史前土地利用碳循环模型构建及应用——以伊洛河流域为例

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1、第30卷第3期第四纪研究Vo1．30．NO．32010年5月May，2010QUATERNARYSCIENCES文章编号1001—7410(2010)03—540—10史前土地利用碳循环模型构建及应用——以伊洛河流域为例于严严吴海斌郭正堂(中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境重点实验室，-It京100029)摘要学术界对全新世CO，浓度在8kaB．P．后逐步回升的原因有诸多看法。合理估算全新世人类土地利用对陆地生态系统碳储量的影响，是理解上述问题的主要途径之一。然而，史前土地利用面积的估

2、算和空间分布常因数据缺乏而成为研究的难点。本文基于前人的半定量考古遗址预测模型，建立了一个估算史前土地利用碳循环的模型。它以遗址的环境和古文化参数作为输入数据，实现土地利用面积和空间分布的恢复，进而获得人类土地利用导致的陆地生态系统碳储量的时空变化。利用现代土地利用数据的检验模拟表明，模型具有较好的空间模拟能力。将该模型应用于我国旱作农业起源中心之一的伊洛河流域，揭示出仰韶文化前期(7～6kaB．P．)该流域内约7％的土地被人类开发利用，主要分布于下游河流两岸坡度较缓的低地；该过程导致流域碳储量损

3、失了约15TgC(1Tg：l0g)，占流域总碳库的3％。因此，人类活动在史前时期已较明显改变了地表景观，并对陆地生态系统碳循环产生了一定的影响。主题词碳储量人类活动仰韶文化全新世中期中图分类号P534．632文献标识码A恢复全新世以来土地利用时空变化，进而合理评价1引言．其碳的“源汇”效应。人类土地利用通过改变地表植被覆盖，影响地到目前为止，由于直接指示史前古土地利用资球系统各圈层的物质和能量流动，从而引发了一系料的缺乏，因此难以恢复土地利用时空分布，导列环境效应。工业革命以来，全球土地利用变化导

4、致土地利用对碳库的影响研究仍十分薄弱。在全球致136_+55Pg⋯的碳释放，成为仅次于化石燃料燃烧尺度上，研究者主要基于过去人口数量变化和现代引起大气CO浓度上升的贡献因子，但目前对工业土地利用空间分布图，以简单外推的方法间接重建革命前特别是全新世以来人类土地利用在全球大气了全球6kaB．P．和1kaB．P．以来土地利用空间变CO浓度变化中发挥的作用仍存在很大争议。冰芯化，并以此为基础估算了陆地生态系统碳库的变记录显示，大气CO浓度在全新世早期呈下降趋化，但这些研究对古土地利用空间变化的恢复势，在

5、8kaB．P．左右转为升高趋势。Ruddiman精度较低。在区域尺度上，Kirkby基于玉米产量基于对比全新世与过去4个间冰期冰芯CO和CH和玉米生态特征(穗轴长度)随时间变化的关系，结浓度以及北半球低纬夏季太阳辐射量变化关系，提合现代玉米产量及其分布，恢复了3kaB．P．以来墨出“早期人类活动假说”，即早期农业活动(如森林西哥东南部瓦哈卡流域农业用地可能分布的范围。砍伐和作物种植)是导致全新世8kaB．P．以来温室但由于该方法具有较强的区域性，很难直接推广到气体浓度增加的主要原因；但另一些学者基

6、于冰芯全球其他农作区。Kaplan等⋯则综合考虑了人13中碳同位素和陆地数据，认为大气CO，变化是陆地数量和土地条件适宜性相关参数，恢复了3kaB．P．生态系统自然演化的结果，人类活动对其贡献有至工业革命前欧洲地区毁林过程的时空变化特征，限“。解决上述争议的一个重要方面就是要准确但其对毁林面积的空间分配也是基于区域的人口统第一作者简介：于严严女29岁博士研究生第四纪地质学专业E—mail：yyy@mail．iggcas．ae．en中国科学院知识创新工程重要方向项目(批准号：KZCX2一Yw—Ql一

7、15)、国家自然科学基金项目(批准号：40730104)和中国科学院百人计划项目资助2010—02—08收稿，2010-03一Ol收修改稿542第四纪研究的主要方式；并且仅考虑人类农业生产和生活居住部权值。用地，未考虑人类进行取暖、煮食和饲养等活动间接(4)居民点分布子模型总权值计算：将区域各导致的毁林面积。此外，由于史前人类活动空间范环境参数对应上述两类权值相乘，得出其总权值。围较小，模型假定史前人类选择农业生产用地时对将赋予总权值的各环境参数图层进行空间叠加，生环境条件的要求与选择居住用地时相

8、似，农业生产成区域遗址空间分布概率图，并将总权值标准化为用地分布在遗址周围。“0％～100％”的概率值。2．1居民点分布子模型2．2土地利用需求子模型环境条件是约束史前人类活动范围的重要因本子模型基于各遗址人类粮食生产量和需求量素，居民点分布子模型通过统计分析区域内发现考相平衡的假设前提，利用考古学者和历史学者对史古遗址点位空间分布与环境参数(高程、坡度、坡前聚落社会经济形态与现代刀耕火种生产力水平的向、距水系距离和土壤类型等)之间的关系，提取人研究结果，对史前人类土地利用面积进行