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摘要：研究陕西周原全新世黄土剖面磁化率曲线、总有机碳曲线、木炭屑曲线和野火活动及其与生态环境演变的关系结果表明,马兰黄土堆积时期气候干旱,在当时半荒漠草原上当地时常有自然野火发生;全新世大暖时期(8500~3100aB.P)气候湿润,生物成壤作用强度大,呈现森林或森林草原自然景观,野火活动极少发生;先周人迁居到周原地区(3100aB.P)开始,人类用火及其放火烧荒开垦农田等活动,加之气候变得干旱,生物化学成壤作用减弱,致使生态环境发生重大变化,自然生态景观向半自然、半人工景观演替;1500aB.P开始可耕种土地几乎开垦殆尽,生态景观完全被人工农田生态景观所代替;而近几百年来随着人口密度和聚落的增加,人类生活用火和垃圾随之加大,人类对土壤环境的干扰进一步增强。
关键词：野火,生态演替,全新世,关中盆地,木炭屑
野火普遍存在于自然界中[1],它既直接影响生态环境结构和功能的演替,又维持并促进生态环境平衡[2]。目前许多科学家利用历史记录、现代火记录、火疤木研究以及沉积物中孢粉、炭屑分析等方法,试图恢复过去野火发生的过程。但文献资料和火疤木时间跨度较短,难以用于探讨更长尺度的生态环境演变和气候动态变化。反映火灾历史时木炭屑记录要求对完整剖面的沉积物连续取样,以避免多次火灾事件的木炭屑混在一起或某些火灾事件被忽略掉,利用沉积物木炭屑分析探讨长期区域野火活动对生态环境的影响有其独特优势。本研究选择黄土高原南部关中盆地周原扶风地区典型剖面木炭屑、磁化率和总有机碳等多项指标,探讨了全新世野火活动与生态环境演变的关系。
1研究区域概况与研究方法
周原扶风地区位于黄土高原南部、关中盆地西部,研究区匠阳村剖面位于扶风县北台塬面上,海拔高度685m,出露于约4~5m高的陡坎,临近先周歧邑遗址外围。该剖面黄土-古土壤序列发育完整连续且层位稳定,界限分明,结合野外观察记录和实验室内分析,可将本剖面全新世地层划分为0~40cm现代表土层(MS)、40~80cm黄土层(L0)、80~160cm上部古土壤层(S10)、160~190cm黄土夹层(Lx)、190~242cm下部古土壤层(S20)、242~265cm过渡层(Lt)和265cm以下典型的马兰黄土层(L1)。对匠阳村剖面进行详细野外观察并自地表向下每2cm为单位共连续采集190个样品。根据地层学原理,参考前人在渭南和洛川剖面对全新世底界和黄土层底界界线以及眉县清湫村剖面序列的研究,初步确定匠阳村剖面年代序列[3]。称取风干样品10g,用研钵研至粒径<2mm后用WCL-1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0.15g置于仪器配备的方舟中,加入10mol/L盐酸3滴,充分反应后采用德国HighTOC-2型仪器测定其总有机碳含量。每样品取土50g,采取重液悬浮法,在光学显微镜下根据炭屑长轴分<50μm、50~100μm和>100μm3个等级统计炭屑数,每样品统计百粒至几千粒不等,样品分析时加入已知计数花粉以换算木炭屑浓度。
2结果与分析
黄土剖面磁化率被认为与当地受东南季风控制的降水量变化密切相关。图1表明匠阳村磁化率随深度不同存在明显变化,其变化范围为30×10-6~170×10-6cgs,最低值(30~80×10-6cgs)出现在马兰黄土层(L1)及钙积过渡层(Lt),最高值(140~170×10-6cgs)出现在2个古土壤层S10和S20层位上,现代黄土层(L0)次之(120×10-6cgs)。匠阳村剖面总有机碳含量变化明显,尤其是古土壤层S10含量>4.5g/kg,反映当时生物成壤作用强烈,而马兰黄土层则降低至2g/kg以下,受到当时冰期干旱气候限制,生物成壤作用很弱。匠阳村剖面木炭屑总浓度变化为200~2000粒/g,剖面>100μm木炭屑浓度变化为1~350粒/g,50~100μm中值粒径木炭屑浓度为10~400粒/g,<50μm木炭屑浓度为150~1200粒/g,剖面各种粒径木炭屑浓度波动与地层层序变化相吻合。马兰黄土堆积时期各粒级木炭屑浓度较高,全新世早、中期各类型木炭屑浓度减少,且粗、中粒级减少最为明显,全新世晚期木炭屑浓度大幅增加且峰谷交替,木炭屑浓度出现峰值。
黄土和古土壤总有机碳实质包含生物成壤作用形成的腐殖质中有机碳含量和野火形成的木炭屑有机碳成分。比较匠阳村剖面总有机碳曲线和木炭屑曲线可知,总有机碳主要反映土壤有机质积累状况,其含量高低与气候变化和植被盖度变化量呈正相关,总有机碳值高表示植被较茂盛,环境温暖湿润,生物成壤作用较强;总有机碳值低则表示环境较干旱,植被相对稀少,土层有机质积累少。磁化率是较好的气候替代指标,剖面磁化率高表示环境温暖湿润和强烈的粘化成壤作用,磁化率低表示环境相对干旱。木炭屑是野火活动记录最理想的代用指标,对木炭屑浓度变化定量分析可恢复地质历史中野火发生的频率、强度及其变化。木炭屑浓度高表示野火活动强烈,反之则野火活动微弱;木炭屑大小可反映野火发生源区范围远近,粗、中粒木炭屑主要来源于本地发生的野火,细粒木炭屑源区可能相对较远、较广[4]。根据木炭屑浓度分析结果,马兰黄土堆积时期半荒漠草原生态环境区域性和当地性野火常有发生。该剖面全新世经历了3个阶段(见图1和图2),全新世早期(11500~8500aB.P)处于干冷向温湿过渡期,生物量积累增加,但气候较干旱,为野火活动发生提供了可能,中粒木炭屑浓度出现峰值,表明有野火活动且较频繁;全新世大暖期(8500~3100aB.P)夏季风显著,为全新世最温湿时期,植被茂盛,古土壤发育强烈,形成淋溶褐土,有机质积累丰富,呈现森林和森林草原景观[5],进入新石器时代后该地点附近地区似乎野火活动极少发生,但细小颗粒木炭屑的大量出现表明周原其他地方可能有野火发生(见图2),这可能与当时人类生活用火和放火、围猎及开垦荒边等活动有关,标志着人类已开始参与生态环境演变过程,但当时种植业处于初期,自然景观仍未改变;全新世晚期风尘堆积加速,成壤作用迅速减弱,成为全新世又一相对干旱阶段,降水量减少,生物化学成壤作用减弱,生物有机量大幅降低。但此时各类木炭屑浓度大幅增加,表明此时野火活动频繁发生。
3100aB.P(相当于商末时代)时遗留下来的先周文化遗迹(见图1和图2)表明,先周人受游牧民族袭扰,被迫南迁至周原地区[6]开垦土地,发展耕作农业,此时木炭屑峰值主要由人类活动产生,很可能是放火毁林,以便于开垦荒地、种植农作物的结果。故3100aB.P是周原生态环境发生根本性变化的转折点,标志着自然景观向半自然、半人工景观演变。至1500aB.P(隋唐前)周原人类放火烧荒、开垦土地达到高潮,这种大规模、大范围长期植被破坏与相对干旱气候结合,使生态自然景观进一步退化,加剧了气候的干旱化程度。由木炭屑曲线可知1500aB.P后前半期周原各类木炭屑浓度大大减少,其原因很可能是由于荒地全部开垦殆尽,当地几乎全部呈现为农田人工景观,因而不会大规模放火烧荒所致,1500aB.P标志着周原生态景观向人工自然复合生态景观转变;后半期当地大颗粒木炭屑增加,人类干扰大大加强,很可能表明近几百年(清朝时期)由于人口增加,聚落规模扩大,人类生活用火和垃圾增加,导致周原表土层木炭屑浓度增加。
3小结与讨论
野火直接影响生态环境结构和功能的演变[7],是常见的生态干扰因素之一。全新世生态环境演变受多种因素制约,它通过磁化率、总有机碳反映气候干冷、暖湿的变化,木炭屑反映野火发生强度、频率以及相关历史文献,气候变化背景下野火成为驱动周原黄土塬区生态环境演变的1个直接因素,随人类活动范围的扩大,人为火促成的野火活动已成为加速全新世生态环境演变的重要因素。研究野火活动及人类活动与生态环境演变的关系,对了解和认识全新世生态环境演变具有重要意义。
参考文献
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3黄春长,庞奖励等.渭河流域先周-西周时代环境和水土资源退化及其社会影响.第四纪研究,2003,23(4):405~414
4孙湘君,李逊,陈怀成.南海北部最近37kɑ以来天然火与气候.中国科学(D),2000,30(2):167~168
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6黄春长.渭河流域3100年前资源退化与人地关系演变.地理科学,2001,21(1):32~33
7JennyMoore.ForestfireandhumaninteractionintheearlyHolocenewoodlandsofBritain.Palaeography,Palaeolimatology,Palaeoecology,2000,164:125~137
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