渭河流域全新世以来野火历史与人类土地利用的炭屑记录

谭志海，黄春长，庞奖励，丁 敏

1.西安工程大学环境与化学工程学院，西安 7100482.中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 7100753.陕西师范大学旅游与环境学院，西安 710062

渭河流域全新世以来野火历史与人类土地利用的炭屑记录

谭志海1，2，黄春长3，庞奖励3，丁 敏3

1.西安工程大学环境与化学工程学院，西安 710048
2.中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710075
3.陕西师范大学旅游与环境学院，西安 710062

全新世黄土沉积中的炭屑通常用来重建野火历史及其演变的过程。通过野外考察和对炭屑以及磁化率等指标的分析，获得全新世野火景观演变过程的地球生物沉积证据。参照OSL/TL、14C测年和考古学断代数据，重建渭河流域黄土高原全新世以来野火历史以及景观演变过程。结果表明：末次冰期到全新世中期阶段（12 000～3 100aB.P.），渭河流域黄土高原地区野火事件变化主要与区域季节性气候差异密切相关，其中千年－百年尺度有效湿度和燃料供给区域变化是野火发生的主控因素；全新世晚期，随着气候进一步干旱，加之人类耕作活动加剧，人类土地利用强度与时空分布已成为影响生物量燃烧规模的重要驱动力。距今3 100a以来，渭河流域南部地区农田景观已初具规模；而距今约2 170a，大规模土地开垦已扩展到渭河北部黄土台塬地区；直到距今1 500a，渭河北部黄土高阶台塬地区旱作农业景观已基本形成。利用多项古生态记录和区域角度综合分析，有助于深入理解该区域野火历史和人类土地利用变化以及社会结构演变过程。

全新世；野火历史；气候变化；炭屑；渭河流域

0 前言

野火作为一种独特且重要的生态环境因子，是反映气候变化的重要指标之一［1－3］。半干旱—干旱区域的野火事件时空分布态势极易受到气候变化和人类土地利用变化的影响［4］。近50a年来，中国草原火灾共发生5万次，燃烧草地面积达到2亿hm2［5］。随着全球气候变暖，内蒙古草原区夏季干旱、高温等极端天气气候事件呈现明显增多趋势［6］。因此较长时间尺度和区域范围内的野火历史的研究，可以提供历史中火事件发生的强度和频率等背景资料，对于未来火灾评估具有重要的现实意义。研究［7］表明，野火事件发生不仅直接受控于气候的干湿条件变化，而且间接受到植被类型影响；与此同时，它通过作用于全球碳循环、大气化学、植被覆盖以及其他地表面物理和生物学特性的变化来反馈气候的变化。故气候、植被、野火机制和人类活动相互作用形成一个复杂和非线性函数关系。保存于该地区全新世以来黄土－古土壤地层炭屑被认为是过去野火以及环境变化的一个敏感的替代指标［8］。目前炭屑记录已广泛应用于世界不同地区多个时间尺度野火事件的重建研究，取得了许多成果［9－17］。然而，对渭河流域黄土高原长期野火动力机制过程以及时空分布规律方面的研究还尚少。渭河流域黄土高原地处半干旱—半湿润季风环境敏感带，是中国传统农业区域与畜牧业区域相交汇地带［18］，在这一生态脆弱和环境敏感的地区，开展黄土－古土壤高分辨率炭屑研究，为重建黄土－古土壤野火时空演变序列，探讨野火、气候和人类土地利用变化相互作用机制过程，为进一步理解渭河流域全新世以来野火历史的演变规律具有重要的理论意义。

1 区域特征与剖面选取

渭河流域黄土高原地处半干旱—半湿润季风敏感带，北部为以温带典型草原为植被特征的黄土台塬地区，海拔1 500～1 800m，南部为以温带森林草原为植被特征的关中盆地平原地区，海拔为500～800m。年均气温由南向北呈递减趋势，年平均气温7.8～13.5℃；降水区域分布规律为南多北少、西多东少，多年平均降水量400～700mm，区内多年平均水面蒸发量700～2 000mm。全新世大暖期期间，在渭河流域北部发育的黑垆土上形成森林－草原景观，而南部发育的褐土上则形成混交阔叶林景观。目前，渭河流域植被稀疏，主要以农田景观为主。

在渭河流域新石器和青铜器时代最主要聚落遗址群分布地带上，结合先前的研究基础，经过详细而周密的野外调查，分别选取渭河流域北部黄土台塬的甘肃平凉赵家村（ZJC）和渭河流域南部关中盆地的陕西白水尧禾村（YHC）作为2个典型全新世黄土－古土壤剖面（图1）。其发生层和层位完整连续，界限分明，均位于人类文化遗址的外围，在土壤形成的过程中未受到外界干扰。ZJC剖面（35°34′51.9″N，106°52′57.8″E）位于甘肃陇东泾河以北的草峰塬边陡坎上、龙山文化晚期的谯家庄遗址和前仰韶文化时期邓家庄遗址区外围；同时，该剖面140～120 cm层位发现大量炭屑（粒径＞150μm），全新世中期典型的黑垆土层清晰可见。YHC剖面（35°4′27″N，109°16′45″E）位于关中盆地东北的白水县尧禾镇，其古土壤顶部110～90cm发现大量灰色陶片、瓦片、炉渣和炭屑等先周—商代人类活动的文化遗迹。所选取的2个剖面从地表向下以2cm（125个样品）和5cm（50个样品）间距连续高密度采样。

图1 研究区域位置图Fig.1 Location of study region

2 地层剖面年代确定

根据黄土地层学原理以及剖面中文化遗物与地层的层位关系，参照甘肃合水马家塬（MJY-A）和陕西岐山五里铺（WLP）剖面的OSL年代控制点［3］，建立ZJC和YHC剖面的年代框架。根据格陵兰冰心氧同位素记录，目前公认全新世起点（即Younger Dryas终点）的日历年代为11 500aB.P.［19］。由图2可知：ZJC和MJY-A剖面层位分别为270和210 cm、南部YHC和WLP剖面层位分别为220和290 cm，均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；ZJC和MJY-A剖面分别在层位200～105cm和180～88cm强烈发育黑垆土，其中MJY-A剖面层位170～165cm发现新石器早期的前仰韶老官台文化遗物，为桔红色、褐色的陶片（8 000～7 000aB.P.）［20－23］；而 YHC和 WLP剖面分别在层位190～90cm和262～50cm强烈发育淋溶褐土，其中WLP剖面层位240～220cm发现新石器早期的前仰韶老官台文化遗物（8 000～7 000a B.P.），故确定200cm和190cm分别为ZJC和YHC剖面全新世大暖期的起点，年代均为8 500a B.P.；而YHC剖面层位110～90cm发现先周—商时代灰色陶片（3 500～3 100aB.P.）［24］，MJY-A剖面深度88～86cm发现了寺洼文化灰色陶片等遗物［20－23］（（3 050±120）a B.P.），此时古土壤S0成壤终止，确定为3 100aB.P.；40cm和45cm深度为过去1 500a来形成的表土层。

3 研究方法

图2 ZJC、MJY-A、YHC和WLP剖面年代对比Fig.2 Pedostratigraphic chronology copmparison between ZJC，MJY-A ，YHC and WLP profile

本文磁化率采用英国Bartington公司生产的MS-2型磁化率仪分别对待测样品进行低频（0.47 kHz）测定，每个样品测3次，取其平均值为最终结果。

炭屑提取采用薄片技术方法，以5cm连续采集的所有土壤样品，经浸渍剂混合液（1142号不饱和聚酯树脂，1∶2（质量浓度比）过氧化苯甲酰和邻苯二甲酸二丁酯混合催化剂）固化处理后，由西安地质矿产研究所磨片室负责制作220个薄片（32mm×24mm，厚度约30μm），采用德国徕卡偏光显微镜（Lical-DMRX）对土壤薄片进行炭屑观测和识别。由SISC IAS V8.0金相图像分析软件分别按照细粒（＜25μm，25～50μm），中粒（50～75μm，75～100μm），粗粒（100～150μm，≥150μm）等6个等级进行木炭屑数量统计，以换算炭屑浓度。

炭屑超显微图像利用荷兰FEI公司低真空模式（30kV，3.5nm）环境扫描电子显微镜和 EDAX公司能谱仪分别对其部分样品进行电子扫描，以便进一步准确识别、描述炭屑特征和初步判断植被类型（图3）。

4 结果与解释

磁化率是研究渭河流域第四纪气候变化和黄土－土壤剖面序列发育过程中最广泛使用的代用指标［25－26］，其变化指示夏季风强度变化［27］。所研究的ZJC和 YHC剖面（图4，5）中磁化率为（43.8～160.0）×10－8m3/kg，较低峰值出现在马兰黄土顶部（L1）和全新早期黄土过渡层（Lt），其值分别为43.8×10－8和108.7×10－8m3/kg，表明通常末次冰期粉尘堆积的风化成壤作用非常微弱；相反，较高的值在古土壤层（S0）出现，其值分别为108.7×10－8和159.8×10－8m3/kg，表明全新世中期成土过程中相对集中超细粒铁磁性矿物。现代堆积黄土层（L0）和现代表土层（TS）磁化率值分别减少到90.0×10－8和127.5×10－8m3/kg以下，表明全新世晚期粉尘堆积较成壤变化占主导作用。值得注意的是YHC剖面在层位110～90cm磁化率值下降到140.0×10－8m3/kg，这可能是由于人类耕地种植活动干扰的结果。

炭屑浓度变化指示历史野火强度和频率变化［28］。从ZJC和 YHC剖面炭屑浓度（图4，5）可知，总炭屑浓度为840～7 320粒/cm2，且出现多次峰值：炭屑浓度最高值出现在表土层（TS），分别达到7 320和3 150粒/cm2；而低值出现在古土壤层（S0）全新世适宜期，分别达到840和1 295粒/cm2。细颗粒炭屑（＜50μm）被认为是每年3—5月来自于草原和荒漠草原干旱地区沙尘暴携带的长距离传输组分［28－29］，其浓度为940～7 080粒/cm2；而粗、中颗粒炭屑（＞50μm）被认为是与气候变化和人类土地利用变化联系的本地野火活动记录，其浓度为0～310粒/cm2。

图3 炭屑显微镜下解剖特征Fig.3 Charcoal images on optical microscopy and scanning electron microscopy

从炭屑传播和沉积规律来看，假设所研究剖面物理损伤系数为常数，利用粗粒炭屑（＞100μm）、中粒炭屑（50～100μm）与细粒炭屑（＜50μm）比值（C/F或M/F）来表达炭屑沉积地与火灾源区的远近距离。C/F或M/F值越大，火灾源区距离越近；比值越小，源区的距离越远［13］。从研究剖面炭屑C/F或M/F（图4，5）来看，C/F或M/F总变化趋势与剖面地层层序序列基本一致：末次冰期时的马兰黄土堆积期和全新世早期，C/F较大并有多次峰值交替出现，表明在此期间，气候干旱而极不稳定，沉积地点与炭屑产生源区的距离较短，地方性自然野火事件发生频繁；全新世中期，C/F值明显减小，地方性自然野火事件几乎很少发生，但出现几个峰值时空分布不同；全新世晚期，C/F明显增大，并有多次峰值交替出现，野火事件明显增多。

5 讨论与结论

渭河流域2个典型黄土－土壤剖面的炭屑记录表明末次冰期和全新世时期，渭河流域野火历史演变特征不仅与气温和湿度梯度变化有密切关系，而且与人类活动强度和时空分布有着密切联系。

5.1 末次冰期和全新世早期（12 000～8 500aB.P.）自然野火事件频度增强

来自渭河流域炭屑记录表明，末次冰期向全新世过渡期间（12 000～10 000aB.P.），不同粒径炭屑浓度明显增加，这说明末次冰期以来，区域性自然野火普遍发生。磁化率值非常低（ZJC和YHC剖面最低值分别为43.8×10－8和108.7×10－8m3/kg，见图4，5），且据估年均温度7.4～10.4℃，年均降水350～400mm。当西北大陆性季风盛行时，气候寒冷而干旱，沙尘暴事件频繁发生。孢粉记录表明，此时期花粉和孢粉浓度很低，其中90%以上以蒿属、禾本科、菊科、藜科等草本植物为主，此时整个渭河流域生态景观类似于今天内蒙古草原植被景观［30－31］。大量炭屑记录表明，末次冰期到全新世过渡期间跨越几百平方千米的干旱草原范围内自然野火事件广泛发生。然而，最近在野外所识别到的粗粒炭屑，可能是来自于数百千米以外内蒙古草原的高强度火灾伴随着强大的大气对流和漩涡沉降而沉积下来的［32－33］。

图4 甘肃平凉赵家村（ZJC）剖面全新世黄土－土壤炭屑浓度和低频磁化率分析结果曲线Fig.4 Diagrams showing stratigraphy，magnetic susceptibility（low frequency）and different grain-sized charcoal in the Holocene loess-palaesoil profile at the Zhaojiacun（ZJC）site，Pingliang County，Gansu Province

图5 陕西白水尧禾村（YHC）剖面全新世黄土－土壤炭屑浓度和低频磁化率分析结果曲线Fig.5 Diagrams showing stratigraphy，magnetic susceptibility（low frequency）and different grain-size charcoal in the Holocene loess-palaesoil profile at the Yaohecun（YHC）site，Baishui County，Shaanxi Province

进入全新世早期（10 000～8 500aB.P.），逐渐增长的磁化率值表明，当东南海洋性季风开始加强而波动频繁，全新世期间气候开始逐渐改善（与末次冰期相比气温升高1.0～2.5℃，降水增加15%～20%），温度较其降水增幅明显，但研究区气候总体表现为温暖偏干。孢粉记录表明，此期间气候较暖较干、周围地区分布着疏林草原植被，在蒿属植被类型为主的大片草原上，稀疏分布有栎属、榆属等树种［34］。在全新世早期，所研究的2个剖面粗颗粒炭屑记录形成鲜明对比，表明此阶段以草原景观为特征的渭河北部黄土高阶台塬地区气候与森林－草原景观为特征的关中盆地相比气候更为干旱，本地野火事件更易发生；此时野火格局差异主要由黄土高原季风强度控制的由南至北降水和植被特征的区域变化所造成。因此，在灌木草原过渡到森林－草原的野火模式表明，野火活动不仅取决于有效湿度变化还与全新世早期区域植被累积量密切相关［24］。

5.2 全新世中期局部几例野火事件几率与人类活动时空分布有关

由于全球温暖而湿润的气候驱动作用，全新世中期（8 500～3 100aB.P.）渭河流域南北进入气候适宜期。由磁化率最高值推论可知，当时年均温度比今天高2～3℃，年均降水多为150～200mm。孢粉记录表明，包括松、栎、榆、椴树等林地类型植物群落有所增加［31，35］，说明此阶段风尘堆积开始减弱，而其成壤作用却非常强烈。由于风尘堆积的生物成壤作用区域差异导致渭河流域北部黄土台塬地区广阔分布灌木草原，而南部关中盆地则分布温带混交林［2］。ZJC和YHC剖面粗、细粒径炭屑浓度和C/F值下降到较低水平，表明全新世暖湿气候条件下渭河流域南北广大地区野火发生几率十分有限。然而所研究剖面的古土壤（S0）不同层位粗、中颗粒炭屑出现几个明显峰值。这些局部火灾事件可能与气候恶化事件和新石器时代人类用火来毁林开荒、开垦土地和种植农作物等人类活动相互作用的结果有关。例如：位于白水尧禾塬YHC剖面，古土壤地层的顶部110～90cm发现高浓度粗粒炭屑并呈现峰值波动（粗粒径炭屑浓度达到60粒/cm2），同时含许多灰色绳纹陶片碎片等文化遗物（3 500～3 100aB.P.），这些粗粒炭屑记录表明，3 500～3 100aB.P.先周—商代时期的人类在洛河流域一带的森林－草原过渡地区，从事放火毁林和开垦土地，发展旱作农业［24］；邻近谯家庄遗址的ZJC剖面在140～120cm层位发现大量炭屑（＞150μm，4 200～4 000cal a B.P.），这可能是龙山文化晚期的人类放火毁林和开垦土地活动所致［24］。这些记录说明在全新世渭河流域在季节气候变化影响下人类开始参与改造生态环境的演变［24］。

5.3 不同浓度炭屑反映全新世晚期人类农业土地利用演变过程

自从渭河流域全新世中期古土壤被现代堆积黄土层所覆盖，表明全新世晚期进入气候恶化时期。此时磁化率降低表明风尘堆积又重新加速、降水量减少、成壤作用非常微弱。孢粉记录表明，现代黄土堆积层（L0）中以藜、蒿、菊科、十字花科为主的花粉谱中 出 现 一 些 松、桦、栎、榆 和 柳［31，35］。YHC 和ZJC剖面中L0和TS层高浓度粗、中颗粒炭屑和较大C/F或M/F表明，全新世晚期，气候干旱而极不稳定，地方性自然野火事件频繁发生。渭河流域自铜器时代以来以人文生态景观为特征的大规模土地利用转变在不断扩张，这标志着整个流域根本改变了生物量燃烧的供给和燃烧活动［24］。近3 000a以来，随着黄土高原地区人口增加和城市聚落规模扩大［21，36］，农业土地利用变得越来越重要［37］，所研究剖面的现代堆积黄土层和表土层的沉积速率远大于末次冰期时的马兰黄土堆积时期［24］，这可能是青铜器晚期和铁器早期人们放火毁林和开垦土地、发展谷物种植业等活动的不断加强，导致土地侵蚀－堆积过程中所带来的外来物质增加［38］。考古学家根据大致位于现代堆积黄土层发现许多陶和瓷片以及炭屑判断其形成于西周至隋代（1 050B.C.～500A.D.，3 100～1 500aB.P.）［39］。因此，近3 100a以来，当气候变得干旱，加之人类放火开荒发展种植业活动增强，本区生物量燃烧频频发生［28］。这可能与自青铜器时代以来渭河流域北部黄土台塬地区和渭河流域南部关中盆地之间人口数量变化和土地利用水平不同有关。YHC剖面现代堆积黄土层和表土层中炭屑呈连续增加趋势，最高浓度的炭屑表明青铜器时代晚期和铁器时代早期在渭河流域南部的关中盆地大量谷物耕种使得土地开垦的生物量燃烧达到前所未有的规模。ZJC剖面现代堆积黄土层（L0）高浓度炭屑出现并呈多次峰值。考古证据表明这个沉积记录可追溯到秦—汉朝时期（cal 2 170～1 730 a B.P.）。那时在黄土台塬北部边界开始建造长城，随着人口逐渐增长，人类为发展旱作农业，开始大量焚火毁林和开垦土地资源，这时使得土地开垦扩大到渭河北部黄土台塬地区。这个推论由渭北黄土台塬地区附近发现的秦汉朝居住地所证实［40］。可见距今3 100a以来渭河流域北部人类已经开始改变着自然景观而且对成壤作用有着显著影响。从该剖面深度20cm以上炭屑浓度开始迅速下降，表明人类焚火围垦的景象已降至相对较低的水平，这就意味着由于黄土台塬地区耕地面积已经开垦殆尽，距今1 500a年渭河流域北部黄土台塬地区梯田耕作系统和旱作农业景观已经逐步建立。来自多个黄土高原炭屑沉积记录表明，距今3 100a以来渭河流域长期受气候变化驱动的野火活动开始向主要受到人类活动驱动转化，自然生态景观完全被人工农田生态景观所代替［41］。

6 结语

目前国内外大部分研究野火记录主要侧重于探讨个别点或地区野火与气候变化的联系，而关于野火活动、气候变化和人类土地利用之间长期相互作用的研究十分缺乏，特别是黄土高原地区，这无疑限制了人们全面了解过去气候－人－火的关系而获得完整信息以便预测未来野火机制。基于此，本研究通过大量野外考察，参照渭河流域黄土高原地区主要考古遗址分布情况，由西北向东南分别选取2个典型的全新世黄土－土壤剖面，进行高密度采样，运用交叉学科方法，以渭河流域野火作为切入点，在这生态脆弱带、环境敏感地区开展黄土－古土壤高分辨率炭屑研究，重建黄土－古土壤野火高分辨率时间序列，探讨全新世以来野火频率与气候变化以及人类活动的相互作用。研究结果不仅为深入理解该区域全新世以来气候干旱化趋势下生态景观演变过程具有重要价值，而且为全球变暖背景下未来黄土高原生态环境建设和促进可持续发展提供科学数据。

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Wildfire History and Human Land Use over Weihe River Basin Since Holocene：Evidence from Charcoal Records

Tan Zhihai1，2，Huang Chunchang3，Pang Jiangli3，Ding Min3

1.InstituteofEnvironmentalSciencesandChemistryEngineering，Xi’anPolytechnicUniversity，Xi’an710048，China
2.StateKeyLaboratoryofLoessandQuaternaryGeology，InstituteofEarthEnvironment，Chinese AcademyofSciences，Xi’an710075，China
3.TourismandEnvironmentCollege，ShaanxiNormalUniversity，Xi’an710062，China

The carbon in Holocene loess deposition is often used to rebuild wildfire history and its evolution process.Through field investigation and the analysis of carbon dust and the magnetic susceptibility index，the earth’s biological sedimentary evidence of wildfire landscape evolution in Holocene is obtained.With reference to OSL/TL dating，14C dating and archaeology data，wildfire history and landscape evolution process in the loess plateau of Weihe River basin since Holocene is reconstructed.Results show that from the last glacial period to the Middle Holocene stage（12 000-3 100 a B.P.），wildfire changes in loess plateau area of Weihe River basin are mainly associated with regional seasonal climate differences closely，among which the one thousand-one hundred scale effective humidity and fuel supply area change are the main controlling factors of wildfires.In the Late Holocene，with further drought climate，combined with human farming activities，human land use intensity and spacetime distribution have become an important driving force to influence of biomass burning scale.Since 3 100years ago，farmland landscape in the south area of Weihe River has begun to take shape.About 2 170years ago，the large-scale land reclamation has expanded to the loess tableland area in the north of Weihe River.Until 1 500years ago，dry farming landscape in loess high order platform tableland areas of northern Weihe River has basically formed.With a number of ancient ecological records and regional point of comprehensive analysis，it helps to understand the region wildfires history，human land use change and evolution of the social structure.

Holocene；wildfire history；climatic changes；charcoal；Weihe River basin

10.13278/j.cnki.jjuese.201404208

P534.632；P941.74

A

谭志海，黄春长，庞奖励，等.渭河流域全新世以来野火历史与人类土地利用的炭屑记录.吉林大学学报：地球科学版，2014，44（4）：1297-1306.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404208.

Tan Zhihai，Huang Chunchang，Pang Jiangli，et al.Wildfire History and Human Land Use over Weihe River Basin Since Holocene：Evidence from Charcoal Records.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1297-1306.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404208.

2013-10-06

中国博士后基金项目（2011M501473）；黄土与第四纪国家重点实验室开放基金 （SKLLQG1065，1120，1202）；西安工程大学博士启动基金（BS1101）

谭志海（1974—，男，副教授，博士，主要从事全球环境变化方面的研究，E-mail：tonishtan＠163.com。