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热带海洋学报 >

2026 , Vol. 45 >Issue 1: 117 - 130

DOI: https://doi.org/10.11978/YG2025002

古海洋学

孟加拉湾下扇沉积炭屑证据发现HS1早期气候干旱

  • 罗传秀 , 1 ,
  • 林刚 2 ,
  • THILAKANAYAKA Vidusanka A. M. 1 ,
  • 魏海成 , 3 ,
  • 向荣 1 ,
  • 杨艺萍 , 1 ,
  • 万随 1 ,
  • 梁诗晴 1 ,
  • 苏翔 1 ,
  • 杜恕环 1 ,
  • 张兰兰 1 ,
  • 刘建国 1 ,
  • 黄云 1 ,
  • SOE Moe Lwin 4
展开
  • 1热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室(中国科学院南海海洋研究所), 广东 广州 511458
  • 2自然资源部南海生态中心, 海南南沙珊瑚礁生态系统野外科学观测研究站, 自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室, 广东 广州 510301
  • 3青海省盐湖地质与环境重点实验室(中国科学院青海盐湖研究所), 青海 西宁 810008
  • 4东仰光大学地质系, 仰光11422, 缅甸
魏海成(1983—), 博士, 研究员, 博士研究生导师, email: ;
杨艺萍(1987—), 博士, 副研究员, 硕士研究生导师, email:

罗传秀(1970—), 女, 汉族, 四川省成都市人, 博士, 研究员, 博士研究生导师, 研究方向为海洋地质。email:

Editor: 孙翠慈

收稿日期: 2025-06-27

  修回日期: 2025-07-16

  网络出版日期: 2025-09-30

基金资助

青海省盐湖地质与环境重点实验室奖励经费2024

国家自然科学基金项目(41906057)

国家自然科学基金项目(42376074)

国家自然科学基金共享航次计划项目(资助的NORC2011-03开放航次)(41049903)

中国科学院南海海洋研究所发展基金(SCSIO202201)

收起

Evidence of micro-charcoal deposited in the lower fan of the Bay of Bengal reveals an arid climate during the early Heirich Stadial 1

  • LUO Chuanxiu , 1 ,
  • LIN Gang 2 ,
  • THILAKANAYAKA Vidusanka A. M. 1 ,
  • WEI Haicheng , 3 ,
  • XIANG Rong 1 ,
  • YANG Yiping , 1 ,
  • WAN Sui 1 ,
  • LIANG Shiqing 1 ,
  • SU Xiang 1 ,
  • DU Shuhuan 1 ,
  • ZHANG Lanlan 1 ,
  • LIU Jianguo 1 ,
  • HUANG Yun 1 ,
  • SOE Moe Lwin 4
Expand
  • 1State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanography, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 511458, China
  • 2South China Sea Ecological Center of Ministry of Natural Resources, Nansha Coral Reef Ecosystem Field Scientific Observation and Research Station, Key Laboratory of Marine Environment Detection Technology and Application, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510301, China
  • 3Key Laboratory of Salt Lake Geology and Environment of Qinghai Province, Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, China
  • 4Department of Geology, Dagon University, Yangon 11422, Myanmar
WEI Haicheng, email: ;
YANG Yiping, email:

Editor: SUN Cuici

Received date: 2025-06-27

  Revised date: 2025-07-16

  Online published: 2025-09-30

Supported by

Science and Technology Plan Project of Qinghai Province Incentive Fund 2024

National Natural Science Foundation of China(41906057)

National Natural Science Foundation of China(42376074)

Shiptime Sharing Project (NORC2011-03) of National Natural Science Foundation of China(41049903)

Development Fund of South China Sea Institute of Oceanology of Chinese Academy of Sciences(SCSIO202201)

Fold

摘要

前人研究认为, 受海因里希1(Heinrich Stadial 1, HS1)早期(约18.3—16.3cal ka BP)北半球降温的影响, 热带辐合带(intertropical convergence zone, ITCZ)雨带的平均位置会向南移动。但是, 最新结果发现, HS1早期北半球低纬度地区(3ºN—9ºN)呈现湿润水文条件, 而其南北部却同步出现干旱。可见HS1早期ITCZ对北大西洋降温事件的响应方向及位移幅度仍存争议。孟加拉湾的海洋炭屑记录保存了周边陆地大量气候成因古火事件的信息。研究发现, 在HS1早期(18.3—16.3 cal ka BP), 位于9°54′N的YDY09孔的炭屑总浓度与木本型炭屑百分比均降至最低, 而草本型炭屑百分比则有所上升, 这表明火灾发生强度急剧降低。这一变化, 结合有孔虫和石笋δ18O记录所揭示的降水减少信号, 可能源于当时气候干旱与温度降低共同导致的植被退化。该结论说明炭屑、孢粉与有孔虫等其他指标重建的印度夏季风降水结果一致, 也与来自10°N的YDY10岩芯和15°N的E87-32B岩芯中常绿阔叶林花粉低值所反映的干旱情形相符。同期, 苏门答腊岛2个孔(分别位于6°N和6°S)的炭屑和孢粉含量也分别显示湿润和干旱, 反映其炭屑和孢粉源区当时处于ITCZ雨带范围内部与外部区域。炭屑与孢粉记录共同揭示, HS1早期在10°N至6°S范围之外存在干旱证据; 结合苏门答腊岛6°N孔的湿润证据, 间接支持了该时期ITCZ位置在6°N两侧。

关键词： 海因里希; 微炭屑; 孢粉; 海因里希1早期; 孟加拉湾

本文引用格式

罗传秀 , 林刚 , THILAKANAYAKA Vidusanka A. M. , 魏海成 , 向荣 , 杨艺萍 , 万随 , 梁诗晴 , 苏翔 , 杜恕环 , 张兰兰 , 刘建国 , 黄云 , SOE Moe Lwin . 孟加拉湾下扇沉积炭屑证据发现HS1早期气候干旱[J]. 热带海洋学报, 2026 , 45(1) : 117 -130 . DOI: 10.11978/YG2025002

Abstract

Previous studies have suggested that the mean position of the intertropical convergence zone (ITCZ) rain belt shifted southward due to the cooling of the Northern Hemisphere during the Heinrich Stadial 1 (HS1) early period (approximately 18.3-16.3 cal ka BP). However, recent studies indicate that wet conditions prevailed in the low-latitude region (3°N-9°N) of the Northern Hemisphere during the early HS1 period, while adjacent regions to the north and south were arid. It can be seen that the response and displacement amplitude of the ITCZ to the cooling event in the North Atlantic during early HS1 remain controversial. Marine charcoal records from the Bay of Bengal may preserve critical information about climate-driven palaeo-fire events from the surrounding land. In this study, we observe that the total concentration of charcoal and the percentage of woody charcoal in core YDY09 (located at 9°54′N) decreased to their lowest levels in early HS1, while the percentage of herbaceous charcoal increased. This suggests a sharp reduction in the strength of fire events, consistent with decreased rainfall inferred from the δ18O records of foraminifera and stalagmites and other proxies. The decline in fire strength may be related to reduced vegetation cover under drier climate and cooler climatic conditions, which aligns with evidence of aridity from low pollen values of evergreen broad-leaved forests in core YDY10 (located at 10°N) and core E87-32B (located at 15ºN) from the Bay of Bengal. During the same period, the charcoal and pollen contents in two cores on Sumatra Island (located at 6°N and 6°S, respectively) also showed humid and arid conditions, indicating that the charcoal and pollen source areas were inside and outside the ITCZ rain belt at that time. Reconstructed results of Indian Summer Monsoon precipitation based on micro-charcoal, pollen, foraminifera, and other indicators are consistent. For the first time, combined charcoal and pollen records reveal the evidence of drought outside the range of 10°N to 6°S in the early stage of HS1, while moist evidence from the 6°N core on Sumatra Island indirectly supports the inference that the ITCZ centered around 6° N during this period.

Key words： Heinrich; micro-charcoal; pollen; early HS1; Bay of Bengal

1 前言

1.1 研究意义

在海因里希1 (Heinrich Stadial 1, HS1, 约19—15cal ka BP)期间, 北大西洋地区经历了大量的冰山崩解和北大西洋经向翻转环流(Atlantic meridional overturning circulation, AMOC)的急剧减弱甚至停滞, 进而引发全球尺度的气候连锁反应。针对此次北大西洋急剧降温对热带降雨系统的影响, 学者通过分析古气候记录和模型模拟进行研究(Mohtadi et al, 2014; Stríkis et al, 2018)。前人研究认为, 受HS1早期(约18.3—16.3ka BP)北半球降温的影响, 热带辐合带(intertropical convergence zone, ITCZ)雨带的平均位置会向南迁移(Broccoli et al, 2006)。但是, 根据基于有孔虫δ18O的研究结果(Yang et al, 2023), HS1早期北半球低纬度地区(3°N—9°N)呈现湿润水文条件, 而该区域南北部却同步出现干旱(McGee et al, 2014)。北半球高纬度降温抑制了哈德莱环流向北扩张, HS1早期北半球的干旱记录即为佐证(Hong et al, 2019)。同时, 强厄尔尼诺事件进一步导致南半球哈德莱环流范围收缩, 从而形成南北半球同步干旱的独特气候模式(Levi et al, 2007)。由此可见, HS1早期热带辐合带(ITCZ)对北大西洋降温事件的响应方向及位移幅度仍存争议。但是, 部分δ18O记录不支持HS1早期在北半球热带低纬度存在一个狭窄湿润的降雨带, 而是支持北半球寒冷干旱(Lu et al, 2024)。并且, 大多数古降水是基于浮游有孔虫记录的古海水δ18O值指示的(Yang et al, 2023), 但Lu 等(2024)认为受水团运动影响, 其有可能指示的不是本地降水。因此, 需要尝试更多古气候的指标去指示古降水, 例如炭屑。沉积物中的炭屑被学界公认为古地质时期火灾的直接证据(Scott, 2009)。本研究尝试通过炭屑这一火灾指标, 讨论在HS1早期北半球热带地区的干湿降水情况, 以此验证当地是否受ITCZ的降水影响。
孟加拉湾位于东北印度洋, 紧邻东南亚和南亚地区, 其海洋沉积物中的炭屑记录可能保存了其周边陆地大量气候成因古火事件的信息。本研究计划以约50cal ka BP以来的孟加拉湾的炭屑记录作为研究材料, 探讨HS1早期的热带水文气候变迁的规律及影响机制。结合新的炭屑记录以及发表的孢粉炭屑记录, 多指标交叉验证HS1早期的孟加拉湾沿岸热带地区的干湿降水情况。

1.2 研究现状

自碳时代开始(约3.5亿年), 火就已经在地质记录中被发现(Scott, 2000)。火有能力从根本上改变生态系统(Simon et al, 2009), 人们认为合理使用火有助于现代人类的发展(Roebroeks et al, 2011)。在过去, 人类(智人)对火使用早已经广泛传播到世界各地和整个生态系统(Bowman et al, 2009)。除了气候和环境变化外, 野外火灾也显著受到人类活动的影响。目前, 古火历史重建通常依赖于在火灾中不完全燃烧的产物(火成碳)如炭屑、黑碳、树轮火疤、多环芳烃以及左旋葡聚糖(江鸿 等, 2018)。炭屑因其耐高温、对化学过程和生物代谢具有较强的惰性、分布范围广泛、炭化的植物组织结构完好(Cope et al, 1980; Clark et al, 1981; Bird, 1997; 李宜垠 等, 2010), 可提供数千年甚至数万年火演化的连续记录, 较为真实、客观地反映过去的气候和植被状况。大火燃烧时产生的对流柱羽流能将粒径在亚微米尺度和几厘米之间的炭屑颗粒携带起来(Schaefer, 1976), 并且这些炭屑颗粒可能在羽流中发生碰撞碎裂(Walsh et al, 1994)。随着羽流的热浮力消失, 炭屑颗粒开始逐渐沉降。通常沉积在火源附近的大粒径炭屑可以被河流冲刷并运输到海岸附近(Griffin et al, 1975)。河口处的炭屑颗粒能经过水下通道传播至深海(Jouanneau et al, 1998), 沉积于海底(Hooghiemstra et al, 1992; Chmura et al, 1999)。因此, 海洋炭屑的主要运输机制为风和河流及洋流等水动力的搬运。海洋沉积物中的炭屑作为古代火灾的有效记录, 其重建有助于为陆源区的气候演化和古人类活动补充证据。
东南亚和南亚均为人口稠密地区, 除了气候和环境变化, 这两个地区历史上的野外火灾可能同样受到人类活动的影响。前人已对东南亚和南亚地区的沉积物进行炭屑分析和研究。例如: 位于安达曼海北部缅甸的Inle湖炭屑记录揭示了安达曼海北部中全新世低频的火灾活动发生率以及2cal ka BP后高频的火灾发生率(Hope et al, 2019)。马来半岛NTSH钻孔的炭屑记录揭示了早-中全新世低频的火灾活动与晚全新世高频的火灾活动(Maloney, 1999; White et al, 2004)。此外, 苏门答腊岛中部钻孔的炭屑记录揭示了晚全新世地方性火事件的频繁出现(Biagioni et al, 2015; Hapsari et al, 2022)。位于苏门答腊岛西部的DB钻孔和DN钻孔均在4—3cal ka BP期间记录了最大的每500年火灾事件发生频率和更大火灾事件的强度(Setyaningsih et al, 2018)。与上述东部陆地相比, 东北印度洋北部和西部陆地的全新世炭屑-古火重建研究更加有限(Sharma et al, 1997; Demske et al, 2016; Sharma et al, 2022), 且主要来自东北印度洋西部陆地。如印度北部的Deoria Tal在约3.6cal ka BP 出现大量的种植农作物花粉, 特别是谷物型花粉以及炭屑颗粒, 表明该地区有密集的农业活动(Sharma et al, 1997); 位于印度北部恒河上游集水区Badanital湖4.6cal ka BP以来的炭屑记录表明, 火灾活动在2.6—0.5cal ka BP期间频繁发生(Demske et al, 2016)。恒河流域上游Benital湖泊沉积物的炭屑记录表明, 5.9—5.3cal ka BP、4.5—4.3cal ka BP、3.4—3cal ka BP、2—1.5cal ka BP以及约1cal ka BP炭屑浓度较高, 表明森林火灾在上述时间发生(Sharma et al, 2022)。但仍缺乏东北印度洋北部陆地全新世以来的炭屑记录。
除此以外, 东北印度洋周边区域的部分钻孔提供了相对较长时间尺度(全新世以前)的火活动演变的记录, 但这些记录数量有限且时间分辨率较低(除了斯里兰卡中部的Horton平原外)(van der Kaars et al, 2010, 2012; Jha et al, 2021)。位于苏门答腊岛邻近海域两个海洋钻孔的BAR94-25钻孔和BAR94-42钻孔分别提供了75cal ka BP和80cal ka BP以来的古火演化记录, 揭示了深海氧同位素第3阶段(marine isotope stage 3, MIS3)晚期的火事件发生频率大, 且波动大; MIS2时期火事件的发生频率较MIS3晚期低, 且变化幅度较小; MIS1早期古火频率均出现降低情况(van der Kaars et al, 2010, 2012)。Premathilake (2006, 2012)根据斯里兰卡中部的Horton平原的炭屑重建了24cal ka BP 以来的古火历史, 结果显示除了盛冰期(last glacial maximum, LGM)时期外, 该地的古火活动频繁。Jha 等(2021)通过利用印度北部Belan山谷6个考古遗址的64个古土壤中的粒径> 125µm炭屑重建该区的100cal ka BP以来火事件演化过程, 记录表明约55—50cal ka BP期间发生了史前人为火灾, 以及约10—5cal ka BP期间火事件发生频率达到顶峰。来自印度南部Sandynallah山谷的炭屑记录揭示了末次盛冰期和3.5cal ka BP火灾活动频繁发生(Kavil et al, 2023)。由此可见, 由于古火记录(全新世以前)相对不足以及时间分辨率较低, 东北印度洋周边区域全新世以前的火演变规律尚不清晰。
综上, 本文计划用微炭屑重建HS1冷期古气候干湿格局。根据古植被和古火历史, 讨论HS1冷气候事件期间热带水文气候变迁的规律及影响机制, 以及50cal ka BP以来的东印度洋周边野火与植被环境之间的关系。同时评估微炭屑和作为深海古植被代用物和利用微炭屑重建印度次大陆50cal ka BP以来的古季风降雨的可靠性。

2 研究区域概况

2.1 地理位置

孟加拉湾位于印度洋东北部, 西临印度半岛, 东临中南半岛, 经马六甲海峡与泰国湾和南海相连。孟加拉湾是世界第一大海湾, 其面积约2.17×106km2, 平均水深为2586m, 最大深度5258m, 总容积为5.616×106km3(张亚敬 等, 2021)。孟加拉湾北部恒河/雅鲁藏布江三角洲河口系统的年平均悬浮载荷为2.179×109t, 平均流量为31.5×103m3·s−1(Rao et al, 1998)。大量的喜马拉雅山脉沉积物通过恒河-布拉马普特河汇入恒河三角洲, 并通过海底峡谷、通道输送至孟加拉湾大陆架和盆地中, 其流经的沉积物分布在整个孟加拉湾, 形成了世界上最大的深海海底扇-孟加拉扇(Curray et al, 2005)(图1)。
图1 孟加拉湾的地质、季风和水文背景(修改自Liu 等, 2019a)

图中的橙色星形表示本文研究站位; 黑色虚线是峡谷通道; 该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS (2016)2956号的标准地图制作

Fig.1 Geological, monsoonal, and hydraulic setting of the Bay of Bengal (modified from Liu et al, 2019a). The orange star in the figure indicates the study site of this paper; the black dashed line represents the canyon channel

2.2 季风和河流

印度洋东北部孟加拉湾属于季节性气候。在夏季(5—10月), 强烈的西南季风从印度洋吹往陆地。在冬季(10月—次年4月), 东北季风从陆地吹往印度洋。北部的恒河和布拉马普特河是孟加拉湾淡水供应的主要来源(Varkey et al, 1996)。在印度夏季风盛行期和印度冬季风盛行期恒河和布拉马普特河的淡水输入量存在明显差异。恒河的淡水输入量在印度夏季风和印度冬季风盛行期分别约为184×109和24×109 m3 ; 布拉马普特河的淡水输入量在印度夏季风和印度冬季风盛行期分别约为252×109和30×109m3(Varkey et al, 1996)。

2.3 植被

孟加拉湾位于东南亚西部, 东南亚的热带雨林主要分布在赤道附近的低地(海拔通常在600~1000m之间), 主要位于加里曼丹、苏门答腊岛和马来半岛(Florin et al, 1963; 严崇潮, 1984) (图2)。随着海拔的升高, 低地雨林逐渐被山地雨林所代替(严崇潮, 1984)。山地雨林主要集中在海拔1000~2600m, 主要以松林占优势, 且海拔越高, 这种趋势越明显, 同时常见有栎属(Quercus)或栗属(Castanea)等(严崇潮, 1984)。龙脑香科(Dipterocarpaceae)是热带雨林生态系统中独特的一个科, 超过50%的高大雨林属于龙脑香科, 故常被作为热带雨林的一个重要标志(Stott, 1984; Brown et al, 1991)。
图2 东北印度洋周边植被图(修改自刘良云 等, 2021)

图中橙色星形表示本文研究站位; 白色圆点是本文讨论中提到的站位, 其中YDY10和E87-32B钻孔引自Rahman 等(2025), BAR94-25引自van Der Kaars 等(2012), BAR94-42引自van Der Kaars 等(2010), 117KL钻孔、118KL钻孔、120KL钻孔引自Galy 等(2008)。该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)2956号的标准地图制作

Fig. 2 Vegetation map of the surrounding area of the northeastern Indian Ocean (modified from Liu et al, 2021). The orange star in the figure represents the study site in this study; the white dots are the positions mentioned in the discussion, among which core YDY10 and core E87-32B are cited from Rahman et al (2025), BAR94-25 is cited from van Der Kaars et al (2012), BAR94-42 is cited from van Der Kaars et al (2010), cores 117KL, 118KL, and 120KL are cited from Galy et al (2008)

孟加拉湾西部为印度半岛, 以森林植被、灌木植被和草地为主(Roy et al, 2015) (图2)。热带湿润常绿森林主要分布在降水量较高的西高止山脉、恒河平原、安达曼和尼科巴群岛以及喜马拉雅山脉东部; 热带干燥常绿森林分布在德干高原和沿岸平原地区; 热带干燥落叶林分布在喜马拉雅山脉西部以及恒河平原(Reddy et al, 2015)。

3 材料和方法

本研究使用的YDY09沉积物岩芯(9°54′24″N, 85°57′36′′E, 水深3520m), 于2016年实验3号科考船考察期间在孟加拉扇海域采集获取(图1), 全长193cm。根据6种混合浮游有孔虫的AMS14C测年结果, 在168~169cm处沉积物的年龄为45cal ka BP(图3)。AMS14C测年在美国Beta实验室完成。AMS14C测年结果通过CALIB Radiocarbon Calibration 8.2 软件的Marine 20数据集进行日历年龄校正(Southon et al, 2002; Reimer et al, 2020)。然后, 通过R程序语言下的Bacon函数建立较好的连续深度的年代模型(Blaauw et al, 2011)。YDY09钻孔的贝叶斯年龄-深度模型和沉积速率结果见图3、表1。
图3 YDY09 钻孔的年龄模型(a)及沉积速率(b) (修改自Liu 等, 2019b)

Fig. 3 Age model (a) and sedimentation rate (b) of core YDY09 (modified from Liu et al, 2019b)

表1 YDY09孔AMS14C年龄数据和校正结果及其沉积速率(Liu et al, 2019b)

Tab. 1 AMS14C age data, calibration results, and sedimentation rates for core YDY09 (Liu et al, 2019b)

深度/cm 实验室编号 测年材料 AMS 14C年龄/ a 日历年龄/ a δ13C/‰ 沉积速率/ (cm·ka−1)
3~4 391114 混合浮游有孔虫 2100±30 1669±52 1.4 2.00 (0~3cm深度)
19~20 391115 混合浮游有孔虫 7260±30 7716±42 0.8 2.64 (3~19cm深度)
30~32 391116 混合浮游有孔虫 9490±30 10323±59 0.6 4.61 (19~31cm深度)
62~63 391117 混合浮游有孔虫 13480±40 15688±98 0.7 6.18 (31~63cm深度)
124~125 408431 混合浮游有孔虫 23290±80 27255±105 1.3 5.21 (63~125cm深度)
168~169 408432 混合浮游有孔虫 42790±600 45651±534 0.9 2.39 (125~169cm深度)
每个样品取2~3g的干沉积物。测定干重后, 对每个样品进行如下处理: (1)用10%的HCl去除无机物碳; (2)加入一片石松孢子(每片27637个孢子), 测定其绝对浓度; (3)密度分离法提取炭屑, 采用密度为2.35g·cm−3的ZnBr2溶液; (4)待去除黏土后, 每个提取样以甘油为浸渍介质制备油浸载玻片。显微镜下按形态和大小计数。
通常而言, 大颗粒炭屑指示地方性火灾, 小颗粒炭屑指示区域性火灾事件(Clark, 1988; Millspaugh et al, 1995; Lynch et al, 2004)。在本文中采取粒径> 125µm的炭屑颗粒作为大颗粒(Clark, 1988; Whitlock, 2001; 李小强 等2005), 粒径在 50~125µm的炭屑为小颗粒指示区域性火事件的发生。不同类型植物燃烧后所产生的炭屑形态存在差异, 由草本植被燃烧所产生的炭屑多为长条形, 木本植被燃烧所产生的炭屑多为近对称形(Umbanhowar et al, 1998; 张健平 等, 2006; Crawford et al, 2014)。Umbanhowar 等(1998)和Crawford 等(2014)进行了现代植物灼烧炭化实验, 发现炭屑长轴与短轴受植物类型而不是燃烧温度影响, 炭屑长轴与短轴的比值大于2.5的鉴定为长条形炭屑(草炭屑, 即草本炭屑), 小于2.5的鉴定为对称型炭屑(木炭屑和叶炭屑, 即木本型炭屑), 分别代表草本植被和木本植被的燃烧, 且此分类依据已被后续研究支持(王梓莎 等, 2020; 张瑞 等, 2022)。炭屑的区分不仅依据其长轴与短轴, 外形也是关键判据。通常, 草炭屑与木炭屑边缘平直, 多呈直角; 相比之下, 叶炭屑的边缘形态更为复杂和破碎(Umbanhowar et al, 1998)。
炭屑分析中常用到炭屑浓度和炭屑通量指标来指示火事件发生的频率或强度情况(Clark, 1988; 罗运利等, 2001; Marlon et al, 2016; Daniau et al, 2019)。炭屑通量(炭屑积累率)是单位时间内单位面积的炭屑颗粒的数量。然而, 粗略的年龄深度模型导致沉积物积累速率不精确, 取芯过程中沉积物拉伸等人为造成的偏差, 以及高沉降率事件(冰筏碎片沉积), 这些因素可能导致炭屑通量异常(Daniau et al, 2019)。因此在本研究中, 采用炭屑浓度指标以指示火事件发生的频率或强度情况, 并计算各分组炭屑颗粒的百分含量, 计算公式如下:
P = N / T
C = 27637 M × T G
其中, P为某一分组的炭屑百分比; N为某一分组的炭屑数量; C为样品的炭屑浓度, 单位: 粒·克−1; 常数27637为外加的指示剂石松孢子的数量; M为每一薄片鉴定时统计的石松孢子数量; T为每一薄片的炭屑鉴定数量; G为对应样品的称重的重量, 单位: 克。

4 结果

4.1 炭屑百分比变化

本研究的炭屑结果分为草炭屑、叶炭屑和木炭屑, 其中草炭屑归类为草本型炭屑, 叶炭屑和木炭屑则归类为木本型炭屑。草炭屑百分含量总体上呈现出从约50cal ka BP以来逐渐下降的趋势, 在25.87cal ka BP左右出现异常峰值48.30%, 而最低值出现在9.75cal ka BP, 为5.51%。与草炭屑相反, 叶炭屑含量从50cal ka BP以来则呈逐渐增加的趋势(27.27%~66.96%)。木炭屑百分比含量增长趋势不明显, 在19.63%~42.53%之间波动变化(图4)。由此可见, 晚更新世晚期时草本型炭屑比例较高, 而全新世时木本型炭屑比例增加, 表明植被类型与火灾行为首先受气候因素调控。
图 4 YDY09孔微炭屑的相对百分比和绝对浓度

Fig. 4 Relative percentage and absolute concentration of micro charcoal in core YDY09

4.2 炭屑浓度变化

YDY09 钻孔的总炭屑沉积浓度范围为5512~329547粒·克−1, 平均浓度为80547粒·克−1。在约41.2—17cal ka BP期间, 总炭屑浓度保持在低值水平, 平均浓度为53045粒·克−1, 但在约17—7cal ka BP期间总炭屑浓度高且明显变化, 平均浓度为151077粒·克−1(图5a)。
图5 YDY09钻孔炭屑记录与古环境记录对比

a. YDY09钻孔的总炭屑沉积浓度; b. 印度东北部Mawmluh洞穴石笋δ18O记录(Dutt et al, 2015); c. 孟加拉湾北部SO93-126KL钻孔的盐度记录, 指示印度夏季风降水量的变化(Kudrass et al, 2001); d. 孟加拉湾YDY10和E87-32B钻孔的常绿阔叶林百分比(Rahman et al, 2025); e. YDY09钻孔木本型炭屑的百分含量, 指示木本植物燃烧量的变化; f. 孟加拉湾北部117KL、118KL和120KL钻孔的沉积物有机碳(Corg-bulk)的δ13C移动平均值(浅绿)以及其向过去平移3ka(深绿, 3ka为沉积年龄和有机碳表观年龄之间的迟滞时间)的记录, 指示喜马拉雅盆地C3和C4植物的比例(Galy et al, 2008); 黑色虚线标示了26cal ka BP、17cal ka BP以及7cal ka BP所在; 蓝色阴影标示LGM、HS1早期时期

Fig. 5 Comparison of charcoal records from core YDY09 with paleoenvironmental records. (a) Total charcoal concentration from core YDY09; (b) δ18O record of stalagmites from Mawmluh Cave, northeastern India (Dutt et al, 2015); (c) salinity record from core SO93-126KL in the northern Bay of Bengal, indicating variations in Indian Summer Monsoon precipitation (Kudrass et al, 2001); (d) percentage of evergreen broad-leaved forests from cores YDY10 and E87-32B in the Bay of Bengal (Rahman et al, 2025); (e) percentage of woody charcoal from core YDY09, indicating changes in the amount of woody plant combustion; (f) moving average of δ13C record (light green) of sedimentary organic carbon (Corg-bulk) from cores 117KL, 118KL, and 120KL in the northern Bay of Bengal and its 3 ka shifted data towards the past (dark green), indicating the proportion of C3 and C4 plants in the Himalayan basin (Galy et al, 2008). Black dashed lines indicate the locations of 26 cal ka BP, 17 cal ka BP, and 7 cal ka BP; blue shading indicates the LGM and Early HS1 periods

41.2cal ka BP以来, 总炭屑浓度、木本型炭屑浓度和草本型炭屑浓度记录趋势一致: 在约41.2—26cal ka BP、26—17cal ka BP和7—1.2cal ka BP期间的炭屑浓度低, 表明该时期的火事件的强度低; 约17—7cal ka BP期间的炭屑浓度高, 表明该时期高频的火事件发生强度高(图4)。
整体而言, 炭屑的绝对浓度在冰消期较高(图4)。在20—10cal ka BP期间, 3种类型的炭屑浓度均为最高时期, 而且叶炭屑(2840~195217粒·克−1)和木炭屑(1640~140035粒·克−1)浓度均高于草炭屑(547~57466粒·克−1), 说明单位面积内乔木的生物量高于草本(图4)。

5 讨论

5.1 微炭屑与古植被的关系

炭屑在混合进沉积物之前, 其会受到大气传播或水传播的影响(Moore, 1989; Scott, 2010)。大部分大于1mm的微炭屑受水传播的影响(Scott, 2010), 颗粒越小则越容易受到大气传播的影响(Clark, 1988), 大于125μm的微炭屑则更可能反映当地的火历史(Clark, 1988)。本研究的炭屑均小于1mm, 且就地理位置而言, YDY09钻孔位于孟加拉湾下扇的“无敌大峡谷”, 离陆地有一定的距离, 季风和水文活动(河流和洋流)均可能对该地炭屑的传播产生影响。此外, 活跃的河道系统在将沉积物通过河流输送到深海方面发挥了关键作用, 约50cal ka BP以来多次输送了孟加拉湾北部的恒河-布拉马普特拉河流域的陆源碎屑物质至本研究位置(Liu et al, 2019b)。另外, 基于YDY09钻孔的黏土矿物、锶-钕(Sr-Nd)同位素和稀土元素(Th-La)研究也表明, 约50cal ka BP以来该钻孔的大部分沉积物主要来自北部的恒河-普拉马普特拉河和印度半岛(如戈达瓦里河和克里希纳河) (Liu et al, 2019a, b)。因此, 推测YDY09钻孔的沉积炭屑主要来源于孟加拉湾的北部和西部陆地。
炭屑相对百分比提供了古植被的重要数据(图4)。YDY09钻孔木本型炭屑(木炭屑和叶炭屑总和)占总炭屑数量的51.7%~94.5%, 平均百分含量为77.9%(图4), 而草本型炭屑占总炭屑数量的5.5%~48.3%, 平均百分含量为22.1%(图 4), 说明约50cal ka BP以来YDY09钻孔记录源区的火事件中以木本植物燃烧为主。此外, 不同形态的炭屑百分含量变化呈现3个阶段变化: (1)约41.2—26cal ka BP期间, 木本型炭屑百分含量呈下降趋势, 表明该时期木本植物的燃烧量有所降低, 同时期草本型炭屑百分含量和草本植物的燃烧量则有所上升; (2)约26—17cal ka BP期间, 木本型炭屑百分含量呈现波动状态, 表明该时期木本植物的燃烧量变化波动大, 同时期草本型炭屑百分含量和草本植物的燃烧量变化波动大; (3)约17—1.2cal ka BP期间的木本型炭屑的百分含量呈上升趋势, 表明该时期木本植物的燃烧量有所上升, 同时期草本型炭屑百分含量和草本植物的燃烧量则有所降低(图4)。特别值得一提的是, 本研究中YDY09钻孔的微炭屑浓度自全新世中期以来降至极低水平, 同时草炭屑的百分含量也显著下降, 结合畜牧活动在青藏高原出现的时间略早于5.5cal ka BP(魏海成 等, 2021), 可能暗示本研究中出现的人类活动, 例如放牧等促使孟加拉湾北部源区草本生物量减少, 间接抑制了该区域的火灾强度。
如前所述, 在相对百分比上, 自冰消期(17cal ka BP)以来, 草本型炭屑浓度减少。在前人研究的古植被数据中, 草本植被密集度也在此期间减少(Ghosh et al, 2015)。LGM期间大部分植被类群都有所减少, 从冰消期至全新世中期, 森林植被增加, 降水量增加。在此期间, 草类类群减少, 即使在炭屑相对浓度记录中, 也可以观察到草类的减少。YDY09钻孔的木本型炭屑的百分含量记录表明, 约17—7cal ka BP期间, 木本植物的燃烧占据了主导地位, 且木本植物的燃烧量逐渐增加(图4)。不少研究认为, 约17cal ka BP后逐渐增强的季风降水和上升的温度导致了孟加拉湾的北部和西部陆地的植被组成发生变化(Galy et al, 2008; Ghosh et al, 2015; Zorzi et al, 2015), 如117KL钻孔、118KL钻孔、120KL钻孔(图2)的δ13C记录表明恒河-普拉马普特拉河流域从LGM时期以C4植物的输入为主转变成全新世中期以C3植物的输入为主, 且19—8cal ka BP期间C3植物输入量逐渐增加(图5f; Galy et al, 2008); 布拉马普特拉河流域的孢粉记录表明, 18.3—15.6cal ka BP期间, 木本植被花粉如常绿森林花粉百分含量逐渐增加, 以及禾本科、藜属和菊科含量减少, 意味着该区森林覆盖率的增加(Ghosh et al, 2015)。

5.2 炭屑与古环境的关系

约17—7cal ka BP期间, YDY09钻孔的总炭屑浓度变化剧烈, 且呈现逐步下降的趋势, 表明该期间东北印度洋的北部和西部陆地火事件发生频率减少(图5)。印度东北部Mawmluh洞穴石笋δ18O在约17—10cal ka BP期间逐渐降低揭示了印度夏季风降水增加(图5b) (Dutt et al, 2015)。孟加拉湾西部的SK218/1钻孔(图2)的浮游有孔虫壳体的Mg/Ca重建的海表温度揭示, 约17—10cal ka BP期间海表温度上升了约3.5℃(Govil et al, 2011)。在该期间海水δ18O值逐渐降低表明印度夏季风强度逐步增大(Govil et al, 2011)。孟加拉湾北部的盐度在约16—7cal ka BP期间逐渐下降表明了印度夏季风降水不断增加(图5c) (Kudrass et al, 2001)。此外, 中国葫芦洞穴石笋的δ18O的降低反映了该时期印度夏季风的强度有所增加(Wang et al, 2001)。因此, 约17—7cal ka BP期间YDY09钻孔火事件发生频率的减少反映了印度夏季风增强影响下孟加拉湾北部和西部陆地逐渐湿润的环境。
叶炭屑、木炭屑和草炭屑3种类型的炭屑绝对浓度在盛冰期(LGM)至冰消期均较高。在这里, 我们为较高的炭屑浓度的形成原因提供了一些假设。其一, 降水和河流径流(孟加拉扇区活跃的河道系统)的增加导致微炭屑向海洋的输送量增加(这里假设火灾在整个时间段内是恒定的) (Khan et al, 2024)。其二, 受短暂且极端的气候事件HS1变化影响, 火灾频率增加, 进而导致微炭屑浓度增加。然而, 末次冰消期至全新世早期(16—9.5cal ka BP)的海平面较低, 恒河-布拉马普特拉河通过活跃的海底峡谷将大量陆源有机质直接输送至深海, 该时期炭屑浓度却出现了巨大的波动(图5a)。可见, 孟加拉扇区的海底峡谷导致的输送量增加时期并不总是与研究区域的炭屑浓度峰值时期一致(Liu et al, 2019b), 表明短暂且极端的气候事件或变化促使了该区域的火灾频率的增加。但是, YDY09孔在18.3—16.3cal ka BP之间(HS1早期)炭屑总浓度、木本型炭屑百分比均降至最低, 与之相反, 草本型炭屑百分比很高(图5a、e), 可能与当时气候干旱和温度降低引起的植被减少有关; 这与印度东北部Mawmluh洞穴石笋δ18O记录(Dutt et al, 2015) (图5b)以及孟加拉湾北部SO93-126KL钻孔的盐度记录(Kudrass et al, 2001) (图5c)显示18.3—16.3cal ka BP之间降水量下降相一致; 也与位于10°N的YDY10及15°N的E87-32B常绿阔叶林花粉低值反映的源区干旱情况相符(Rahman et al, 2025)。可能原因: HS1时期孔YDY09位于ITCZ范围(3°N—9°N)以北, 夏季风降雨减弱; 同时, YDY09孔(9°54′N)位于孟加拉湾海底大峡谷, 其沉积物来源于青藏高原的恒河-布拉马普特拉(G-B)河流系统夏季风降雨的减少削弱了G-B河流系统物质向南输送, 导致YDY09孔炭屑总浓度降低; YDY10及E87-32B位于海底大峡谷西侧一定距离, 其沉积物主要来源于印度东部河流系统, 以及南部(斯里兰卡以南海域): 上升流增强记录(如浮游有孔虫δ13C负偏)暗示西风带南移强化了阿拉伯海-孟加拉湾水汽交换, 加剧了干旱, 也可能与AMOC的衰减有关。
同期, 苏门答腊岛2个孔, 即分别位于6°N的BAR94-25(van Der Kaars et al, 2012)和6°S的BAR94-42(van Der Kaars et al, 2010) (图2)的炭屑和孢粉通量也分别显示湿润和干旱(图6), 依据如下: 主要以草本植物花粉和蕨类孢子的含量作为判断干湿气候的标准; 在18.3—16.3cal ka BP期间, 两个孔的趋势相反, 即BAR94-25孔(6°N)的草本植物花粉是低含量, 蕨类孢子是高含量, 炭屑浓度较高, 说明可供燃烧的植被充足, 气候湿润; 而BAR94-42孔(6°S)的草本植物花粉是高含量, 蕨类孢子是低含量, 炭屑浓度较低, 说明气候干旱。进一步说明两孔炭屑和孢粉源区当时分别处于ITCZ雨带范围的内部与外部, 可见炭屑与孢粉、有孔虫等其他指标重建的印度夏季风降水结果一致(Yang et al, 2023)。炭屑联合孢粉记录首次揭示HS1早期在10°N至6°N范围之外干旱的证据间接支持了该时期ITCZ位置在6°N两侧。
图6 海洋岩芯BAR94-25(van Der Kaars et al, 2012)和BAR94-42(van Der Kaars et al, 2010)记录中选定花粉曲线之间相关性的图

带有水平黑条填充图案的百分比曲线显示了使用全部孢粉总和计算的值。无填充的百分比曲线显示了使用孢粉总和(不包括松花粉)计算的值

Fig. 6 Diagram showing the correlation between selected pollen curves from the marine core BAR94-25 (van Der Kaars, et al, 2012) and BAR94-42 (van Der Kaars et al, 2010) records. The percentage curves with horizontal black bar fill patterns show values calculated using pollen sum defined in the text. The unfilled percentage curves show values calculated using pollen sum excluding pine pollen

6 结论

(1)炭屑相对百分比提供了古植被的重要数据, YDY09钻孔的草本型和木本型炭屑的百分含量记录表明约17—7cal ka BP期间草本型炭屑减少, 木本植物的燃烧占据了主导地位且逐渐增加, 表明恒河-普拉马普特拉河流域从LGM时期以C4植物的输入为主转变成全新世中期以C3植物的输入为主。
(2)海洋炭屑的浓度为火灾的发生提供了线索, 研究发现HS1早期, 位于9°54′N的YDY09孔在18.3—16.3cal ka BP之间炭屑总浓度、木本型炭屑百分比均降至最低, 草本型炭屑百分比升高, 指示火事件发生频率急剧减少, 可能与干冷气候事件导致的植被减少有关, 反映炭屑源区当时处于ITCZ雨带范围之外, 夏季风降雨减弱导致G-B河流输入物减少。炭屑与有孔虫等其他指标重建的印度夏季风降水结果一致, 也与位于10°N的YDY10及15°N的E87-32B常绿阔叶林花粉低值反映的源区干旱情况相符。同期, 苏门答腊岛两个孔(分别位于6°N和6°S)的炭屑和孢粉含量也分别显示湿润和干旱, 反映炭屑和孢粉源区当时处于ITCZ雨带范围内部与外部区域。炭屑联合孢粉记录首次揭示HS1早期在10°N—6°S范围之外干旱, 结合苏门答腊岛6°N孔的湿润证据, 间接支持了该时期ITCZ位置在6°N两侧。

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