摘要：木炭是木材不完全燃烧产生的黑色惰性固体。其性质十分稳定，广泛保存在考古遗迹和自然沉积物中。传统木炭研究主要基于木炭解剖结构进行种属鉴定，以反演古代植被环境以及人类用火行为等。近年来，木炭蕴含的环境信息逐渐成为新的研究方向。例如，通过木炭的化学结构和反射率重建古

木炭是木材不完全燃烧产生的黑色惰性固体。其性质十分稳定，广泛保存在考古遗迹和自然沉积物中。传统木炭研究主要基于木炭解剖结构进行种属鉴定，以反演古代植被环境以及人类用火行为等。近年来，木炭蕴含的环境信息逐渐成为新的研究方向。例如，通过木炭的化学结构和反射率重建古火温度（强度）；利用木炭同位素信号研究古代气候环境、森林管理及施肥行为等相关信息。然而，目前对于古代木炭研究中关键的“炭化”和“埋藏”环节，其过程和机制的认识仍不充分。这可能导致对木炭理化和同位素指标的解译产生严重偏差。

为此，兰州大学环境考古团队选择“栎”和“松”作为代表性木材，开展了系列的马弗炉控温实验，研究不同温度和时间加热条件下木炭物理化学性质的改变，并定量化探讨了炭化过程及其机制。此外，为了模拟自然环境和考古遗址中燃烧木炭的形成，团队还开展了室外燃烧实验。燃烧实验参考了考古遗址中灶和火塘的范围，模拟了古代家庭用火中木炭的产生。并且，考古遗址中获取并鉴定为相同种属的木炭也被用于对比研究，以揭示埋藏过程对木炭性质的影响。不同场景下获取的木炭样本如下图1所示。

图1 马弗炉控温实验、户外燃烧和考古埋藏中产生的木炭

研究使用了多种物理化学分析手段包括：元素分析、反射率、扫描电镜、傅里叶变换红外光谱、13C固体核磁、热重分析；数据分析方法包括主成分分析，聚类分析，判别分析以及深度学习方法；并且结合了热力学和化学动力学理论，来解释木材炭化过程中的各物理化学指标的变化机制。主要结论如下：

1.木材的炭化是以300‒350℃为炭化阈值，呈现完全变黑、易碎的特征，其本质是以纤维素主导的木材转变为以芳香基团为主导的木炭。期间管胞壁厚度和管胞腔面积下降约20%，木材失重率达到50%，碳和氧元素含量分别上升和下降至约60%和35%，反射率从0上升到0.5。不同指标之间的耦合关系如图2所示。

图2 炭化过程中各种物理化学指标变化及耦合关系

2.燃烧是个复杂的热力学过程，温度随时间和空间不断变化，这与设置恒温的马弗炉系统完全不同。然而，燃烧和马弗炉加热所产生的木炭在化学结构上可以完全对应。故马弗炉控温实验可以作为衡量燃烧木炭形成条件的参考标尺。化学光谱数据分析的结果显示，约90%的燃烧木炭呈现出高炭化等级。这一等级对应马弗炉控温体系的温度范围为：栎属木炭400‒500℃，松属木炭550‒600℃。需要强调的是，这一温度是对应于控温实验的 “等效温度”，而不是真实的燃烧温度。

3.考古木炭经过数千年的埋藏呈现出被氧化的特征，化学结构中产生了明显的“羧酸”基团。这一变化会对古代木炭形成温度的预测产生严重干扰。而深度学习方法凭借其强大的信息提取能力，能够在一定程度上减弱埋藏引起的信号扭曲。最终结果表明，保存于家庭用火场景下的考古木炭，其形成的温度条件与室外燃烧的模拟实验结果一致，约90%呈现出高炭化等级。

图3 A‒C为梯度控温实验下的傅里叶红外光谱信号的聚类和主成分分析结果，聚类分析将炭化过程划分为7个类，并进一步归纳为5个炭化等级：未完全炭化、低炭化、中炭化、高炭化和超高炭化；D代表深度学习（一维卷积神经网络）模型对于燃烧木炭和考古木炭的预测结果；E代表木材/木炭化学结构随加热温度的变化趋势，以及埋藏过程对木炭结构的影响

综上，本研究成功预测了古代家庭用火场景下所产生木炭的等效形成温度。这一结果也与其它研究基于反射率和红外光谱指标的温度预测进行了对比。由于参考的马弗炉实验条件不一样，不同研究所预测的温度结果也略有差异，但整体范围相对集中。这与本研究的结论一致，并符合燃烧的热力学模型。在燃烧过程中，从燃料表层到内部温度逐渐降低。靠近火焰的木材部分易被灰化，并且高温条件产生的木炭机械性能较差，埋藏过程中更易破碎。燃料内部低温部分未完全炭化的在埋藏过程则更易被降解。因此，在考古遗址中通过浮选获得的大炭屑（> 4 mm）通常代表了最稳定且最易被保存下来的部分，推测其形成的温度条件也因此相对一致。此外，本研究还探讨了炭化过程中温度、时间、木材种属等多因素对炭化过程的复杂影响。

本研究对木材炭化和埋藏机理的深入探索可为古代木炭的采样和指标解读提供重要的参考价值，并强调木炭在考古与古环境研究中的应用潜力。相关成果近期发表于《Journal of Archeological Research: Report》和《Fundamental Research》。兰州大学资源环境学院博士生李刚为第一作者，董广辉教授为通讯作者。

来源：兰州大学视频