2019, Vol.39
自然火是地球系统中活跃且重要的组成部分，它与气候变化和生态系统演化之间的耦合作用维持着地表圈层的和谐运转[1]。炭屑化石记录显示从志留纪出现陆生植物之后，自然火就迅速产生[2]，并且至少从325 Ma以来就在地球生态系统中发挥了极其重要的作用，其中火的频率和强度对植被影响明显[3]。如：距今7~8 Ma在亚洲、非洲、美洲发生了热带稀树草原(以C4草本植物为主)的大范围扩张，这一全球性扩张可能是由于晚中新世气候的季节性变化，使得部分时段保持较高的生物量产出，随后的干旱季节又大大降低了燃料湿度，再加上季风气候产生大量闪电，导致大规模自然火频发，为草本C4植物迅速生长提供了开阔的高光照环境，使其在与木本C3植物的生存竞争中占据优势[4]。此外，燃烧过程中释放大量温室气体(CO2、CH4、N2O)和气溶胶，并引起地表反照率和植被结构变化，从而强烈地影响着全球气候和生态[5]。
自然火与气候、植被关系紧密[1, 6]，并且主要受控于气候因素(温度、湿度等)和植被因素(可供燃烧的生物量)(图 1)。在局地尺度上，天气模式、燃烧位置、地形、植被、局地可燃物量和可燃性之间以复杂的方式相互作用，对自然火产生正反馈或者负反馈[7]；在区域尺度上，自然火最重要的气候影响因素是温度和降水，它们通过控制净初级生产力以及燃料丰度、组成和结构来影响自然火的增强或减弱[8]；在全球尺度上，自然火倾向于发生在气候和植被的中间环境中，一般在给定温度下中等水平的湿度最有利于生物质燃烧，而极端的环境往往缺乏充足的燃料，或者缺乏充足的干燥期，从而不利于自然火的发生[9]。
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图 1 全球主要潜在植被分布图[10]和全球黑碳数据库中20世纪表土黑碳样品点位(www.paleofire.org) Fig. 1 The main potential vegetation maps in the world[10] and the topsoil sample points of 20th century in the global black carbon database |
在增温情景下，自然火的演化规律和控制因素已经成为学术界的研究热点，但目前还存在一些亟待解决的问题，包括以下两个方面。
1.2.1 不同增温情景下，自然火是增多还是减少存在区域差异IPCC报告[11]指出，大气CO2浓度升高引起的温室效应将导致全球增温，预计2016~2035年全球地表平均温度将上升0.3~0.7 ℃，到21世纪末将升高0.3~4.8 ℃(与1986~2005年相比)。大量研究表明全球不同增温情景下，自然火是增多还是减少存在区域差异。
实际监测记录表明，1880~2012年全球地表平均温度约升高0.85 ℃(与1961~1990年相比)，平均增温速率约为0.09 ℃/10年，1979~2012年增温幅度最显著，增温速率达0.25 ℃/10年[11]。历史记录、树木年代学和卫星监测数据重建的全球自然火历史显示，在20世纪上半叶全球自然火总体减少，火灾面积由5.35亿公顷/年降至5.00亿公顷/年，并将主因归为人为因素[12]，如改进防火、消防措施，某些地区放弃迁移农业；在20世纪下半叶全球自然火有所增加，火灾面积增至6.08亿公顷/年[13]。这一自然火演化历史并非全球一致，存在区域差异，如：20世纪上半叶北半球高纬度地区(55°N以北)并未出现自然火减少，可能该地区受农业扩张影响较小，并且受到高纬度全球变暖信号放大的影响，增温和干旱加剧，自然火容易发生[14]。
模型模拟结果同样存在复杂性。研究表明21世纪全球增温将会导致很多地区自然火增多[4]，其中中亚、南欧、美洲和澳洲自然火将显著增多(特别在温度增加4 ℃、降水减少率为0.25 mm/天情景下)[15]；另有研究预测，在加拿大东西部、北欧大部分地区自然火将会减少(在两倍CO2情景下)，或者从全球尺度上来看自然火总量不会有明显变化[9]。
古记录反映的自然火历史显示，全球增温情景下不同地区自然火既有增多加剧，也有变化不大甚至减少减弱(图 2)。美国南部[17]、东南亚[18]等地区显示全新世增温情景下自然火显著增加；然而，北美和欧洲多个自然火记录显示，虽然从小冰期结束(约1850年)以来气温逐渐增加(加拿大部分地区增温率可达1.7 ℃/百年)，但是这些地区的自然火却逐渐减少或者变化较小[19]。
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图 2 距今100~1000年的全球黑碳平均含量分布图(修改自文献[16]) 红色圈代表黑碳含量较高，蓝色圈代表黑碳含量较低 Fig. 2 Distribution of global black carbon content from 100 to 1000 years ago(modified from the literature[16]). Red circle means higher black carbon content, blue circle means lower black carbon content |
目前，自然火研究主要基于其与现代气候条件的统计关系，这种基于现代过程的统计方法，着重考虑地表温度、降水、风速等气候因素，对可燃烧植被类型等控制因素考虑不足[15, 20]。而且，该方法观测时间较短，气候变化范围有限，且无法完全排除人类干扰因素，能否准确预估超出现代气候变化条件下的自然火演化值得商榷。
模型模拟结果显示，全球不同增温情景下(分别增温2 ℃和4 ℃)，有些地区自然火控制因素发生变化，从而导致自然火减少[5]。如：热带地区增温伴随降水的增多、半干旱地区增温导致可燃烧植物量减少以及燃料连通性减弱，这些控制因素的改变都不利于当地自然火的发生。另一方面，地质历史时期增温情景下的自然火显示[17, 21~22]，不同地区自然火控制因素有所不同，单一的温度条件不足以决定自然火的变化。如：早全新世全球温度大幅度回升，比1961~1990年平均高出0.6 ℃[21]，美国中南部高海拔森林火灾高发而东南部西南部火灾却较少，这是由于中南部的西南季风扩张和可供燃烧的生物量增加均有利于自然火的发生[17]，而东西南部气候干热，植被生长季有效湿度低，从而限制了可供燃烧的生物量[22]。
综上，自然火是由非生物和生物过程共同作用的结果，尤其与温度、植被之间关系密切。因此，要深入探讨未来不同增温情景下，自然火是增多还是减少，其控制因素如何变化，亟须找到其相似型。距今最近的地质历史时期‘新生代’经历过不同增温情景下的环境演变，如全新世大暖期、中中新世气候适宜期，这些增温情景可作为未来增温情景下的相似型[23~25]。因此，开展新生代不同增温情景下自然火历史及其与植被演替之间联系的研究，可为探讨未来增温情景下自然火演化规律及其控制因素提供重要依据。
2 新生代不同增温情景下自然火研究现状全球气候在新生代时期经历了重大变化，从温暖的无冰气候转变为以大陆冰盖为特征的寒冷气候[24~25]。其中，中中新世气候适宜期(mid-Miocene Climatic Optimum，简称MMCO)和全新世大暖期(Holocene Thermal Maximum，简称HTM)是研究较多的典型增温期，在全球范围内有对其自然火历史的研究。
2.1 中中新世气候适宜期自然火研究中中新世气候适宜期是新生代全球气候变冷背景下的一次短期气候温暖事件，也是最后一次全球性气候适宜期[26~27]。可能发生在16~14.8 Ma[28]，17~15 Ma[24]或18~15 Ma[29]。该时期的气候特点是高纬度地区的海面温度比现在高约6 ℃，这可能是过去35 Ma内最温暖时期[28]；气候模拟结果显示全球年平均表面温度在15 Ma时为18.4 ℃，比现在高约3 ℃[30]。中中新世气候适宜期代表了与人类活动无关的地质增温事件，可能为未来全球增温提供相似型。
南美洲智利地区属于典型的地中海型气候，这种气候季节性变化明显，雨季(累积降水量为320 mm)时适中的温度(12 ℃)为植物生长提供了条件，夏季温暖干燥(22 ℃和50 mm)使得植被高度易燃[31]。智利中部沉积记录中Navidad组的高浓度炭屑，反映了从中新世早期到中期自然火活动最频繁，对应于17~15 Ma的中中新世气候适宜期[30]。智利中部化石植物面貌指示该时期大陆温度有6~9 ℃的增加[32~33]，地形和海洋环流的变化也导致了降水的季节性分布[34]。这种生长季温暖潮湿、夏季温暖干燥的气候条件，使得植物在春季大量生长提供充足燃料，在干燥季节变得更易燃烧。这种容易发生火灾的景观可能被安第斯山脉的造山运动伴随的高频火山活动所点燃，从而导致了当地中中新世气候适宜期的自然火活动极其频繁和强烈[33]。
中国西南部的云南省地形多样，包括南部的山间盆地，北部和西部的深切河谷，由于高山阻挡了来自北方的冬季风，使得当地是冬季温暖干燥，夏季中度炎热潮湿的季风性气候[35]。前人[36]利用云南文山盆地中新世湖相沉积物中的黑碳重建自然火动力学，利用其孢粉定量重建古气候，分析得到干旱季节的温度是控制自然火频率的主要因素。另外，降水和黑碳含量之间表现为正相关，这可能由两种不同的机制造成：降水量增加，植被生长速度加快，可供燃烧燃料增多；亦或降水与自然火不是因果关系，而是温度与降水正相关性的反映[36]。这与前人对现代过程的观测结果相一致，云南省1982~2008年的森林火灾和气象情况显示[37]，气温日较差较大可导致自然火频率增加，年均气温日较差比年均降水量对自然火的影响更大。
2.2 全新世大暖期自然火研究在与人类演化和发展密切相关的全新世，全球发生过多次气候冷暖波动事件，其中最重要的是全新世大暖期。全新世大暖期起讫时间存在区域性差异：在我国西部地区大约开始于11~10 ka B.P.，而东部地区要比西部地区晚1 ka左右[38]；北欧全新世大暖期出现在8~2.3 ka B.P.[39]；格陵兰冰芯δ18 O序列反映该事件发生在8~4 ka B.P.[40]。该时期的气候特点是气温升高，北半球平均气温比现代高1.5 ℃，南半球平均气温比现代高1 ℃；平均海平面比现代上升0.5~1.0 m[41]；在降水方面表现出一定的空间差异，如全新世中期在欧洲、亚洲和北非表现为降水增加约20~200 mm，而北美东部降水则减少约50~150 mm[42]，中国年降水量整体比现在多约230 mm[43]。前人通过对亚洲、欧洲、美洲等地区全新世大暖期自然火的研究，为推进全球增温情景下自然火与气候、植被的相互作用研究做出了贡献[44~47]。
中国黄土高原位于东亚季风边缘区，属于温带大陆性季风气候。前人通过对其末次冰期以来黑碳、磁化率、有机质、孢粉等指标的研究发现[47]，在末次冰期后期，由蒿属、菊科和藜科植物等草本C3植物占主导的沙漠草原上很少发生区域性自然火，因为有限的生物量不能满足黄土高原极端寒冷和干燥环境下的火势蔓延；随着全新世早期气候条件改善，生物量增加，特别是禾本科的C4植物增多，使得自然火适度增加；全新世中期气候更加温暖和潮湿，植被面貌转变为草原和森林草原(木本C3植物栎树、榛树发生扩张)，由于植被类型和湿度的限制，自然火的发生频率较低；之后，随着气候变的冷干，草本C3植物扩张，地方和区域火灾事件的数量大幅增加。
地中海地区极端自然火事件的发生与最干旱时期旱季的持续时间和强度有关[48~49]，而自然火也是塑造地中海地区生物群落分布的最重要因素之一[50]。位于地中海地区的Iberian半岛和Eivissa Balearic群岛，其沉积物中9.56 ka B.P.黑碳高含量与林地的增加相吻合；8.2 ka B.P.为当地植物演替和气候适宜期的开始，而黑碳峰值的出现与喜湿类植被百分含量最低时一致(低降雨量)；在8.2~4.2 ka B.P.，自然火与森林覆盖率增加或稳定的趋势一致；4.2 ka B.P.之后，地中海植被面貌由林地和灌木丛转变成灌木丛，自然火无法恢复到之前的高峰状态，表明其自然火受到可供燃烧的树木质量逐渐减少的制约[45]。
位于中欧的捷克共和国属于海洋性向大陆性气候过渡的温带气候，对其云杉山林中自然火长期作用和驱动因素研究表明，全新世大暖期自然火、气候和植被之间的关系复杂[44]。在全新世早期(11.0~6.5 ka B.P.)，当地冬季温度相对较低，夏季比现在略炎热和干旱[51]，这种气候条件使得云杉等植物扩张并持续存在，维持了当地较高的可燃烧生物量，也更有利于区域自然火的同步发生，从而导致频率较高、规模中等的自然火发生[52]。
北美洲阿拉斯加湖泊沉积物的研究揭示了全新世北方生态系统中自然火与气候、植被之间的相互作用[46]。在千年时间尺度上，这些记录最大特征是随着以云杉为主的北方森林的建立自然火发生频率增加，自然火发生间隔从≥300年降至约80年[46]。云杉林的建立与区域气候逐渐变凉和变湿有关，由于这种气候变化不直接导致自然火的增强，因此自然火的增加很可能反映了高度易燃的云杉林的影响，因为它比以前的植被类型(苔原、森林)更有利于自然火的产生和蔓延。在一些地区自然火频率在4.0 ka B.P.增加，而云杉丰度没有明显增加，这可能与大气环流改变导致闪电增加相关[53]。
Marlon等[54]通过对全球的全新世自然火数据的综述分析认为，全新世初期全球自然火较少，之后为逐渐增加趋势，这与冰期-间冰期过渡时期全球温度升高相一致。然而，有许多地区全新世早期以自然火高发为特征，可能由于当地的条件有利自然火发生，如冰川地区附近的阿拉斯加、加拿大和欧洲东北部的记录显示了这种模式，巴塔哥尼亚、地中海，亚洲和非洲季风区的记录也是如此。这反映了全新世期早期的物理条件(如山脉)、大气环流模式、风暴轨道、季风变化对植被群落和自然火都有很大影响[55~56]。
3 存在问题及建议上述研究推进了地质历史时期增温情景下自然火演化的认识，但仍然存在两个突出问题：1)缺少针对过去不同增温幅度下自然火演化历史的系统研究；2)缺少定量的自然火发生过程和植被组成、气候变化之间关系的研究。因此，选择典型域，重建不同增温情景下关键时段自然火演化历史，探讨自然火与不同增温幅度、植被演替之间的关系，是自然火研究面临的重要任务，对准确预估未来增温情景下自然火变化趋势具有重要意义。
东亚季风作为地球上唯一的亚热带-温带季风，是连接北半球高低纬气候相互作用的重要纽带[57]，因气候雨热同期、植被类型丰富，其自然火演化及控制因素具有复杂性，是研究自然火的重要区域[54]。前人也对该地区深海沉积物、湖泊沉积物、黄土中记录的自然火历史进行了一些研究[58~63]，但是还缺少对东亚季风区不同增温幅度下自然火演化历史的系统研究。
东亚季风区在晚更新世深海氧同位素MIS13、MIS11、MIS5阶段，气候异常温暖湿润[64]。中国黄土高原出现了异常暖湿气候，古土壤层S5-1(对应MIS13)是第四纪黄土中土壤发育程度最强的层位[65~66]，该层记录了至少过去80万年内最强的夏季风和最弱的冬季风信息，当时60°N的6月太阳辐射值比现今值(476 W/m2)高出58 W/m2[67]，其年平均温度(MAT)和年平均降水量(MAP)至少比现今增加4~6 ℃和200~300 mm[68]；而古土壤层S4(对应MIS11)、S1(对应MIS5)当时的60°N 6月太阳辐射值分别比现今值高出41 W/m2和66 W/m2[67]，MAT、MAP分别比现今增加2~5 ℃、100~200 mm，4~5.5 ℃、150~250 mm[69~70]。此外，长江以南地区中更新世地层中广泛发育网纹状红土(年代对应于S5和S4)，指示了东亚季风区气候极端暖湿，夏季风异常强盛[71]。东亚季风边缘区的青藏高原东部MIS13阶段出现森林，也反映了气候的异常温暖[72]。
在今后的地质历史时期增温情景下的自然火研究中，可在东亚季风区选择涵盖典型增温情景的理想沉积记录，得到与现今相比增温约0~6 ℃的完整序列，覆盖未来百年可能的增温幅度，对其记录的自然火历史、增温幅度、植被演替进行系统研究，进而探讨未来增温情景下自然火的演化规律和控制因素。
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Abstract
Natural fire is an important part of the earth system, and it has close relationship with climate and vegetation. In global warming scenario, the evolution law and control factors of natural fire have become a research hotspot in academia. Through analyzing the existing natural fire actual monitoring records, model simulation results, and natural fire history reflected by sedimentary records, we find some problems that need to be solved urgently:In global warming scenario, is the natural fire increasing or decreasing?How is the change of natural fire controlling factors?This paper selects the mid-Miocene Climatic Optimum and Holocene Thermal Maximum which are the typical global warming periods in the Cenozoic, and summarizes the natural fire researches in the world. It is concluded that temperature is the main controlling factor of natural fire, however, natural fire control factors vary in different regions that the seasonal distribution of rain and heat conditions, the vegetation types, lightning and volcanic activity also have important impact on the natural fire in the warming scenario. The monsoon region has variable climate and rich vegetation types. It is an important area for natural fire research that its natural fire evolution and control factors are complex. It is suggested that the ideal sedimentary record in the East Asian monsoon region can be selected to cover the possible range of temperature increase in the next 100 years. We can systematically study the natural fire history, temperature increase range and vegetation succession, and then explores the evolution law and control factors of natural fire under the future warming scenario.