2023年5月1日劳动节，兰州大学的博士生李刚完成了关于古木炭形成和埋藏机制的初稿，并交给老师审阅。这项研究通过大量现代实验，旨在探索古木炭的形成和保存机制，并提出“等效温度”这一创新概念，重新认识自然界燃烧产生木炭的“热”条件。修改后，他于7月开始投稿，然而投稿之路并不顺利，接连遭遇拒稿。土壤学杂志编辑认为文章与期刊定位不符，环境期刊审稿人提出文章对环境研究并没有什么启示，植物学期刊则建议他转投火科学杂志。转投“三古”期刊后，又因文章偏重方法而被拒。最后，考古科学主刊审稿历时4个月，建议他投其姊妹刊。

审稿过程漫长，审稿意见更加棘手。由于学科交叉广泛，审稿人并不能完全理解文章内容，提出的问题有时让人感到不明觉厉。尽管如此，他还是很认真地回复了所有问题，甚至从最基础的原理讲起，解释审稿人基于生活经验的猜想。不断阅读文献、精进文章内容，一年多来作者在成长，文章也在成长。李刚同学坚信只要把问题解决清楚、研究漂亮，即使是冷门方向，也会有人关注。

历经5个月的努力，文章终于被接受，并发表于《考古科学杂志：报告》。李刚感慨地说：“历经一年半载，前后被拒过五次，我的小小工作终于要见刊了。主角还是那块木炭，问题还是关于‘what’、‘how’和‘why’。尽管一路磕磕绊绊，但我始终相信，只要坚持探索，总会有收获。”

李刚在新疆哈密市巴里坤的大河古城遗址里获取考古木炭。受访者供图。

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古木炭里有什么秘密？

木炭，这个日常生活中常见的东西，其实有着不简单的“身世”。它是由木材在不完全燃烧的情况下形成的，这种特殊的形成过程赋予了木炭许多独特性质。科学家们对古木炭的兴趣，远不止于它能烧火那么简单。

原来，木炭里藏着很多古代的信息。比如，通过木炭的解剖结构，可以鉴定出它原来的树种，进而推测古代的植被环境；而木炭中的化学结构和同位素，更能反映出古代的气候条件、人类的用火行为等。

李刚，来自兰州大学资源环境学院，是一个对古木炭充满好奇的博士生，从硕士阶段起就踏上了这条研究之路。他最初的想法很简单，就是探索现生树轮研究中反映古环境的同位素指标是否也能应用于古代木炭中。因为树木死后容易被降解，而木炭却更稳定，保存年代更久。

然而，在阅读了大量文献后，他发现不同研究对于炭化、埋藏对同位素信号的影响存在巨大差异。这激发了他对炭化过程深入探索的决心。

“当我捧起这些几千年前树木燃烧的遗骸时，我其实并不清楚它究竟是什么。”李刚回忆道，“那为什么不去探索呢？”就这样，带着对科学的热爱和好奇心，他开始了这段充满挑战的探索之旅。

李刚在马弗炉炭化实验中。受访者供图。

多场景实验，模拟真实炭化过程

为了研究木炭的炭化过程，研究团队设计了一系列精妙的实验。他们选择了“栎”和“松”这两种具有代表性的木材，分别进行了马弗炉控温实验。因为这两种树种是北方地区很典型且分布很广的树种，分别是阔叶林和针叶林的代表树种，并且在考古遗址里面这两种树种也是分布最广、最多的。

除了实验室里的精确控温实验，团队还参考了考古遗址中灶和火塘的范围，在户外进行了真实的燃烧实验，模拟了古代家庭用火的场景。在实验过程中，李刚和他的团队遇到了不少困难，如炭化过程会受到多种因素的影响，如加热时间、氧气环境、木材水分、大小形状，如何考虑这些额外因素？甚至出现过样品量不够测，高温下坩埚记号消失不见等尴尬情况。户外燃烧如何复刻古人用火场景？木材燃烧用量、燃烧范围甚至温度计摆放位置等等细节都得深思熟虑。稍有不慎，就得重来。但正是这些困难，让他们更加深刻地体会到了古木炭产生机制的复杂性。

在研究过程中，团队使用了多种物理化学分析手段，如元素分析、反射率分析、扫描电镜-能谱分析、热重分析、傅里叶变换红外光谱和13C固体核磁共振光谱分析等，并结合了主成分分析、聚类分析、判别分析以及深度学习等数据分析方法，对测试结果进行深入剖析。

经过无数次的尝试和调整，研究团队终于得到了宝贵的数据。他们发现，木材在炭化过程中会经历一个从纤维素主导向芳香基团主导的转变过程。这个过程中，木材的颜色逐渐变黑、质地会变脆且易碎，成为我们日常生活中熟悉的木炭。

传统木炭研究主要是基于木炭解剖结构进行鉴定种属，而李刚团队则关注木炭的化学指标和同位素指标。他们在实验思路和方法上进行了创新，使用更加科学理性的方法定量化研究木炭形成和埋藏过程，并对比了真实燃烧场景下和马弗炉控温实验下木炭产生过程的差异。

马弗炉控温实验、户外燃烧和考古埋藏中产生的木炭。受访者供图。

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深度分析，终于揭开炭化机制

有了实验数据，接下来的工作就是深入分析。研究团队利用先进的物理化学分析手段，对木炭进行了全面的剖析。他们发现，炭化过程中木材的管胞壁厚度和管胞腔面积会下降约20%，木材失重率达到50%，碳和氧元素含量也会发生显著变化。

更令人兴奋的是，他们通过提出“等效温度”概念来更正以往对于燃烧木炭产生条件认识的不足。由于燃烧和马弗炉加热所产生的木炭在化学组分上完全一致，科研人员因此认为它们经历的温度也是等效的。通过化学光谱数据分析，他们成功重建了户外燃烧木炭的等效形成温度。

“这个概念的提出，不仅挑战了以往研究中对燃烧温度的理解，还为准确预测古代木炭的形成温度提供了新的思路。”李刚表示。通过化学光谱数据分析发现，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℃。这个温度就是所谓的“等效温度”，而不是真实的燃烧温度。

然而，研究并没有就此结束。团队还收集了考古遗址中的古木炭进行对比研究。他们发现，考古木炭经过数千年的埋藏后，其化学结构发生了明显的变化。这种变化对古代木炭形成温度的预测产生了严重干扰。

面对这一挑战，李刚和他的团队没有放弃。他们利用先进的深度学习方法，成功减弱了埋藏过程对木炭信号的影响。最终，他们得出了令人振奋的结论：保存于家庭用火场景下的考古木炭，其形成的温度条件与本实验室外燃烧的模拟实验结果一致。

这项研究成果在考古与古环境研究中具有广泛的应用前景。通过准确预测古代木炭的形成温度，考古学者可以更深入地了解古代人类的用火行为和用火技术。同时，木炭中的同位素信号还可以为古代气候环境、森林管理及施肥行为等相关研究提供重要信息参考。

“这不仅有助于准确解读历史遗迹信息，对现代森林火灾研究，以及为碳中和研究中“热解固碳”技术发展也有借鉴意义。”李刚表示，团队正继续研究木材炭化中“碳同位素”信号的变化，以反演古环境。未来，他们将继续深入探索木炭炭化机制，加强与多学科方向学者机构合作，共同挖掘木炭蕴含的历史与环境信息。

相关论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jasrep.2024.104963