鄂西大九湖泥炭全新世中期以来的炭屑形貌特征及古火灾意义

Charcoal Morphotypes and Potential Paleofire Significance in Middle-Late Holocene in the Dajiuhu Peatland, Hubei Province, Central China

摘要

炭屑作为植物不完全燃烧的产物，记录了母源植物与古火灾的信息.通过分析大九湖泥炭钻孔中炭屑的形貌特征、浓度及长宽比，并与藿类通量、孢粉等生物源古环境指标进行对比，以揭示炭屑指标的古火灾和古环境意义.结果表明：炭屑的母源信息可由其几何形态、表面纹理及气孔结构来进行识别.炭屑的浓度与长宽比具有明显的阶段性变化，反映了古火灾的强度和主要燃烧生物材质的变化.主要分为两个阶段，全新世中期约8.5~4.3 ka B.P.期间，炭屑浓度普遍较高，与气候干旱相联系，古火灾事件与干旱高峰一致；但7.3~7.0 ka B.P.时段内炭屑浓度呈现低值，频繁降水制约了古火灾的发生.全新世晚期约4.3 ka B.P.以来，古气候由干旱转为湿润，炭屑含量波动性下降；但在3.6 ka B.P.和2.5 ka B.P.左右，波动异常明显，表明湿润背景下的干旱事件与火灾频发密切相关.据此，炭屑可作为与高山泥炭地干旱化相联系的古火灾代用指标.

关键词

泥炭 / 炭屑 / 长宽比 / 古火灾 / 干旱.

Key words

peat / charcoal / aspect ratio / paleofire / drought

0 引言

火灾是地球表层系统中一种重要的灾害，其发生规律受控于气候、植被以及人类活动等（Xu et al.， 2021）.近几十年对古火灾的研究表明，千年尺度上的气候转暖（Daniau， 2012）或干旱（Miao et al.， 2019）可能是引发火灾的主要因素.据现代火灾的全球分布与监测，温带地区是火灾高发地，主要发生在针叶林和萌生林地中，且周期性的干燥与高温（Zheng et al.， 2023）、天气状况（Huang et al.， 2023a）与森林结构的变化（Shuman et al.， 2022）是引发火灾的关键.此外，人类活动也会加强或削弱自然界的火灾（Hantson et al.， 2022）.因此，近年来“气候‒火灾‒碳循环（植被）‒人类活动”系统内在的响应机制备受关注（Wu et al.， 2022）.

植物不完全燃烧产生的黑色炭化物就是炭屑，它具有抗风化、抗降解的特性，经过搬运和沉积作用在地层中得以长期保存.尽管它们在沉积过程中产生了破碎，但其长轴（length，简称L）、长宽比 （aspect ratio，简称AR）、面积浓度等指标依然可提供有效的古植物与古火灾信息（Crawford and Belcher， 2014； Scott， 2010）.其中，炭屑的颗粒大小即长轴的长度指示了燃烧源区的远近（Vachula， 2019）.沉积物包括炭屑被风扬起并搬运的过程中，会按颗粒大小进行不同速度的沉降（王俊辉等， 2018）：大于100 μm的组分会以100~1 m/s的速度沉降，因此大于100 μm的炭屑基本是由本地火灾形成；而100~0.1 μm的小颗粒以10^-1~10^-7 m/s沉降，因此地层中小于100 μm的炭屑往往来自于区域性火灾的累积.在植物燃烧并炭化的过程中，草本植物比木本植物更易产生细长的炭屑，AR值更大（Jensen et al.， 2007）.炭屑在地层中的累积量与地表可燃物量、火的强度以及频率高度相关，一般认为炭屑浓度越高，火的强度、频率就越大（Miao et al.， 2019）.

大九湖位于长江三峡以北、神农架林区西部，是一个封闭的亚高山盆地，海拔1 730 m（图1）.前人对大九湖泥炭的孢粉（朱诚等， 2006； 石敏等， 2008）、碳汇（Liu et al.， 2022）、水文变化（Yang et al.， 2022）、化学元素（黄玉冰等，2021）以及有机地球化学（Xie et al.， 2013； Huang et al.， 2018）等展开了大量的研究，对该区的植被面貌、水文变化等古气候演化特征都有了比较详细的了解.全新世以来大九湖流域生长有落叶阔叶林和针阔混交林，气候在全新世中期较为干燥，这与东部季风区其他泥炭地所记录的湿润气候并不一致.同时，中国东部季风区的古火灾事件频发（庞洋等， 2022），而大九湖这样的高山泥炭地是否有火灾发生，在一些干旱时段是否存在火灾频次和强度的变化尚不清楚.因此，笔者利用大九湖盆地20ZK5-2泥炭钻孔样品为研究对象，对地层中所含炭屑的形貌、浓度等进行分析，并结合植物残体、TOC、藿类通量、孢粉等代用指标重建了大九湖古火灾的演变过程.

1 材料与方法

本文所取20ZK5-2钻孔位于大九湖养鹿场泥炭最厚处（31°29′27″N，109°59′46″E），长300 cm，按1 cm间隔分样（图1）.从上往下0~209 cm为灰黑色、灰褐色泥炭层，209~300 cm是以灰绿色粘土为主的湖相沉积层.本文选取105 cm以上的泥炭样品进行前处理与测试，按5 cm间隔取样，炭屑浓度变化较大层位加密取样，共计30个.

大九湖泥炭呈弱酸性（Zhang et al.， 2020），碳酸盐含量极低，植物残体含量较高.先利用0.9 mm孔径的标准筛对全样进行分离，筛上组分称重以获取植物残体的质量百分含量；筛下组分用质量浓度10% H₂O₂和40% HF溶液浸泡72 h后，用去离子水洗至中性（pH=7）.再利用100 μm孔径的标准筛筛分，筛上大于100 μm的炭屑被定义为“大炭屑”，筛下小于100 μm的炭屑则被称为“小炭屑”.干燥后的大炭屑经Olympus SZ61型体式显微镜鉴定和统计，放大倍率400倍；以棱角状、整体黑色无反射或局部反射似晶面为主要鉴定标志，并经扫描电镜能谱确认.针对小炭屑，使用去离子水定容至20 mL后混匀取0.5 mL制作固定片，制作方法参考硅藻封片法（Battarbee， 1984）；然后利用Olympus DP27型生物显微镜在1 000放大倍率下对小炭屑进行鉴定和拍照；同时利用Leica DM2700P型偏光显微镜进行偏光镜透射检查，识别部分半透光的未完全炭化颗粒和暗色矿物不计入统计范围.

炭屑的面积、长轴长度L以及长宽比AR均由Image J软件提取.单个样品所有炭屑的面积之和与干重的比值为面积浓度（mm²/g）.AR值为炭屑颗粒所匹配椭圆的长轴与短轴之比.由于单个样品具有多个L及AR数值，利用SPSS27软件分别获取其概率累计曲线的Φ ₁₆、Φ ₅₀和Φ ₈₄值，三者平均后代表单个样品的平均长轴长度及平均长宽比，记作L _mz与AR _mz.

以上实验及总有机碳TOC均在中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室完成；本钻孔共测试了12个AMS ¹⁴C年龄值，由美国迈阿密BETA实验室测试完成.

2 深度‒年代序列

实验选取300 cm沉积柱的12个AMS¹⁴C测年样品，并筛分出90~300 μm的泥炭组分，该组分包含大量未完全分解的植物残体，有效避免了沉积物的“碳库效应” （Huang et al.， 2018），该组分经酸解后于NEC加速质谱仪和Thermo IRMSs测试，所得¹⁴C年龄经Bacon年龄‒深度模型进行日历年龄校正（Huang et al.， 2023b），钻孔底部即300 cm处的校正年龄为16.9 ka B.P.， 17 cm及以上为现代沉积（图2）.依据所获取的年代‒深度序列，0~209 cm泥炭的沉积速率变化明显，上部0~121 cm和下部121~209 cm段的平均沉积速率分别为0.14 mm/a和0.55 mm/a；209~300 cm湖相沉积的平均沉积速率为0.28 mm/a，其顶部可能因沉积相变化，湖泊迅速疏干但泥炭尚未形成（Zhang et al.， 2020），从而出现沉积速率迅速变低的情况.本文以 8.5 ka B.P.以后即105 cm以上泥炭为研究对象，由于沉积速率整体平缓稳定，因此取样点位分布均匀，另外本文后续所涉及的表层样品测试值均由5 cm、7 cm、10 cm和15 cm的算术平均值代替.

3 结果与讨论

3.1　炭屑的形貌分类

炭屑形成时存在收缩、破碎的现象，但依然能保存其母源植物的部分组织或形貌特征.本文依据炭屑的几何形状将炭屑划分为4大类，并根据有无孔洞/纤维、边缘是否平滑等表面形貌特征进一步划分出11个亚类（表1）.每类所对应的典型光学显微照片见图3，具体描述如下：

（1）A类炭屑以多边形为主，可进一步划分为3个亚类.A₁亚类为实心的多边形粒状，边缘清晰平直，偶见尖锐棱角与内部裂缝；无明显的纹理结构，因而缺乏植物来源信息.A₂亚类实心但有纹理结构，呈片状，表面有纵向条纹；可能来自木本植物的纤维组织或木质部（Enache and Cumming， 2006）.A₃亚类具有圆形、椭圆形孔洞，孔洞边界清晰或曲折或圆滑；周边有纵向条纹，与植物叶片气孔和叶脉有相似结构，因此可能是植物叶片的燃烧产物（Walsh et al.， 2010）.

（2）B类以矩形为主，也可划分为3个亚类.此类炭屑可能指示了降水的增强（Enache and Cumming， 2006）.B₁亚类为实心的长条状炭屑，AR值一般都大于10.此类炭屑边缘平直，表面平坦，偶尔出现分叉，可能来源于禾本科植物叶片或叶梢（Esperanza et al.， 2022）；其中一些具有多条纵向的粗大纤维及连接纤维的薄膜状、半透光组织（图3 B₁x），整体条纹感清晰，可能是火灾发生时未完全炭化的产物.B₂亚类为束状炭屑，呈片状或长条状，多条平行的长条炭屑集合在一起，炭屑间呈锯齿状咬合，纵向边缘也为锯齿状；横向断口则平直规则.整体来看该类炭屑具有明显的植物叶片细胞结构特征，来自草本植物（Dussol et al.， 2021）.B₃亚类属于有孔洞的条形炭屑.表面有细小的圆孔或椭圆孔，大小不一，沿纵向条纹排列；可能是较为宽大的禾本科叶片在燃烧过程中沿气孔扩大而成（Jensen et al.， 2007； Mustaphi and Pisaric， 2014）.纵向边缘平直或偶见锯齿状，横向断口清晰但不规则.

（3）C类以圆形、椭圆形为主.C₁亚类或实心或有连续排列的孔洞，其边缘平滑，偶有弧形断口.C₂亚类炭屑边缘具有单突起，推测其来自杉科；而有的圆形炭屑具有三射裂口，可能来自松科花粉.

（4）D类炭屑形状不规则.D₁亚类实心似针型，两侧边缘清晰平滑，表面无特殊结构，可能来自松针或植物叶片末梢.D₂亚类呈实心折枝状，边缘转折清晰，可能来自植物枝干分叉处.D₃亚类呈孔洞密布的薄片状，孔洞大小一致、均匀分布；经扫描电镜高倍率放大确认其源自昆虫甲壳.

3.2　炭屑等指标变化及来源分析

泥炭沉积序列中植物残体的含量为0.5%~49%，均值为9%（图4a）.植物残体含量变化分为3个阶段，8.5~6.5 cal ka B.P.期间极低，6.5~ 3.4 cal ka B.P.较高；3.4 cal ka B.P.后残体含量下降并维持在低值.大九湖泥炭地的水源主要来自降雨直接补给和盆地周边的径流汇集，而水的排泄主要依靠岩石裂隙和小直径的落水洞缓慢排出，因此泥炭地水位长期处于地上5 cm至地下10 cm的淹水状态，地表的植被以泥炭藓为主、偶有灌木和草本等（Zhang et al.， 2020）.如果气候湿润、水位较高，新鲜的泥炭藓初期分解主要依靠淋溶作用损失其可溶性物质，如氨基酸、脂肪酸、糖类等，速率较快；经淋溶后的植物组织形态与结构均遭到破坏，从而进一步促进微生物的快速降解，因此保留到地层中的残体较少.若气候干旱、水位较低，泥炭藓主要受长期而缓慢的光分解影响（许策等， 2020），从而使得地层中保存有大量的植物残体.因此，地层中植物残体的含量高对应干旱气候，反之则对应湿润气候.

泥炭的总有机碳TOC含量较高，平均值约为40%，但变化幅度较大，范围在27%~46%之间（图4b），8.5~6.5 cal ka B.P.波动较大，整体偏低；6.5~ 2.0 cal ka B.P.较高，2.0 cal ka B.P.后TOC含量有所下降.这与周边泥炭钻孔有机碳含量的变化相似，如DJ（朱诚等， 2006）钻孔，这使得本文的炭屑与大九湖的其他指标具有可比性.

泥炭序列中的炭屑面积浓度变化范围为78~1 083 mm²/g，平均值为331 mm²/g（图4c）. 8.3~7.4 cal ka B.P.、7.1~2.1 cal ka B.P.是整个泥炭层中炭屑含量最高的时期；炭屑面积浓度的峰值分别出现在7.5 cal ka B.P.、6.3 cal ka B.P.、 4.6 cal ka B.P.、3.6 cal ka B.P.、2.5 cal ka B.P.这5个时期.高浓度及长时间尺度的炭屑堆积往往意味着古火灾频率、规模或强度的增加（Miao et al.， 2019）.因此，大九湖泥炭序列中的炭屑特征表明，较为显著的古火灾事件大致发生在7.5 cal ka B.P.、6.3 cal ka B.P.、4.6 cal ka B.P.、3.6 cal ka B.P.、2.5 cal ka B.P.这5个时期前后.

此外，古火灾事件的范围及植被可以由炭屑的长轴长度和长宽比来表示.小炭屑的L _mz和AR _mz范围分别为11~21 μm和1.6~3.1；大炭屑的L _mz和AR _mz范围分别为123~233 μm和1.8~2.3（图4d~4g）. L _mz和AR _mz的高峰均与炭屑浓度的极大值同步.大于100 μm的炭屑常反映地方性火灾事件，而小于100 μm常反映区域性火灾事件（李宜垠等， 2009）.大炭屑与小炭屑的L _mz变化相似（图4d~4e），这意味着大九湖地方性火灾事件与区域性火灾事件具有同步性.炭屑AR值的变化与其形貌相关性极高，泥炭中炭屑以A型为主；B型次之，且B型主要大量出现在如7.1~2.7 cal ka B.P.、8.5~7.7 cal ka B.P.的火灾事件高发期；而C型、D型炭屑含量较少.四类炭屑中以B型AR值最高，且根据炭屑AR _mz（图4f~4g）高值常出现在炭屑丰富时期可知，B型炭屑含量的增多是引起AR值上升与炭屑面积浓度增高的主要因素.

目前的研究直接将A、B型炭屑分别作为木本植物和草本植物燃料来源（Miao et al.， 2019）.这是由于植物细胞排列方式及组织结构使得炭屑在断裂的过程中具有一定规律性，一般而言，木本植物相对于草本植物生物量大、易保存且AR更低.而大九湖泥炭地发育过程中，广泛存在维管束植物和苔藓植物.高等植物维管束由木质部和韧皮部组成束状排列的结构，存在于植物茎叶中，这种结构使得植物在炭化断裂的过程中极易沿着细胞伸长方向断裂，从而形成细长的炭屑.而苔藓类植物是无真根或维管组织分化的小型高等植物，因此，它们在燃烧过程中较难形成细长的结构.

对比大九湖泥炭藓孢子的百分含量（图5e）、表征泥炭藓与维管束植物相对输入比例的正构烷烃C₂₃/C₂₉值（图5f）以及孢粉含量（图5g）可知，大九湖的泥炭藓并非是火灾增多时的优势植被（赵鹏飞和李宜垠， 2012）.火灾高发时期常常伴随着高等草本维管束植物的扩张.

3.3　大九湖的古火灾事件

大九湖地区的火灾事件性较为突出，本文通过与藿类通量、泥炭藓百分含量、正构烷烃C₂₃/C₂₉、孢粉浓度对比来探索气候、植被等影响因素与古火灾发生的关系.藿类通量表示了好氧细菌藿类化合物的含量，与泥炭水位变化相关，其值越高表明环境越干旱（Xie et al.， 2013）；泥炭藓的百分含量由其孢子在植被总孢粉中的占比计算得出（石敏等， 2008），而正构烷烃C₂₃/C₂₉即C₂₃相对于C₂₉的正构烷烃浓度表征了泥炭藓的丰度（Huang et al.， 2018）；孢粉浓度来自于地质历史时期的植被孢子、花粉等的总和（朱诚等，2006）.

20ZK5-2钻孔中炭屑浓度记录了中全新世以来较为明显的古火灾事件，6.3 cal ka B.P.、4.6 cal ka B.P.、3.6 cal ka B.P.时期的火灾事件处于好氧细菌藿类堆积速率的快速升高（图5d）、孢粉浓度（图5g）以及泥炭藓（图5e~5f）含量降低的时期.据此可知，此时气候干旱、地表水位降低，高等草本维管束植物增多，且受干燥气候的影响，植物含水率下降，变得干燥易燃，这为火灾的发生提供了极大的可能性.不同于以上3个时期的火灾事件，7.5 cal ka B.P.与2.5 cal ka B.P.时期炭屑丰富，此时干旱的气候主要发生在大幅降温背景下，极高的孢粉浓度（图5g）表明此时区域内植被开始猛烈扩张，短期内植被的猛增预示着气候的突变，且这些时期，松属孢粉（朱诚等， 2006）的比例均明显增加，支持了本地的降温事件.而好氧细菌藿类堆积速率记录的失真（图5d）可能是源于较冷的气候抑制了各种微生物的生长与活动.

除以上5个火灾事件，炭屑在6.5~4.5 cal ka B.P.出现了长期堆积，极高的孢粉浓度表明此段时期的植被量丰富，而泥炭藓含量较低；大九湖的藿类通量与炭屑浓度基本同步，均在火灾活动时期出现高值，而在较为湿润的5.7~5.4 cal ka B.P.前后出现了低值.这表明此时火灾的发生可能受控于干旱的气候.并且此时位于长江中下游地区的余姚河姆渡地区的炭屑浓度也达到了峰值并长期堆积（李春海等， 2009）.Huang et al.（2023a）对中国东南部亚热带泥炭地的水文记录分析后发现，此时是东部季风区气候整体干燥的时期.因此，大九湖此时的炭屑可能是干旱气候下频发的古火灾带来.

就整体而言，7.3~7.0 cal ka B.P.、4.3~4.0 cal ka B.P.与2.0 cal ka B.P.以后的炭屑含量均为极低值.前两个时期所对应的好氧细菌藿类堆积速率较低（图5d）、泥炭藓含量较高（图5e）、孢粉浓度低（图5g）.这表明，7.3~7.0 cal ka B.P.与4.3~4 cal ka B.P.时期气候湿润，降水增多，泥炭藓生长旺盛，但植被开始收缩.因此，前两个时期可能是湿润的气候与较低的植被量共同制约了古火灾的发生.而2 cal ka B.P.以来，藿类通量稳定在低值，泥炭藓含量大幅增高（图5e），孢粉浓度有所上升（图5g），此时气候相对湿润，植被有所扩增.并且，位于长江中游的屈家岭遗址的炭屑浓度自 2.0 cal ka B.P.以来猛增并稳定出现，这意味着人为因素已经成为不可忽视的引火条件之一（李宜垠等，2009）.而大九湖火灾信号的减弱可能是由于人类在山区周边森林伐木取材的行为抑制了火灾的发生（Pei et al.， 2020； 庞洋等， 2022）.

综上所述，古火灾的发生与气候的干湿条件、植被量以及人类活动紧密相关，尤其受控于气候的干湿条件，这正与前人所探讨的“气候‒火灾‒碳循环（植被）‒人类活动”的影响机制相似.大九湖地区的古火灾往往出现在气候干燥的时期，且长江流域早期人类的伐木等行为使得古火灾频率有所下降.与中国季风区及长江流域的古火灾事件发生时期相比，大九湖的古火灾出现在我国北方古火灾之后，南部地区古火灾之前，具有随纬度降低的时空滞后性，且与长江流域的古火灾事件基本同步（Xue et al.， 2018； 庞洋等， 2022）.

4 结论

本文对大九湖泥炭沉积中的古炭屑进行了系统的形貌特征研究，认为其几何形状、表面纹理结构及长宽比可以反映其母源植被的信息.全新世中期以来，炭屑长宽比即AR值与面积浓度具有明显的阶段性变化，在面积浓度较高时期，AR值较高的矩形炭屑会相应增多，这反映了古火灾高发期主要燃烧生物材质和火灾强度的变化.通过与大九湖古环境指标变化的对比表明，约8.5~4.3 ka B.P.期间炭屑浓度整体较高，气候干旱且植被繁盛导致了古火灾频发；但7.3~7.0 ka B.P.时段内的频繁降水制约了火灾的发生.全新世晚期约4.3 ka B.P.以来，古气候由干旱转为湿润，炭屑含量波动下降指示了火灾频次逐步降低；但在3.6 ka B.P.和2.5 ka B.P.左右气候出现干旱波动，这与同期的古火灾事件相一致.据此，大九湖泥炭中的炭屑可作为一种重要的、与干旱化相联系的古火灾代用指标.

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基金资助

国家自然科学基金区域联合基金重点项目(U20A2094)

国家自然科学基金项目(41102070;41571189)