以孢粉学方法为例浅论黄土沉积物中微体炭屑的统计问题

doi:10.12118/j.issn.1000-6060.2020.03.12

干旱区地理 ›› 2020, Vol. 43 ›› Issue (3): 661-670.doi: 10.12118/j.issn.1000-6060.2020.03.12

以孢粉学方法为例浅论黄土沉积物中微体炭屑的统计问题

王梓莎^1,2，赵永涛¹，苗运法^1,2，邹亚国^1,2，唐国乾³

1 中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州 730000；
2 中国科学院大学，北京 100049； 3 兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000

收稿日期:2019-11-10 修回日期:2020-04-05 出版日期:2020-05-25 发布日期:2020-05-25
通讯作者: 苗运法，男，博士，研究员
作者简介:王梓莎（1996-），女，硕士研究生，研究方向为自然地理学与孢粉学.E-mail：wzsbgyx@163.com
基金资助:
国家自然科学基金（41772181、41807440）；黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金（SKLLQG1515）；甘肃省自然科学基金（18JR3RA395）；国家“万人计划”青年拔尖人才；中科院‘西部之光’和中科院青年创新促进会优秀会员（2014383）资助

Statistical problem of microcharcoal in Loess sediments based on the pollen methodology

WANG Zi-sha^1，2，ZHAO Yong-tao¹，MIAO Yun-fa^1，2，ZOU Ya-guo¹，TANG Guo-qian³

1 Northwest Institute of Ecology and Environmental Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，Gansu,China；
2 University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China； 3 School of Resources and Environmental Sciences,Lanzhou University，Lanzhou 730000，Gansu,China

Received:2019-11-10 Revised:2020-04-05 Online:2020-05-25 Published:2020-05-25

摘要/Abstract

摘要：

作为火的代用指标—炭屑在过去生态环境变化及人类活动研究中具有重要意义，基于孢粉学方法开展的微体炭屑—火的研究得到了研究者的广泛关注，但关于炭屑统计的标准目前尚未统一。通过选取黄土高原灵台剖面顶部13 m共16个样品，采用孢粉流程法提取炭屑（外加石松孢子以计算炭屑浓度），对样品进行随机分组统计。具体方法如下：统计时以50粒外加石松孢子为单组，每个样品累计统计20组，且每组中按形态（长宽比）分为长条形炭屑与近圆形炭屑，按大小划分为10~30 μm，30~50 μm，50~100 μm和>100 μm共4种粒级。结果表明20个单组中炭屑含量相近但有一定波动性（标准偏差0.06%~8.70%）；当石松孢子累计统计500粒（10组）以上时，炭屑浓度、各粒径炭屑所占百分比均趋于稳定（相关系数r=0.99）；当石松孢子累计统计300粒（6组）以上时，炭屑的长/圆比值趋于稳定（标准偏差0.01~0.24，r=0.87）。基于以上结果，建议在黄土高原微体炭屑研究中统计500±50粒的石松孢子，以确保数据稳定。以此为基础，初步发现灵台地区自165 ka以来，火事件较为频繁，草本较木本植被更占优势，此结果与该地区黄土—古土壤中元素碳含量等数据有较好对应关系，表明该地区的古火发生与环境变化具有较强联系。

关键词: 黄土高原, 炭屑统计, 古火, 环境变化

Abstract:

Fire plays an important role in studies of paleoclimate change and human activities.Microcharcoal in sediments can indicate the extent,frequency and variation of wildfires throughout geological history.Studies of microcharcoal fires based on pollen methodologies have received extensive attention from researchers,however,statistical approaches to lycopodium spores related to the needs of sporopollen statistics are uncertain,and this may result in the instability of results of microcharcoal.The Lingtai (LT) profile (33°04′ N,107°39′) chosen for this study is located in Lingtai County,Gansu Province,China.16 samples from different layers were selected throughout the 13 m profile (S0~L2),nine of which were in the loess layers and seven in the paleosol layers.All samples were extracted by a standard pollen methodology (adding a known number of lycopodium spores to each sample in order to calculate microcharcoal concentrations).To obtain the number of lycopodium spores that should be counted in microcharcoal research,20 groups were counted for each sample and 50 lycopodium spores for each group,giving a total of 1 000 lycopodium spores.Two distinct shapes of microcharcoal were identified: sub-round (length/width＜2.5,R) and sublong (length/width＞2.5,L),which respectively represent woody and herb sources.The data were then divided into four groups of grainsize groups: ~10-30 μm,~30-50 μm,~50-100 μm,and ＞100 μm.Results showed that the percentages and concentrations of microcharcoal in the 20 groups studied were similar but exhibited some fluctuation (standard deviation: 0.06% ~ 8.7%).We compared the data from the first accumulating group (i.e., one group) to the twentieth accumulating group (i.e.,a total of twenty groups),finding that when the total number of lycopodium spores is greater than 500,the accumulated microcharcoal concentration in each sample no longer shows significant change,and the percentages of each grainsize group tend to be stable.When the total number of lycopodium spores is 300 or greater,L/R ratios tend to be stable (standard deviation: ~0.01-0.24; r = 0.87).The results of Spearman correlation analysis of the data are consistent with the above results.Therefore,we suggest that the number of lycopodium spores to be counted in microcharcoal research should be 500±50.Additionally,the microcharcoal concentration range between 2.33 × 10³ -5.30 × 10⁴grains·g^-1 has an average of 18 424.34 grains·g^-1.The “L/R” ratios range between 0.26 and 2.96,averaging 1.53.Our data show that,since 165 ka,fire events have been more frequent in the Lingtai area,and herbaceous vegetation has been more dominant than woody vegetation.These findings correspond well with the elemental carbon content of the loess-paleosol,indicating that the occurrence of paleo-fires in the area is closely related to environmental change.This study explores the reasonable number of lycopodium spores that should be counted to ensure the quality of data in work based on the standard pollen methodology.The results provide references for statisticians and statistical standards for subsequent studies of microcharcoal in loess-paleosols.

Key words: Loess Plateau, microcharcoal statistics, paleo-fire; environmental change

王梓莎, 赵永涛, 苗运法, 邹亚国, 唐国乾.

以孢粉学方法为例浅论黄土沉积物中微体炭屑的统计问题 [J]. 干旱区地理, 2020, 43(3): 661-670.

WANG Zi-sha, ZHAO Yong-tao, MIAO Yun-fa, ZOU Ya-guo, TANG Guo-qian. Statistical problem of microcharcoal in Loess sediments based on the pollen methodology[J]. Arid Land Geography, 2020, 43(3): 661-670.

参考文献［42］

［1］	FILION L．A relationship between dunes〖JP2〗，fire and climate recorded in the Holocene deposits of Quebec［J］．Nature，1984，309（5968）：〖JP〗543-546．
［2］	WINKLER M G．Charcoal analysis for paleoenvironmental interpretation：A chemical assay［J］．Quaternary Research，1985，23（3）：313-326．
［3］	PATTERSON W A，EDWARDS K J，MAGUIRE D J．Microscopic charcoal as a fossil indicator of fire［J］．Quaternary Science Reviews，1987，6（1）： 3-23．
［4］	RHODES A N．A method for the preparation and quantification of microscopic charcoal from terrestrial and lacustrine sediment cores［J］．Holocene，1998，8（1）：113-117．
［5］	伍婧，刘强．晚冰期月亮湖炭屑记录反映的古气候演化［J］．地质科学，2013，48（3）： 860-869．［WU Jing，LIU Qiang．Charcoal-recorded climate changes from Moon Lake in Late Glacial［J］．Chinese Journal of Geology，2013，48（3）：860-869．］
［6］	谭志海，黄春长，庞奖励，等．渭河流域全新世土壤剖面木炭屑记录及其古环境意义［J］．中国生态农业学报，2010，18（1）：25-30．［TAN Zhihai，HUANG Chunchang，PANG Jiangli，et al．Charcoal records of Holocene loess-soil sequences and its palaeoenvironmental significance in Weihe River Drainage［J］．Chinese Journal of Eco-Agriculture，2010，18（1）：25-30．］
［7］	仝秀芳．湖北省太白湖孢粉与炭屑揭示的近1 500 a以来的气候变化与人类活动［D］．南京：南京师范大学，2009．［TONG Xiufang．The pollen and charcoal record of Lake Taibai in Hubei Province reveal the climate change and human activities in the past 1 500 years［D］．Nanjing: Nanjing Normal University，2009．］
［8］	罗运利，陈怀成，吴国瑄，等．南海最近3个冰期旋回中的天然火与气候——ODP1144孔深海沉积中的炭屑记录［J］．中国科学（D辑：地球科学），2001，31（10）：854-860．［LUO Yunli，CHEN Huaicheng，WU Guoxuan，et al．Records of natural fire and climate history du ring the last three glacial-interglacial cycles around the South China Sea:Charcoal record from the ODP1114［J］．Scientia Sinica (Terrae)，2001，31（10）：854-860．］
［9］	李小强，周新郢，尚雪，等．黄土炭屑分级统计方法及其在火演化研究中的意义［J］．湖泊科学，2006，18（5）：540-544．［LI Xiaoqiang，ZHOU Xinying，SHANG Xue，et al．Different（kPa/℃）size method of charcoal analysis in loess and its significance in the study of fire variation［J］．Journal of Lake Sciences，2006，18（5）：540-544．］
［10］	谭志海，黄春长，庞奖励，等．陇东黄土高原北部全新世野火历史的木炭屑记录［J］．第四纪研究，2008，28（4）：733-738．［TAN Zhihai，HUANG Chunchang，PANG Jiangli，et al．Charcoal recorded Holocene fire history in the northern part of the Longdong Loess Plateau［J］．Quaternary Sciences，2008，28（4）：733-738．］
［11］	张红艳．南洛河流域更新世黄土沉积揭示的古人类生存环境变迁［D］．南京：南京大学，2013．［ZHANG Hongyan．Pleistocene loess deposits reveal paleoenvironment of the hominins lived in the South Luo River region［D］．Nanjing: Nanjing University，2013．］
［12］	MIAO Y F，JIN H L，CUI J X．Human activity accelerating the rapid desertification of the Mu Us Sandy Lands，North China［J］．Scientific Reports，2016，6：23003．
［13］	MIAO Y F，ZHANG D J，CAI X M，et al．Holocene fire on the northeast Tibetan Plateau in relation to climate change and human activity［J］．Quaternary International，2017，443：124-131．
［14］	曹艳峰，黄春长，韩军青，等．黄土高原东西部全新世剖面炭屑记录的火环境变化［J］．地理与地理信息科学，2007，23（1）：92-96．［CAO Yanfeng，HUANG Chunchang，HAN Junqing，et al．Changes of fire environment recorded by charcoal hided in Holocene profile in the eastern and western Loess Plateau［J］．Geography and Geo-information Science，2007，23（1）：92-96.］
［15］	MIAO Y F，WU F L，WARNY S，et al．Miocene fire intensification linked to continuous aridification on the Tibetan Plateau［J］．Geology，2019，47（4）：303-307．
［16］	MA T，ZHENG Z，MAN M L，et al．Holocene fire and forest histories in relation to climate change and agriculture development in southeastern China［J］．Quaternary International，2018，488：30-40．
［17］	MIAO Y F，FANG X M，SONG C H，et al．Late Cenozoic fire enhancement response to aridification in mid-latitude Asia：Evidence 〖JP2〗from microcharcoal records［J］.Quaternary Science Reviews，2016，〖JP〗139：53-66．
［18］	TAN Z H，HAN Y M，CAO J J，et al．The linkages with fires，vegetation composition and human activity in response to climate changes in the Chinese Loess Plateau during the Holocene［J］．Quaternary International，2018，488：18-29．
［19］	TAN Z H，MAO L J，HAN Y M，et al．Black carbon and charcoal records of fire and human land use over the past Cheek 11 300 years at the Tongguan Kiln archaeological site，China［J］．Palaeogeography，Palaeoclimatology，Palaeoecology，2018，504：162-169．
［20］	王春玥．MIS-2早期冀东地区古环境变化特征与古人类活动［D］．石家庄：河北师范大学， 2018．［WANG Chunyue．Environmental changes and human activities during the Early MIS-2 period in the northeast past of North China Plain［D］．Shijiazhuang: Hebei Normal University，2018．］
［21］	陆岸青，李珍，李杰，等．越南红河流域沉积物的镜下碳屑分析实验室处理方法对比研究［J］．第四纪研究，2009，29（4）：825-830．［LU Anqing，LI Zhen，LI Jie，et al．Comparative experiments of extravting charcoals from sediment with microscope in the Red River Basin，Vietnam［J］．Quaternary Sciences，2009，29（4）：825-830．］
［22］	张健平，吕厚远．现代植物炭屑形态的初步分析及其古环境意义［J］．第四纪研究，2006，26（5）：857-863．［ZHANG Jianping，LV Houyuan．Prelminary study of charcoal morphology and its environmental significance［J］．Quaternary Sciences，2006,26（5）：857-863．］
［23］	李宜垠，侯树芳，赵鹏飞．微炭屑的几种统计方法比较及其对人类活动的指示意义［J］．第四纪研究， 2010， 30（2）：356-363．［LI Yiyin，HOU Shufang，ZHAO Pengfei．Comparison of different quantification methods for microfossil charcoal concentration and the implication for human activities［J］．Quaternary Sciences，2010，30（2）：356-363．］
［24］	刘东生．黄土与环境［M］．北京：科学出版社，1985．［LIU Dongsheng．Loess and the environment［M］．Beijing：Science Press，1985．］
［25］	周斌．晚新生代以来灵台黄土剖面元素碳记录与气候环境变化［D］．广州：中国科学院研究生院（广州地球化学研究所），2005．［ZHOU Bin．The record of elemental carbon in the Loess of Lingtai Section since the Late Cenozoic and the environment and climate change［D］．Guangzhou: Guangzhou Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，2005．］
［26］	孙东怀．晚新生代黄土高原风尘序列的磁性地层与古气候记录［D］．西安：中国科学院研究生院（地球环境研究所），1997．［SUN Donghuai．Magnetostratigraphy and paleoclimate records of Late Cenozoic eolian sequence in the Loess Plateau of China［D］．Xi’an:Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，1997．］
［27］	DING Z L，DERBYSHIRE E，YANG S L，et al．Stacked 2.6-Ma grain size record from the Chinese loess based on five sections and correlation with the deep-sea δ18O record［J］．Paleoceanography，2002，17（3）：1033,doi:10.1029/2001PA000725．
［28］	HORN S，HORN R，ROGERBYRNE．An automated charcoal scanner for paleoecological studies［J］．Geoscience & Man，1992，16（1）：7-12．
［29］	CLARK R L．Point count estimation of charcoal in pollen preparations and thin sections［J］．Pollen Et Spores，1982，24：523-535．
［30］	CLARK J S．Particle motion and the theory of charcoal analysis：Source area，transport，deposition，and sampling［J］．Quaternary Research，1988，30（1）：67-80．
［31］	DANIAU A L，GONI M F S，MARTINEZ P，et al．Orbital-scale climate forcing of grassland burning in southern Africa［J］．Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2013，110（13）：5069-5073．
［32］	CRAWFORD A J，BELCHER C M．Charcoal morphometry for paleoecological analysis： The effects of fuel type and transportation on morphological parameters［J］．Applications in Plant Sciences，2014，2（8）：1400004．
［33］	UMBANHOWAR C E，MCGRATH M J．Experimental production and analysis of microscopic charcoal from wood，leaves and grasses［J］．Holocene，1998，8（3）：341-346．
［34］	黄春长，庞奖励，黄萍，等．关中盆地西部黄土台塬全新世气候事件研究［J］．干旱区地理，2002，25（1）：10-15．［HUANG Chunchang，PANG Jiangli，HUANG Ping，et al．Holocene climatic events on the loess tableland in the western Guanzhong Basin，China［J］．Arid Land Geography，2002，25（1）：10-15．］
［35］	刘浩，贾佳，路彩晨，等．则克台黄土粒度组分分离及其记录的末次冰期气候波动［J］．干旱区地理，2018，41（6）：1260-1269．［LIU Hao，JIA Jia，LU Caichen，et al．Multicomponents separation of loess grain size in Zeketai and the recorded climate fluctuation during the last glacial period［J］．Arid Land Geography，2018，41（6）：1260-1269．］
［36］	翟新伟，李富强，吴松．会宁剖面黄土粒度记录的MIS3阶段气候变化研究［J］．干旱区地理，2013，36（5）：773-780．［ZHAI Xinwei，LI Fuqiang，WU Song．Huining MIS3 stage climate change based on the loess grain size record［J］．Arid Land Geography，2013，36（5）：773-780．］
［37］	DANIAU A L，GO I M F S，DUPRAT J．Last glacial fire regime variability in western France inferred from microcharcoal preserved in core MD04-2845，Bay of Biscay［J］．Quaternary Research，2009，71（3）：385-396．
［38］	WANG X，PENG P A，DING Z L．Black carbon records in Chinese Loess Plateau over the last two glacial cycles and implications for paleofires［J］．Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology，2005，223（1）：9-19．
［39］	DANIAU A L，HARRISON S P，BARTLEIN P J．Fire regimes during the Last Glacial［J］．Quaternary Science Reviews，2010，29（21）：2918-2930．
［40］	DANIAU A L，S-NCHEZ-GO I M F，BEAUFORT L，et al．Dansgaard-Oeschger climatic variability revealed by fire emissions in southwestern Iberia［J］．Quaternary Science Reviews，2007，26（9）：1369-1383．
［41］	周斌，沈承德，孙彦敏，等．370 ka以来灵台黄土剖面元素碳记录及其对气候环境变化的响应［J］．科学通报，2006，51（10）：1211-1217．［ZHOU Bin，SHEN Chengde，SUN Yanmin，et al．A biomass burning record from the Lingtai loess section during the last 370 ka and implication for climate and environment［J］．Chinese Science Bulletin，2006，51（10）：1211-1217．］
［42］	刘俊峰，苏英．甘肃平凉地区约80万年以来的植被与气候变迁［J］．地理研究，1994，13（4）：90-97．［LIU Junfeng，SU Ying．The changes of vegetation and climate in Pingliang region，Gansu Province since about 800 000 YR B P［J］．Geographical Research，1994，13（4）：90-97．］

[1]	任涛涛,李双双,段克勤,何锦屏. 黄土高原热浪型和缺水型骤旱时空变化特征及其影响因素[J]. 干旱区地理, 2023, 46(3): 360-370.
[2]	安彬,肖薇薇,刘宇峰,刘全玉. 1955—2021年黄土高原地区相对湿度时空演变规律[J]. 干旱区地理, 2023, 46(12): 1939-1950.
[3]	卓静,胡皓,何慧娟,王智,杨承睿. 陕北黄土高原生态脆弱性时空变异及驱动因素分析[J]. 干旱区地理, 2023, 46(11): 1768-1777.
[4]	钱伟, 王春, 代文, 卢旺达, 李敏, 陶宇, 李梦琪. 基于深度学习融合OBIA的黄土高原小流域淤地坝系提取[J]. 干旱区地理, 2023, 46(11): 1803-1812.
[5]	沙国良,魏天兴,陈宇轩,傅彦超,任康. 黄土高原丘陵区典型植物群落土壤粒径分布特征[J]. 干旱区地理, 2022, 45(4): 1224-1234.
[6]	叶文丽,杨新军,吴孔森,王银. 黄土高原社会-生态系统恢复力时空变化特征与影响因素分析[J]. 干旱区地理, 2022, 45(3): 912-924.
[7]	项超生,汪勇,王君波,马庆峰,王世航. 高海拔干旱区湖泊沉积物多指标记录的环境变化研究——以阿克赛钦湖为例[J]. 干旱区地理, 2022, 45(2): 435-444.
[8]	吉珍霞,侯青青,裴婷婷,陈英,谢保鹏,吴华武. 黄土高原植被物候对季节性干旱的敏感性响应[J]. 干旱区地理, 2022, 45(2): 557-565.
[9]	孙健武,高军波,马志飞,喻超,张欣怡. 不同地理环境下“空间贫困陷阱”分异机制比较——基于大别山与黄土高原的实证[J]. 干旱区地理, 2022, 45(2): 650-659.
[10]	田达睿,唐皓,谭静斌. 陕北黄土高原丘陵沟壑区聚落适宜空间模式研究——以米脂县东沟为例[J]. 干旱区地理, 2022, 45(1): 263-276.
[11]	牛燕宁,綦琳,乔彦松. 基于碎屑锆石年代学对黄土高原物源及其时空差异的理解与展望[J]. 干旱区地理, 2021, 44(6): 1623-1634.
[12]	姜丽,魏天兴,李亦然,魏安琪. 地形因子对陕北黄土丘陵区防护林树种分布的影响[J]. 干旱区地理, 2021, 44(6): 1763-1771.
[13]	贺振杰,马龙,吉力力·阿不都外力,刘文,Gulnura ISSANOVA,Galymzhan SAPAROV,黄坤. 哈萨克斯坦巴尔喀什湖沉积物粒度特征及其对区域环境变化的响应[J]. 干旱区地理, 2021, 44(5): 1317-1327.
[14]	安彬,肖薇薇,张淑兰,朱妮,张建东. 1960—2017年黄土高原地表温度时空变化特征[J]. 干旱区地理, 2021, 44(3): 778-785.
[15]	王钧,李广,聂志刚,董莉霞,闫丽娟. 陇中黄土高原区旱地春小麦产量对干旱胁迫响应的模拟研究[J]. 干旱区地理, 2021, 44(2): 494-506.

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Statistical problem of microcharcoal in Loess sediments based on the pollen methodology

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