黄土高原北部全新世野火的古环境记录

黄土高原北部全新世野火的古环境记录

世界干旱半干旱生态系统中的野火活动普遍存在。野火活动一方面直接影响着生态环境结构和功能的演变,另一方面野火维持和促进了生态环境的平衡。在特定的生态景观中野火发生频度、强度变化可能与气候、植被类型和人类活动之间存在着复杂的相互作用。同时,人类活动也是诱发野火活动的一个非常重要因素。存在于黄土-土壤地层中的木炭屑被认为是反映野火活动历史的重要指标。木炭屑在空间上分布很广,在时间上可以提供几千年甚至几万年火的连续记录,同时具有结构保存完好,原地埋藏,能真实、客观地反映当时的野火活动。目前,许多学者利用多种手段对木炭屑进行深入研究取得了一定成果[11,12,13,14,15,16,17,18,19]。鉴于此,本研究通过磁化率、TOC、木炭屑等多种手段进行室内分析和测定,试图探讨野火活动以及人类活动与陇东黄土高原北部生态环境的相互作用,进一步揭示陇东黄土高原北部全新世生态环境的演变过程。1全新世黄土-农田景观本研究区所在的甘肃省合水县马家塬位于陇东黄土高原区的中部,子午岭以西,马莲河中游地区的黄土丘陵残塬,海拔高度1400m,河谷切割深度为200～300m,当地年平均气温为7～10℃,1月份平均气温-4～8℃,7月份平均气温19～22℃;年降水量约为450～550mm,比较稳定的平坦地面发育着黑垆土,目前为农田景观(图1)。全新世黄土-土壤剖面MJY-A(剖面深度280cm)位于合水县一个残塬边缘平坦地面,邻近著名旧站寺洼文化遗址。整个剖面黄土与土壤层次清晰可见,剖面下部露出晚更新世马兰黄土,上部为全新世黄土与古土壤序列。结合野外观察记录并进行室内观察描述和分析,自上而下将全新世剖面划分为:0～45cm为现代表土层(TS);45～88cm为现代黄土层(L0);88～180cm为黑垆土古土壤层(S0);180～210cm为黄土过渡层(Lt);210cm以下为典型马兰黄土(L1)。研究剖面位置选在旧站遗址区的外围,避开了建筑群、墓葬、陶窑等当时人类遗留的遗迹,因而当时人类活动对于这些沉积剖面的形成影响不大。同时,剖面相应层位又含有可供鉴别的人类活动的可靠证据。2林木屑数量的测定在MJY-A剖面进行详细的野外观察基础上,从地表开始向下2cm间距为单位进行高密度连续采样,共采140个样品。然后对所有样品分别进行磁化率、总有机碳(TOC)、木炭屑测定和分析。其步骤为:称取风干样品10g,用研钵研至粒径小于2mm后用Bartington-MS2型磁化率仪测量其磁化率;取烘干样品50g,研磨至200目以下,取其0.15g置于仪器配备的方舟中,加入10ml/L盐酸3滴,使其充分反应后,采用德国High-TOCⅡ型仪器测定其总有机碳含量;称取样品50g,采取重液悬浮法,在光学显微镜下,根据木炭屑粒径分小于50μm,50～100μm和大于100μm的3个等级统计木炭屑数量,每个样品统计百粒至几千粒不等,样品统计时加入已知计数花粉以换算木炭屑浓度。同时在陕西师范大学TL/OSL实验室,利用RisTL/OSL-DA-15型释光断代仪,采用细颗粒单片再生法分别对该剖面深度为50～52cm,98～100cm和130～132cm的样品进行了光释光(OSL)年代测定。3rra-pcr的古土壤条件根据光释光断代、文化遗物的考古断代以及岩性地层学原理建立了MJY-A剖面年代框架。在MJY-A剖面中,深度210cm为末次冰期风积马兰黄土(L1)与全新世早期黄土过渡层(Lt)界限,根据格陵兰冰芯氧同位素记录,目前对全新世起点(即Younger-Dryas终点)通用日历年代11500aB.P.;深度为88～180cm出现强烈成壤的黑垆土,其中165～170cm发现新石器早期的前仰韶老官台文化遗物(14C年代8000～7000aB.P.),包括桔红色、褐色的陶片,故确定180cm为全新世大暖期的起点,年代为8500aB.P.;在深度88～86cm发现了寺洼文化灰色陶片等遗物(14C年代3195±95aB.P.或3050±120aB.P.),此时古土壤S0成壤终止,故把88cm确定为3100aB.P.;45cm深度以上为1500aB.P.以来形成的耕作土壤。在MJY-A剖面中深度50～52cm,98～100cm和130～132cm的OSL的年代分别为2000±100aB.P.,3250±220aB.P.和4800±300aB.P.,这为从MJY-A剖面所获得气候指标提供可靠的年代参照。4my-a黄土-土壤木屑及炭炭矿物理特性在中国黄土-古土壤剖面序列研究中,磁化率是最重要气候替代指标之一。黄土剖面磁化率曲线变化与当地受东南季风控制的降水量变化密切联系,它记录了黄土堆积期间生物成壤强度的变化。从MJY-A剖面的磁化率曲线变化趋势上来看(图2),总的变化趋势明显与地层层序变化相吻合。磁化率值在35×10-8～134×10-8m3/kg之间变化,最低值(35×10-8～80×10-8m3/kg)出现在末次冰期马兰黄土(L1)堆积时期和全新世早期过渡层(Lt),最高值(100×10-8～134×10-8m3/kg)出现在古土壤形成时期;而表土层(TS)、现代黄土(L0)次之(80×10-8m3/kg)。这些表明马兰黄土形成时期气候干旱,粉尘堆积作用显著,古土壤S0时期,气候温暖湿润,而现代黄土(L0)(<100×10-8m3/kg)、表土层TS形成时气候进入相对干旱阶段(见图2)。总有机碳(TOC)含量变化可以指示黄土堆积时期生物-成壤的强度变化。从MJY-A剖面中总有机碳实验结果来看(见图2),TOC含量在0.08%～0.83%范围内变化,最低值(0.08%～0.20%)出现在马兰黄土(L1)堆积时期,表明末次冰期半荒漠环境下气候寒冷而干旱,植物生长受阻,生物成壤作用微弱;古土壤层S0总有机碳含量较高(0.25%～0.39%),表明当时气候湿润,植被生长茂盛,生物成壤过程活跃;而该剖面最高值出现在上部的现代耕作层(0.39%～0.83%),可能是由于耕作层位含有未分解和半分解的植物残余体。被称为野火活动直接记录的木炭屑浓度大小表示地质时期野火活动频率、强度变化,从MJY-A黄土-土壤剖面木炭屑分析结果来看(见图2):总木炭屑浓度在250～1200粒/g,并且出现多次超过1200粒/g峰值。其中细粒木炭屑(<50μm)浓度在200～800粒/g,这可能指示区域范围内野火活动频繁发生变化;而粗粒木炭屑(>50μm)浓度在4～80粒/g,表示本地野火频繁发生变化。从MJY-A黄土-土壤剖面木炭屑分布上看,木炭屑浓度最高值出现在末次冰期马兰黄土(L1)堆积时期和过渡层(Lt),而低值出现在古土壤层(S0)全新世中期,黄土层(L0)和现代表土层(TS)的木炭屑浓度也较低。5讨论和结论(1)生物成壤作用从MJY-A剖面木炭屑的分析结果来看,马兰黄土(L1)堆积时期各个粒级木炭屑浓度出现最高值,表明在距今11500年前,区域性自然野火和本地自然野火活动都频繁发生(见图2);而从MJY-A剖面气候指标来看(见图2),较低的磁化率值(35×10-8～85×10-8m3/kg)和浓度较低的总有机碳量(0.08%～0.20%)表明末次冰期寒冷而干旱,生物成壤作用微弱(见图2),风尘堆积速率较快,各个粒级木炭屑(尤其粗粒木炭屑)沉积量显著增加并很好保存于地层当中。从木炭屑传播和沉积规律来看,粗粒木炭屑的传播距离较短,反映自然野火火源区与沉积区的距离相对较近,可以指示本地野火频繁发生。这些因素排除了黄土风尘堆积速率的变化可能对木炭屑沉积的影响,从而更多真实反映野火发生的自然环境。孢粉记录表明此阶段花粉浓度很低,以蒿属、禾本科、菊科等草本植物为主。可见,在末次冰期和全新世早期陇东黄土高原北部地区呈现半干旱荒漠草原景观。相当于今天的内蒙古干旱草原,在这干旱环境下易燃的植被类型为野火发生提供物质条件,每逢春季,气候干旱而变暖,草原自然野火发生非常频繁。当野火发生后,此区域地表残留的大量木炭屑、植物的残骸被风或水搬运,加速了黄土风蚀过程,从而导致干旱草原生态系统的原生演替。而由过渡性黄土(Lt)代表的全新世早期(11500～8500aB.P.)气候逐渐转暖变湿,野火发生频率明显降低。与此同时,考古记录表明末次冰期和全新世早期陇东黄土高原北部地区缺乏人类活动,因此,可以推断8500aB.P.以前,在陇东黄土高原北部半干旱荒漠草原上出现大量粗粒木炭屑是自然野火频繁发生的直接证据。(2)更新后的土壤性质按照理论上讲,研究地区仅仅凭借木炭屑浓度而从野火活动中识别出人为引起的火灾,几乎不大可能。必须借助于磁化率、TOC等气候替代指标和历史资料或考古学方面的资料加以综合分析。MJY-A剖面全新世中期阶段气候指标表明(见图2)此阶段进入全新世以来最为温暖、湿润的适宜时期。如果粗略地计算沉积速率,MJY-A剖面在全新世古土壤沉积速率比马兰黄土堆积时期明显降低,而此阶段达到最高磁化率值(83×10-8～134×10-8m3/kg)和较高浓度的总有机碳量(0.25%～0.39%)表明在全新世适宜期生物风化成壤作用强烈,粉尘的沉降量较小,成壤速率大于堆积速率,与此同时,尽管随着降水的增加,流水作用增强,但由于地表面有大量植被的覆盖,表土中又有植物根系的固结作用,土壤的抗蚀能力较强,土壤并没有受到明显侵蚀而发育完整,这为木炭屑沉积提供良好外部沉积环境。孢粉记录表明此阶段随着气温逐渐升高,乔木花粉明显增多。从木炭屑分析结果来看(见图2),各级粒径木炭屑浓度以及木炭屑沉积量较马兰黄土(L1)堆积时期大幅度下降,表明在全新世适宜期陇东黄土高原北部由原来半干旱荒漠草原景观向森林草原景观演替。类似于今天的内蒙古草原的火情时空分布变化,在这适宜气候环境下陇东黄土高原北部发生自然野火几率很小。然而MJY-A剖面古土壤S0地层的底部160～170cm发现高浓度粗粒木炭屑并呈现3～4次峰值波动(粗粒径木炭屑浓度达到60粒/g),同时含有桔黄色、褐色陶片等文化遗物(8000～7000aB.P.),可以推断这些粗粒木炭屑可能是新石器时代前仰韶文化早期老官台文化的人类在本地的森林-草原过渡带放火毁林,开垦土地,种植农作物的结果。在8000～7000aB.P.时期人类活动是诱发野火发生的一个非常重要因素,这标志着人类开始改造自然。(3)总有机碳含量较高的装置从MJY-A剖面全新世晚期阶段的气候指标表明(见图2)此阶段进入全新世以来又一次相对干旱阶段,此阶段磁化率处于较低值(70×10-8～120×10-8m3/kg)表明在全新世晚期陇东黄土高原北部,风尘堆积速率加速,生物成壤作用迅速减弱,降水量减少,而此阶段在现代黄土层(L0)中总有机碳(0.2%～0.8%)含量较高,可能是由于残留的植物根系及枯枝落叶被分解以后的结果。从木炭屑分析结果来看此阶段木炭屑浓度降低并呈现多次峰值波动(粗粒径木炭屑浓度达30粒/g),同时在现代黄土层L0的底部88～86cm处发现了寺洼文化遗物(校正的14C年代为3250～2650aB.P.),这些可能是猃狁(或者犬戎、北狄)游牧民族在本区