南海北部最近37 ka以来天然火与气候

孙湘君　李逊　陈怀成

^{火灾是人类的灾难,但对自然界来说却是一种正常现象.在某些情况下,天然火是植被动态演化不可缺少的因素之一[1].此外,天然火的发生需要一定温度、湿度及空气含氧量等气候条件,因而也是气候的重要标志之一.地质时期天然火发生的研究不仅有助于理解植被动态演化过程,而且也是古气候再造的一个重要途径.
　　沉积物中的炭屑是火灾的替代性指标,通过炭屑的定量统计和形态分析等手段,可以恢复地质历史中火灾发生的频率、强度及其变化.炭屑是植物体不完全燃烧时的产物,它可以保存原来植物的某些结构,也可以是无结构的球形体,在花粉分析中常见的黑色团块,其中大部分是炭屑.在一次火灾后,少量炭屑约1.5%～2%可随着烟雾升空,而后随风传播[2].但大部分炭屑滞留原地,然后由雨水携带至沉积盆地:湖盆或海盆[3,4].炭屑在沉积物中可以保存数千万年不变,可以作为火灾历史的最好记录[5].
　　在南海北部位于大陆坡的17940孔的沉积物中除孢子花粉外,还发现大量炭屑,尤其是在末次盛冰期时达到高峰.本文拟根据炭屑的统计数量结合有生态指示意义的花粉类型来探讨南海末次冰期以来气候和环境演化的特征.}

1 材料及方法

^{在光学显微镜下根据炭屑最长轴的长度将其分为3个等级,即10～50 μm(细粒),50～100μm(中粒),100μm以上(粗粒).每个样品统计炭屑数百粒至三、四千粒不等,样品在分析前加入石松孢子片剂,以计算炭屑浓度(炭屑数/mL).}

2 结果

图3 南海北部17940 站炭屑浓度与孢粉浓度比值图
A 为炭屑总浓度/花粉浓度, B 为粗粒炭屑浓度/花粉浓度, C 为中粒炭屑浓度/花粉浓度, D 为细粒炭屑浓度/花粉浓度, E 为
花粉浓度, F 为分带

　　17940孔冰期时，反映相对温干的蒿属花粉为优势的组合与反映相对冷湿的山地针叶树花粉为特征的组合交替出现,形成多个旋回[^8,9].将这些花粉记录与炭屑进行比较,可以探讨当时火灾发生的背景.
　　根据炭屑浓度在剖面上的变化将其划分为4个带(图2),分述如下.
　　(1) C1带( 13.06～10.5 m,约37.0～25.3 kaBP) 根据AMS ¹⁴C测年及氧同位素资料,这一带与氧同位素3期(MOS 3)相当[6].该带炭屑浓度值较高,总浓度在(35～240)×10³粒/mL之间波动,其中以细粒炭屑为主((18～170)×10³粒/mL) ,中粒次之((10～45)×10³粒/mL),粗粒最少((2～30)×10³粒/mL).各类炭屑浓度值波动很大,但总地看,沿剖面向上各类型炭屑浓度值有增加的趋势.
　　C1带与花粉P1-a亚带相当,花粉图式中以山地针叶树为特征的花粉组合与以蒿属占优势的组合交替形成4个旋回[8,9].总地来看,粗粒炭屑浓度高峰值与反映冷湿的山地针叶树花粉百分比高峰值一致,而细粒炭屑浓度的峰值大致与反映干旱气候条件的蒿属花粉高含量值相当,其中有较短时段的例外.中粒炭屑同时具有这两种类型的特征.
　　(2) C2带(10.5～8.7 m,约25.3～15.0 kaBP) 粗、中粒炭屑浓度明显增加,达到整个剖面最高值,波动也更加显著,其中最明显的是粗粒炭屑,平均较C1带约增加一倍.中粒炭屑约增加1/3,细粒炭屑增加不明显,但波动较前剧烈.
　　该带相当于花粉P1-b,P1-c亚带.根据AMS14C测年及氧同位素资料,这一带相当于末次盛冰期(LGM)[6].其下部花粉组合中山地针叶树花粉达到全剖面最高峰,蒿属几乎完全消失.这一段各类型炭屑的浓度值都较高.而该带的上部(相当于P1-c花粉亚带),山地针叶树花粉与蒿属花粉百分比高低交替,形成3个小的旋回.这时粗粒 (包括中粒) 与细粒炭屑峰值开始明显分异,由此向上粗粒炭屑的峰值与山地针叶树花粉百分比高值几乎完全一致.而细粒炭屑则明显与蒿属花粉波动相似.
　　(3) C3带(8.7～6.6 m,约15.0～10.0 kaBP) 此带是从冰期向全新世过渡的冰消期.炭屑的总浓度明显下降((50～100)×103/mL),仅约相当于C2带的1/2，其中中、细粒炭屑减少最为显著,数量也相对稳定.粗粒炭屑仅在该带后期明显减少,各类型炭屑浓度的波动也较前期明显减弱.本带下部(8.7～7.23 m,约15.0～11.3 kaBP)热带低地雨林花粉增加，δ¹⁸O值偏负，相当于Bf lling-Allerf d升温期(B～A)^[6,8,9],总地看炭屑浓度下降很明显，尤其是粗粒炭屑.在本带上部(7.23～6.6 m,11.3～10.0 kaBP)新仙女木降温期（YD）,花粉组合中山地针叶树花粉含量又重新增加,热带低地雨林花粉减少蒿属花粉几乎完全消失^[8,9]，δ¹⁸O值上升^[6].这时粗粒炭屑浓度也明显增加,而细粒炭屑则有所减少.
　　(4) C4带(6.6～0 m,约10.0 kaBP～现在) 此带相当于全新世,各类型炭屑浓度骤然大幅度下降,在10.0～6.0 kaBP之间炭屑总浓度约在(10～25)×103/mL左右.除在6 kaBP前后细粒炭屑有小幅度回升之外,从6～2.5 kaBP炭屑总浓度较6 kaBP之前减少约1/3,其中粗、中粒炭屑几乎消失.近2 500 a以来粗粒炭屑有所增加,而细粒炭屑没有明显变化.
　　该带相当于P3花粉带,花粉组合与冰期时相比有着明显的变化; 山地针叶树及蒿属花粉都大量减少,仅个别出现在组合中.总地看,全新世花粉组合特征与现代南海北部表层沉积物花粉资料相近^[7],说明全新世以来南海北部沿海地区的气候和植被与现代的情况十分相似,与冰期相比温度及湿度都大幅度上升.
　　一次火灾所产生的炭屑总量取决于火灾强度,而后者不仅与当时的气候条件有关,如天气的干燥程度,而且与可供燃烧的生物量及其燃烧性能等有关.只有干旱的气候条件,没有可供燃烧的植被及植物残体等,天然火也是不会发生的.花粉浓度在一定程度上可以代表可供燃烧的生物量,炭屑浓度与陆生植物花粉浓度的比值在某种程度上可以消除生物量对火灾的影响,从而更多地反映火灾发生时的气候条件.
^{从炭屑与陆生植物花粉浓度比值的曲线看(图3),冰期时(C1～C2带)各类型炭屑与陆生植物花粉浓度比值都明显较全新世的高,尤其在末次盛冰期(18.0～15.0 kaBP)粗粒炭屑与花粉的比值达到最高峰.从新仙女木期(C3上部，P2-b)以来该比值骤然下降,至中晚全新世降到最低.中、细粒炭屑与花粉浓度比值在氧同位3期和末次盛冰期大体相同,同样从新仙女木期开始明显降低.}

3 讨论

^{冰期与全新世炭屑浓度值差异很大,冰期较全新世平均可超出3倍以上，而且波动频繁.这说明冰期时天然火发生的强度及频率都较全新世高.从炭屑与花粉的比值看,冰期也较全新世平均高出3倍余,尤其是粗粒炭屑与花粉的比值能高数百倍.因此,可以初步排除可供燃烧的生物量的影响,从而认为冰期时天然火的发生主要是气候干旱所引起的.这一点也可由冰期时出现大量的中旱生草本或灌木蒿属加以佐证.
　　从氧同位素3期到盛冰期(C1～C2),粗粒炭屑浓度明显增加,而细粒炭屑浓度基本上保持稳定.从炭屑传播和沉积规律来看,粗粒炭屑的传播距离较短,即火灾发生的源区应离沉积区较近; 而细粒炭屑源区应较远,传播路程相对较长.当然这也是相对的,因为炭屑在运移、沉积及实验室处理过程中可能分解为更小的碎屑[10].如果假设在整个剖面上这种物理损伤系数是一个常数的话,炭屑的大小仍然可以反映火灾源区与沉积区的相对远近.由此推断,粗粒炭屑可能主要来源于大陆架上发生的天然火,南海北部在末次盛冰期时,海平面大致下降100～120 m[11],北部大陆架出露水面的面积约为24×104 km2.从花粉资料看,出露的大陆架上发育了以蒿属为主的草原植被,代表了一种较为干旱的气候环境,有利于天然火的频繁发生,从而导致冰期时大量粗、中粒炭屑在距大陆架较近的沉积点聚集.至全新世粗、中粒炭屑骤然减少,除了气候因素外,还受到火灾源区的影响.近万年来海平面上升,大陆架为海水淹没,使大陆架上的火灾源区消失，研究区只能接受来自大陆上天然火产生的炭屑.
　　从研究结果可以看到,冰期时炭屑浓度极不稳定,波动频繁.有趣的是,在大部分情况下,炭屑的峰值与可以反映干旱气候的蒿属花粉的峰值不一致,而与反映相对湿润气候的山地针叶林花粉峰值一致,这主要反映在粗粒炭屑的波动变化上.冰期时几乎所有的粗粒炭屑的浓度峰值都与蒿属花粉的峰值呈负相关,而细粒炭屑浓度的波动变化则不同.在9.80 m以上的层位,所有的峰值均可与蒿属花粉峰值一一对应.在9.80 m以下,尽管稍有出入,但总地来看,高浓度的炭屑仍然和高百分比的蒿属花粉大致相当.中粒炭屑同时具有这两种炭屑的特征,这可以从这两种炭屑传播动力的差异上得到解释.前面已谈及,在火灾后,大部分炭屑会被相继的降水携带到沉积盆地[2],炭屑数量与火灾及降水的强度都有一定的关系.因而炭屑记录实际上是火灾-降雨事件的记录1).一般存在3种火灾-降雨机制:(1) 火灾之后马上出现大规模的降雨,在此情况下沉积物中炭屑高峰的形成与火灾发生的时间几乎是同时的; (2) 在降雨滞后于火灾一段时间的情况下,炭屑的峰值代表发生在沉积物形成之前的火灾; (3) 几次火灾之间没有足够大的降水,在这种情况下炭屑的峰值可能代表了多次火灾的记录1).
　　如前所述,粗粒炭屑可能主要来源于南海北部出露的大陆架.冰期时蒿属花粉占优势的组合与山地针叶林为特征的组合频繁交替，说明在冰期干旱气候的背景上还存在千年级准周期相对干旱及相对湿润气候的频繁波动.在相对干旱的阶段,大陆架上覆盖以蒿属为主的草原植被为天然火的发生提供了充足的可供燃烧的生物量,使得天然火频繁而强烈地发生.但可能由于降水不足,使得粗粒炭屑在蒿属花粉峰值出现时浓度并不高; 而当气候相对湿润的阶段,尽管火灾强度及频率均不高,但由于降水的增加,将在干旱阶段所积累的炭屑冲刷到研究区,形成炭屑峰值,使得炭屑峰值明显滞后于蒿属峰值.由此可见,粗粒炭屑可能主要由水动力传播.细粒炭屑可能主要来自南海北部的大陆,冰期时相对干旱条件下大陆上也可能频繁发生火灾,强大的冬季风可将大量的细粒炭屑带入南海.细粒炭屑的浓度在整个冰期阶段一直较高,并且基本与反映干旱的蒿属花粉峰值一致可能正是这个因素所致.}

4 结论

^{(1) 炭屑研究结果表明，南海北部冰期时（C1～C2）炭屑浓度很高，且浓度高低变化频繁，说明当时天然火发生的强度及频率都很高.这种炭屑与天然火发生的特点与当时的干旱气候及干旱程度的波动有关.结合孢粉资料可以看到冰期时气候十分干旱，这是大强度天然火发生的基础.但在冰期干旱的背景上，还有相对温干（蒿属花粉为代表）及相对冷湿（高山针树花粉为代表）的多次波动，使得天然火集中发生在相对更干旱的阶段.其中最干旱及天然火强度最大的是在末次盛冰期（C2）.
　　冰消期（C3）炭屑浓度下降，数量变化也趋于稳定，说明天然火的强度及频率都开始减少.在前期（Bf lling-Allerf d）气温上升，空气干燥，大陆架上仍有天然火发生，但在后期（新仙女木期）气候变冷，降水较多，使得较多的粗粒炭屑在研究区沉积下来.
　　全新世（C4）炭屑浓度很低（仅及冰期时的1/3），而且较稳定，说明天然火的强度及频率都有大幅度下降.究其原因，除了由于大陆架被海水淹没，失去了炭屑的一个来源以外，更重要的原因可能是气候由干旱转为湿润.}(2) 炭屑大小可以反映火灾源区的相对远近,粗、中粒炭屑主要来源于出露的大陆架上发生的天然火,细粒炭屑的源区可能相对较广.
　　(3) 粗、细粒炭屑的传播机制明显不同:细粒炭屑可能来源于相对干旱条件下大陆上的天然火,由强大的冬季风带入南海; 而粗粒炭屑则可能是当气候相对湿润时,由于降水的增加将在干旱阶段在出露的大陆架上所积累的炭屑冲刷到研究区并沉积下来.

孙湘君(中国科学院植物研究所,北京　100093)
孙湘君(同济大学海洋地质开放实验室,上海　200092)
李逊(中国科学院植物研究所,北京　100093)
陈怀成(中国科学院植物研究所,北京　100093)

^参考文献