评估历史时期人为因素对区域植被的影响，有利于更好的认识人类世环境变化，对改进植被-气候模型也具有重要意义。山东地区的人类活动由来已久，历史时期其作为我国最重要的经济和文化中心之一，中原地区的粮食供应地，是人类活动的密集和频发地。如北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》一书中所记载: “今齐鲁间松林尽矣, 渐至太行、京西、江南, 松山大半皆童矣”，山东地区的植被也因此遭到了破坏。但人类活动从何时，多大程度上影响了山东地区的植被变化，凭借有限且不连续的历史文献记载无法得以解答。需要从多种地质、生物记录的植被变化信息中寻找答案。近期，中国科学院地球环境研究所谭亮成研究员及其相关团队和山东省地质矿产勘查开发局刘文博士，以采自山东中部黄巢洞的石笋（HC2）为载体，通过分析石笋中的多种地球化学指标（δ18O、δ13C、Mg/Ca和Sr/Ca）重建了山东中部2200年以来的气候和植被变化历史。研究结果近期发表于Science China Earth Sciences上。 黄巢洞以唐末叛军首领黄巢（AD820~884）而命名，据传据史料记载, 黄巢于AD884去世后, 他手下的部队躲在洞穴中, 继续与唐朝军队作战。至今在洞穴大厅中还能看到石阶遗迹, 据传是军队的议事厅。石笋HC2的剖面存在清晰可见的沉积间断，石笋上部因包裹大量的炭屑使得间断上下的颜色显著不同（图1）。高精度230Th和AMS 14C定年结果显示HC2的生长时段为174BC~ AD1810, 沉积间断发生在AD638~1102之间。沿石笋生长轴的碳氧同位素和微量元素分析结果显示：
（1）HC2的δ18O、Mg/Ca和Sr/Ca变化呈现一致性（图2），表明它们共同受控于当地降水量的变化。这也与前人对中国北方石笋δ18O的指示意义不谋而合。作者通过主成分分析方法对三者的记录进行集成，将可以解释总方差53%的PCA1作为山东中部地区的降水指数（图2，正值表示降水较少，反之则反），揭示了山东地区2200年来的降水变化：在2世纪比之间的200年有所减少，3世纪时降水逐渐增多，直至6世纪中叶达到最湿润期，之后降水量逐渐减少。因沉积间断的存在，AD640~1102的降水情况无法知晓。12~15世纪相对湿润，13世纪后期出现干旱，从16世纪开始降水量减少。16世纪末最干旱，之后降水量逐渐增加，并在18世纪再次减少。
（2）石笋δ13C的变化在长时间尺度上（百年及以上）可以反映洞穴上覆植被的变化（植被类型和密度）。15世纪前，HC2的δ13C在？9.6‰和？6.3‰之间波动，且与当地的降水和温度变化在百年尺度上有很好的一致性（图3）。表明山东中部的植被在15世纪前受气候因素控制，主导类型为C3植被。但这种对应关系在15世纪后被打破。δ13C开始显著变重, 在之后的4个世纪从？7.7‰增加到？1.6‰, 且其值在AD1500之后再也未恢复到？6‰的水平。在距黄巢洞南部105km的开元洞，石笋KY1的δ13C也出现了同样的变化特征（图3）。这种异常变化无法被气候导致的植被变化所解释，而与同期山东省人口和耕地面积的急剧增加相一致。说明15世纪开始，山东中部地区大规模的森林采伐和土地垦殖活动影响了当地山区的植被，并在16~18世纪严重破坏甚至清除了当地的森林。黄巢洞外残留的建筑构件（图4），黄巢洞洞穴的地面、洞壁以及石笋中存留的木材燃烧后沉积的大量炭屑，也均指向了15世纪以来该区森林砍伐的加剧。
该研究受国家自然科学基金重大项目和中国科学院战略性先导科技专项项目等资助，是中国科学院地球环境研究所“一带一路”气候环境研究中心的系列研究成果。
原文详见：
谭亮成, 刘文, 王甜莉, 程鹏, 臧婧杰, 王曦谦, 马乐, 李东, 蓝江湖, 艾思本, 程海, 徐海, 艾莉, 高永利, 蔡演军. 2020. 石笋多指标记录揭示的山东中部森林采伐历史. 中国科学: 地球科学, 50, doi: 10.1360/N072019-0243
Tan L, Liu W, Wang T, Cheng P, Zang J, Wang X, Ma L, Li D, Lan J, Edwards R L, Cheng H, Xu H, Ai L, Gao Y, Cai Y. 2020. A multiple-proxy stalagmite record reveals historical deforestation in central Shandong, northern China. Science China Earth Sciences, https://doi.org/10.1007/s11430-019-9649-1
图1 石笋HC2剖面图
图2 石笋HC2的碳氧同位素和微量元素结果
图3 山东中部地区石笋δ13C记录与历史时期气候和人类活动记录对比
(a) 黄巢洞石笋HC2重建的山东中部降水变化; (b) 过去2000年中国年均温度变化; (c) 黄巢洞石笋HC2的δ13C记录; (d) 开元洞石笋KY1的δ13C记录; (e) 山东历史时期的人口密度; (f) 山东历史时期的耕地面积. (c)中的虚线指示δ13C为？6‰. 灰色箭头表示石笋δ13C、人口密度和农田面积自15世纪以来的增长趋势
图4 黄巢洞在冬季时的内外景象
(a) 黄巢洞上覆植被以及被废弃的寺庙; (b) 寺庙前残存的古建筑构件; (c) 记录寺庙重修过程的石碑(重修于明万历乙酉年AD1585); (d) 黄巢洞入口; (e) 洞穴内部厅室, 在洞壁和地板上可见大量碳屑、题词以及刻痕; (f) 石笋HC2采样照