雪冰中生物质燃烧记录研究进展
游超1,2, 姚檀栋1, 邬光剑1
1. 中国科学院青藏高原研究所, 青藏高原环境变化与地表过程重点实验室, 北京 100101
2. 中国科学院大学, 北京 100049

作者简介:游超(1987-),男,重庆人,博士研究生,主要从事雪冰化学研究. E-mail:youchao@itpcas.ac.cn

摘要

生物质燃烧释放的大量温室气体和烟尘气溶胶能够显著改变大气化学组成、扰动大气环流和水文过程、影响地表辐射平衡,是地球气候和环境过程的主要影响因素之一。生物质燃烧产生的烟尘颗粒等能够随大气环流过程进行迁移输送,在重力作用下或随降水过程沉降到地球表面,成为沉积物地球化学的重要组成部分。雪冰中诸如黑碳、钾离子、左旋葡聚糖等特征标志物记录能够较好地反映区域乃全球尺度的生物质燃烧信息。利用雪冰开展生物质燃烧现代过程和历史记录的研究对系统认识地球气候环境演变过程具有重要意义。从雪冰中可用于开展生物质燃烧记录研究的特征指标、不同地区的研究现状以及生物质燃烧的影响因素等方面综述了近20年来国内外的主要研究成果。并对当前在青藏高原地区利用雪冰开展生物质燃烧记录研究存在的主要问题以及未来研究工作的重点进行了探讨。

关键词: 冰芯; 生物质燃烧; 森林和草原火灾; 冰川; 青藏高原
中图分类号:P343.6 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2014)06-0662-12
Research Progress on Biomass Burning Records in Snow and Ice
You Chao1,2, Yao Tandong1, Wu Guangjian1
1. Key Laboratory of Tibetan Environment Changes and Land Surface Processes, Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101,China
2. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China
Abstract

Biomass burning releases large amount of greenhouse gases and smoke particles. Biomass burning emissions can change atmospheric chemicals, perturb atmospheric circulations and hydrological cycle, and impact radiation balance of earth system. Biomass burning is one of the main factors for earth climate and environmental process. Biomass burning emissions can be transported long-distance by atmospheric circulations, and finally be deposited on earth surface by gravity or by wet deposition. Biomass burning aerosols can be important compositions in sediment geochemistry. Biomarkers such as Black carbon, Potassium and Levoglucosan in snow and ice can be used to study biomass burning records on regional and global scale. Study on the modern process and historical records of biomass burning records in snow and ice can help us understand about global climate and environmental change process systematically. A review about the study progress on biomass burning in snow and ice for past 20 years was reported. This review mainly concerns about aspects of available proxies, main achievements in different regions and influences factors of biomass burning. The shortage of current studies for biomass burning history in Tibetan Plateau snow and ice records are summarized and main prospects for future studies are put for word.

Keyword: Ice core; Biomass burning; Forest and savanna fires; Glacier; Tibetan Plateau.
1 引 言

以森林和草原火灾为代表的生物质燃烧是地球气候和环境的重要影响因子之一,在气候环境演化过程中扮演着重要的角色[ 1, 2]。生物质燃烧会向环境中释放大量以温室气体和颗粒物为主的烟尘气溶胶,是大气气溶胶主要的物质来源之一[ 3]。烟尘气溶胶进入大气层后会随着大气环流过程进行迁移,最终会在重力作用下或随降水过程从大气中被清除,成为地表沉积物地球化学的重要组成成分之一[ 4],对区域乃至全球尺度大气化学组成、生物地球化学循环、以及气候和环境造成显著的影响[ 1, 3, 5]

目前,对生物质燃烧的研究按时间尺度差异可分为现代生物质燃烧研究和历史时期生物质燃烧研究(表1)。现代生物质燃烧研究主要是对近期或正在发生的森林和草原火灾等进行研究,相应的研究工作主要利用遥感火灾产品(包括AVHRR, MODIS, MERIS,ASTER等卫星)[ 6, 7]等资料开展。通过卫星遥感产品能够获取空间高分辨率的生物质燃烧信息。然而,卫星遥感技术在监测生物质燃烧领域的应用起步于20世纪90年代[ 7],卫星资料覆盖的时间较短,难以满足人们对长时间尺度生物质燃烧历史记录认识的需求。因此,借助沉积物等开展历史时期生物质燃烧记录的研究就显得极其重要。

表1 生物质燃烧的主要研究方法/载体及可获得的时间精度和时空尺度 Table 1 The major methods about biomass burning, and time resolution, temporal and spatial scale in each method

对历史时期生物质燃烧记录的研究主要是基于海洋、湖泊和黄土等沉积物中炭屑含量[ 8, 9, 10],树轮火灾疤痕[ 11, 12],文献资料[ 13, 14]以及雪冰中的各种生物质燃烧特征指标展开。作为生物质燃烧的最直接证据,沉积物中的炭屑含量能够直观反映生物质燃烧的规模和燃烧强度等信息。但由于其粒径较粗(通常>10 µm),炭屑颗粒通常仅能够进行近距离传输(通常<10 km),导致沉积物中炭屑所反映的主要是局地和区域尺度生物质燃烧状况[ 15, 16]。此外,炭屑沉积后沉积环境的扰动也可能会造成沉积物中的记录发生紊乱,使得到的研究成果的可靠性降低[ 17, 18]。树轮火灾疤痕和文献资料的研究能够得到火灾精确年代,但同时也只能反映较小尺度的生物质燃烧[ 12]

雪冰以其独特的优势使其能够成为高分辨率生物质燃烧记录研究的特殊载体。首先,现代冰川多发育在人迹罕至的两极和中低纬度极高海拔地区,这些地区受人类活动影响较小。雪冰能够记录自然环境下的微弱变化,甚至可以反映单次的生物质燃烧事件。其次,极地和中低纬度高海拔冰川发育区气象条件呈现出典型季节变化。这将有助于获取年甚至季节尺度的高分辨率生物质燃烧记录。第三,低温环境有利于生物质燃烧信号的保存。在极地和高海拔冰川发育区降水多以固态降雪形式发生并以年层的形式积累在冰川上。冰川积累区的雪冰有利于获取连续的历史记录。

因此,以雪冰为载体开展生物质燃烧记录研究具有重要的科学意义。本文从雪冰中可利用的指标、不同地区研究现状以及生物质燃烧的影响因素等方面概述国内外近20年的研究进展。

2 雪冰中相关研究的可利用指标

作为过去气候环境演变研究的重要载体之一,雪冰能够记录丰富的气候环境演变信息[ 19, 20]。目前,雪冰中能够用于生物质燃烧记录研究的指标主要包括:水溶性离子和固体电导率、黑碳、痕量气体同位素以及有机分子标志物等。

2.1 水溶性离子和固体电导率

水溶性离子是雪冰地球化学的主要组成成分之一。雪冰中的水溶性离子可能来源于海盐、陆源矿物盐、火山成因气溶胶、生物活动排放、人类活动排放和生物质燃烧排放等多种排放源[ 21]。生物质燃烧能够产生大量诸如CO2、NH3等水溶性气体和无机矿物盐成分[ 2]。这些成分进入大气层后,可通过大气环流输送至极地和中低纬度高海拔冰川分布地区,最终随降水过程沉降到冰川表面后主要以离子的形式保存在冰层里。生物质燃烧产生的烟尘气溶胶多具碱性特征,沉降到冰川表面后能够中和雪冰中的酸性成分,导致雪冰固体电导率降低[ 22]。因此,通过分析雪冰中的生物质燃烧特征离子(比如NH4+、K+)含量和固体电导率变化可以很好地重建过去生物质燃烧状况[ 23, 24, 25, 26]

2.2 黑碳

黑碳是气候环境变化的重要驱动因子之一。现有的研究成果认为,黑碳是环境中作用仅次于CO2的最重要温室成分[ 27, 28]。生物质燃烧对全球黑碳的贡献量可达85%以上,是环境中黑碳最重要的物质来源之一[ 2]。研究显示,雪冰是黑碳最好的保存和记录载体之一[ 29, 30]。沉降在冰川表面的黑碳能够显著降低冰川表面反照率,使得雪冰吸收太阳辐射能力增强,加速积雪和冰川消融[ 30, 31]。雪冰中的黑碳可能来自上述2种来源,但通常可以依据其成分中14C/13C比值变化进行来源区分。一般认为生物质燃烧释放的黑碳14C/13C比值较高,而化石燃料燃烧排放的黑碳14C/13C比值较低[ 18, 32]

2.3 痕量气体及其同位素组成

生物质燃烧也会向大气释放诸如CO、CH4等痕量气体。实验研究显示,高温燃烧过程会导致燃烧残留物和排放的痕量气体中碳同位素组分发生分馏[ 33, 34]。对极地冰芯的研究也认为,冰芯包裹体中的CO和CH4碳同位素组成可以很好地指示生物质燃烧变化[ 35, 36, 37]。此外,冰芯包裹体内的痕量气体本身也能够作为生物质燃烧的重要标志物[ 38]。所以,可通过对冰芯内的痕量气体及其同位素组成变化来开展生物质燃烧记录的研究。

2.4 有机分子标志物

有机成分可占全球每年生物质燃烧排放的碳质气溶胶质量的80%以上[ 39, 40]。有机成分主要附着在细粒径烟尘颗粒物上(通常情况下粒径小于1 µm)进行传输[ 41]。有机成分能够显著改变烟尘颗粒物的理化属性。通过改变烟尘颗粒对太阳辐射的反射和散射能力影响地球表面辐射平衡;通过改变烟尘颗粒的吸湿性影响其作为云凝结核的能力,影响雨滴形成而改变大气降水格局[ 42]。有机气溶胶中诸如小分子有机酸、脱水单糖以及部分大分子有机物等成分多来源于生物质燃烧排放(表2),可以作为生物质燃烧研究的特征标志物。通过对雪冰中这些标志性成分的研究可以很好的反演生物质燃烧的状况[ 5]

表2. 生物质燃烧释放的主要有机分子标志物[ 5] Table 2. Major organic biomarkers releasing from biomass burning[ 5]

2.4.1 小分子有机酸

生物质燃烧过程会产生诸如草酸(C2O4-)、甲酸(HCOO-)和乙酸(CH3COO-)等小分子有机酸。小分子有机酸会附着在烟尘颗粒表面随大气环流过程进行远距离传输,并沉降到冰川表面。尽管生物质燃烧并非小分子有机酸的唯一来源,但是现有的研究成果认为,森林火灾等生物质燃烧事件会造成雪冰中小分子有机酸含量峰值[ 43]。因此,通过分析雪冰中小分子有机酸含量变化能够很好地开展生物质燃烧记录研究[ 43, 44, 45]

2.4.2 脱水单糖

燃烧实验研究认为,左旋葡聚糖(Levoglucosan)及其同分异构体甘露聚糖(Mannosan)和半乳聚糖(Galactosan)等脱水单糖仅仅产生于纤维素和半纤维素在燃烧温度高于300℃时的热裂解过程中,而煤和石油等化石燃料燃烧以及纤维素的热解和水解过程则不会产生这些脱水单糖[ 46, 47]。其中,左旋葡聚糖具有释放量大、来源唯一、在环境中稳定性强且在全球广泛分布等特点,可作为含纤维素生物质燃烧的重要标志物[ 46, 47, 48]。对南美Carajás湖泊沉积物中左旋葡聚糖和炭屑含量的对比研究也认为左旋葡聚糖可作为沉积物中生物质燃烧记录的重要特征指标。所以,借助雪冰中左旋葡聚糖等脱水单糖可以开展森林和草原等富含纤维素的生物质燃烧研究。

2.4.3 大分子有机物

生物质燃烧也会向大气释放如正构烷烃、脂肪酸、萜类以及多环芳烃(PAHs)等大分子有机物[ 5]。这些大分子有机物在雪冰中具有较好的稳定性,可作为雪冰中生物质燃烧记录的良好标志物[ 49, 50, 51]。现有的研究显示,生物质燃烧排放是自然界中这些大分子有机物最重要的物质来源之一[ 5]。在南北极[ 49, 50, 52]和青藏高原地区[ 51, 53]雪冰中都检测到了上述大分子有机物。

2.5 各种指标的对比

大量的研究工作显示,上述各种指标均能够较好地用于雪冰中生物质燃烧记录的研究工作中。然而,由于其自身的缺陷使得在使用上述各种指标单独开展生物质燃烧记录研究时均存在着较大的不确定性,导致得到结果的可靠性降低。比如,对于水溶性离子、黑碳、小分子有机酸和大分子有机物等指标,除森林火灾等生物质燃烧外,人类工业活动、化石燃料燃烧、挥发性有机成分的光化学分解以及生物有机质的分解等过程也是其重要来源[ 54]。如果直接利用这些指标进行生物质燃烧的研究将会得到比真实情况偏高的结果。左旋葡聚糖等脱水单糖虽然具有来源唯一、释放量大等优点,但是近期对大气气溶胶样品的研究成果认为其在湿度较大的环境下也可能发生一定程度的降解[ 55],而导致单独使用其进行生物质燃烧的估算较真实情况偏低。雪冰中的痕量气体及其同位素组成研究主要集中于南北极地区,且生物质燃烧并不是痕量气体最主要的来源[ 56],和生物质燃烧最接近的中低纬度地区由于成冰作用差异导致很少有和南北极地区相比拟的研究成果。

此外,不同的指标测试时所需要的样品用量也存在较大差异。比如,选择黑碳和大分子有机物作为研究对象时所需要的样品量可达100 mL以上[ 51, 57],给野外采样和样品的分配带来不便,导致在冰芯研究中难以获得较连续的结果。而选择离子、小分子有机酸及脱水单糖时需要的样品量则相对较小。不同的测试手段也导致使用同一指标得到的结果存在差异。因此,在实际研究工作中通常需要将上述多种指标加以综合对比研究才能够得到较为准确的生物质燃烧信息。

3 研究进展概述

利用上述特征指标对雪冰中的生物质燃烧记录研究已经开展了较多的工作,下面我们将对不同地区的研究成果进行概述。

3.1 格陵兰地区

对雪坑样品的研究结果表明,北美和欧亚大陆北部等环北极地区是格陵兰地区雪冰中生物质燃烧记录的主要物质来源[ 24, 57, 58]。对1994年8月发生在加拿大北部哈德森湾地区的一次强森林火灾事件的研究认为,烟尘气溶胶向格陵兰地区迁移运输需要3~4天的时间。这次火灾事件在格陵兰地区雪坑记录中突出表现为NH4+、K+和羧酸根离子等特征成分的显著富集[ 24],和北极地区大气气溶胶背景含量存在较大的差异。这可能和烟尘气溶胶迁移过程中挥发性有机成分发生了光化学氧化相关。这和1992—1995年在格陵兰地区为期3年的观测结果[ 59]以及对雪坑中左旋葡聚糖的研究成果较为一致[ 58]。同一事件产生的左旋葡聚糖和草酸等分子标志物在雪坑内的含量峰值(图1)与K+、NH4+峰值出现时间并不一致,并认为这是由于其不同的沉降方式和沉积后作用差异所致[ 58]。格陵兰GISP2冰芯钻取点雪坑中黑碳和PAHs含量的研究成果表明,雪坑中PAHs主要来自于人为化石燃料使用排放[ 57]。春季和秋季时段雪坑中黑碳主要来自于化石燃料燃烧排放,生物质燃烧排放对黑碳的贡献在同期则相对较小,而夏季则达到和化石燃料燃烧排放相当的水平[ 57]

图1 格陵兰雪坑中左旋葡聚糖和草酸含量变化Fig.1 Levoglucosan and oxalate records in Greenland snowpit

对格陵兰地区冰芯的研究成果显示,该地区冰芯中NH4+、黑碳等指标同步记录了环北极地区自19世纪中叶至20世纪初期生物质燃烧频发时段[ 60]。这和对GISP2冰芯NH4+和电导率的研究成果较为一致[ 61],并得到了来自HCOO-和NH4+ [ 62] 以及来自脂肪酸[ 50]的研究成果的支持。对更长时间尺度的研究认为1200—1350AD,1500—1600AD,1830—1930AD等3个时段是过去千年里火灾频发的时段,同时期暖干的气候组合可能是造成这些时段火灾频发的主要因素[ 62]。这与利用冰芯气体同位素[ 35, 56]和利用GISP2冰芯电导率和NH4+[ 61]的研究成果较为一致。对GISP2冰芯电导率和NH4+的研究指出,在5~6ka BP前气候变暖导致北美劳伦冰盖消融引起北美地区植被覆盖变化可能是导致同时段火灾高发的原因[ 61]。对GRIP冰芯中过去100ka BP以来小分子有机酸含量的研究认为,冰期—间冰期气候波动是控制千年乃至更长时间尺度上火灾发生的主要因素[ 43]。这也和利用冰芯电导率[ 26]的研究成果较为一致。

3.2 南极地区

对南极地区雪坑样品的研究认为,南极地区沉降的生物质燃烧气溶胶主要可能来自于南美、非洲南部和澳大利亚等南半球地区,而且人为生物质燃烧气溶胶含量具有典型的冬季高夏季低的变化特征[ 63, 64]。通过对南极Victoria浅冰芯中小分子有机酸和离子含量变化的研究认为,南极地区冰芯记录反映了南半球地区1930s以来生物质燃烧呈现增强的趋势[ 44],这得到了来自粒雪芯中CO含量记录研究成果的支持[ 38]。过去100年里,南极地区冰芯记录的CO含量由38±7µL/m3增加至52.5±1.5µL/m3,增幅达38%,这可能指示同时期南半球地区生物质燃烧显著增强[ 38]。对西南极WAIS冰芯和东南极Low Dome 2支冰芯中黑碳含量的研究显示,南极冰芯记录的黑碳含量存在显著的年际变化[ 65]。2支冰芯内黑碳的含量变化在1950—2002AD时段具有较好的一致性,都呈现了微弱的降低趋势,指示了同期南半球生物质燃烧减弱致使黑碳排放减少。但2支冰芯记录在1850—1950AD时段却存在较大的差异,可能原因是2支冰芯相距较远(3 500 km),黑碳的来源并不完全一致所致[ 65]。对Siple Dome冰芯CH4中δ13C变化的研究发现,在过去里200年人为成因生物质燃烧的增加是导致冰芯内CH4成分中δ13C升高的重要原因[ 66]。对南极Berkner岛Scott冰芯CO中δ13C和δ18O过去650年变化的研究认为,南半球地区这一时段生物质燃烧水平波动较大。在1600 AD之前,南半球生物质燃烧水平呈现显著的下降趋势,之后逐渐上升,1800 AD之后至今呈现出显著的下降趋势[ 37](图2)。这与Siple Dome冰芯中CH3Cl和CH4中δ13C的研究成果有较大的差异[ 66, 67]。Siple冰芯的研究成果指示1800AD至今南半球生物质燃烧呈现出增强的趋势。对南极Dome C冰芯记录中左旋葡聚糖含量变化的研究认为[ 68],冰期生物质燃烧水平低于间冰期,并认为气候环境过程可能是控制冰期—间冰期时段生物质燃烧的主要原因之一。

图2 南极冰芯中生物质燃烧成因CO(深色)和热带地区沉积物记录中炭屑指数变化(浅色)情况
深色阴影代表CO的不确定性,浅色阴影代表CO的不确定性[ 37]
Fig.2 Biomass burning CO records in Antarctic ice core (dark line) and charcoal records in tropical sediment (light line)
Dark shadow indicates the uncertainties for biomass burning CO, and light shadow indicated the uncertainties for charcoal index[ 37]

3.3 中低纬度地区

以青藏高原、南美山地为代表的中低纬度高海拔地区是全球除南北极以外冰川分布最为广泛的区域[ 69, 70]。这些地区毗邻全球生态系统最发达地区,自古以来受人类活动影响显著,是研究自然火灾和人为生物质燃烧的理想场所[ 1, 54]。利用雪冰研究这些地区生物质燃烧记录具有重要意义,对系统认识全球生物质燃烧记录及其气候环境意义起着重要桥梁作用。

3.3.1 乞力马扎罗地区

非洲分布着全球最广泛的热带稀树草原生态系统,在全球碳循环系统中占据着重要地位,对该地区生物质燃烧的研究具有重要意义[ 71]。乞力马扎罗是非洲唯一的冰川发育地区,对该地区冰芯的研究成果有利于更全面合理的认识非洲地区气候环境演变过程[ 72, 73]。对乞力马扎罗NIF3冰芯左旋葡聚糖的研究成果表明,过去4 000年里,该冰芯中左旋葡聚糖均含量为96 pg/mL,并认为其可能很好地指示毗邻地区的草原火灾活动[ 74]

3.3.2 青藏高原及周边地区

青藏高原及周边地区是除南北极之外全球最大的冰川集中分布区[ 75, 76, 77],在空间尺度上,青藏高原地区雪冰记录的生物质燃烧气溶胶浓度随主要控制气团和物质来源变化而存在显著差异。对采自高原不同地区冰川表雪样品中碳质气溶胶含量的研究认为,高原雪冰中的碳质气溶胶浓度呈现出自东向西、自北而南逐渐降低的趋势,碳质气溶胶最高浓度出现在高原东北部受人类活动影响显著的祁连山地区,而最低浓度出现在喜马拉雅山西北部[ 78]。这得到了来自对整个高原冰川雪冰黑碳含量[ 79]和对高原雪冰正构烷烃含量[ 80]研究成果的支持。此外,对达索普冰川雪坑样品内大分子有机物的研究认为,即使在同一地区,随着控制气团的季节变化,雪冰内的气溶胶浓度也存在着相应的季节变化,表现为季风控制时段高于西风控制时段[ 51]。对珠峰地区东绒布冰芯黑碳含量[ 29]和对藏东南作求普冰芯黑碳含量[ 30, 81] 的研究成果也支持了这一结论。青藏高原地区冰川雪冰中黑碳浓度也随海拔变化而变化,呈现出低海拔浓度较高,而高海拔地区浓度较低的现象[ 79],这也得到了利用卫星遥感监测研究认为喜马拉雅山地区气溶胶光学厚度随海拔升高而降低结论的支持[ 82]

冰芯也能够很好地用于青藏高原及周边地区长时间尺度生物质燃烧记录的研究。对作求普冰川浅冰芯的研究成果认为,1997—2005年间,由于南亚地区化石燃料和生物质燃烧排放的增加导致了该冰芯内黑碳含量同期显著上升,但较低的K+/EC比值和较高的SO42-/EC比值指示化石燃料燃烧排放是作求普冰芯内黑碳的主要来源,生物质燃烧对该冰芯中黑碳的贡献量很小[ 81]。通过对比作求普冰芯黑碳含量变化和该冰川物质平衡变化的研究认为,雪冰中碳质气溶胶含量的增加导致该冰川反照率降低是造成该冰川近年来加速消融的重要原因之一[ 30]。利用遥感数据和东绒布冰芯黑碳含量的研究成果也得到了相似的结论[ 29, 83]。对慕士塔格冰芯近百年离子含量变化研究认为,该冰芯中NH4+和NO3-主要来自毗邻地区的农业生产活动,但20世纪70年代中晚期时段该冰芯记录的NO3-和SO42-含量的急剧增加并不排除生物质燃烧排放增加的可能影响[ 84]。这和西伯利亚阿尔泰Belukha冰芯的研究成果相似,该冰芯20世纪70年代SO42-峰值出现指示了西伯利亚地区同期人为化石燃料和生物质燃料使用的增加[ 85]。对青藏高原地区多支冰芯记录的20世纪50年代以来的黑碳含量变化研究发现,不同地区冰芯的黑碳含量多年变化并不一致[ 30],比如受西风影响的慕士塔格冰芯、唐古拉冰芯、东绒布冰芯和宁金岗桑冰芯均表现出20世纪50~60年代黑碳含量高值。分析认为,这主要反映了同期欧洲人类活动排放变化,因为位于高原东南部主要受印度夏季风控制的作求普冰芯并未有相似的记录。对Belukha冰芯中HCOO-及主要阴离子的研究认为AD1820-1850, 1860-1870, 1880-1900,1910-1940和1970-1990时段是过去200年西伯利亚地区火灾高发时段,而AD1770-1790, 1810-1830, 1850-1870 和1930-1980时段西伯利亚地区火灾发生频率则较低,但利用不同指标所得到的结果并不完全一致[ 85]。而对Belukha冰芯内NH4+和HCOO-、K+以及炭屑等含量的历史变化的研究成果认为,最近60年受人类活动影响较强[ 86, 87]。而该冰芯1940年代以前这几种成分含量的变化主要受西伯利亚地区火灾控制,并以此为依据重建了西伯利亚地区近750年来的森林火灾历史。将之与同期辐射强度变化相对比研究认为,辐射强度变化引起温度变化可能是西伯利亚地区工业活动之前森林火灾的主要控制因子[ 87]

3.3.3 其他地区

对南美安第斯山Sajama冰芯的研究认为,该冰芯记录的双萜类物质可能能够很好地反映该地区生物质燃烧状况[ 88]。对加拿大育空地区Eclipse冰芯的研究认为,该冰芯NH4+可以较好地指示火灾信息。分析研究显示, 1760s, 1780s, 1840s, 1860s, 1880s, 1890s, 1920s-1940s和1980s为该冰芯记录的火灾高发时段[ 89]。对欧洲阿尔卑斯山冰芯黑碳、水溶性有机碳等指标研究认为,该冰芯中诸如左旋葡聚糖等生物质燃烧标志物含量很低,所以冰芯中的碳质气溶胶主要来源于欧洲人类活动[ 90]。而对瑞士阿尔卑斯山ColleGnifetti冰川冰芯黑碳同位素组成的研究则认为,森林火灾等生物质燃烧可能是该冰芯中黑碳的主要来源,并认为气候变化可能是冰芯内黑碳浓度变化的主要控制因素[ 91]。堪察加半岛Ushkovsky冰芯内左旋葡聚糖和脱氢枞酸等含量(图3)的研究认为,西伯利亚地区森林火灾是该冰芯中生物质燃烧信号的主要物质来源。该冰芯记录显示1705, 1759, 1949, 1971 和 1992年是过去300年里生物质燃烧较强的年份,这和Belukha冰芯记录较为一致[ 92]

图3 勘察加半岛Ushkovsky冰芯中生物质燃烧特征指标记录(a)左旋葡聚糖(b)脱氢枞酸(c)p-水杨酸(d)香草酸[ 92]Fig.3 Biomass burning biomarkers records in Ushkovsky ice core in Kamchatka peninsula (a) levoglucosan (b) dehydroabietic acid (c) p-salicylic acid (d) vanillic acid[ 92]

4 生物质燃烧与气候变化和人类活动的关系

生物质燃烧受气候变化和人类活动等多种因素影响。在冰期—间冰期时间尺度上,对南北极深孔冰芯的研究证据显示,气候变化是自然条件下生物质燃烧的主要控制因素,主要体现在冰芯记录的生物质燃烧频率和强度变化存在着和气候变化相似的周期波动规律[ 68, 93]。比如,和岁差变化相一致的20 000年周期,和哈因里奇事件相一致的6 100年周期以及和Band循环相似的1 500年周期等[ 93]。这和来自黄土沉积[ 94]、湖泊岩芯和深海岩芯[ 95, 96]中炭屑研究的结论较为一致。

然而,对非洲、亚洲和美洲等中低纬度地区沉积物中炭屑的研究显示,进入全新世以后人类活动对生物质燃烧的影响逐渐加强[ 97, 98],这在现有的冰芯研究成果中却并没有直接的证据支持。冰芯中的全新世早中期时段生物质燃烧记录仍旧主要受气候变化所控制[ 61]。而近2 000年尤其是工业革命以来人类活动对生物质燃烧的影响则在冰芯中得到了很好的记录,主要体现在冰芯记录的生物质燃烧各标志物含量的急剧增加,与同时期化石燃料燃烧排放产物相似的变化趋势上[ 37, 99]。然而,人类活动影响并没有掩盖气候变化过程对生物质燃烧的影响。Bisiaux等[ 65, 100]对南极地区的过去200年来冰芯中黑碳含量变化研究成果指出,气候变化仍旧是过去200年里生物质燃烧变化的主要控制因素,体现在南极冰芯中的黑碳含量年际变化和ENSO的年际变化具有较高的一致性,而黑碳含量年代尺度的变化则受厄尔尼诺-南方涛动-准两年周期震荡(El Nino-Southern Oscillation-Quasi-biennial Oscillation, ENSO-QBO)和南极涛动(Antarctic Oscillation, AAO)等多种气候因子影响。

过去百年里人类活动对生物质燃烧的控制能力逐渐增强。证据显示,1901-2007年间全球生物质燃烧面积以年均1.28×104 km2的速率递减,热带和亚热带地区减弱趋势显著而高纬度地区则不明显[ 101]。人类活动对生物质燃烧的控制是导致热带和亚热带地区生物质燃烧减弱的主要因素,但北半球高纬度地区生物质燃烧仍旧受气候变化主导。在干旱区雨季降水量通过调节生物量的变化来控制火灾发生的强度和频率,而湿润地区的生物质燃烧则主要受控于干旱期长短和干旱程度变化[ 102, 103]

5 结语和展望

回顾了目前利用雪冰开展生物质燃烧研究的各种指标和近20年来国内外的研究现状。和湖泊、黄土等沉积物记录相比,利用雪冰能够得到连续高分辨率的生物质燃烧记录。雪冰中可以用于研究生物质燃烧的指标较多,通过各种指标综合对比可以得到较单一指标更为可信的研究成果。但现阶段利用雪冰和冰芯记录研究生物质燃烧的工作也存在诸多不足。

首先,目前对生物质燃烧的研究多是基于少数指标展开,而各个指标自身的缺陷使得目前所获得的成果不同程度偏离真实情况。其次,现有的研究工作也较为单一,难以系统地认识生物质燃烧及其与气候变化和人类活动的关系。比如在青藏高原地区,现有的研究工作对化石燃料燃烧排放展开了大量的探讨。但同时这一地区也毗邻生物质燃烧强烈的南亚和东南亚地区,现有的研究工作并没有对生物质燃烧予以足够的重视。如何合理区分化石燃料排放和生物质燃烧排放的贡献也有待进一步研究。其三,雪冰中生物质燃烧记录发生的源地和规模等研究还有待突破。源地距离和燃烧规模不同的生物质燃烧事件可能会在雪冰记录中保存相同量级的信息。如何有效地区分不同源地不同等级生物质燃烧记录有待深入。第四,雪冰与其他载体记录的结合有待提高。譬如,沉积物中炭屑和树轮疤痕是火灾的直接证据,如果能够将之和冰芯记录相结合,将更有利于系统的研究生物质燃烧变化历史及其气候环境效应。基于上述不足,我们对未来的研究工作提出如下展望:

5.1 需要建立以雪冰为基础系统的生物质燃烧记录研究方法

和湖泊、黄土等沉积物相比,雪冰可以提供年甚至季节尺度分辨率的生物质燃烧记录。雪冰中包含包括离子、黑碳、脱水单糖等多种可用于生物质燃烧研究的特征指标。将这些指标结合起来,开展综合对比分析将会获得更真实可靠的研究成果。将现代雪冰记录和模型模拟等其他方法相结合也有利于更清晰的认识雪冰中生物质燃烧记录的物质来源、烟尘气溶胶的迁移输送和沉降后的地球化学行为。在进行历史时期生物质燃烧记录研究时,结合雪冰中的多种生物质燃烧特征指标有利于得到更可靠的结果。

5.2 生物质燃烧源的识别有待深入研究

现有的研究工作中对雪冰中生物质燃烧源的识别多是基于后向轨迹模型等展开,模型自身的局限性限制了对燃烧源和燃烧强度的识别能力。对脱水单糖的研究成果显示,燃烧物质源、燃烧状态、燃料含水状况等差异会导致燃烧产物中左旋葡聚糖及其同分异构体之间含量比率的差异。碳质气溶胶中13C/14C的比率也能够在一定程度上反映燃烧源的差异。将模型模拟和化学分析相结合将有利于更全面合理的认识生物质燃烧源。

5.3 青藏高原地区工作需要加强

青藏高原毗邻的东亚和南亚等地区是化石燃料燃烧排放影响最显著的区域之一,这些区域也是全球生物质燃烧最强烈的区域之一。在青藏高原地区利用雪冰开展生物质燃烧记录的研究不仅仅有利于更全面地认识和理解青藏高原及周边地区气候环境演变过程,也有利于正确评估人类活动对该地区气候环境演变的影响,为未来发展策略的制定提供参考。

此外,青藏高原地区也是联接南北极地区的枢纽所在,如果能够将之和南北极地区的记录有机的结合起来,将有利于更全面地认识生物质燃烧对地球系统的响应。目前在青藏高原地区利用冰芯记录对人为排放的研究已经开展较多的工作,但对生物质燃烧的研究成果却少而且零散。未来需要加强这一关键地区的研究工作。

5.4 生物质燃烧与气候变化和人类活动之间的关系有待明确

现有的研究认为,森林火灾等生物质燃烧受气候变化影响显著[ 8, 14, 103, 104],而工业革命之后又受人类活动强烈影响。然而,由于缺乏高分辨生物质燃烧记录信息,使得对生物质燃烧的影响因素并无清晰的认识。当前对生物质燃烧和气候环境过程、人类活动等因素之间的相互作用关系也并不明确。尤其是在青藏高原这样同时受到气候变化和人类活动共同影响的区域,寻找高分辨率的记录对厘清不同影响因素的贡献有重要作用。以后的研究工作可以利用冰芯记录高分辨率的优势开展相应的工作。

The authors have declared that no competing interests exist.

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