海洋地质与环境重点实验室知识库

火作为地球系统中重要的生态因子，可以通过扰动陆地生态系统和改变大气组成对生物圈、大气圈产生重要影响。火波动与气候、植被状况、人类活动密切相关。追踪地质时期火历史，将加深我们对火的控制因子及人类扰动自然火历史进程的理解。本研究通过对中国边缘海一系列岩心（东海陆架岩心ECMZ、长江水下三角洲岩心T1、南海北部陆架岩心K6-2和珠江水下三角洲岩心ZK20）的黑碳含量及碳同位素组成及沉积物年代、粒度、元素和矿物组成等的分析，重建了末次冰期尤其是中全新世以来长江和珠江流域的高分辨率区域火历史，并探讨了火与气候、植被以及人类活动的关系。
物源分析表明，东海陆架ECMZ岩心沉积物黑碳主要来自长江输入，黑碳含量被用以重建长江流域~7.0 ka BP以来高分辨率火历史。研究结果显示，7.0~3.0 ka BP，火与温度、降水在千年和百年尺度均呈密切正相关，表现为暖湿期火活动更多，冷干期火明显减少，表明气候对区域火的主控地位。但是在3.0 ka BP以来，火与气候的关系在多种时间尺度均发生重要转变，暗示3.0 ka BP以来人类活动对长江流域火活动的影响超过自然因素。在千年时间尺度，温度和降水在3.0~1.0 ka BP基本稳定，甚至过去1.0 ka BP以来稍有增强，而长江流域火活动在3.0 ka BP以来快速减弱，重金属元素Pb、Cu含量则相应显著升高，暗示3.0 ka BP以来人类活动（如种植农业、金属冶炼）的持续增强，使流域森林覆盖率（燃料量）降低而限制了火的发生，从而改变了之前火-自然之间的固有关系。在百年时间尺度上(3.0 ka BP以来)，所识别出的六次火活跃期均发生在相对寒冷干旱的时期，并明显与中国历史上从北方黄河流域向长江流域的数次人口南迁及技术进步时期相对应，指示人类因素对火的干扰增强。考古和气候研究表明，长期干旱、寒冷的气候更易导致饥荒、战争和人口迁移。特定时期北方人口的南迁及其带来的技术进步促进了长江流域人类活动的短期增强和火的频繁发生。
南海北部陆架K6-2岩心的物源分析表明，其黑碳主要来自珠江输入，从而可以指示珠江流域近5万年来的区域火历史。结果表明，在50.0~27.0 ka BP，区域火活动整体较强但有逐渐减弱的趋势，在13.0~7.0 ka BP，区域火活动较强，7.0~4.0 ka BP，区域火活动减弱。与气候记录对比分析得出，火与气候的关系在两个时期截然不同，在50.0~27.0 ka BP，暖湿程度的增加会抑制区域火活动，而在13.0~4.0 ka BP，气候转暖湿会促进区域火活动。考虑到4.0 ka BP之前人类对火的影响尚未显著增强，两个时期截然不同的火与气候之间的关系可能源于温度和降雨在两个时期各自的变化幅度存在差异。
珠江口ZK20孔上部9 m的岩心黑碳记录了珠江流域~7.0 ka BP以来高分辨率火历史。结果显示，在7.0~3.9 ka BP，区域火活动整体较强；在3.9~2.9 ka BP，区域火活动升至最高；~2.9 ka BP以来，区域火活动显著减弱。对比气候、孢粉以及人类活动记录，认为在3.9~2.9 ka BP，区域火活动达到最高可能与珠江流域初始农业的兴起和发展有关，而自~2.9 ka BP以来，区域火活动的大幅减弱与流域内农业活动的广泛传播和植被破坏有关。
本研究从区域尺度探讨了长江、珠江流域过去火历史及其与气候的关系，均发现在没有明显人类干扰的中全新世，自然火活动在暖湿期更强，表明升温和降水增多及其对植被充足度的提高会促进区域火活动的增强。但是，在晚全新世约3.0~2.9 ka BP以来，长江、珠江流域区域火活动显著降低，明显受到了人类活动的强烈干扰，这将为人类世的划分提供科学依据。该研究也将对亚洲季风区未来火的预测以及火管理政策的制定有所启示。

第1章  引言 1

1.1  火是自然界的重要组成部分 1

1.2  重建地质历史时期火历史的方法 1

1.2.1  树木火疤 2

1.2.2  碳屑 2

1.2.3  黑碳 3

1.2.4  其它指标和方法 4

1.3  火历史研究进展 4

1.3.1  火与气候的关系 4

1.3.2  火与植被的关系 5

1.3.3  火与人类的关系 6

1.4  存在问题 7

1.5  选题依据 8

1.6  研究内容和目的 9

第2章  材料与方法 11

2.1  研究材料 11

2.2  研究方法 11

2.2.1  AMS14C测年 11

2.2.2  黑碳提取与测试 11

2.2.3  有机碳、氮测试 12

2.2.4  元素地球化学分析 13

2.2.5  矿物组成分析 14

2.2.6  粒度分析 14

2.2.7  扫描电镜及能谱分析 15

第3章  近7 ka以来长江流域火历史 17

3.1  区域概况 17

3.1.1 长江流域区域概况和气候、植被、人文背景 17

3.1.2  东海区域概况 19

3.2  研究材料 19

3.3  ECMZ黑碳物源分析及其指示意义 20

3.3.1  ECMZ岩心年代框架、沉积速率及矿物组成 20

3.3.2  黑碳含量、通量、碳同位素、形态及组分特征 21

3.3.3  黑碳源区分析 23

3.3.4  黑碳的指示意义 24

3.4  7.0 ka BP以来长江流域火历史 26

3.5  7.0~3.0 ka BP气候主控长江流域火活动 27

3.6  ~3.0 ka BP以来人类活动对长江流域火活动产生显著影响 33

3.7  区域火历史对人类世划分的启示 39

3.8  小结 40

第4章  末次冰期以来珠江流域火历史 41

4.1  珠江流域区域概况 41

4.2  研究材料 42

4.2.1  南海北部陆架K6-2孔 42

4.2.2  珠江口ZK20孔 43

4.3  K6-2揭示的过去五万年以来珠江流域火历史 43

4.3.1  年代框架 43

4.3.2  物源分析 45

4.3.3  近5万年来的珠江流域火历史及其控制因素 49

4.3.4  小结 54

4.4  ZK20揭示的7 ka BP以来珠江流域火历史 54

4.4.1  年代框架与沉积演化 54

4.4.2  有机碳、氮及黑碳对岩心沉积演化及物源的启示 57

4.4.3  珠江流域7.0 ka BP以来火历史 62

4.4.4  小结 64

第5章  结论 65

参考文献 67

附录 83

附表1 ECMZ黑碳含量及碳同位素 83

附表2 ECMZ重金属元素 85

附表3 T1黑碳碳同位素 86

附表4 K6-2粘土矿物、粒度 86

附表5 K6-2化学元素 88

致谢 91

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 93