木炭是木材不完全燃燒產生的黑色惰性固體。其性質十分穩定，廣泛保存在考古遺跡和自然沉積物中。傳統木炭研究主要基于木炭解剖結構進行種屬鑒定，以反演古代植被環境以及人類用火行為等。近年來，木炭蘊含的環境信息逐漸成為新的研究方向。例如，通過木炭的化學結構和反射率重建古火溫度（強度）；利用木炭同位素信號研究古代氣候環境、森林管理及施肥行為等相關信息。然而，目前對于古代木炭研究中關鍵的“炭化”和“埋藏”環節，其過程和機制的認識仍不充分。這可能導致對木炭理化和同位素指標的解譯產生嚴重偏差。

為此，蘭州大學環境考古團隊選擇“櫟”和“松”作為代表性木材，開展了系列的馬弗爐控溫實驗，研究不同溫度和時間加熱條件下木炭物理化學性質的改變，并定量化探討了炭化過程及其機制。此外，為了模擬自然環境和考古遺址中燃燒木炭的形成，團隊還開展了室外燃燒實驗。燃燒實驗參考了考古遺址中灶和火塘的范圍，模擬了古代家庭用火中木炭的產生。并且，考古遺址中獲取并鑒定為相同種屬的木炭也被用于對比研究，以揭示埋藏過程對木炭性質的影響。不同場景下獲取的木炭樣本如下圖1所示。

圖1 馬弗爐控溫實驗、戶外燃燒和考古埋藏中產生的木炭

研究使用了多種物理化學分析手段包括：元素分析、反射率、掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜、13C固體核磁、熱重分析；數據分析方法包括主成分分析，聚類分析，判別分析以及深度學習方法；并且結合了熱力學和化學動力學理論，來解釋木材炭化過程中的各物理化學指標的變化機制。主要結論如下：

1.木材的炭化是以300?350℃為炭化閾值，呈現完全變黑、易碎的特征，其本質是以纖維素主導的木材轉變為以芳香基團為主導的木炭。期間管胞壁厚度和管胞腔面積下降約20%，木材失重率達到50%，碳和氧元素含量分別上升和下降至約60%和35%，反射率從0上升到0.5。不同指標之間的耦合關系如圖2所示。

圖2 炭化過程中各種物理化學指標變化及耦合關系

2.燃燒是個復雜的熱力學過程，溫度隨時間和空間不斷變化，這與設置恒溫的馬弗爐系統完全不同。然而，燃燒和馬弗爐加熱所產生的木炭在化學結構上可以完全對應。故馬弗爐控溫實驗可以作為衡量燃燒木炭形成條件的參考標尺。化學光譜數據分析的結果顯示，約90%的燃燒木炭呈現出高炭化等級。這一等級對應馬弗爐控溫體系的溫度范圍為：櫟屬木炭400?500℃，松屬木炭550?600℃。需要強調的是，這一溫度是對應于控溫實驗的 “等效溫度”，而不是真實的燃燒溫度。

3.考古木炭經過數千年的埋藏呈現出被氧化的特征，化學結構中產生了明顯的“羧酸”基團。這一變化會對古代木炭形成溫度的預測產生嚴重干擾。而深度學習方法憑借其強大的信息提取能力，能夠在一定程度上減弱埋藏引起的信號扭曲。最終結果表明，保存于家庭用火場景下的考古木炭，其形成的溫度條件與室外燃燒的模擬實驗結果一致，約90%呈現出高炭化等級。

圖3 A?C為梯度控溫實驗下的傅里葉紅外光譜信號的聚類和主成分分析結果，聚類分析將炭化過程劃分為7個類，并進一步歸納為5個炭化等級：未完全炭化、低炭化、中炭化、高炭化和超高炭化；D代表深度學習（一維卷積神經網絡）模型對于燃燒木炭和考古木炭的預測結果；E代表木材/木炭化學結構隨加熱溫度的變化趨勢，以及埋藏過程對木炭結構的影響

綜上，本研究成功預測了古代家庭用火場景下所產生木炭的等效形成溫度。這一結果也與其它研究基于反射率和紅外光譜指標的溫度預測進行了對比。由于參考的馬弗爐實驗條件不一樣，不同研究所預測的溫度結果也略有差異，但整體范圍相對集中。這與本研究的結論一致，并符合燃燒的熱力學模型。在燃燒過程中，從燃料表層到內部溫度逐漸降低。靠近火焰的木材部分易被灰化，并且高溫條件產生的木炭機械性能較差，埋藏過程中更易破碎。燃料內部低溫部分未完全炭化的在埋藏過程則更易被降解。因此，在考古遺址中通過浮選獲得的大炭屑（> 4 mm）通常代表了最穩定且最易被保存下來的部分，推測其形成的溫度條件也因此相對一致。此外，本研究還探討了炭化過程中溫度、時間、木材種屬等多因素對炭化過程的復雜影響。

本研究對木材炭化和埋藏機理的深入探索可為古代木炭的采樣和指標解讀提供重要的參考價值，并強調木炭在考古與古環境研究中的應用潛力。相關成果近期發表于《Journal of Archeological Research: Report》和《Fundamental Research》。蘭州大學資源環境學院博士生李剛為第一作者，董廣輝教授為通訊作者。