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Charcoal records of Holocene loess-soil sequences and its palaeoenvironmental significance in Weihe River Drainage

渭河流域全新世土壤剖面木炭屑记录及其古环境意义



全 文 :中国生态农业学报 2010年 1月 第 18卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2010, 18(1): 25−30


* 国家自然科学基金项目(40571154, 40771018)资助
谭志海(1974~), 男, 讲师, 在读博士, 研究方向为资源开发与环境演变。E-mail: tonishtan@163.com
收稿日期: 2009-01-17 接受日期: 2009-05-10
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00025
渭河流域全新世土壤剖面木炭屑
记录及其古环境意义*
谭志海 1,2 黄春长 1 庞奖励 1 张占平 1
(1. 陕西师范大学旅游与环境学院 西安 710062; 2. 西安工程大学环境与化学工程学院 西安 710048)
摘 要 通过野外采样及其磁化率、总有机碳(TOC)、木炭屑的分析, 探讨全新世野火活动与生态环境演变的
关系。研究结果表明: TOC并不能完全指示野火活动, 木炭屑是指示野火活动的理想指标, 木炭屑对生态环境
演变特征具有环境指示意义。末次冰期 11 500 a B.P.之前, 渭河流域气候干旱, 植被为半荒漠草原, 自然野火
频繁发生; 全新世早期(11 500~8 500 a B.P.)野火发生频率大大降低; 全新世气候适宜期(8 500~3 100 a B.P.),
气候比较湿润, 生物风化成壤作用强烈, 自然野火发生几率明显下降, 但不同地点人类活动引发的野火活动
存在区域差异; 全新世晚期近 3 100 年以来, 气候向干旱化发展, 加之人类利用土地活动加剧, 生物量燃烧的
规模大幅度增加; 1 500 a B.P.以后, 木炭屑浓度大幅度减少, 野火发生频率大大降低。可能由于渭河流域土地
利用方式发生重大改变, 人工自然复合生态景观基本形成, 因而不再大规模放火烧荒。此外, 木炭屑对人类活
动的遗迹具有指示作用。
关键词 黄土高原 全新世 古环境 木炭屑 渭河流域
中图分类号: P534.632 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)01-0025-06
Charcoal records of Holocene loess-soil sequences and its
palaeoenvironmental significance in Weihe River Drainage
TAN Zhi-Hai1,2, HUANG Chun-Chang1, PANG Jiang-Li1, ZHANG Zhan-Ping1
(1. College of Tourism and Environmental Sciences, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China;
2. College of Environmental Sciences and Chemical-Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)
Abstract Analysis (of samples collected through field investigation) of total organic carbon, magnetic susceptibility of Holocene
loess-soil charcoal sequences in Weihe River Drainage have revealed the relationship between Holocene wildfire occurrence changes
and ecological environment. The current study shows that total organic carbon (TOC) does not fully indicate the occurrence of wild-
fire in an ecological environment. However, charcoal is regarded as a direct and reliable indicator of wildfire occurrence. Indications
of changes in Holocene and charcoal environment have great environmental significance. Before 11 500 a B.P., the climate was arid
and wildfire frequently occurred in semi-desert grasslands. Conversely, the incidence of wildfires decreased during the early Holo-
cene epoch. During the optimum Holocene climatic between 8 500 a B.P. and 3 100 a B.P., natural wildfires occurrence fell sharply.
Pathogenic alterations in dust accumulation processes were so active that forest-grasslands formed under humid warmer Holocene
Mega thermal climate. However, with regional distinction, localized wildfires in connection with human activity occasionally oc-
curred. Levels of burnt biomass were very high during the Late Holocene epoch when the climate was drier and historical land-use
more intensive in the study area. After 1 500 a B.P., the amount of charcoal sharply decreased and wildfire occurrence slowly disap-
peared. It may had resulted from a significant change in land use pattern. The artificial-natural ecological landscape had been estab-
lished and large-scale burning of land did not occured. Charcoal could therefore be used as a vital indicator for human activity in
geological time.
Key words Loess Plateau, Holocene, Palaeoenvironment, Charcoal, Weihe River Drainage
(Received Jan. 17, 2009; accepted May 10, 2009)
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野火作为生态系统的干扰因素之一, 其在自然
生态系统中的地位、作用已逐渐被人们所认识。事
实上 , 闪电是引发野火活动的最主要原因 [1], 人类
活动也是诱发野火活动的一个非常重要的因素。随
着人类农耕活动扩大, 人为诱发的野火活动也随之
出现, 进而影响着生态景观变化。此外野火活动还
与气候变化有关, 当严重干旱过后, 野火偶尔可能
出现[2]。当前气候变化趋势表明, 全球变暖可能严重
改变着陆地生态系统的野火活动, 尤其那些趋于干
旱化的地区。可见, 干旱生态景观中野火发生频度、
强度可能与气候、植被类型及人类活动之间存在着
复杂的相互作用[3]。
人们已认识到存在于黄土−土壤地层中的细小
木炭屑是野火活动以及古环境变化的一个敏感替代
指标[4]。木炭屑在空间上分布广范, 易获得, 且结构
保存完好, 原地埋藏, 能真实、客观地反映当时的气
候和植被状况, 在时间上可以提供几千年甚至几万
年野火活动的连续资料[5]。因此, 近年来木炭屑分析
已成为研究野火活动及其对生态环境作用的直接手
段。在此基础上, 本研究通过木炭屑、磁化率、TOC
等多种手段分析和测定, 探讨渭河流域全新世野火
活动与生态环境演变的关系, 对深入理解木炭屑对
生态环境演变的指示意义具有重要价值。
1 研究区域范围和剖面地层的年代确定
研究区域位于渭河流域黄土高原 , 包括海拔
500 m 以下的渭河平原、500~800 m 的黄土台塬和
1 000~1 400 m的黄土高原。目前该区年均气温 7~
13 ℃, 年均降雨量 400~650 mm, 年均蒸发量 1 500~
2 000 mm。在渭河流域, 分别选取甘肃合水马家塬
(MJY)、陕西扶风县蒋阳村(JYC)和岐山五里铺(WLP)
3 个全新世黄土−土壤剖面, 剖面所在地地势平坦,
剖面中界线分明 , 易于识别。MJY 剖面 (36°2′N,
108°10′E)位于甘肃合水县陇东黄土高原的中部, 马
莲河中游地区的黄土丘陵残塬, 海拔 1 400 m, 地面
发育着比较稳定的黑垆土, 邻近著名的寺洼文化遗
址, 目前为农田景观; JYC 剖面(34°28′N, 107°53′E)
位于扶风县西北台塬面上, 临近先周歧邑的遗址外
围, 地面发育为褐土, 目前为农田景观; WLP 剖面
(32°26′N, 177°45′E)位于岐山县五里铺, 海拔 608 m,
地面发育为褐土, 目前为农田景观。
根据光释光断代、文化遗物的考古断代以及
地层学原理分别建立 MJY、JYC、WLP剖面年代框
架[6]。在 MJY剖面中, 深度 210 cm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 11 500 a B.P. [7−8];
深度 88~180 cm 出现强烈成壤的黑垆土 , 其中
165~170 cm发现新石器早期的前仰韶老官台文化遗
物(14C年代 8 000~7 000 a B.P.)[9−10], 包括桔红色、
褐色的陶片, 故确定 180 cm 为全新世大暖期的起
点, 日历年代为 8 500 a B.P.; 深度 86~88 cm发现了
寺洼文化灰色陶片等遗物[11−12](14C年代 3 195±95或
者 3 050±120 a B.P.), 此时古土壤 S0成壤终止[9], 故
把 88 cm确定为 3 100 a B.P.; 45 cm深度以上为 1 500
a B.P.以来形成的耕作土壤。其中 MJY 剖面中深度
50~52 cm、98~100 cm、130~132 cm的光释光(OSL)
年代分别为 2 000±100 a B.P.、3 250±220 a B.P.、
4 800±300 a B.P., 这为 MJY剖面以及 JYC、WLP剖
面所获得气候指标提供可靠的年代参照。在 JYC剖
面深度 80~110 cm发现先周文化遗物(3 100~3 010 a
B.P.), 在 WLP 剖面深度 220~240 cm 发现新石器早
期的前仰韶老官台文化遗物(14C年代 8 000~7 000 a
B.P.)[9−10], 故 8 500~3 100 a B.P.确定为此地的古土
壤形成时期。
2 研究方法
在详细的野外观察基础上, 3个剖面从地表开始
向下以 2 cm 间距进行连续采样, 共采集 490 个样
品。分别称取风干后样品 10 g, 用研钵研至粒径小
于 2 mm 后用 Bartington-MS2 型磁化率仪测量其磁
化率; 分别称取样品 50 g, 研磨至 200目以下, 取其
0.15 g 置于仪器配备的方舟中, 加入 30%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; 分别称取样品 50 g, 采用重液悬
浮法 , 在光学显微镜下 , 根据木炭屑粒径分<50
µm、50~100 µm和>100 µm 3个等级统计木炭屑数
量, 每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 RisφTL/OSL-DA-15
型释光断代仪, 采用细颗粒单片再生法分别对 MJY
剖面深度 50~52 cm、98~100 cm、130~132 cm 3个
样品进行 OSL年代测定。
3 结果与分析
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[13]。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, 记录了黄土堆积期间生物成壤强度的变化[14]。
由图 1 可知, 渭河流域全新世黄土剖面磁化率值在
30×10−8~170×10−8 m3·kg−1 之间变化, 最低值(30
×10−8~80×10−8 m3·kg−1)出现在末次冰期马兰黄土
第 1期 谭志海等: 渭河流域全新世土壤剖面木炭屑记录及其古环境意义 27



图 1 甘肃合水马家塬(MJY, A)、陕西扶风蒋阳村(JYC, B)和岐山五里铺(WLP, C)剖面全新世黄土−
土壤磁化率、总有机碳及木炭屑浓度变化
Fig. 1 Magnetic susceptibility, total organic carbon, and charcoal concentration in the Holocene loess-palaesoil profile at Majiayuan
site (MJY, A), Heshui, Gansu Province, and Jiangyangcun site (JYC, B), Fufeng, and Wulipu site (WLP, C), Qishan, Shaanxi Province

(L1)堆积时期和全新世早期过渡层(Lt), 最高值(100
×10−8~170×10−8 m3·kg−1)出现在古土壤形成时期;
而表土层 (TS)、现代黄土 (L0)居中 (80× 10−8
m3·kg−1)。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)(<120×10−8 m3·kg−1)、表土层(TS)形
成时气候进入相对干旱阶段。近年来随着人类活动
减少, JYC 剖面表土层(TS)磁化率又有所增加(>120
×10−8 m3·kg−1)。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[15]。从 3 个剖面
28 中国生态农业学报 2010 第 18卷


TOC测定结果看, TOC含量在 0.8~9.0 mg·g−1范围
内变化, 最低值(0.8~5.0 mg·g−1)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)TOC含量较高(5.0~8.3 mg·g−1), 表明当时气
候湿润 , 植被生长茂盛 , 生物成壤过程活跃; 该剖
面 TOC 最高值出现在上部的现代耕作层 (>5.0
mg·g−1), 可能是由于耕作层位含有未分解和半分解
的植物残体。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 [16],
从 3 个剖面木炭屑分析结果看 : 木炭屑总浓度在
200~2 000粒·g−1, 并且出现多次峰值。其中细粒木
炭屑(<50 µm)浓度在 200~1 000粒·g−1, 这可能指示
区域范围内野火活动频繁发生变化 ; 粗粒木炭屑
(>50 µm)浓度在 6~350 粒·g−1, 表示本地野火频繁
发生变化。从 3 个剖面木炭屑分布上看, 低值出现
在古土壤层(S0)全新世中期, 末次冰期马兰黄土(L1)
堆积时期和过渡层(Lt)木炭屑浓度较高 , 最高值出
现在黄土层(L0)和现代表土层(TS)。然而, 近年来由
于人类活动强度的减弱, MJY 剖面表土层(TS)木炭
屑浓度有所减少。
4 讨论与结论
4.1 木炭屑是野火活动的直接记录
作为野火以及生态环境变化的替代指标总有机
碳(TOC)和木炭屑一般在土层中相伴而生 , 但它们
对野火活动指示作用适用范围有所差异。黄土和古
土壤中TOC包含生物成壤作用形成的腐殖质中有机
碳的含量和野火形成的木炭屑有机碳的成分, 它是
无定形碳 , 而木炭屑是有形状的 , 木质结构 , 易辨
认。由 JYC剖面 TOC和木炭屑曲线可知, 全新世早
期, TOC 和木炭屑浓度多次波动并达到峰值, 表明
此时野火活动较为频繁, 生物量不断增加。全新世
大暖时期, 不同粒径木炭屑浓度处于低值, 而此时
TOC 浓度达到峰值, 表明全新世气候进入最温湿阶
段, 植物茂盛, 有机质丰富, 野火活动很少发生; 由
MJY 剖面 TOC 和木炭屑曲线可知, 在全新世早期,
木炭屑出现多次峰值, 而此时 TOC 浓度较低, 表明
本时期气候从干冷向温湿过渡, 生物成壤作用较弱,
生物有机量较低, 自然野火时常发生; 由 WLP 剖面
TOC和木炭屑曲线可知, 在全新世晚期 3 100 a B.P.
以来 , 尤其近几百年以来 , 随着人类利用土地活
动加聚, 导致表土木炭屑浓度增加, 生物量燃烧的
规模大幅度增加, 而 TOC浓度较低说明此时生物有
机量大幅度降低。可以得出, TOC反映土壤有机质积
累状况, TOC 浓度的高低与植被覆盖度变化呈现正
相关[15], TOC 值高时, 指示温暖湿润的环境, 植被
比较茂盛, 生物成壤作用较强, 土壤层有机质积累
多; TOC 浓度低时, 指示较干旱的环境, 植被较少,
土壤层有机质积累少。而木炭屑可以恢复地质历史
中野火发生的频率、强度。木炭屑浓度高时, 指示
野火活动强烈; 反之, 则野火活动微弱。木炭屑的大
小可以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, 细木炭屑可能反映
源区范围较远、较广[16]。上述结果表明, 总有机碳
(TOC)并不能完全指示生态环境中的野火活动 , 而
木炭屑才能直接指示野火活动。
4.2 木炭屑对生态环境演变特征具有环境指示意义
4.2.1 末次冰期马兰黄土堆积时期和全新世早期
(15 000 a B.P.~8 500 a B.P.)
3 个剖面木炭屑的分析结果表明, 马兰黄土(L1)
堆积时期各粒级木炭屑浓度出现峰值, 其浓度比全
新世均高出几倍, 且波动频繁, 表明距今 11 500 年
前, 区域性自然野火和本地自然野火活动都频繁发
生。3个剖面气候指标表明, 马兰黄土堆积时期气候
干旱且不稳定, 粉尘堆积过程显著, 生物成壤作用
微弱。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[17]。可见, 在末次冰
期和全新世早期渭河流域呈现半干旱荒漠草原景
观[6]。在这种干旱环境下易燃的植被类型为野火发
生提供了物质条件 , 每逢春季 , 气候干旱且变暖 ,
草原自然野火发生非常频繁[18]。而由过渡性黄土(Lt)
代表的全新世早期(11 500~8 500 aB.P.), 气候逐渐
转暖变湿, 野火发生频率明显降低。同时考古记录
表明末次冰期和全新世早期渭河流域缺乏人类活动,
因此可以推断距今 8 500 a B.P.以前在渭河流域半干
旱荒漠草原上本地自然野火频繁发生。
4.2.2 全新世中期(8 500~3 100 a B.P.)
3 个剖面全新世中期阶段气候指标表明, 此阶
段为全新世以来最为温暖、湿润的适宜时期。磁化
率达到最高值(83×10−8~134×10−8 m3·kg−1)和较高
浓度的总有机碳(2.5~3.9 mg·kg−1)表明, 该阶段为
全新世以来最温湿时期, 植被茂盛, 生物风化成壤
作用强烈, 有机质积累丰富, 呈现森林和森林草原
景观[19]。此时成壤速率大于堆积速率, 地表有大量
植被覆盖[20], 其根系固结作用和土壤抗蚀能力较强,
土壤并未受到明显侵蚀而发育完整[21], 这为木炭屑
沉积提供了良好外部沉积环境。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[17]。从
木炭屑分析结果看, 各级粒径木炭屑浓度较马兰黄
土(L1)堆积时期大幅度下降 , 表明在全新世适宜期
渭河流域由原来半干旱荒漠草原景观向森林草原景
第 1期 谭志海等: 渭河流域全新世土壤剖面木炭屑记录及其古环境意义 29


观演替。在此适宜气候环境下渭河流域地区发生自
然野火几率很小。可能由于此森林−草原过渡带为人
类生存以及定居农业发展提供了温度水分条件, 故
古人开始放火毁林 , 开垦土地 , 种植农作物 , 标志
着人类已开始参与生态环境演变的过程, 但当时种
植业处于初期, 自然景观仍未改变。
4.2.3 全新世晚期(3 100 a B.P.至今)
3 个剖面的全新世晚期气候指标表明, 此阶段
进入全新世以来又一次相对干旱时期, 风尘堆积加
速 , 降水量减少 , 生物化学成壤作用减弱 , 生物有
机量大幅度降低。从木炭屑分析结果来看, 此阶段
木炭屑浓度较高且达到多次峰值, 这可能与人类农
耕活动加剧且气候进一步干旱有关。可见, 3 100 a
B.P.前后是渭河流域生态环境发生根本性变化的转
折点, 标志自然景观向半自然、半人工景观演变。1
500 a B.P.以后, 木炭屑浓度大幅度减少, 野火发生
频率大大降低。这可能由于该地区土地利用方式发
生重大改变, 因而不会大规模放火烧荒, 人工自然
复合生态景观基本形成。
4.3 木炭屑对人类活动具有指示意义
沉积物中的木炭屑对人类活动踪迹具有指示作
用 [22]。野火发生几率与人类活动强度有直接关联 ,
而且与人类时空分布变化密切相关。3 个剖面全新
世中期研究结果表明, 此阶段进入全新世以来最温
湿的时期。在此适宜气候的森林和森林草原景观环
境下自然野火发生几率很小。然而,此阶段木炭屑的
野火记录却存在时空分布差异。JYC 剖面全新世适
宜期古土壤 S0层位附近未发现新石器时代文化遗物,
并且很少有人类活动, 而MJY剖面古土壤 S0层位的
底部 160~170 cm发现高浓度粗粒木炭屑, 同时含橘
黄色、褐色陶片等文化遗物(8 000~7 000 a B.P.),
WLP剖面古土壤 S0地层的底部 220~240 cm发现高
浓度粗粒木炭屑和陶片, 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
类在该地森林−草原过渡带放火毁林, 开垦土地, 种
植农作物的结果。在 8 000~7 000 a B.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
人类开始改造自然景观。3 个剖面全新世晚期阶段
研究表明, 距今 3 100年以来, 进入大范围生物量燃
烧时期, 不同时间野火火灾发生可能与人类作用有
关。3个剖面全新世晚期阶段的气候指标表明, 此阶
段进入全新世以来又一次相对干旱阶段。木炭屑分
析结果表明, JYC 剖面和 WLP 剖面现代黄土层(L0)
和表土层(TS)木炭屑浓度呈增加趋势, 说明近 3 100
年以来渭河流域南部地区野火活动频繁发生, 可能
是人类放火毁林、开垦土地等活动加强的结果。距
今 3 100~1 500年间 JYC剖面和WLP剖面的现代黄
土沉积层(L0)木炭屑浓度达到峰值, 但距今 1 500年
以来, 其表土沉积层木炭屑浓度减少。说明青铜器
晚期和新石器时期以来是渭河流域南部人类放火烧
荒、开垦土地而大规模、大幅度增加生物量燃烧的
时期。尤其是隋朝时期(ca.581~618 A.D.)因荒地几乎
开垦殆尽, 该区农田人工景观已基本建立, 因而不
再大规模放火烧荒, 故木炭屑浓度大幅度减少[23]。
同时在 MJY剖面现代黄土层 L0的底部 86~88 cm处
发现了寺洼文化遗物[8,9](校正的 14C 年代为 3 250~
2 650 a B.P.), 这可能是猃狁(或者犬戎、北狄)游牧民
在本区活动的证据。由于气候恶化, 渭河流域北部
黄土高原地区严重干旱, 加之人类焚林开荒等活动
加剧,使得土地资源严重退化, 致使渭河流域北部地
区种植粟类的原始农业解体, 被游牧类型的寺洼文
化所取代[9]。可见, 3 100 a B.P.前后是渭河流域北部
生态环境发生根本性变化的转折点, 标志自然景观
向半自然、半人工景观演变。1 500 a B.P.以后, 木炭
屑浓度大幅度减少, 野火发生频率大大降低, 这可
能由于本地区半牧半农经济确立, 因而不再大规模
放火烧荒, 人工自然复合生态景观基本形成。
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