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兰州大学科研团队在木材炭化过程的基础研究方面取得新进展

2022-06-16

木炭(charcoal)是植物不完全燃烧的产物,由于其稳定的化学性质从而广泛保存在地质沉积和人类文化遗迹中。木炭所记录的环境和种属信息也成为古生物演化、古环境演变,以及古人类活动等多领域研究的重要载体。然而,由于缺乏系统定量的现生实验,以及与沉积物中木炭的对比研究,使得对木材炭化过程的理解,以及木炭所蕴含古环境信息的解译等方面仍存在较大不确定性。

针对上述问题,兰州大学新莆京3969、西部教育部重点实验室环境考古研究团队针对青藏高原东北部地区开展了两个典型树种(油松和云杉)的木材炭化模拟控制实验,并通过颜色、质量损失、反射率、碳氮氧元素含量、木材微观结构、管胞壁厚度与管胞腔面积等一系列理化指标定量化分析了木材炭化过程。研究结果表明,木材炭化过程中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(图1)。其中,反射率和管胞壁厚度两个指标结合能很好反映木炭的形成温度。据此对青藏高原东北部多个考古遗址中发掘木炭的关键理化指标进行对比验证,并得出考古木炭形成温度应集中在400-500℃。最后,通过对不同学科视角下对木炭定义的梳理并结合本研究结果,对自然“木炭”的普适特征进行了概括:木炭是与火相关的植物不完全燃烧的热解产物,性状为黑色惰性固体且易保存于地层和岩石中,并且大块炭屑保存了微观解剖特征。而自然界中的炭化过程是指木材在一定温度(>~350℃)下燃烧中断或者隔氧闷烧产生,并逐步转化为解剖结构完整的黑色惰性固体的过程。同时文章也提出了燃烧产生木炭的模式图(图2)

该研究首次综合了多种理化指标对木材炭化过程进行定量化的研究,并提出了可以恢复考古木炭形成温度的“反射率-管胞壁厚度”双重指标。现生控制实验设计与研究方法的探索为木材炭化过程研究提供了新的思路,多指标定量化的研究也为探索木炭稳定同位素在古气候、古环境与古人类等领域的研究应用奠定了重要基础。目前该研究以“Quantitative studies on charcoalification: Physical and chemical changes of charring wood”为题在线发表在国家自然科学基金委组织的刊物Fundamental Research上。兰州大学新莆京3969硕士研究生李刚为论文第一作者,高琳琳副研究员和董广辉教授为共同通讯作者。该论文由国家自然科学基金(No.41825001,No.41991251)和第二次青藏高原科学考察与研究计划项目(STEP) (No. 2019qzkk0601)共同资助。

文章连接:https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.05.014

图1木材炭化过程中各指标变化

图2木材燃烧形成木炭示意图