關(guān)于周原全新世土壤剖面木炭屑與野火活動(dòng)的關(guān)系研究

　　論文關(guān)鍵詞：　野火　生態(tài)演替　全新世　關(guān)中盆地　木炭屑

　　論文摘要：　研究陜西周原全新世黃土剖面磁化率曲線(xiàn)、總有機碳曲線(xiàn)、木炭屑曲線(xiàn)和野火活動(dòng)及其與生態(tài)演變　的關(guān)系結果表明,馬蘭黃土堆積時(shí)期氣候干旱,在當時(shí)半荒漠草原上當地時(shí)常有自然野火發(fā)生;全新世大暖時(shí)期(8500~3100aB.P)氣候濕潤,生物成壤作用強度大,呈現森林或森林草原自然景觀(guān),野火活動(dòng)極少發(fā)生;先周人遷居到周原地區(3100aB.P)開(kāi)始,人類(lèi)用火及其放火燒荒開(kāi)墾農田等活動(dòng),加之氣候變得干旱,生物化學(xué)成壤作用減弱,致使生態(tài)環(huán)境發(fā)生重大變化,自然生態(tài)景觀(guān)向半自然、半人工景觀(guān)演替;1500aB.P開(kāi)始可耕種土地幾乎開(kāi)墾殆盡,生態(tài)景觀(guān)完全被人工農田生態(tài)景觀(guān)所代替;而近幾百年來(lái)隨著(zhù)密度和聚落的增加,人類(lèi)生活用火和垃圾隨之加大,人類(lèi)對土壤環(huán)境的干擾進(jìn)一步增強。

　　Key  words：　Wildfire,Change of ecology,Holocene,Guanzhong Basin,Charcoal

　　Abstract：The relationships among soil charcoal in Holocene,wildfire and its change of ecological environment were studied.The results show that in the phase of piling of Malan loess,the climate was arid and wildfire often occurred onsemi-desert grassland.During the period of soil formation,bio-pedogenic processes were so active that forests or forest-grassland formed with the arrival of humid warmer climate of the Holocene Megathermal.Therefore,the wildfire activitiesseldom occurred.However,by the time of 3100aB.P,with the settlement of Zhouyuan people and human manipulation ofthe environment through the use of the fire,great changes had taken place,varying from natural ecology to semi-naturaland semi-artificial ecology.Since 1500aB.P,the arable farmland almost disappeared,resulting in artificial ecology in placeof natural ecology.For hundreds of years,with the growth of the world population,tremendous requirements of fires hadincreased with a large amount production of rubbish and human activities had also caused great damage to the soil environ-ment.

　　野火普遍存在于自然界中[1],它既直接影響生態(tài)環(huán)境結構和功能的演替,又維持并促進(jìn)生態(tài)環(huán)境平衡[2]。目前許多科學(xué)家利用記錄、現代火記錄、火疤木研究以及沉積物中孢粉、炭屑分析等方法,試圖恢復過(guò)去野火發(fā)生的過(guò)程。但文獻資料和火疤木時(shí)間跨度較短,難以用于探討更長(cháng)尺度的生態(tài)環(huán)境演變和氣候動(dòng)態(tài)變化。反映火災歷史時(shí)木炭屑記錄要求對完整剖面的沉積物連續取樣,以避免多次火災事件的木炭屑混在一起或某些火災事件被忽略掉,利用沉積物木炭屑分析探討長(cháng)期區域野火活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境的影響有其獨特優(yōu)勢。本研究選擇黃土高原南部關(guān)中盆地周原扶風(fēng)地區典型剖面木炭屑、磁化率和總有機碳等多項指標,探討了全新世野火活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境演變的關(guān)系。

　　1　研究區域概況與研究方法

　　周原扶風(fēng)地區位于黃土高原南部、關(guān)中盆地西部,研究區匠陽(yáng)村剖面位于扶風(fēng)縣北臺塬面上,海拔高度685m,出露于約4~5m高的陡坎,臨近先周歧邑遺址外圍。該剖面黃土-古土壤序列發(fā)育完整連續且層位穩定,界限分明,結合野外觀(guān)察記錄和實(shí)驗室內分析,可將本剖面全新世地層劃分為0~40cm現代表土層(MS)、40~80cm黃土層(L0)、80~160cm上部古土壤層(S10)、160~190cm黃土夾層(Lx)、190~242cm下部古土壤層(S20)、242~265cm過(guò)渡層(Lt)和265cm以下典型的馬蘭黃土層(L1)。對匠陽(yáng)村剖面進(jìn)行詳細野外觀(guān)察并自地表向下每2cm為單位共連續采集190個(gè)樣品。根據地層學(xué)原理,參考前人在渭南和洛川剖面對全新世底界和黃土層底界界線(xiàn)以及眉縣清湫村剖面序列的研究,初步確定匠陽(yáng)村剖面年代序列[3]。稱(chēng)取風(fēng)干樣品10g,用研缽研至粒徑<2mm后用WCL-1型磁化率儀測量其磁化率。取烘干樣品50g,研磨至200目以下取0.15g置于儀器配備的方舟中,加入10 mol/L鹽酸3滴,充分反應后采用德國High TOC-2型儀器測定其總有機碳含量。每樣品取土50g,采取重液懸浮法,在光學(xué)顯微鏡下根據炭屑長(cháng)軸分<50μm、50~100μm和>100μm 3個(gè)等級炭屑數,每樣品統計百粒至幾千粒不等,樣品分析時(shí)加入已知計數花粉以換算木炭屑濃度。

　　2　結果與分析

　　黃土剖面磁化率被認為與當地受東南季風(fēng)控制的降水量變化密切相關(guān)。圖1表明匠陽(yáng)村磁化率隨深度不同存在明顯變化,其變化范圍為30×10-6~170×10-6cgs,最低值(30~80×10-6cgs)出現在馬蘭黃土層(L1)及鈣積過(guò)渡層(Lt),最高值(140~170×10-6cgs)出現在2個(gè)古土壤層S10和S20層位上,現代黃土層(L0)次之(120×10-6cgs)。匠陽(yáng)村剖面總有機碳含量變化明顯,尤其是古土壤層S10含量>4.5 g/kg,反映當時(shí)生物成壤作用強烈,而馬蘭黃土層則降低至2g/kg以下,受到當時(shí)冰期干旱氣候限制,生物成壤作用很弱。匠陽(yáng)村剖面木炭屑總濃度變化為200~2000粒/g,剖面>100μm木炭屑濃度變化為1~350粒/g,50~100μm中值粒徑木炭屑濃度為10~400粒/g,<50μm木炭屑濃度為150~1200粒/g,剖面各種粒徑木炭屑濃度波動(dòng)與地層層序變化相吻合。馬蘭黃土堆積時(shí)期各粒級木炭屑濃度較高,全新世早、中期各類(lèi)型木炭屑濃度減少,且粗、中粒級減少最為明顯,全新世晚期木炭屑濃度大幅增加且峰谷交替,木炭屑濃度出現峰值。

[1]    

　　黃土和古土壤總有機碳實(shí)質(zhì)包含生物成壤作用形成的腐殖質(zhì)中有機碳含量和野火形成的木炭屑有機碳成分。比較匠陽(yáng)村剖面總有機碳曲線(xiàn)和木炭屑曲線(xiàn)可知,總有機碳主要反映土壤有機質(zhì)積累狀況,其含量高低與氣候變化和植被蓋度變化量呈正相關(guān),總有機碳值高表示植被較茂盛,溫暖濕潤,生物成壤作用較強;總有機碳值低則表示環(huán)境較干旱,植被相對稀少,土層有機質(zhì)積累少。磁化率是較好的氣候替代指標,剖面磁化率高表示環(huán)境溫暖濕潤和強烈的粘化成壤作用,磁化率低表示環(huán)境相對干旱。木炭屑是野火活動(dòng)記錄最理想的代用指標,對木炭屑濃度變化定量分析可恢復中野火發(fā)生的頻率、強度及其變化。木炭屑濃度高表示野火活動(dòng)強烈,反之則野火活動(dòng)微弱;木炭屑大小可反映野火發(fā)生源區范圍遠近,粗、中粒木炭屑主要來(lái)源于本地發(fā)生的野火,細粒木炭屑源區可能相對較遠、較廣[4]。根據木炭屑濃度分析結果,馬蘭黃土堆積時(shí)期半荒漠草原生態(tài)環(huán)境區域性和當地性野火常有發(fā)生。該剖面全新世經(jīng)歷了3個(gè)階段(見(jiàn)圖1和圖2),全新世早期(11500~8500aB.P)處于干冷向溫濕過(guò)渡期,生物量積累增加,但氣候較干旱,為野火活動(dòng)發(fā)生提供了可能,中粒木炭屑濃度出現峰值,表明有野火活動(dòng)且較頻繁;全新世大暖期(8500~3100aB.P)夏季風(fēng)顯著(zhù),為全新世最溫濕時(shí)期,植被茂盛,古土壤發(fā)育強烈,形成淋溶褐土,有機質(zhì)積累豐富,呈現森林和森林草原景觀(guān)[5],進(jìn)入新石器時(shí)代后該地點(diǎn)附近地區似乎野火活動(dòng)極少發(fā)生,但細小顆粒木炭屑的大量出現表明周原其他地方可能有野火發(fā)生(見(jiàn)圖2),這可能與當時(shí)人類(lèi)生活用火和放火、圍獵及開(kāi)墾荒邊等活動(dòng)有關(guān),標志著(zhù)人類(lèi)已開(kāi)始參與生態(tài)環(huán)境演變過(guò)程,但當時(shí)種植業(yè)處于初期,自然景觀(guān)仍未改變;全新世晚期風(fēng)塵堆積加速,成壤作用迅速減弱,成為全新世又一相對干旱階段,降水量減少,生物化學(xué)成壤作用減弱,生物有機量大幅降低。但此時(shí)各類(lèi)木炭屑濃度大幅增加,表明此時(shí)野火活動(dòng)頻繁發(fā)生。

　　　

   [2]   

　　3100aB.P(相當于商末時(shí)代)時(shí)遺留下來(lái)的先周遺跡(見(jiàn)圖1和圖2)表明,先周人受游牧襲擾,被迫南遷至周原地區[6]開(kāi)墾土地,發(fā)展耕作,此時(shí)木炭屑峰值主要由人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生,很可能是放火毀林,以便于開(kāi)墾荒地、種植農作物的結果。故3100aB.P是周原生態(tài)發(fā)生根本性變化的轉折點(diǎn),標志著(zhù)自然景觀(guān)向半自然、半人工景觀(guān)演變。至1500aB.P(隋唐前)周原人類(lèi)放火燒荒、開(kāi)墾土地達到高潮,這種大規模、大范圍長(cháng)期植被破壞與相對干旱氣候結合,使生態(tài)自然景觀(guān)進(jìn)一步退化,加劇了氣候的干旱化程度。由木炭屑曲線(xiàn)可知1500aB.P后前半期周原各類(lèi)木炭屑濃度大大減少,其原因很可能是由于荒地全部開(kāi)墾殆盡,當地幾乎全部呈現為農田人工景觀(guān),因而不會(huì )大規模放火燒荒所致,1500aB.P標志著(zhù)周原生態(tài)景觀(guān)向人工自然復合生態(tài)景觀(guān)轉變;后半期當地大顆粒木炭屑增加,人類(lèi)干擾大大加強,很可能表明近幾百年(清朝時(shí)期)由于增加,聚落規模擴大,人類(lèi)生活用火和垃圾增加,導致周原表土層木炭屑濃度增加。

　　3　小結與討論

　　野火直接影響生態(tài)環(huán)境結構和功能的演變[7],是常見(jiàn)的生態(tài)干擾因素之一。全新世生態(tài)環(huán)境演變受多種因素制約,它通過(guò)磁化率、總有機碳反映氣候干冷、暖濕的變化,木炭屑反映野火發(fā)生強度、頻率以及相關(guān)文獻,氣候變化背景下野火成為驅動(dòng)周原黃土塬區生態(tài)環(huán)境演變的1個(gè)直接因素,隨人類(lèi)活動(dòng)范圍的擴大,人為火促成的野火活動(dòng)已成為加速全新世生態(tài)環(huán)境演變的重要因素。研究野火活動(dòng)及人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境演變的關(guān)系,對了解和認識全新世生態(tài)環(huán)境演變具有重要意義。

參考文獻

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2　陳利頂,傅伯杰.干擾的類(lèi)型、特征及其生態(tài)學(xué)意義.生態(tài)學(xué)報,2000,20(4):582~583

3　黃春長(cháng),龐獎勵等.渭河流域先周-西周時(shí)代環(huán)境和水土資源退化及其影響.第四紀研究,2003,23(4):405~414

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6　黃春長(cháng).渭河流域3100年前資源退化與人地關(guān)系演變.科學(xué),2001,21(1):32~33

7　Jenny Moore.Forest fire and human interaction in the early Holocene woodlands of Britain.Palaeography,Palaeolimatology,Palaeoecology,2000,164:125~137

    [3] 

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