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user: 4. 古火灾的时空分布 4.1. 古火灾的空间分布 距今约4.3亿年前植物成功登陆后不久，火便成为出现在各个地质历史时期的自然现象，并影响着全球生态系统的模式和进程，包括植被分布、碳循环和气候变化。利用古火灾代用指标开展火灾历史研究目的是获得较长时间尺度上的火灾发生事件，从而可以计算出火灾发生的频率和周期，进而对未来火事件进行预测并及时防范。火灾发生的周期受植被组成、地形地势、气候变化、人类活动等多种条件影响。不同的植被组成其火灾周期不同，如针叶树种的火灾周期较短而阔叶树种的火灾周期较长。西、南坡向地形火灾频率比东、北向火灾频率高，坡越陡，火势蔓延越快 [ 32 ] 。在北美洲，欧洲人到北美定居后的生产、生活活动对火灾周期产生较大影响，20世纪中后期各国的火灾抑制政策也加大了火灾间隔，但同时也使火灾强度和风险进一步加大 [ 33 ] 。火灾的强度、频率、周期等时间格局与空间尺度具有一定的对应关联特征 [ 34 ] ，空间上局部尺度通常以小火为主，而区域尺度上是大火事件 [ 35 ] 。小火发生频率较高，强度低；大火发生的频率较低，但强度高 [ 36 ] ，大火一般发生在大范围的干旱年代 [ 37 ] 。利用古火灾记录结合植物化石还可以分析火灾与物种演替之间的关系。火灾频率的降低会导致火敏感植被种类的增加，Wallenius等(2007)重建芬兰南部森林火历史表明17和18世纪是以松科为主，20世纪初云杉种群开始更新，这与火灾的历史演化有一定关系 [ 38 ] 。但火灾影响群落演替的机理还不清楚，有待进一步开展深入研究 [ 39 ] 。火灾不仅是对周围环境的及时响应，同时，火灾的发生对局部环境也产生重要影响，引起局部微气候的改变。 全球炭屑数据库(GPD)显示(图1)，目前古火灾研究在空间尺度上主要分布在美洲及欧洲西部，我国森林火灾的空间分布具有很强的地域性，主要集中发生在云南、四川、贵州、湖南、黑龙江等省份，人为因素导致的火灾占90%以上，雷击火主要发生在黑龙江大兴安岭林区 [ 40 ] 。 图1. 全球古火灾研究分布图 [ 41 ] 4.2. 古火灾时间分布 从时间尺度上看，我国古火灾重建主要集中在全新世以来的气候变化及人类活动。长时间尺度的研究集中在中国中部地区，多以黄土–古土壤沉积序列为主要载体，以炭屑为主要研究指标，展开了一系列古火灾研究。古火灾研究还可以分析不同地质历史时期火灾的变化情况，通过对比同一地质历史时期的环境气候变化及人类活动推断火灾发生及变化的驱动机制。温度与降雨是分析火灾变化最为普遍的气候驱动因素，这方面国内外也开展了较多的研究，末次冰消期以来的全新世是距离我们最近的一个地质历史时期，因此探讨全新世火灾发生气候原因更有利于预测未来全球变化对火灾的作用机制。 美国过去50年古火灾的研究多集中在西北内陆、落基山脉、加利福尼亚及美国西南部。全新世以来美国部分区域高分辨率的炭屑研究表明，美国中低维度区域全新世的火灾活动主要受控于温度与降水的变化 [ 42 ] [ 43 ] 。长时间尺度上，火灾的发生主要是由于气候异常导致植被类型及组成的改变，易燃可燃物增多，进而引发火灾行为。短时间尺度上，植被组成和结构并未发生明显改变，气候异常仍旧导致火灾发生频率改变，在末次冰盛期，气候以冷干为主 [ 44 ] ，几乎没有火灾活动；而在早中全新世，由于温度升高，夏季持续干旱，降水减少，火灾事件发生频率较高 [ 45 ] ，6 ky以来土地利用迅速增加可能是6~4 ky以来的火灾活动增加的主要原因，晚全新世气候转变为温凉湿润，低维度区域火灾活动频率下降，现代森林开始发育 [ 46 ] [ 47 ] 。北美火灾指数与温度异常值具有很好的一致性，自全新世以来，随着温度的升高，火灾指数也同步增加(图2)。 澳洲季风区过去20 ky年来火灾事件与气候变化具有很好的同步性，表明在这些时期火灾的发生主要受环境压力作用 [ 48 ] 。在晚更新世至全新世转换期由于受夏季风和西风带影响，引起温度和降水变化，火灾事件也随之波动。中全新世大暖期(10~7 ky)持续的温暖导致火灾事件频发，火灾多发时期也包括ENSO强盛期(5~4 ky、1.2~0.8 ky)而在南半球，ENSO最大的特点之一就是干旱 [ 49 ] 。全新世期间火灾发生的主要控制因素是气候，气候突变时期通常伴随高频率火灾事件 [ 31 ] 。 Clark首次研究了整个全新世欧洲中部的火灾记录。而近期的研究主要集中在欧洲南部的阿尔比斯山脉 [ 19 ] 。欧洲部分地区的炭屑记录发现，早全新世的暖–干气候造成了火灾的频发，中全新世，人口扩张，刀耕火种文明的到来导致森林被砍伐，生态系统改变，地中海盆地常绿硬叶林扩张，而寒冷的温带森林中裸子植物成为优势种。火灾事件的发生在早全新世主要受气候控制，在中晚全新世主要受人类活动影响(图2)。因此推测在未来全球变暖的气候背景下，天火的发生频率将增加 [ 50 ] [ 51 ] 。 非洲地区的古火灾研究相对较少，主要集中在中南部地区，非洲中部亚撒哈拉地区的炭屑指数与降水具有明显相关性，在新仙女木时期，由于强冷湿气候，火灾频率达到最低值，此后，降水量迅速下降，而在早中全新世，随着降水量的下降，火灾频率同步上升，自6.5 ky前降水下降，火灾频率随之上升，自2.5 ky前人类活动迅速增加火灾事件出现大幅度增长(图2)，非洲北部古火灾研究也表明，在长时间尺度上，火灾活动主要受气候驱动 [ 52 ] 。 亚洲季风区全新世炭屑指数与季风强度呈现明显的负相关，早全新世季风活动弱，夏季降水减少，火灾事件频发，早中全新世季风持续增强，伴随着降水的增加，火灾发生频率大幅度下降，中全新世大暖期炭屑指数下降至最低值，由中全新世至晚全新世，季风强度缓慢下降，火灾事件发生频率同步缓慢上升(图2)。 虽然人类活动等因素干扰了火灾对气候的及时响应，使火灾发生具有局地性，但我国部分地区古火灾仍然显示出火灾与气候的强相关(图3)，中东部地区强烈的火灾活动多在10 ky前结束，随着增强的夏季风带来暖湿的气候，导致早中全新世较低的火事件。自7 ky以来，季风衰退，火灾频率同步缓慢增加，而晚全新世全国各地火灾频发主要受季风衰退和人为活动影响。中国东北泥炭地火灾–气候–人类活动 图2. 全球陆地生物量燃烧(500年平滑曲线，95%的置信区间)与古气候(橘色实线)、人口(蓝色实线)、土地利用率(绿色实线)的相关性 [ 58 ] 。(a) 北美；(b) 欧洲；(c) 亚洲季风区；(d) 美国热带/亚热带地区；(e) 非洲亚撒哈拉地区；(f) 澳洲季风区。孢粉重建的北美温度 [ 59 ] 和欧洲年平均温度 [ 60 ] ；中国三宝洞 [ 61 ] [ 62 ] ，巴西Btuvera洞 [ 63 ] ，阿曼Qunf洞 [ 64 ] 和石笋δ 18 O值(500年平滑曲线) [ 65 ] 图3. 中国部分古火灾序列及气候对比。(a) 云南腾冲青海湖古火灾序列 [ 66 ] ；(b) 关中盆地古火灾序列 [ 67 ] ；(c) 青藏高原西秦山古火灾序列 [ 68 ] ；(d) 内蒙古岱海湖古火灾序列 [ 69 ] ；(e) 东亚36个位点古火灾序列综合标准化 [ 69 ] ；(f) 海水表面温度变化 [ 70 ] ；(g) 大九湖BNA 15 重建的古温度序列 [ 71 ] ；(h)~(i) 葫芦洞δ 18 O记录的东亚季风 [ 72 ] [ 73 ] ；(j) 董哥洞δ 18 O记录的印度季风 [ 74 ] 之间的相关性研究共发现两次特大火灾事件分别在是5120 ± 66 cal. yr B.P.，1288 ± 8 cal. yr B.P.，第一次火灾发生的主要是由于中全新世持续干旱的气候引起；第二次火灾事件主要受到汉农业文化影响 [ 40 ] 。东南部晚全新世植被与火灾事件重建研究表明，4 ky至今研究区至少发生了6次火灾事件，恺木属和腐殖化记录了晚全新世东亚季风减弱导致降水减少，因此森林火灾发生频率增加 [ 53 ] 。中部湖泊钻孔的孢粉及炭屑分析资料表明，湖湖泊沉积物孢粉–炭屑组合记录的全新世以来植被与气候演变。认为研究区干湿状况变化显著，炭屑面积浓度峰值出现在干旱期及人类活动增强期 [ 54 ] 。中国南部西双版纳热带雨林古火灾事件研究表明，热带雨林气候模式为凉湿–暖干交替出现，火灾事件多发生在干旱时期，火灾与干旱事件相互作用影响热带雨林的生态系统 [ 7 ] 。 美国、澳大利亚和非洲对于古火灾的研究主要集中于长时间尺度上火灾–气候之间的耦合性，一般情况下，暖干气候使火灾发生的频率增加，而欧洲对于古火灾的研究多集中于中全新世以来人类活动导致火灾发生，对于长时间尺度上火事件的研究有待加强 [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] 。