Реконструкція історії лісів шляхом вивчення виробництва деревного вугілля Planet-Vie
Минуле виробництво деревного вугілля залишило сліди, які і сьогодні можна побачити в лісових екосистемах. Таким чином, аналіз шматочків деревного вугілля, що знаходяться на виробничих ділянках, вугільних шахтах, дозволяє реконструювати минулу динаміку лісів та зрозуміти їх поточний стан.
Вступ
Невід’ємним наслідком історичного розвитку технологій у людських суспільствах є зростаючий попит на енергію (ADEME 2014, Percebois et al., 2012). Це спостереження є актуальним і сьогодні, як показує питання про перехід енергії (Percebois et al., 2012). У дев'ятнадцятому та двадцятому століттях поява викопних видів палива, таких як газ, вугілля, нафта, дозволило здійснити промислову революцію виробничих систем (Verley 1997). Однак до цього промислові (або доіндустріальні) виробничі системи вже існували. Потім дерево або деревне вугілля використовувались як основні джерела енергії, залежно від технічних міркувань щодо потреби в енергії (швидкість підвищення температури, теплотворна здатність тощо). Ці деревні ресурси використовувались у побутових цілях (головним чином для опалення та приготування їжі) протягом століть, навіть тисячоліть (Робін та ін., 2015). Залежно від інтенсивності та частоти вилучення біомаси, минуле споживання цих ресурсів могло мати наслідки, які все ще помітні сьогодні на стан відповідних екологічних систем.
Ми представляємо тут огляд антракологічного аналізу, який базується на вивченні уламків деревного вугілля із залишків місць історичного виробництва: вугільних шахт. Цей підхід дає можливість ретроспективно вивчити способи споживання деревних ресурсів для виробництва деревного вугілля, просторово-часові структури цієї діяльності та наслідки для навколишнього середовища.
В Європі історія споживання деревного вугілля особливо пов'язана з технічними можливостями для переробки металів ще з античності та навіть з часів бронзи для виплавки міді та сплавів олова. Насправді, на відміну від деревного, деревне вугілля дозволяє досягати високих температур без полум’я, яке можна підтримувати довше, що необхідно для обробки металів, але також дуже популярне для домашнього використання. На кухні. Протягом історії виробничі системи були структуровані та активізовані, а разом із ними і споживання деревного вугілля. Тому для задоволення зростаючих потреб саме виробництво еволюціонувало в технічному та кількісному відношенні з часів бронзової ери та античності (Ludemann 2010). Від випадкових і помірних він набув широкого поширення та інтенсивності аж до промислової революції. Це виробництво деревного вугілля мало значні наслідки для лісів експлуатованих ділянок. Через “заготівлю” деревних ресурсів динаміка лісу впливає на місцевість, іноді на великих площах. Виробництво деревного вугілля, таким чином, діє як екологічне порушення, що має змінний вплив на екосистему залежно від її режиму.
Екологічні порушення
Порушення, в екологічному розумінні цього терміна, - це функціонуючий механізм екологічних систем, який індукує їх динаміку шляхом повного або часткового знищення одного або декількох біотичних компонентів системи. Екологічне збурення характеризується своїм режимом, тобто набором змінних параметрів залежно від типу збурення або залежно від епізоду збурення: інтенсивності, величини, частоти тощо. (Pickett and White 1985, Pickett et al. 1989, Roxburgh et al. 2004).
Вугільні шахти, що містять у них, навіть століття після їх відмови, містять багато уламків деревного вугілля, подібних до стільки "відмов" від виробництва. Ці фрагменти є фітоісторичними показниками, які можуть дозволити нам зрозуміти певні давні практики (схеми споживання деревини, тривалість та частоту видобутку вугілля тощо) та їх наслідки для лісових систем минулого, а також спадщину цих практик. про сучасний стан екологічних систем. Таким чином, вугільні шахти є археологічними та палеоекологічними архівами, що знаходяться на межі між зниклою людською практикою та минулим та сучасним середовищем.
Виробництво деревного вугілля та його залишки
Деревина є сировиною для виробництва деревного вугілля. Після збирання та висушування вона формується до розміру, придатного для обвуглення. Для цього з часів Середньовіччя деревину складали так, щоб утворити стос біля ділянки заготівлі деревини (рис. 1).
В: Відхід диму через центральну колону шліфувального круга під час карбонізації. B: Піч для згоряння металу. С: Матеріалізація вугільної платформи в лісі Північних Вогезів.
Метод аналізу
a: поточна площа, b: зона перед використанням, c: площа під час використання, d: рівень/горизонт вуглецю.
Аналіз вугільних ям стосується залишків (або відходів) виробництва деревного вугілля. Ці фрагменти деревного вугілля накопичуються in situ під час операцій на місці і залишаються там, за винятком випадкової частини, що переноситься стоком або ерозією (Hannes et al. 2013). Послідовність карбонізацій та накопичення "відходів" утворюють рівень (або горизонт) вугілля (рис. 3), що складається з попелу, обвуглених осадів та уламків деревного вугілля від декількох міліметрів до декількох сантиметрів. Цей рівень вугілля покриває поверхню вугільної ями. Для вугільних пластів, встановлених на схилі, перед течією частина може бути покрита різною товщиною осаду, накопиченого з верхнього схилу після припинення використання платформи. Часто схил вугільної шахти, що знаходиться безпосередньо внизу, особливо багатий уламками деревного вугілля, оскільки саме з цієї ділянки шахти вугілля завантажували для транспортування, а потім евакуацію деревного вугілля. підготувати місце для наступного шліфувального круга.
Відбір проб вугільної шахти полягає у відборі певної кількості осколків з цього "рівня вугілля" (рис. 4А), окремо або зразком осаду, який потім буде просіяно в лабораторії для вилучення уламків.
Щоб забезпечити репрезентативність всієї вугільної шахти і не ризикувати, щоб результати були упереджені аномалією, відбір проб повинен включати загалом не менше 100 фрагментів, взятих з різних точок вугільної шахти, в центрі та на схил безпосередньо під вугільною ямою.
Особливим випадком вугілля є наявність декількох рівнів вугілля, накладених і розділених горизонтами ґрунту, або рівнями осаду (Рисунок 4B). Цей тип структури, як правило, особливо цікавий завдяки хронологічній послідовності, яку можуть представляти ці різні рівні вуглецю. У цьому випадку кожна буде розглядатися як окрема вугільна шахта.
В: Відбір проб з вугільної шахти. B: Вугільна шахта з трьома рівнями вугілля.
Після відбору зразків на полі деревне вугілля, ймовірно, проходить три типи додаткових аналізів: таксономічний, дендроантракологічний та радіовуглецевий.
Таксономічний аналіз
Це мікроскопічне спостереження кожного зі 100 фрагментів, взятих, як мінімум, із вугільної шахти для досягнення таксономічної ідентифікації. Дійсно, деревина має різні мікроскопічні клітинні структури відповідно до певних таксономічних груп, від роду до виду, і, отже, дає можливість їх розрізнити. Карбонізація деревини фіксує внутрішню анатомію, яку можна спостерігати на фрагменті деревного вугілля, як і на дереві, за винятком деяких деформацій та усадки (Théry-Parisot 2001, Braadbaart & Poole 2008). Анатомічні критерії можна регулярно спостерігати на фрагментах, щонайменше, від 800 мкм до 1 мм. Найчастіше уламки деревного вугілля мають довжину щонайменше кілька міліметрів. Тому вони є достатньо великими, щоб їх можна було ідентифікувати, за винятком кількох випадків фрагментів, які, як кажуть, склоподібні або занадто брудні, щоб розрізняти анатомічні елементи (McParland et al. 2010).
Ідентифікація базується на консультації ідентифікаційних ключів та атласах ксилологічної анатомії (наприклад, Jacquiot et al. 1973; Schweingruber 1990) та довідкових колекціях (Scheel-Ybert 2016).
Результати ідентифікації виражаються як відносна частота зустрічання певного таксону у всіх 100 фрагментах, зібраних та ідентифікованих Шарбоньєром.
Дендроантракологічний аналіз
Походження обвуглених шматків деревини, виявлених дендрометричними вимірами 100 уламків деревного вугілля з двох великих ям, згідно з п’ятьма класами розмірів: 0 - 2 см, 2 - 3 см, 3 - 5 см, 5 - 10 см,> 10 см ( Людеманн та Нелле, 2002); В: дендроантракологічна гістограма великої вугільної шахти, переважно багатої дрібною деревиною; B: дендроантракологічна гістограма великої вугільної шахти, в основному багатою великою деревиною.
Деякі уламки деревного вугілля можуть бути досить великими, щоб показати ряд помітних кілець дерева. Вимірювання ступеня кривизни цих кілець може бути здійснено для ідентифікації виду спаленої деревини та, за рахунок цього, типу структури лісового насадження, з якого походить деревне паливо (Haneca et al. 2005).
Ми будемо інтерпретувати частку фрагментів у класах з сильно вираженою кривизною як фрагменти деревини гілок та малих стебел (рис. 5А), а частку фрагментів у класах із слабко вираженою кривизною - як фрагменти деревини низьких розмірів. Стовбури великого діаметру або гілки (Малюнок 5B; Nelle 2003).
Радіовуглецеві знайомства
Вимірювання радіовуглецевого віку певних фрагментів деревного вугілля дає змогу на сьогоднішній день використовувати вугільні ями. Кількість проведених радіовуглецевих дат залежить від географічного району, що охоплюється дослідженням, кількості вугільних шахт там, наявних засобів і, звичайно, результатів таксономічного та дендроантракологічного аналізів. Деякі вугільні шахти можуть бути предметом декількох дат, наприклад, для оцінки їх віку відповідно до різних видів, які були ідентифіковані в них, або якщо ми спостерігаємо наявність багатьох стратиграфічних рівнів вугільної шахти на одній і тій же ділянці (Рисунок 4B).
На сьогоднішній день вугільна яма відбирається один або декілька уламків деревного вугілля для відправки в лабораторію знайомств. У межах тієї самої вугільної шахти вибір фрагмента (фрагментів) на сьогоднішній день повинен бути зроблений відповідно до 1) цілей дослідження, 2) таксономічного спектру шахти та 3) таксономічних спектрів вугільних шахт досліджуваний район.
Оцінка радіовуглецевого віку передбачає вимірювання кількості ізотопу вуглецю-14 за допомогою прискорювальної мас-спектрометрії (машини, що розрізняє атоми відповідно до їх атомної маси). Потім вимірюється кількість залишку вуглецю-14 після смерті організму, з якого було вилучено аналізований зразок викопних речовин. Дійсно, з моменту смерті організму кількість радіовуглецю, яке він містить, з часом зменшується з відомою швидкістю. Розрахований вік має певну невизначеність через вимірювання, наприклад плюс-мінус 30 років.
Крім того, важливо переконатися, що вік деревного вугілля датований, а не вік обгорілого дерева, з якого походить датований фрагмент деревного вугілля. Насправді це дерево могло мати більше ста років на момент його використання як сировини для виготовлення деревного вугілля. Таким чином, щоб мінімізувати ці можливі упередження при датуванні великих вугільних шахт, ми переважно будемо вибирати фрагменти деревних порід з низьким довговічністю, таких як береза (Betulasp.), Вільха (Alnus sp.) Тощо, на відміну від дуба (Quercus . sp.) або бука (Fagus sylvatica). Подібним чином, ми будемо вибирати для датування, якщо це можливо, фрагменти з чітко позначеною ступенем кривизни кілець або представлення останнього зовнішнього кільця (тобто, останнього до зрізання дерева), часто чудового наявністю 'обвугленої кори як і раніше прикріплений до фрагмента деревного вугілля (рис. 6).
Інтерпретація результатів
Залежно від питань дослідження, інформація таксономічного та дендроантракологічного аналізів, а також радіовуглецеві дати можуть бути контекстуалізовані в масштабі ландшафту, водозбору, лісового масиву тощо. Потім ми можемо прагнути визначити просторові схеми розподілу (топографічне положення, відстань до житла чи промислового майданчика тощо), варіації розміру вугільних кар’єрів (поверхня платформ), варіації щільності вугільних ям одиниці. площі (наприклад, на гектар) для різних хронологічних фаз або для різних видів, наприклад відповідно до соціально-економічної історії території.
Поряд з аналізом вугільних шахт, письмові записи корисні для пошуку інформації щодо місцевого використання природних ресурсів, зокрема деревини та деревного вугілля. Дійсно, ще з часів Середньовіччя напис на різних письмових опорах (старі карти та плани, лісові забудови, реєстри забивання - маркування дерев, які потрібно зрубати чи зберегти, - реєстри продажу деревини тощо) дозволяє мати сьогодні існують вказівки, іноді дуже точні, щодо потреб або використання цих природних ресурсів та управління ними (Vallauri et al., 2012, Rochel 2010, 2015). Ці документи, ймовірно, дозволять пролити світло на історичну еволюцію рослинності та лісових насаджень у безпосередньому оточенні досліджуваних ділянок, а отже, сприятимуть їх історичній та сучасній контекстуалізації (Rochel 2009). Таким чином, спільне використання аналізу антракологічних зв’язків великого вугілля та письмових архівів є надійним міждисциплінарним підходом між біологічною/екологічною та людською/історичною сферами, що дозволяє взаємно оптимізувати отриману інформацію.
Наслідки виробництва деревного вугілля для лісових систем
Виробництво деревного вугілля базується на споживанні деревних ресурсів. Це виробництво призводить до видалення біомаси, що становить порушення антропогенного походження. Це може впливати на склад, структуру та функціонування лісових систем більш-менш прямим, інтенсивним та тривалим способом з плином часу, залежно від спроможності та стійкості відповідних систем перед занепокоєнням та відповідно до його режиму.
Багато наукових робіт показали важливість вирубки лісів протягом історії для виробництва деревного вугілля (наприклад, Nelle 2003, Ludemann 2010). Наслідки цієї вирубки лісів неодноразові.
Але вугільні шахти можуть також мати вигідну роль для рослинності, оскільки вони утворюють дуже специфічні рівні ґрунту, багаті вугіллям та попелом. Їх хімічний склад і пористість можуть значно покращити утримання поживних речовин, а отже, і доступність, збільшуючи катіонообмінну здатність (CEC) ґрунтів. Це „поліпшення” властивостей ґрунтів за наявності вуглецевих рівнів виявилось би особливо цікавим для оцінки у випадку природних бідних ґрунтів, таких як піщані, кислі ґрунти Північних Вогезів, де програма досліджень Лотарингійського університету та Обсерваторія навколишнього середовища країни Бітче (Labex DRIIHM) триває протягом 2018-2019 років.
A: ліс (стовбури окремо стоячих); B: перелісок (стовбури сепе)
Висновки
Вивчення вугільних шахт може надати корисну інформацію для розуміння встановлення екологічних траєкторій соціально-екосистем, що складають сучасні ландшафти.