出现2个峰值。大炭屑(>125 μm)浓度较II带降至50986粒/g。各粒径炭屑均表现出与中粒炭屑相近的峰值模式。

Ⅳ带(25—11 cm)炭屑总浓度及各级粒径炭屑均大幅降低,其中炭屑总浓度降至123647粒/g。微炭屑(<30 μm)浓度降至35351粒/g。中粒径炭屑、大炭屑均较低。

Ⅴ带(10—0 cm),各粒径炭屑均表现出波动升高的趋势,其中微炭屑表现最为显著。炭屑总浓度升高至381660粒/g。微炭屑升高至125840粒/g,指示区域火增加。中粒径炭屑、大炭屑较上带升高,但峰值不明显。

3.2 MIS3-MIS2期间火活动重建

根据炭屑浓度(CHAC),结合AMS14C测年结果,重建研究区火灾活动的记录。

38.2—34.4 cal ka BP,MIS3 晚期,炭屑浓度较高,微炭屑和大炭屑均记录到1次峰值,有研究认为,微炭屑指示区域火,而大炭屑、中炭屑指示当地火[30- 31]。微炭屑在36.3 cal ka BP左右达到峰值,指示1次区域火事件。大炭屑和中粒炭屑在35 cal ka BP左右达到峰值,指示1次当地火。

27.4—20.3 cal ka BP,MIS2期,炭屑浓度频繁达到峰值,中粒径炭屑分别在26.2、23.6 ka记录到本剖面的最高值,可能指示2次较大的地方火,其中23.6 cal ka BP的炭屑浓度达本剖面峰值,说明这次火事件强度大。微炭屑共记录到4次峰值,除上述2次峰值外,在LGM期间,有2次峰值,指示2次区域火。

20.3—18.9 cal ka BP,各粒径炭屑均降低,指示火灾事件减少。

18.9—17.6 cal ka BP,微炭屑和大炭屑波动升高,其中尤以微炭屑表现最为显著,记录到多次峰值,说明区域火灾事件增多。

4 讨论

4.1 气候与火的关系

火灾模式与气候的关系是古生态学研究的重要内容,本研究根据火灾重建的结果并结合格陵兰冰芯记录[32]、石笋记录[33- 36],试图搞清黔西高原MIS3-MIS2期间的火灾模式与气候的关系。

MIS3期,石笋记录[33- 36]显示中国南方季风区整体较为湿润。但在36.3、35 cal ka BP左右,微炭屑、大炭屑先后峰值,分别指示1次区域火和1次地方火。同期,在南京葫芦洞[34]及黔西雾露洞石笋中,存在亚周期的冷干事件[33,36],尤其黔西WU3石笋,在35 ka左右的沉积间断[35-36]对应于格陵兰冰芯DO7—DO8之间的冷事件[32],Duan认为该沉积间断是由夏季风减弱的h事件造成[36]。32.5 cal ka BP和29.3—28.7 cal ka BP各检测到1次弱峰值,可能是对葫芦洞、雾露洞石笋[34-36]δ18O亚周期干旱事件的响应,其中WU3石笋中,32.5 cal ka BP冷干事件被称为f事件[36](图4)。H3期间研究区各粒径炭屑总体水平较低,说明H3事件对研究区的火灾影响小。同期,沉积物δ13Corg明显偏负(-27.16‰)说明研究区H3期间较湿润,与周边地区石笋δ18O差异显著,这可能是受黔西高原特殊地形有关。

图4 黔西高原石龙剖面炭屑记录与石笋、冰心记录对比 Fig.4 The comparison of Charcoal record in western Guizhou plateau section with Hulu cave stalagmite record and NGIR record图中黑色阴影指干冷事件；图中数字指DO事件

MIS2是末次冰期中最寒冷干旱的阶段,先后经历 H2、LGM等冷干事件。在26.2 cal ka BP,研究区各粒径炭屑记录到1次峰值,说明1次强地方火灾事件,对应于石笋记录的H2b[34-36]事件,火灾造成木本植物花粉由33.75%降至26.64%左右,而蕨类孢子含量由火灾前的12.88%升至22.36%。24.2—23.6 cal ka BP期间,南京葫芦洞[34]及黔西雾露洞石笋[35-36]指示H2a事件,此时中粒径炭屑记录在23.6 cal ka BP记录到1次峰值,指示1次强地方火事件,此事件造成乔木花粉含量降低。 这两次火事件的时间与雾露洞石笋[36]及大西洋深海沉积物[37]中的H2事件双峰结构较接近,可认为是对H2双峰结构的响应。23.6—20.3 cal ka BP,末次冰盛期[32](LGM),剖面中微炭屑浓度较高且频繁波动,指示区域火灾频繁。冰后期,尤其是20.3—18.7 cal ka BP炭屑浓度较低,此时木本植物和草本植物花粉异常贫乏,说明干冷的气候造成植被减少,故炭屑浓度较低。

通过炭屑记录与高分辨率石笋记录与格陵兰冰芯记录的比较,发现研究区火灾的发生与冷干事件高度相关,火灾活动强烈期主要对应于H事件、LGM以及亚周期的干旱事件,DO事件对应于火活动减弱期,Hubau等也认为干旱是自然火灾的主要驱动因素[38]。同时,MIS2期比MIS3期在火的强度和频率上都要高,MIS2期的地方火灾均导致陆地生态系统的波动,而MIS3期的火灾强度和范围都要小的多,这与欧洲的火灾模式显著不同。

4.2 东亚火灾模式对比

东亚地区的石笋[34- 36]、湖泊[39]等记录均显示东亚地区的季风环流存在大范围的千年尺度的旋回,受东亚季风气候的影响,火灾事件,是否存在大区域相似的火灾模式,尤其是无人类干扰之前的火灾模式,这是当前学界较为关注的问题。

图5 东亚地区炭屑记录对比Fig.5 The comparison of Charcoal records in East Asia

长时间尺度的炭屑记录,无论是国内还是国外都较少,已有研究发现处于不同气候区的火灾模式有显著差异[7]。本文主要选取处于同一季风气候影响下的东亚地区炭屑记录进行对比,检讨东亚季风区晚更新世是否存在相似的火灾模式。涉及末次冰期的炭屑记录主要有：南海记录[19- 20]、雷州半岛[9]、洞庭湖[40]、月亮湖记录[41]及云南记录[14]、黄土高原[11,42](图5),其中,本研究与南海、黄土高原、洞庭湖的炭屑记录在轨道尺度上具有较好的一致性,均指示MIS2期火灾活动较MIS3末期火灾强烈。尤其是在南海[19- 20]、黄土高原[11,42]、洞庭湖的记录[40],在 MIS2期间炭屑浓度明显较高。在千年尺度上,黔西高原炭屑记录与渭南、南海、洞庭湖的记录均对H2、LGM有响应,甚至对H2双峰结构的响应也趋于一致。同处东亚季风区的泰国记录[10]及新几内亚的记录[43]也显示出相似的模式。但雷州半岛研究表明,MIS3期火活动要较MIS2期强烈[9],火的发生对应于DO事件(图5),与东亚地区记录显著不同,甚至与南海的记录也有较大差异,造成这种差异原因尚不明确。

通过以上分析,黔西高原火灾记录与东亚季风区火灾在MIS3-MIS2期间的可对比性表明,在轨道尺度上,东亚季风区MIS2期的火活动要较MIS3末期强烈,且火活动主要对应于冷干事件,这与东亚夏季风自MIS3以来逐渐减弱的大趋势相对应。千年尺度上,这些区域的火事件对冷干的H事件、LGM响应事件一致。这与欧洲地区的同期火灾模式有较大差异[7,12- 13]。当然,限于东亚地区长尺度的炭屑记录较有限,需要更多研究来验证。

4.3 火灾发生机制探讨

探讨火灾发生机制在火研究中是一个复杂的问题,火的发生受多种因素的影响,如气候、植被、人类活动等[7]。本研究区位于中国南方亚热带季风区,西南地区孢粉记录指示,既使是干冷的末次冰盛期,降水条件都能提供充足的可燃物[44-46]。检视本研究中的火灾事件,大部分发生于冷干期(千年尺度—百年尺度),炭屑峰值均与中国石笋记录中的干旱事件相对应,如Hulu洞石笋记录[34]中H事件、LGM及亚周期冷干事件对应于炭屑记录中的峰值,而DO事件则对应于炭屑低值。前人研究发现冷干气候造成区域内相对湿度的降低,可能为火灾发生提供了条件[21,38,47-49]。云南青海湖炭屑记录也指示炭屑峰值响应于冷干事件[46]。因此,气候的干湿状况是火灾的主控因子。

植被类型也对火灾产生重要的影响,易燃植被更易引起火灾[50-51]。据已有孢粉分析结果显示,孢粉类型主要是松(Pinus)、冷杉(Abies)、铁杉(Tsuga)、栎属(Quercus)、禾本科(Poaceae)、莎草科(Cyperaceae)为主,从植被类型上来说,植被组成具有易燃的性质,如松、杉、禾本科均是易燃植被[50-51],这为火灾的发生提供了另一重要条件。

5 结论

(1)通过高精度的AMS14C测年及炭屑分析,重建黔西高原的MIS3-MIS2期间的火活动历史：研究区的火灾主要发生在36.3—35、26.2—17.7 cal ka BP期间,其中,中粒炭屑和大炭屑分别在35、26.2、23.6 cal ka BP记录到3次地方火。

(2)火活动呈现与石笋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对应于火灾活动期,而温暖湿润DO事件对应于火活动减弱期。

(3)区域对比发现,在大区域范围上,在东亚季风区MIS2期的火活动要较MIS3末期强烈,且火活动主要对应于冷干事件,这与欧洲地区的火灾模式有显著差异。

(4)本区MIS3-MIS2期间火灾的发生机制主要取决于两个因素：一、气候干湿状况是火灾发生的决定因素,二、植被状况也在一定程度上影响火灾的发生。