魁北克西北部山丘与黏土带全新世火状况与植被动态的趋同与分异

《Landscape Ecology》：Convergence and divergence of Holocene fire regimes and vegetation dynamics on hills and in the Clay Belt of northwestern Quebec

　　

背景：地形在长期气候–火–植被关系中的作用仍未得到充分研究，特别是在加拿大东部北方混交林低地，因为山丘上的湖泊沉积档案有限且难以进入。然而，重建山丘上的古环境条件，对于理解沿完整海拔梯度的长期北方景观动态至关重要。

目标与方法：研究人员重建了加拿大魁北克西北部山丘全新世的火活动与植被动态。为此，分析了位于Aiguebelle国家公园Abijévis山丘海拔460 m以上的两个湖泊的沉积木炭颗粒和花粉。随后，将火与植被重建结果与先前在其他山丘和低地开展的湖泊沉积研究所获古记录进行比较，这些研究覆盖了Abitibi黏土带地区的北方混交林。

结果：最早的花粉证据显示，约9,900 cal. yr BP时山丘顶部已有植被，当时山丘构成冰前湖Ojibway内的岛屿。木炭积累速率增加表明，火活动在湖排水之前的数百年已经开始。早全新世开放林地阶段，树木密度低、燃料有限，火活动被限制在较低水平。火发生频率在6,500 cal. yr BP之后的中全新世松林，以及晚全新世云杉–苔藓林中增加。在低地，火活动始于约8,000 cal. yr BP，即在Ojibway湖排水之后。中全新世火频率低于山丘，随后在5,000至1,000 cal. yr BP期间增加。整个全新世，山丘与低地的植被动态出现分歧，但*Pinus strobus*的长期丰度模式在两个景观间相关。然而，*Pinus* spp.在山丘始终更丰富，而Cupressaceae和*Alnus incana* subsp. *rugosa*在低地更丰富。

结论：研究表明，地形在塑造魁北克西北部北方混交林全新世火状况与植被组成方面发挥了主导作用。山丘通常更易发生火灾，尤其是在8,400至4,200 cal. yr BP之间，这可能反映了高地地形导致的更干燥燃料条件和更大的风暴露。晚全新世较冷较干的条件减少了山丘与低地之间火状况的差异，因为低地高强度火灾的发生有所增加。补充信息中提供了法文摘要。

研究背景与问题：地形是北方森林火状况和植被组成的重要塑造者，但在长期气候–火–植被关系中，地形的作用在加拿大东部北方混交林低地地区仍被忽视。原因在于山丘表面湖泊沉积档案稀缺，且地形崎岖不易到达。然而，山丘是冰前湖Ojibway的古岛屿，可能比低地更早被植被定殖并经历火活动，重建其古环境对于理解整个海拔梯度的北方景观动态至关重要。研究人员因此对比山丘与低地的全新世火活动和植被记录，检验地形是否导致火状况与植被动态的趋同或分异。

研究内容与主要结论：研究对象为魁北克西北部Aiguebelle国家公园Abijévis山丘上两个海拔超过460 m的湖泊（Castor和Gagnon）。研究人员分析了沉积物中的木炭颗粒和花粉，重建了约10,000年以来高分辨率的火活动和植被历史，并与区域其他山丘和低地的已发表古记录进行对比。结果显示，山丘约在9,900 cal. yr BP出现植被，火活动随后开始，远比低地（约8,000 cal. yr BP之后）更早。中全新世山丘火频率约为低地的两倍；晚全新世低地火频率上升，与山丘差距缩小。植被动态方面，山丘和低地整体呈分歧状态，但*Pinus strobus*的长期变化趋势在两个景观间趋同。该结论强调地形通过影响燃料湿度、风暴露和闪电概率等机制，在区域气候背景下显著调控了火状况与植被组成。

关键技术与方法：研究人员使用Livingston活塞取芯器和Kajak-Brinkhurst重力取芯器从两湖采集沉积物，并基于AMS ¹⁴C测年和rbacon Bayesian年龄模型建立年代框架。木炭分析提取>160 μm颗粒，计算木炭积累速率（CHAR），利用CharAnalysis识别火事件，并通过木炭粒径分布（CSD）方法区分本地火事件。花粉分析鉴定主要分类群，计算百分比和积累速率（PAR），用CONISS聚类划分花粉带。区域比较整合了山丘湖（Castor、Gagnon、Labelle、Despériers、Perché、Yelle）和低地湖（Lili、Pas-de-Fond、Francis、Clo）的已有记录，其中Lake Clo的木炭记录为新生成数据。

研究结果：
（1）沉积剖面与年代学（Sediment profiles and chronologies）：Castor和Gagnon湖分别累积了504.0 cm和386.5 cm沉积物，底部植物大遗存年代为9,629和9,972 cal. yr BP。Bayesian年龄模型显示两湖沉积连续，平均沉积速率分别为19 yr·cm^?1和27 yr·cm^?1。
（2）山丘火历史（Fire history on hills）：两湖CHAR序列显著正相关，火频率每千年5至8次，火返回间隔约150至180年。CSD分析识别出Castor和Gagnon分别有28和29次本地火事件。火活动在约9,400 cal. yr BP开始，早于低地记录，且晚全新世本地小规模火减少。
（3）山丘植被组成与动态（Vegetation composition and dynamics on hills）：Lake Gagnon花粉记录显示*Betula* spp.（25%）、*Picea* spp.（21%）、*Pinus strobus*（18%）和*Pinus banksiana*（18%）为主要分类群。CONISS划分出五个花粉带：PAZ-1（约10,000–7,000 cal. yr BP）以*Pinus banksiana*和草本植物为主；PAZ-2（约7,000–5,000 cal. yr BP）*Pinus strobus*峰值达44%；PAZ-3（约5,000–4,200 cal. yr BP）*Betula*达到最大丰度；PAZ-4（约4,200–2,200 cal. yr BP）*Picea*和*Abies balsamea*增加；PAZ-5（约2,200 cal. yr BP至今）*Picea*和*Abies*比例最高，*Pinus strobus*下降。
（4）山丘与低地火状况对比（Fire regimes on hills versus in the lowlands）：区域复合炭记录显示，中全新世山丘的CHAR和火频率显著高于低地，且两者动态未表现出同步性；晚全新世山丘火活动下降而低地上升，呈现相反趋势。整个全新世山丘平均每千年发生6.3次火，低地为3.7次。
（5）山丘与低地植被动态对比（Vegetation dynamics on hills versus in the lowlands）：AR(1)校正的GLS模型显示，仅*Pinus strobus*的长期百分比动态在山丘和低地间正相关；其余主要树种和灌木（如*Picea*、*Abies*、*Betula*、*Pinus banksiana*、Cupressaceae、*Alnus incana* subsp. *rugosa*等）均表现出分歧。山丘上*Pinus banksiana*和*Pinus strobus*百分比显著更高，低地Cupressaceae和*Alnus incana* subsp. *rugosa*更高。

讨论总结：早全新世山丘为开放林地，植被密度低、燃料有限，火活动受抑制；随着中全新世暖湿条件（Holocene Thermal Maximum）到来，树木密度和多样性增加，山丘火频率升高但严重度较低，有利于*Pinus strobus*扩张。晚全新世气候转凉湿，针叶树种增加，高强度火增多，山丘和低地火状况趋同。地形通过影响燃料湿度、风暴露、闪电概率和土壤排水等机制，造成山丘与低地长期火和植被动态的差异。对未来变暖而言，山丘可能面临更多低至中强度火，而低地则可能因燃料连续性和干旱频率增加而遭受更多高强度火，对碳储存和森林更新具有潜在影响。

研究结论（翻译）：地形变率强烈塑造了魁北克西北部北方混交林整个全新世的火状况与植被组成。气候强迫和火状况影响了湿度条件、燃料结构、植被组成，并最终影响景观上的火状况。山丘因冰前湖Ojibway较早退缩而更早暴露，整个全新世火发生频率较高。低地因湿润条件缓冲，以易燃性较低的阔叶树种为主，进一步限制了火发生。中全新世，干燥条件和混合严重度火状况有利于山丘上适应火的物种，特别是*Pinus strobus*和*Pinus banksiana*。随着晚全新世气候变凉变湿，山丘和低地的火状况与植被组成趋同，两个景观均转向针叶树优势和不频繁的高强度火。