火灾在过去和现在对阿根廷中部一个水库沉积物动态的影响：基于两个世纪古湖沼学数据的重建

《Journal of South American Earth Sciences》：The past and present role of fires on sedimentary dynamics in a central Argentina reservoir: A two centuries paleolimnological reconstruction

圣罗克水库多代理时空分析揭示近170年流域扰动与沉积动力学的相互作用，整合矿物学、元素组成及木炭记录，划分四个环境阶段：1850-1870年湿地期，1870-1950年库区淤积转型期，1950-2006年稳定湖相期，2006-2022年富营养化湖相期。研究证实火灾引发侵蚀导致碎屑沉积量激增，且流域岩石类型显著影响沉积分布格局，为流域管理和火灾风险防控提供长期数据支撑。

　　

作者名单：Ingrid Costamagna、Silvana R. Halac、Gonzalo Sottile、Luciana Mengo、Mark Shapley、Daniel Ariztegui、Eduardo L. Piovano

研究机构：地球科学研究中心（CICTERRA），阿根廷国家科学技术研究委员会（CONICET）- 科尔多瓦国立大学（UNC），工程师Ismael Bordabehere，Haya de la Torre大道，科尔多瓦X5016，阿根廷

摘要

通过对阿根廷科尔多瓦San Roque水库（SRr）过去约170年的河流流域和沉积记录进行多指标、时空分析，揭示了火灾、侵蚀和沉积通量之间的密切相互作用。通过整合沉积学特征以及物理和地球化学指标与木炭记录，我们得以解读流域扰动与水库沉积动态之间的相互关系。沉积物组成主要受Achala岩基的影响，河口附近的粗粒沉积物反映了沉积物的纹理特征和河流搬运能力，而湖泊中部区域则以远洋沉积和湖内过程为主。木炭记录表明，火灾与火灾后侵蚀导致的碎屑物质增加之间存在强烈关联。

基于多指标分析的生态环境演变显示，由于湿地被改造为水库，景观的人为化导致了该地区的逐步变化，这一过程受到土地利用变化和流域扰动的显著影响。环境演变过程可分为四个阶段：(i) 河流湿地阶段（1850–1870年）：该区域作为湿地存在，频繁发生洪水，沉积物和有机物质主要来源于森林砍伐和火灾；(ii) 水库蓄水初期（1870–1950年）：该区域向湖泊系统过渡，火灾、森林砍伐和结构变化加剧了碎屑和有机物质的输入；(iii) 湖泊系统稳定阶段（1950–2006年）：湖泊系统以湖泊环境为主，远洋沉积作用逐渐超过河流沉积作用；(iv) 富营养化湖泊阶段（2006–2022年）：水库沉积主要由湖内过程驱动，偶尔有与流域火灾相关的碎屑物质输入。

这种环境重建提供了长期视角，有助于水库管理，并突显了土地利用变化和火灾对水生系统环境状况的关键影响。

引言

湖泊中的沉积物主要来源于岩石风化、侵蚀和河流搬运能力（Stallard & Edmond, 1983; Meybeck, 2003）。除了自然过程外，人为引起的土地利用变化（如森林砍伐、城市化）以及流域扰动（如火灾）也会显著改变侵蚀率和沉积通量，从而影响生态系统功能和水质（Ye et al., 2014; Winston et al., 2014; Krasa et al., 2019）。因此，湖泊沉积记录成为气候和土地利用变化的天然档案，同时反映了水柱中各种过程的变化（Last & Smol, 2002; Cohen, 2003）。

在地球系统中，火灾是一种全球性现象，它影响了地球历史上的生态系统、生物多样性、气候和生物地球化学循环（尤其是全球碳循环）。尽管火灾活动的证据可以追溯到志留纪（4.2亿年前）（Scott et al., 2006; Bowman et al., 2009; Pausas & Keeley, 2009），但由于当时陆地植被的生物量较低且分布不连续，其生态和气候影响可能较为有限（Glasspool & Gastaldo, 2022）。近几十年来，火灾的频率和严重程度不断增加，成为塑造地貌的主要因素之一，直接影响了大气、生物圈和土壤（Kelly et al., 2023）。火灾还影响沉积物、有机物和养分的可用性和传输，这些物质可通过地表径流进入水生系统（Conedera et al., 2009; McCullough et al., 2019; Caroni et al., 2024）。

火灾对湖泊系统的生物地球化学影响因火灾类型、可用生物量、植被类型、土壤和岩石类型以及气候条件和人为活动而异（Dunnette et al., 2014; Beck et al., 2019; Marlon et al., 2009; Giorgis et al., 2021）。不同流域中的火灾会导致不同的土壤侵蚀率和沉积通量。火灾后的侵蚀会增加沉积物、有机物和养分（如氮和磷）的输入（Carignan et al., 2000; McEachern et al., 2000），并改变水体中的矿物质及其地球化学元素组成（McCullough et al., 2019; Fuentealba et al., 2020）。因此，火灾通过改变河流和湖泊的物理、化学和生物特性及过程来影响其功能（Bixby et al., 2015; Caroni et al., 2024）。

通过古环境重建可以了解火灾的长期影响（Dunnette et al., 2014; Waters et al., 2023），从而揭示火灾的变异性及其与社会生态系统长期环境条件之间的关系（Conedera et al., 2009; Iglesias et al., 2015）。

通过结合物理、地球化学和生物指标的多指标分析研究古湖沼记录，可以重建沉积动态、湖泊的营养历史、过去的火灾事件以及系统随时间经历的所有变化（Whitlock and Larsen, 2001; Cohen, 2003; Birks and Birks, 2006）。通过分析生物指标——木炭颗粒，可以重建流域中的火灾事件（Whitlock & Larsen, 2001）。特别是宏观木炭颗粒（大于125微米）可以通过风传输到湖泊周围1至10公里的距离，并在湖泊系统中积累，从而反映火灾活动（Whitlock & Larsen, 2001）。因此，湖泊沉积物也可以提供与火灾相关的侵蚀和沉积通量的长期记录。磁化率（MS）是一种常用的物理指标，用于描述沉积物矿物组成的变化，能有效反映来自风化岩石或烧蚀及热变土壤的含铁矿物（Millspaugh and Whitlock, 1995; Gedye et al., 2000）。此外，像钾（K）、钛（Ti）、铁（Fe）、铷（Rb）和锆（Zr）这样的岩石生成元素常被用作碎屑或碎屑物质的地球化学指标，因为它们的浓度与侵蚀活动有关（Bo?s et al. 2011; Davies et al., 2015; Rothwell & Croudace 2015）。例如，当碎屑物质脉冲与木炭峰值相匹配时，可能表明火灾规模较大且严重，足以引发流域内的大规模侵蚀事件（Whitlock et al., 2003）。

水库在提供饮用水和支持娱乐活动方面发挥着关键作用；然而，由于流域内的人为压力，它们正日益受到环境退化和水质下降的影响（Rodríguez & Ruiz 2016; Oliver et al., 2019; Zanor et al., 2023）。近年来，土地利用变化和水文气候变异性被认为是导致水生系统恶化的主要因素。火灾对供水构成日益严重的威胁，因为火灾会导致大量灰烬、沉积物、养分和污染物进入下游水库，损害水生生态系统并威胁人类健康（Basso et al., 2021）。

在阿根廷中部，水库是重要的饮用水储备来源。San Roque水库（SRr；科尔多瓦）已为当地居民提供水源超过一个世纪（Dasso et al., 2014）。SRr位于科尔多瓦的Pampeanas山脉，那里是沉积物的主要来源，沉积物主要来自风化的火成岩和变质结晶基底，少量来自沉积岩（Gordillo & Lencinas, 1979; Martino & Guereschi, 2014; Depetris, 2024）。河流沉积物的输入受夏季降雨模式的影响（Pasquini et al., 2006）。科尔多瓦Pampeanas山脉的河流流域处于风化作用受限的环境中（Stallard & Edmond, 1983），土壤发育较差（Campodónico et al., 2014）。与城市化、火灾和森林砍伐等人造活动相关的过程对SRr的沉积物、有机物和养分供应起着重要作用（Rodriguez & Ruiz, 2016; Halac et al., 2020; Mengo et al., 2024）。同时期的水质监测和古湖沼研究表明，该系统已进入富营养化状态，这主要是由于城市扩张和人口增长以及与水位波动相关的沉积动态变化（Halac et al., 2020; Mengo et al., 2022; 2024）。尽管科尔多瓦Pampeanas山脉目前是阿根廷中部受森林火灾影响最严重的地区之一（Arga?araz et al., 2015a），但其对当地流域，尤其是SRr的影响仍需进一步研究。为了了解SRr的沉积动态及其受火灾的影响，提出了两个问题：(1) 支流的岩石特征如何影响SRr的沉积动态？(2) SRr随时间如何应对主要由流域火灾引起的环境变化？

我们从多指标角度对SRr进行了综合时空分析。“空间分析”包括研究河流流域河床沉积物以及河口附近和湖泊中部区域的矿物学、粒度分布和元素组成。“时间分析”则通过分析长芯样本中的矿物学和地球化学成分以及有机碳（TOC、TIC）和木炭积累情况来进行，从而重建环境演变过程。

这是阿根廷中部首次从古湖沼学角度评估火灾对湖泊沉积动态影响的研究。理解这些过程对于重建过去的环境变化、指导最佳流域管理和火灾风险缓解至关重要。

研究背景

湖泊中的沉积物主要来源于岩石风化、侵蚀和河流搬运能力（Stallard & Edmond, 1983; Meybeck, 2003）。除了自然过程外，人为引起的土地利用变化（如森林砍伐、城市化）和流域扰动（如火灾）也会显著改变侵蚀率和沉积通量，进而影响生态系统功能和水质（Ye et al., 2014; Winston et al., 2014; Krasa et al., 2019）。因此，湖泊沉积记录提供了气候和土地利用变化的天然档案，同时反映了水柱中的各种过程（Last & Smol, 2002; Cohen, 2003）。

在地球系统中，火灾是一种全球性现象，它对生态系统、生物多样性、气候和生物地球化学循环（尤其是全球碳循环）产生了长期影响。尽管火灾活动的证据可以追溯到志留纪（4.2亿年前）（Scott et al., 2006; Bowman et al., 2009; Pausas & Keeley, 2009），但由于当时陆地植被的生物量较低且分布不连续，其生态和气候影响可能较为有限（Glasspool & Gastaldo, 2022）。近年来，火灾的频率和严重程度不断增加，使其成为塑造地貌的主要因素之一，直接影响大气、生物圈和土壤（Kelly et al., 2023）。火灾还影响沉积物、有机物和养分的可用性和传输，这些物质可通过地表径流进入水生系统（Conedera et al., 2009; McCullough et al., 2019; Caroni et al., 2024）。

火灾对湖泊系统的生物地球化学影响因火灾类型、可用生物量、植被类型、土壤和岩石类型以及气候条件和人为活动而异（Dunnette et al., 2014; Beck et al., 2019; Marlon et al., 2009; Giorgis et al., 2021）。不同流域中的火灾可能导致不同的土壤侵蚀率和沉积通量。火灾后的侵蚀会增加沉积物、有机物和养分的输入（例如氮和磷；Carignan et al., 2000; McEachern et al., 2000），并改变水体中的矿物质及其地球化学元素组成（McCullough et al., 2019; Fuentealba et al., 2020）。因此，火灾通过改变河流和湖泊的物理、化学和生物特性及过程来影响其功能（Bixby et al., 2015; Caroni et al., 2024）。

通过古环境重建可以了解火灾的长期影响（Dunnette et al., 2014; Waters et al., 2023），从而揭示火灾的变异性及其与社会生态系统长期环境条件之间的关系及其后果（Conedera et al., 2009; Iglesias et al., 2015）。

通过结合物理、地球化学和生物指标的多指标分析研究古湖沼记录，可以重建沉积动态、湖泊的营养历史、过去的火灾事件以及系统随时间经历的所有变化（Whitlock and Larsen, 2001; Cohen, 2003; Birks and Birks, 2006）。通过分析生物指标——木炭颗粒，可以重建流域中的火灾事件（Whitlock & Larsen, 2001）。特别是宏观木炭颗粒（大于125微米）可以通过风传输到湖泊周围1至10公里的距离，并在湖泊系统中积累，从而反映火灾活动（Whitlock & Larsen, 2001）。因此，湖泊沉积物也可以提供与火灾相关的侵蚀和沉积通量的长期记录。磁化率（MS）是一种常用的物理指标，用于描述沉积物矿物组成的变化，能有效反映来自风化岩石或烧蚀及热变土壤的含铁矿物（Millspaugh and Whitlock, 1995; Gedye et al., 2000）。此外，像钾（K）、钛（Ti）、铁（Fe）、铷（Rb）和锆（Zr）这样的岩石生成元素常被用作碎屑或碎屑物质的地球化学指标，因为它们的浓度与侵蚀活动有关（Bo?s et al. 2011; Davies et al., 2015; Rothwell & Croudace 2015）。例如，当碎屑物质脉冲与木炭峰值匹配时，可能表明火灾规模较大且严重，足以引发流域内的大规模侵蚀事件（Whitlock et al., 2003）。

水库在提供饮用水和支持娱乐活动方面发挥着关键作用；然而，由于流域内的人为压力，它们正日益受到环境退化和水质下降的影响（Rodríguez & Ruiz 2016; Oliver et al., 2019; Zanor et al., 2023）。近年来，土地利用变化和水文气候变异性被认为是导致水生系统恶化的主要因素。火灾对供水构成日益严重的威胁，因为火灾会导致大量灰烬、沉积物、养分和污染物进入下游水库，损害水生生态系统并威胁人类健康（Basso et al., 2021）。

在阿根廷中部，水库是重要的饮用水储备来源。San Roque水库（SRr；科尔多瓦）已为当地居民提供水源超过一个世纪（Dasso et al., 2014）。SRr位于科尔多瓦的Pampeanas山脉，那里是沉积物的主要来源，沉积物主要来自风化的火成岩和变质结晶基底，少量来自沉积岩（Gordillo & Lencinas, 1979; Martino & Guereschi, 2014; Depetris, 2024）。河流沉积物的输入受夏季降雨模式的影响（Pasquini et al., 2006）。科尔多瓦Pampeanas山脉的河流流域处于风化作用受限的环境中（Stallard & Edmond, 1983），土壤发育较差（Campodónico et al., 2014）。与城市化、火灾和森林砍伐等人造活动相关的过程对SRr的沉积物、有机物和养分供应起着重要作用（Rodriguez & Ruiz, 2016; Halac et al., 2020; Mengo et al., 2024）。同时期的水质监测和古湖沼研究表明，该系统已进入富营养化状态，这主要是由于城市扩张和人口增长以及与水位波动相关的沉积动态变化（Halac et al., 2020; Mengo et al., 2022; 2024）。尽管科尔多瓦Pampeanas山脉目前是阿根廷中部受森林火灾影响最严重的地区之一（Arga?araz et al., 2015a），但其对当地流域，尤其是SRr的影响仍需进一步研究。为了了解SRr的沉积动态及其受火灾的影响，提出了两个问题：(1) 支流的岩石特征如何影响SRr的沉积动态？(2) SRr随时间如何应对主要由流域火灾引起的环境变化？

我们从多指标角度对SRr进行了综合时空分析。“空间分析”包括研究河流流域河床沉积物以及河口附近和湖泊中部区域的矿物学、粒度分布和元素组成。“时间分析”则通过分析长芯样本中的矿物学和地球化学成分以及有机碳（TOC、TIC）和木炭积累情况来进行，从而重建环境演变过程。

这是阿根廷中部首次从古湖沼学角度评估火灾对湖泊沉积动态影响的研究。了解这些过程对于重建过去的环境变化、指导最佳流域管理和火灾风险缓解至关重要。

研究地点和沉积物采集

研究背景

San Roque水库（SRr，坐标31°22′S 64°27′W；图1A）位于科尔多瓦的Pampeanas山脉，海拔640米。第一座SRr大坝建于1888年至1891年间，1939年至194