美国内布拉斯加州沙丘 1.5 万年高分辨率火灾记录

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：A high-resolution 15,000-year fire record from the Nebraska Sandhills, USA

　　

•来自草地生态系统的全新长期高分辨率火历史数据集。•为火灾重建记录中碳质物积累机制的既有认知提供了替代性解释。•来自干旱敏感生态系统的最新数据。

**引言**

来自草地的长期高分辨率沉积炭记录数量有限，这限制了我们对于控制火灾在时空上传播的环境因素之间生态相互作用的了解（如 Boyd, 2002; Commerford et al., 2016; Leys et al., 2018）。火灾的规模、严重性和空间动态对现代基础设施和人类社会产生影响，即灌溉系统、道路、交通运输、农业活动和住宅区。反过来，火灾受到气候动态和人类活动的强烈影响，这一点在北美草地生态系统中尤为突出（Bowman et al., 2011; Courtwright, 2011; Roos et al., 2014; Gallo and Wood, 2015; Roos et al., 2018）。因此，通过一系列环境变化来理解草地火灾及其历史，对于未来的资源管理至关重要，特别是随着火灾被更频繁地用于控制树木的侵入（Wilcox et al., 2022; Shrestha et al., 2025）。

内布拉斯加州沙丘地区是世界上最完整的草地草原之一（Scholtz and Twidwell, 2022），为重建北美独特环境中的火灾频率提供了机遇。该区域覆盖了内布拉斯加州中北部/中部和南达科他州中南约49,986平方公里，也是北美最大的沙丘地带（Bleed and Flowerday, 1998）。目前，来自内布拉斯加州沙丘地区（Nicholson and Swinehart, 2005; Schmieder et al., 2012; Benes et al., 2025）和周边北部大平原（NGP）的火灾历史重建数量有限，需要更多数据来解读该地区空间和时间上火烧地理的复杂性。该地区炭记录匮乏的部分原因是缺乏含有长期沉积记录的非人为湖泊，这些记录可用于火灾历史的古环境重建。

内布拉斯加州沙丘地区及周边地区的沙丘目前被草层覆盖而稳定（Loope and Swinehart, 2000）。然而，在全新世中，沙丘共经历了四次所谓的特大干旱而失去植被覆盖并被激活，包括距今9600至6500年之间，以及以距今4100年、2500年和800年为中心的相对短命事件（Mason et al., 2004; Miao et al., 2007a）。此外，内布拉斯加州沙丘地区的湖泊记录显示全新世晚期频繁出现较干燥的气候期（Laird et al., 1996; Fritz et al., 2000; Schmieder et al., 2011）。然而，尚不清楚在湖泊记录中所识别的频繁干旱事件期间，或在内布拉斯加州沙丘地区及其他大平原沙丘地带导致沙丘运动的更极端的特大干旱期间，该地区的生物质燃烧量或类型是否发生了变化。

大平原的几项研究将有效水分增加时期与生物质燃烧增加联系起来（Brown et al., 2005; Grimm et al., 2011），采用了所谓的"燃料限制假说"。燃料限制假说表明，大平原的火灾受燃料限制，当燃料丰富度较低时，火灾频率和蔓延范围也较低。然而，将火灾增加与湿润时期和更大燃料负载联系起来这一假说仅适用于少数局部地区，尚不清楚这种关系在沙丘地区或其他沙丘地带中是否长期成立。火灾历史研究通常涉及评估信号的（火灾峰值、特定火灾事件期间的火灾增加）变化，并将其与噪声（背景生物质燃烧，例如 Higuera et al., 2009; Alt et al., 2018）区分开来。这种方法通常用于重建森林景观中的火灾历史，其中炭峰值归因于特定燃烧事件。在森林环境中，燃料丰富。然而，在草地环境中，炭沉积率增加归因于燃烧生物质增加，其中峰值不一定归因于特定火灾事件（Leys et al., 2015）。在草地里，燃料更具变异性并取决于年降水量，其中较高的有效水分等同于更大的生物量（Anderson, 1990）。理论上，在更湿润的年份生长季结束后，草地火灾会增加，因为此时生成了更大的生物量。但草地系统在多大程度上受燃料限制仍然存疑。一些记录，如北达科他州凯特尔湖的两个记录显示，在全新世晚期约距今2800年，当条件变得更湿润时生物质燃烧增加（Clark et al., 2002; Grimm et al., 2011）。其他记录，如明尼苏达州福克斯湖，表明在全新世早期的湿润时期，湖泊中积累了增加的树木花粉和木质炭（Commerford et al., 2016）。然而，来自北达科他州莱斯湖和冷水湖的记录显示了相反的模式，即在湿润时期生物质燃烧减少（Umbanhowar, 2004）。对这种空间关系的进一步探究将有助于阐明该生态系统内的动态，并且可能适用于大平原，甚至其他草地生态系统。

沙丘地区为在草地生态系统中开展古火研究提供了一个有趣的地点。该地区拥有数百个湖泊和丘间湿地，记录了来自湖泊的长期古干旱记录（Jacobs et al., 2007; Schmieder et al., 2011; Schmieder et al., 2012; Mahoney et al., 2025）。目前"固定"或被植被覆盖的沙丘也通过其在晚第四纪的再活动记录提供了景观变化的记录（Loope and Swinehart, 2000; Mason et al., 2004; Miao et al., 2007a）。

推动我们研究的问题如下：
1. 内布拉斯加州沙丘地区这一部分的晚更新世至现代火灾历史是什么？它与其他区域记录有何关联？
2. 通过时间推移，导致碳质物生成并输送到杜威沼泽的主要环境因素是什么？
3. 能否使用燃料限制假说来解释杜威沼泽的炭记录？

我们来自杜威沼泽的研究结果将为未来关于这一重要生态系统在预期未来气候条件下可能如何响应的决策提供背景参考。最新分析表明，与公元1984–1999年相比，公元2005至2018年间大平原的火灾频率增加了四倍（Iglesias et al., 2022）。野火的增加突显了理解这一敏感但重要生态系统中火灾的空间动态和响应的紧迫性，以便土地管理者能够更好地理解火灾对景观的影响，改善野火预测，并改进火管理实践。

我们在联邦保护的瓦伦丁国家野生动物保护区（42°32′49.57″ N, 100°37′41.17″ W, 海拔893米）（图1）的杜威沼泽采集了一根3.4米长的岩芯，该处地面发育有泥炭土壤，被划为中半湿润土（Hammer, 1995）。现今的杜威沼泽与杜威湖相连，位于被划为线形沙丘的沙丘之间（Swinehart, 1998），沙丘海拔为926米，约高于沼泽29米。

内布拉斯加州沙丘地区的沙丘至少在晚更新世时期就已形成（Mason et al., 2011）。这些沙丘目前覆盖着草层，但在全新世中经历了四次再活动时期（Miao et al., 2007a）。沙丘覆盖于新近纪和更新世期间沉积的冲积沙和粉砂之上（Swinehart and Diffendal Jr, 1998）。沼泽周边高地的土壤被划为细砂，主要属于瓦伦丁土壤系列（Soil Survey Staff et al., 2026）。低地，包括沼泽，主要被划为中半湿润土，少量被划为Ipage-Tryon复合土和Gannett壤土，所有这些土壤都形成于具有高水位的丘间地区，这符合沙丘地区丘间区域的典型特征（Bleed, 1998）。沙丘地区有明显的干湿季（Durr, 2024）：湿季从三月持续到十月，干季从十一月持续到二月。历史平均年降水量差异很大，从31到89厘米不等，自约公元1880年以来，沙丘地区变得越来越湿润（>2.5厘米/十年）和温暖（?17.6°C/十年）（Durr, 2024）。水分的主要来源来自墨西哥湾的气团，存在区域性降水梯度，东部较湿润，西部较干燥（Wilhite and Hubbard, 1998）。沙丘地区的植被为"沙丘草地草原"（Kaul, 1998），是一种包括C3和C4物种的草原类型，包括Bouteloua spp.（克氏草属）、Sorghastrum nutans（印度草）、Schizachyrium scoparium（小蓝茎）、Achnatherum hymenoides（印度稻草）、Koeleria pyramidata（羊茅草）、Carex spp.（苔草属），以及许多不同的灌木和杂类草，树木通常生长在河床和山谷中。

**方法片段**

**野外**

岩芯于2023年5月在杜威沼泽使用振动取芯设备采集。3.4米长的岩芯随后被放置在8厘米直径的铝套管中运至内布拉斯加州大学林肯分校。到达后，在红光照明条件下将岩芯纵向切为两半，随后存放在冰箱中。

**岩性学与时序**

岩芯岩性使用孟塞尔土壤色卡进行描述，并使用Schnurrenberger等（2003）的方法记录颗粒大小变化、层理并识别岩性接触面。

**岩性、粒度、灼失法和年代学及炭**

根据岩芯中岩性和有机质含量的变化识别出四个分区（图3）。

**讨论**

本岩芯中各处的炭被解释为来源于草本而非木本植被。我们理解较细的炭颗粒可能未包含在我们的记录中，但这种情况在草地火灾重建中很常见（Leys et al., 2015），如果有的话，由于草本炭通常呈薄片状和长条形态，我们的数据可能在筛分过程中排除了部分草炭。虽然排除<125微米的炭碎片可能会导致对生物质燃烧趋势的理解不够细致。

**结论**

杜威沼泽炭重建是内布拉斯加州沙丘地区首个长期高分辨率炭记录，也是首个延伸至晚更新世的记录。全岩芯中炭含量处于相对较低水平，但在距今863、7918和12,010年出现急剧增加，且至少其中两个事件与已确认的区域性干旱时期相对应。值得注意的是，炭含量增加发生在亚新仙女木事件、8.2千年事件和中世纪暖期期间；其中每一个事件都对应着干旱。

CRediT作者贡献声明

James V. Benes：可视化、验证、指导、项目管理、方法学、调查、正式分析、数据整理、概念化、撰写–审阅与编辑、撰写–初稿。

Paul R. Hanson：验证、指导、资源、项目管理、方法学、调查、资金获取、正式分析、数据整理、概念化、撰写–审阅与编辑、撰写–初稿。

Jasmine K. Pham：可视化、调查、正式分析。

未引用参考文献：Shuman and Marsicek, 2016

**利益冲突声明**

作者声明没有已知的利益冲突或关系可能影响到本论文所报告的工作。

**致谢**

我们衷心感谢瓦伦丁国家野生动物保护区的Juancarlos Giese和Mel Nenneman在寻找取芯地点方面给予的慷慨帮助以及他们对景观的卓越知识。我们感谢Jens Schmieder提供的数据和有益评论。我们感谢Teresa Krause、Will Helmer、Adeg Abdelkarim和Timothy Turnquist在岩芯提取方面的帮助。本研究资金由全球综合研究学院、保护与测量……提供

James V. Benes | Paul R. Hanson | Jasmine K. Pham | Joseph R. Stalder | Gosia Mahoney