基于硼同位素与傅里叶变换红外光谱的东南澳大利亚沉积物古火灾特征重建研究

本研究针对气候变化背景下野火特征演变的科学问题，通过硼同位素(δ11B)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术分析沉积物记录，揭示了澳大利亚纳马吉国家公园3000年来火灾强度与烈度的变化规律。研究发现近200年火灾频率与强度显著增加，并创新性提出硼同位素负偏可能反映低烈度长持续时间火灾事件，为预测未来火灾生态响应提供了新型代用指标。

　　

随着全球气候变化加剧，澳大利亚东南部极端野火事件频发，对生态系统和水资源安全构成严峻挑战。理解历史火灾特征（如烈度severity和强度intensity）的长期演变规律，是优化火灾管理策略和预测未来生态响应的关键。然而，现有火灾记录多依赖卫星遥感（仅覆盖近50年）或传统炭屑分析，难以重建更长时间尺度的高分辨率火灾特征谱。为此，Rebecca Ryan领衔的国际团队在《Quaternary Science Reviews》发表创新性研究，通过多指标联用技术破解了这一科学难题。

研究团队采用硼同位素(δ¹¹B)指纹识别火灾烈度，结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)量化芳香族/脂肪族比值反映火灾强度，辅以碳氮含量和锶钕同位素示踪源区变化。研究对象选取澳大利亚纳马吉国家公园Cotter河洪水沉积物岩芯（CR-01）及周边11处不同基岩类型（变沉积岩与花岗闪长岩）的土壤样品，建立跨越3000年的高分辨率记录。

3.1 年代模型构建

通过4个放射性碳测年和25个光释光(OSL)数据建立贝叶斯年龄-深度模型，显示沉积速率从底部0.02 cm/yr增至表层0.129 cm/yr，为后续指标分析提供精确年代框架。

3.3 FTIR光谱特征

芳香族/脂肪族比值在近200年沉积层中出现10.7以上的异常峰值（较前3000年平均高2SD），结合Diels-Alder反应机制，证实近代火灾强度显著增强。特别在14-15cm层位（约150年前）检测到比值峰值14.3，对应长持续时间燃烧事件。

3.4 硼同位素示踪

δ¹¹B值在51-55cm层位（1408-1516 cal yr BP）出现-0.8‰正偏，反映历史高烈度冠层火灾；而20-21cm等层位的负偏（最低-10.68‰）与FTIR高比值耦合，首次揭示低烈度长持续时间火灾的"同位素-光谱"双重信号特征。土壤样品分析显示，花岗闪长岩发育土壤δ¹¹B值（最高+5.91‰）显著高于变沉积岩区（最低-7.34‰），证实基岩本底值影响需在解译时校正。

3.5 源区示踪证据

锶(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)和钕(¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd)同位素显示沉积物主要源自谷底变沉积岩，但在51-55cm层出现花岗闪长岩信号，佐证该时期山脊侵蚀加剧可能与火灾诱发的地表过程相关。

这项研究开创性地建立了沉积物硼同位素-红外光谱双指标火灾特征解译体系：δ¹¹B正偏指示高烈度冠层火灾（叶片灰烬富集¹¹B），负偏耦合高芳香族比值则标志低烈度长持续时间火灾（树皮燃烧主导）。发现近200年火灾频率达3000年峰值，与气候变化和桉树扩张存在耦合关系。该成果不仅为古火灾研究提供了创新方法论，其构建的长时间尺度基线数据，对改进火灾预测模型和制定适应策略具有重要科学价值。