2020, Vol.40
火是地球系统中重要组成部分，与气候、植被、生物地球化学循环、人类活动紧密地耦合在一起[1~3]。一方面，火通过燃烧生物量(植物及可燃的有机质)向大气释放大量二氧化碳气体和粉尘颗粒，进而改变大气组成、气溶胶含量等，最终影响碳循环[4]；另一方面，火通过改变植被组成、土壤成分，影响生态系统结构、功能及生物多样性[5~6]。此外，人类通过改变土地利用、控制火发生等活动对生态系统也产生深远的影响[4, 7]。全球升温已被大量实测数据及气候模拟所证实，日益变暖的气候将导致全球火活动的显著加剧[8]，很可能会给生态环境带来毁灭性的灾难[9~10]。正确认识火与气候、植被的耦合关系，对于我们预测和应对温室气体增加引起的全球气候变化至关重要。
由于植被演替及气候变化具有百年、千年的规律，因此查明植被-火-气候之间的关联依赖于对长时段古植被、古火及古气候代用指标的综合分析。炭屑是火发生后有机物未完全燃烧的产物，经过搬运、沉积后被大量保存在地层中，因其分布广和指代意义明确被用作古火的代用指标[11~13]。近20年，全球古火研究的快速发展与炭屑现代过程研究[12~15]、炭屑分析新方法[16~17]及炭屑统计模型[18]的提出密不可分。全球范围内新增了大量的高分辨率、高质量的炭屑记录，并建立起了全球炭屑数据库GCD[19](Global Charcoal Database，网址为www.paleofire.org)及数据集成分析方法[19~20]。目前，全球炭屑数据库已经成为开展不同时空尺度上古火集成与机制分析的有效工具[21~25]。已有集成研究结果表明：末次冰期以来，全球古火演化趋势与冰期-间冰期转型期的升温趋势一致[21~24]；全新世期间，除了气候变化驱动外，人类活动导致的土地利用改变对全球火演化也发挥了重要作用[26~27]；尤其是在过去几百年中，人类活动对火态势的影响远大于气候变化的影响[25, 28]。因此，全面理解自然状态下火在地球系统运转中的作用需要聚焦受人类活动影响相对较弱的地质时期。
古气候研究表明，第四纪期间地球发生了周期性的冰川运动，气候出现明显的高频、大幅度的波动，表现为寒冷的冰期与温暖的间冰期交替发生[29]。其中末次间冰期(对应深海氧同位素曲线MIS 5)中130~115 ka B. P.期间(对应MIS 5e)的整体气候状况与全新世间冰期相似，可作为当今气候环境的相似型[30]。深入研究这一时段地球系统中气候、植被及火的演化关系，对于理解全新世以来气候变化趋势机制以及预测未来可能发生的气候突变及其生态环境响应具有借鉴意义。此外，末次冰期(对应深海氧同位素曲线MIS 2~4阶段)发生多次全球性的千年尺度气候冷暖事件，温度变化迅速[31]，深入研究末次冰期植被及火对快速气候变化的响应，为预测及应对未来极端气候下生态系统变化提供自然背景信息及理论依据。因此，末次间冰期-冰期气候状况研究一直是古气候、古生态及古火研究的热点，并已积累了大量的古环境代用指标记录。
本文选取涵盖第四纪末次间冰期-冰期气候旋回部分时段(130~10 ka B. P.)的沉积物炭屑记录，结合前人的研究结果，归纳总结全球和区域尺度上自然状态下火与植被和气候的相互作用关系，探查千年及轨道尺度上火与植被和气候的演化规律；为植被反演模型、气候模型提供古火演化的背景信息，为景观管理及气候预测提供理论依据。
1 第四纪古火研究进展常见的古火代用指标包括炭屑(charcoal)、树轮火疤(tree-ring fire scar)、黑碳(black carbon)以及多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，简称PAHs)等，均为有机物不完全燃烧的产物[32](图 1)。其中，树轮火疤利用树木年轮学研究方法，能够准确重建季节至百年时间尺度上林火演化历史[33~34]，但其重建时间较短，仅为近几个世纪受人类活动影响较大时期。而广泛存在地层沉积物中的炭屑、黑炭及多环芳烃等，在长时间尺度的古火研究中发挥着重要的作用[7]。其中，炭屑指标因现代过程研究的发展、新方法及统计模型的提出、全球炭屑数据库的建立等成为重建长时间序列火演化历史的主要代用指标[12~13]。
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图 1 火燃烧产物及其主要迁移、沉积示意图(改自Glasspool和Scott，2013[49]中图 10.1) Fig. 1 Illustration of wildfire occurring which shows sources and pathways of various fire products introduced into atmosphere and terrestrial sediments(adapted from Glasspool and Scott, 2013[49], Fig. 10.1) |
炭屑现代过程研究表明，沉积物中炭屑沉积反映了局地火与区域火两种信号的叠加，其中炭屑的粒径等级可反映其源区的大致范围[12, 14~15]。比如，沉积物中粒径小于150 μm的炭屑(微炭屑)主要是20~100 km之外区域火产生并经风力搬运沉积的，反映了区域火演化历史[12, 15, 35]；炭屑粒径大于250 μm(大炭屑)多来自火发生地周边1 km以内的范围，适用于重建局地火[12~13, 36]。但森林火野外监测数据[37~38]和炭屑沉积模型研究[39]表明林冠火在大风条件下可将大颗粒炭屑(粒径大于200 μm)搬运至数公里之外。因此对多样点开展高质量的炭屑数据(微炭屑+大炭屑)综合统计分析，是研究古火演变规律的最佳方法[40~41]。
近20年内，全球古火研究的快速发展与炭屑分析新方法及统计模型的出现密不可分。大炭屑图像分析方法[16~17]及微炭屑图像统计方法[42]的改进，大大提高了炭屑提取分析的效率。借助炭屑传播-沉积机理的炭屑统计模型(Charster；CharAnalysis[18])，可以快速提取炭屑记录的古火信息(火事件fire events；火间隔期fire intervals；火频率fire frequency)，因而被广泛应用于重建多样点的火事件对比分析研究中[20, 26]。全球炭屑数据库GCD[19]的建立(图 2)为区域古火研究提供了共享数据。炭屑记录的标准化处理方案[19]及R程序包“paleofire”[20]为不同区域、不同沉积类型、不同粒级的炭屑记录的对比及集成提供了统计学方法，推动了全球炭屑数据库的应用。目前，全球炭屑数据库已成为全球尺度、大陆尺度、区域尺度上开展古火机制分析及区域对比研究的有效工具[19~20]。随着全球古火研究的发展，炭屑数据库的不断扩充，有望加深我们对不同时空尺度上火在地球系统中的作用的理解。
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图 2 全球炭屑记录分布图 涵盖全新世样点(灰色圆点)，涵盖末次冰消期样点(绿色点)及末次冰期75~21 ka时段样点(黄色点)，涵盖末次间冰期样点(130~75 ka，红色点)；其中红色、黄色及绿色点代表本文中分析所用样点位置；数据来源于全球炭屑数据库GCD v4.0.6 Fig. 2 Location of palaeofire sites covering the Holocene(10~0 ka, in grey dots), the last glacial(75~21 ka in green dots; 21~10 ka in yellow dots), and the last interglacial(130~75 ka, in red dots). The sites data are from the Global Charcoal Database(GCD v4.0.6) |
目前，依托全球炭屑数据库的古火集成研究[21, 28, 43~44]已在古火控制因子及机制方面提出了诸多新认识。全球古火活动在末次冰期至早全新世期间较弱，进入全新世后古火活动整体呈上升趋势，这与气候整体变化趋势基本一致[4, 21, 23, 43]。人类活动(如改变土地利用)[23, 27~28]、植被改变(植被类型、植被组成)[24, 40, 45~47]对全新世古火演化也发挥了重要影响。还有研究表明在冰期和间冰期之间二氧化碳浓度的变化也可能是改变全球古火演化的主要因素[48]。此外，有利或不利于火发生的局地环境也会造成古火的区域差异[23]。这些基于炭屑记录的研究结果有助于更好地理解及预测当前全球火活动的长期演化趋势，应对未来气候变化。然而，目前已有的古火研究多集中于受人类活动影响的全新世时段，很难获取自然状态下火与植被和气候演化关系的全面认识。
自然状态下火-植被-气候之间的关系探索依赖于全新世之前的地质时期的古火研究。其中距我们最近的一个快速升温期，即自末次冰盛期(Last Glacial Maximum)向早全新世转型的末次冰消期(Last Deglaciation)，作为“全球变暖”的相似场景，成为古环境、古气候研究的热点时段。末次冰消期古火集成研究指出全球的火活动(生物燃烧量)与全球升温趋势具有很好一致性[50]。末次冰期以来的古火集成结果表明末次冰期北半球中高纬地区古火活动存在千年尺度的变率，其峰值与冷暖交替的Dansgaard-Oeschger(D-O)旋回中气候快速变化相对应[44]。全球已有的涵盖末次间冰期的古火记录有限(图 2中红色样点)，且空间分布不均。因此，在全球气候敏感区开展高分辨率的第四纪古火研究对于全面深入理解长时间尺度上野火与植被、气候的演化规律具有重要意义。
2 末次冰期古火演化与气候变化末次冰期对应于深海同位素曲线MIS 2~4阶段(75 ka到10 ka)，期间气候发生多次全球性的千年尺度冷暖期候旋回(D-O旋回[31])以及一系列持续时间较短的快速气候波动事件(Heinrich事件[51])。
D-O气候旋回最早在格陵兰冰芯的δ18O中被发现，其记录了末次冰期阶段中出现的近20个快速气候变暖事件(末次间冰期以来共25个)，这种以快速暖期事件开始紧跟着一个冷期的冷暖交替(D-O旋回)存在约为1~3 ka的周期[31]。千年尺度的D-O旋回在北半球有广泛的一致性，在格陵兰、北大西洋、地中海、东亚、孟加拉湾、阿拉伯海、赤道大西洋地区均有发现[52]。在南半球、南极及邻近海域记录的D-O旋回信号比北半球超前约1.5 ka[53]。这种南北半球不一致的千年尺度气候波动并不能被米兰科维奇理论所解释，因此成为近十几年来古气候研究的热点及难点。目前已有研究表明太阳辐射、洋流、冰川融水、海-气作用及火山活动等可能是驱动全球范围内D-O旋回的可能因素[54~58]。评估末次冰期千年尺度的气候波动及百年尺度的快速气候事件对于植被及火活动的影响及响应，对于预测及应对全球升温背景下的气候变化及极端气候事件具有重要的参考价值。
末次冰期古火演化与千年尺度的气候波动研究，相对薄弱。这主要是因为涵盖整个末次冰期时段的古火记录相对匮乏。Daniau等[44]基于67个涵盖末次冰期部分时段的沉积炭屑记录集成研究，探查末次冰期时段全球生物量燃烧对D-O旋回快速气候变化的响应。研究结果揭示：北半球中高纬地区古火演化存在千年尺度的变率，与格陵兰冰芯记录的D-O旋回中快速气候变化相对应：表现为火活动在D-O旋回暖期增多，冷期减少；但二者在时间上存在100~200 a相位差；古火的波动相对于快速气候变化在时间上的滞后，与植被对气候变化响应的滞后时间一致。因此，可以推测在自然状态下，火活动的强度由可燃生物量的多少决定，而火的发生主要受控于气候条件的变化。此外，北美[59]及澳大利亚[60]的古火集成研究也确认存在与D-O气候旋回模式相似的千年尺度变率[60]。
本文利用最新的全球炭屑数据库(GCD v4.0.6)中113个涵盖末次冰期部分时段的炭屑记录集成了全球古火曲线(图 3)，与格陵兰冰芯记录[61]的对比结果表现出古火与气候一致的千年尺度变化。不过，炭屑集成曲线的高值与D-O旋回暖期并不完全一一对应。这可能是由于炭屑数据定年的误差，或者集成样点的数量及其植被类型不同导致的。可靠的对比研究，需要更多长时间尺度的、更高分辨率的古火及古植被记录的支持(表 1)。
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图 3 基于全球炭屑数据库(GCD v4.0.6)末次间冰期以来全球生物量燃烧集成曲线 其上为集成所用炭屑记录的数量统计；其下为用于对比的NGRIP冰芯记录的氧同位素变化曲线[61] Fig. 3 Global biomass burning through the last glacial based on sedimentary charcoal records from GCD v4.0.6. The number of individual charcoal records that contribute to the summary curves is plotted at the bottom. For comparison with the charcoal curve, the 20-year sampling resolution NGRIP record[61] is shown |
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表 1 末次间冰期炭屑记录列表 Table 1 Information on sedimentary charcoal records spanned the period of the last interglacial |
综上所述，末次冰期古火研究表明该时段火活动主要受控于气候条件的变化，气候在千年尺度上的波动在古火记录中有直接的表现。气候寒冷期，如D-O旋回的冷期及快速变冷的Henrich事件发生时期，全球火活动减少，对应古火记录中的低值[42, 44]；在D-O气候旋回的暖期，全球火活动明显增加，古火记录出现高值[42, 44, 60]。另有研究表明干燥的气候也会引发末次冰期区域火活动的增强[64~65]。
3 末次间冰期古火演化与气候变化末次间冰期是地质记录中最近的一次大的暖期，对应深海氧同位素曲线MIS 5阶段。因末次间冰期-冰期转变与我们所处的间冰期结束过程十分相似[66]，引起气候学家们极大的关注。
末次间冰期以来的气候重建资料，是理解轨道-亚轨道(千年)尺度气候演变规律的重要科学依据。已有的重建及模拟结果表明：末次间冰期气候较今更为温暖(陆地偏高约1.7 ℃，海洋偏高约0.8 ℃[67~68])，但区域差异明显[69]；降水全球分布不均[70]；大气CO2浓度与工业前相近，高达290 ppm[71]；全球海平面最高比现在海平面高出6~9 m[72]；气候极其不稳定[73]，出现过多次海表温度波动[74]，及持续时间较短的(70~750年)的快速气候事件[31]。深入理解末次间冰期出现的大幅度温度波动(如几十年内温度降幅可达14 ℃[31])对生态系统、火态势的影响，对于预测及评估未来气候变暖可能引发的极端气候灾害造成的危害具有重大意义。
炭屑与植被、气候等多代用指标综合分析是获取地质时期区域火与植被、气候演化的有效手段[7, 15, 75~76]。末次间冰期东亚地区多指标分析结果[62]表明：银川盆地过去1.5 Ma以来的古火历史存在轨道尺度上的变率(100 ka、40 ka和20 ka周期)，主要受地球轨道尺度气候变化的驱动；干旱、半干旱地区的生物量燃烧(火活动)受控于可燃生物量(植被)，而火的发生主要与气候波动一致。Anderson等[63]用高分辨率的孢粉及微炭屑记录重建了北美中部地区末次间冰期的植被与火演化历史，结果发现末次间冰期高山地区自然状态下植被与气候共同影响着火的发生：火活动在暖期(MIS 5e、5c、5a)比冷期(MIS 6、MIS 5d、MIS 5b、MIS 4)多；森林植被中火活动(MIS 5e、5c)明显高于灌丛草原植被(MIS 5b)；松及冷杉和云杉含量高的森林中林火更频繁。
末次间冰期时间尺度上的古火记录十分匮乏，极大限制了从轨道-亚轨道尺度对全球古火演化规律及机制的深入理解。本文基于20个末次间冰期古火记录(表 1)的集成曲线与格陵兰冰芯记录的氧同位素变化曲线对比结果(图 3)获得如下认识：1)末次间冰期全球火活动整体高于末次冰期，但波动性较大，这与格陵兰冰芯氧同位素曲线变化趋势一致；2)D-O旋回的暖期与古火记录的高值存在相位差，可能是由于植被对气候响应的滞后性造成的[44]，也可能是由于古火数据中大部分样点来自南半球，受到D-O旋回南北半球的非对称响应[53]影响；3)末次间冰期全球古火集成结果可信度有待提高，依赖于增加高分辨率的古火记录研究。
4 总结与展望本文回顾了末次间冰期以来主要的古火研究进展，基于有限的古火记录首次开展了第四纪末次间冰期-冰期的全球古火集成研究，结合前人古火研究，获得末次间冰期以来自然状态下火-植被-气候复杂关系的一些认识：末次间冰期以来气候变化是古火演化的主要驱动因子，全球古火记录存在千年及轨道尺度的变率；温暖、干燥的气候决定着火的发生，可燃生物量(植被)限制火的强度；全球火活动在气候暖期增加，在气候寒冷期减少；在气候快速增温期，植被滞后气候变化可能是导致火演化滞后的原因；在气候快速降温期，全球火活动明显减少。
尽管本研究对末次间冰期以来自然状态下火与植被演化、气候变化的关系变化有了一定的认识，但由于缺少足够数量的涵盖末次间冰期的古火记录，以及全球炭屑数据库GCD v4.0.6炭屑记录年代序列精度问题(缺失原始测年数据信息)[20]，导致末次间冰期时段的古火集成结果存在一定的不确定性。深入理解轨道-亚轨道尺度全球及区域古火演化规律及机制需要更多长时间尺度高质量的炭屑记录的支持。而我国境内末次冰期古火研究记录的匮乏使得难以从古生态角度获取气候-植被-火复杂关系的理论支撑用以指导我国的森林防火和森林保育工作。因此，开展长时间序列的古火研究也是我国古火研究急需补充的内容。
致谢: 感谢赵艳老师在文章构思及撰写中有提供有建设性的讨论；感谢秦锋和李泉在文章修改方面提出宝贵建议；感谢审稿专家和编辑部杨美芳老师对文章修改提出有价值的建议。
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Abstract
Wildfire is an important part of the earth system, which is closely related to climate changes and vegetation successions. It is necessary to understand the coupling relationship between fire, climate and vegetation in natural state to understand the fire history dynamics and to predict the frequency and intensity of fire events under future climate change. The last interglacial period and the last deglaciation period are considered as best analogues for our present interglacial period. The comprehensive understanding of the linkages of fire-vegetation-climate during the last glacial-interglacial period can provide important scientific basis for maintaining the stability of terrestrial ecosystem under the background of global warming. Herein, this paper reviews the Quaternary fire studies briefly and synthesis qualified charcoal data contained in the global charcoal database(GCD) in order to investigate the linkages between wildfire, climate, and vegetation changes at the millennial-and orbit-scales during the last glacial-interglacial periods. The main conclusions are:the trend of the global biomass burning since the last interglacial period is consistent with the trend of climate change with a certain lag; the global fire activity in the last interglacial period is higher than that in the last glacial period, but with large variations; the global biomass burning increased in the warm periods of D-O cycles whereas decreased in the cold periods of D-O cycles and Henrich events; the lag of vegetation response to climate can explain the lag of palaeofire records to climate changes. However, due to the lack of sufficient palaeofire records covering the last interglacial period, the uncertainty of the synthesized fire regime for the last interglacial period is remain to be discussed. More high-quality palaeofire and palaeovegetation records covering the last glacial-interglacial period are needed to understand the dynamics of global and regional paleofire at orbital suborbital scale.