过去72千年间热带南美东部受水文气候变迁调节的正向火-植被反馈作用

《Global and Planetary Change》：Positive fire-vegetation feedbacks modulated by hydroclimate changes in eastern tropical South America over the last 72?ka

　　

摘要

圣弗朗西斯科盆地（SFB）是热带南美洲东部最大的流域，涵盖了广阔的稀树草原、旱生植被和热带森林区域。火灾是塑造生态系统的基本驱动力，但在热带南美洲不同气候条件下，火灾与植被的长期动态关系仍然缺乏充分的约束。本研究基于微木炭和花粉分析，重建了圣弗朗西斯科盆地7.2万年来的火灾与植被历史。微木炭的识别与定量采用了一种结合化学处理、拉曼光谱暗颗粒鉴定、幻灯片扫描和图像分析的方法。部分样品还额外进行了花粉分析，以提供植被变化的长期视角。结果表明，火灾活动与开阔稀树草原的扩张或收缩密切相关，而稀树草原的变化均受轨道尺度和千年尺度气候变化所驱动的水文气候变化的调制。海洋记录中观察到的火灾响应主要由圣弗朗西斯科盆地中部地区的火灾活动所驱动，该地区涵盖了与稀树草原相关的主要燃烧区域。对圣弗朗西斯科盆地的现代分析支持了这一解释，显示南纬10至15度之间的稀树草原火灾活动比相邻的圣弗朗西斯科盆地干旱或湿润森林区域高出十倍以上。最强烈的火灾制度出现在3.2至2.2万年之间，与C4占优的草地的最大扩张相吻合，这可能是由于低黄赤交角阶段导致的降水季节性增强所致。在千年时间尺度上，海因里希冷事件期间的降水增加通过增强燃料湿度总体上抑制了火灾活动。大多数水分供应增加和季节性减弱的时段均与火灾制度减弱相关，表明该盆地中燃料湿度限制占主导地位。这些发现还表明，在所分析的时间段内，圣弗朗西斯科盆地的火灾活动对草地扩张呈正响应，并突显了火灾-植被反馈对水文气候变率在不同时间尺度上的高度敏感性。

引言

火灾通过促进生物多样性和塑造植被结构发挥着关键的进化和生态作用（Durigan等，2020；Hirota等，2010；Simon等，2009；Staver等，2011）。植被和气候作为火灾的互补控制因素，其相对影响在不同空间和时间尺度上有所不同（Pausas和Dantas，2017）。气候通过对植被分布的主要格局施加自上而下的影响来调控火灾，并调节降水和温度模式，从而改变可燃性梯度（Newberry等，2020；Staver等，2011）。反过来，火灾-植被反馈决定了稀树草原与湿润森林之间的实际分布和边界，特别是在以稀树草原-森林双稳态为特征的地区（Hirota等，2010；Staver等，2011；Van Nes等，2018）。这些动态在南美洲尤为相关，因为该地区的多数稀树草原被认为在双稳态条件下存在（Staver等，2011）。火灾还通过将草地和适应火灾的树木作为干旱森林的替代稳定状态，从而有利于稀树草原的维持（Dexter等，2018）。因此，重建不同气候条件下的过去火灾响应对于理解火灾在塑造植被轨迹中的长期作用至关重要。

圣弗朗西斯科盆地（SFB）是热带南美洲东部最大的排水盆地，主要包含两个主要生物群落：生物多样性极高的塞拉多稀树草原和卡廷加旱生植被。因此，源自圣弗朗西斯科盆地的海洋沉积物为研究该区域的大尺度气候-植被-火灾动态提供了重要档案，而该区域的长期记录仍然相对稀少（Akabane等，2025）。现代观测火灾记录相对较短，且常受人类活动影响（Hantson等，2015）。人类对火灾活动的无差别强化产生了负面的社会环境影响（Bowman等，2017；Fidelis等，2018；Pivello等，2021），对火灾敏感（例如湿润森林，初始火灾事件可能触发更频繁和更大规模火灾的循环，导致生态系统严重退化）、火灾依赖（例如稀树草原，火灾对于维持生态系统结构和多样性至关重要）和火灾独立（例如干旱森林，由于缺乏植被或点火源而通常没有火灾，且对火灾适应性差）的生态系统均产生了关键后果（Pivello，2011；Pivello等，2021）。因此，重建不同气候条件下的过去火灾响应有助于区分自然变率和人为影响，并进一步阐明火灾-植被对气候变化的动态响应。

第四纪气候在多个时间和空间尺度上波动。在热带南美洲，在轨道时间尺度上，由岁差调制的夏季日照量（19–23千年周期）驱动了季风变化，进而影响降水（Campos等，2022；Cruz等，2009；Cruz等，2005；Deininger等，2019；Hou等，2020），而黄赤交角（41千年周期）的影响直到最近才被认识到（Ferreira等，2022；Hou等，2022）。在千年时间尺度上，北半球突发性降温时期，即冷事件，特别是海因里希冷事件（HS），导致热带辐合带（ITCZ）南移（Mulitza等，2017），并使热带南美洲南部大部分地区的降水增加（Campos等，2019；Stríkis等，2018；Stríkis等，2015）。尽管存在这些轨道和千年尺度的变化，稀树草原仍然是圣弗朗西斯科盆地内的主导植被类型（Ferreira等，2022），尽管其组成和结构随时间发生了变化（例如，Barberi，2001；Barberi等，2000；Ledru等，1996；Salgado-Labouriau等，1997）。然而，缺乏整合火灾和植被动态的长期记录，尤其是最后冰期最大值之前的记录，阻碍了对不同边界条件下长期火灾-植被-气候相互作用进行评估（Akabane等，2025）。

保存于海洋沉积物中的微木炭和花粉组合是邻近陆地区域火灾活动和植被变化的可靠代用指标（Akabane等，2024；Bouimetarhan等，2018；Haliuc等，2023；Verardo，1997）。本研究在半自动微木炭定量方法结合花粉分析的基础上，对取自圣弗朗西斯科盆地近岸的沉积物岩心M125-95-3进行了分析，以重建热带南美洲东部的火灾与植被动态。该记录跨越最近7.2万年，提供了目前该地区最长的连续火灾和植被重建记录。此外，我们评估了圣弗朗西斯科盆地现代火灾-植被-气候梯度，为解释古记录提供了框架。我们的结果表明，火灾活动与开阔稀树草原动态之间存在强耦合，表明水文气候变率通过燃料可用性的变化影响火灾制度，而反复燃烧也通过火灾-植被反馈对植被结构形成了塑造作用。底层的水文气候变化受叠加在长期轨道强迫之上的千年尺度变率调制，这很可能也影响了观察到的火灾-植被动态。

章节片段

区域背景

圣弗朗西斯科盆地（SFB）从南纬7度延伸至21度，具有明显的南北气候梯度，影响着主导植被类型和火灾制度的分布（图1a, b）。

在盆地的南部，降水主要由南大西洋辐合带（SACZ）控制，这是南美洲季风系统（SAMS）的一个组成部分（Garreaud等，2009；Vera等，2006）（图1f）。SACZ主要在北半球11月至1月之间发展，并贡献了大部分总

现代火灾模式提取与分析

我们分析了现代数据集，以表征西经47至35度、南纬7至23度区域内的降水、火灾活动和植被之间的当代关系，该区域包含圣弗朗西斯科盆地及其邻近地区，以捕捉主要的环境梯度。火灾数据来自全球火灾斑块功能性状数据库（FRY）（Laurent等，2018）。原始FRY数据集（0.002246° × 0.002246°空间分辨率）被聚合为0.45° × 0.45°网格（约2500 km²

现代火灾、气候与植被关系

现代降水与火灾活动之间的关系如图2所示。火灾活动与年降水量和湿季最湿润季度的降水量总体呈倒U型关系（图2a, b），表明最高的火灾活动发生在中等水分条件下（年降水量1000至1500 mm，最湿润季度降水量500至600 mm）。与季节性呈倒U型关系且偏向较高值，表明火灾

微木炭和花粉信号来源

海洋岩心M125-95-3靠近圣弗朗西斯科河河口（<50 km），该河是本地区陆源物质最主要来源（Jennerjahn等，1999；Lima等，2005），因此不太可能其他沉积物来源对我们岩心中记录的信号产生重大影响。微木炭浓度与通量之间以及同一岩心中ln(Ti/Ca)值之间缺乏明显的正相关（Campos等，2019）（图5a, m-p），ln(Ti/Ca)是陆源

结论

本研究用于微木炭颗粒的定量方法，结合了拉曼分析和图像分析，能够区分岩石学来源的暗色颗粒（石墨和锐钛矿）与木炭碎片中的无定形有机质。这些结果揭示了来自热带南美洲东部连续的7.2万年火灾历史。结合花粉和植物蜡稳定碳同位素记录，数据集表明火灾和植被动态对

CRediT作者贡献声明

T.K. Akabane：写作——审阅与编辑，写作——原稿撰写，方法学，调查研究，形式化分析，概念化。A.L. Daniau：写作——审阅与编辑，监督指导，方法学。P.E. De Oliveira：写作——审阅与编辑，监督指导。D.S. Duarte：形式化分析。V. Hanquiez：形式化分析。A. Romero-Ramirez：方法学。A. Queffelec：写作——审阅与编辑，方法学。M.C. Campos：写作——审阅与编辑。V.R. Mendes：写作——审阅与编辑。M. Georget：

未引用参考文献

Ledru，2002

Murphy等，2016

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文所报告的工作。

致谢

我们衷心感谢METEOR号研究船在M125次科考航行期间的船长和船员。感谢André Bahr和Ana Luiza Spadano Albuquerque协助获取海洋沉积物岩心M125-95-3。TKA感谢FAPESP（拨款2019/19948-0和2021/13129-8）和CAPES-COFECUB项目（拨款88887.989386/2024-00）的财政支持。CMC感谢FAPESP（拨款2024/00949-5和2025/05117-0）、CNPq（拨款305285/2025-4）和CAPES-COFECUB项目（拨款

T.K. Akabane|A.L. Daniau|P.E. De Oliveira|D.S. Duarte|V. Hanquiez|A. Romero-Ramirez|A. Queffelec|M.C. Campos|V.R. Mendes|M. Georget|C.M. Chiessi

圣保罗大学地球科学学院，Rua do Lago 562, 05508-080 S?o Paulo, SP, 巴西