基于低温燃烧法的湖泊沉积物放射性碳定年新方法：提升年代准确性并揭示碳循环过程

《Radiocarbon》：Radiocarbon dating of lake sediment using low-temperature combustion

本文推荐一种改进的湖泊沉积物放射性碳（14C）定年方法。针对传统全样有机碳（TOC）14C年龄常老于真实沉积年龄的问题，研究人员开发了低温（250°C）燃烧分馏技术，利用MICADAS AMS的气体离子源（GIS）分析，通过两组分混合模型计算低温组分年龄。对北极湖泊沉积物的应用表明，该方法可将年龄偏差从TOC的2425年降至932年，与植物大化石年龄更为接近，重现性好（四分位距115年），为建立高分辨率年代格架及理解沉积碳循环提供了实用高效的新方案。

　　

准确测定湖泊沉积物的年龄是重建过去环境和气候变化的基础。放射性碳（¹⁴C）定年是应用最广泛的绝对定年技术之一。然而，沉积物中的全样有机碳（TOC）通常包含来自流域土壤、古老岩石等来源的“老碳”，导致其¹⁴C年龄往往比真实的沉积年龄偏老数百年至数千年。尽管存在这一问题，由于植物大化石等理想定年材料在沉积物中常常稀少，TOC定年仍然是建立湖泊沉积序列年代框架的常用工具。因此，开发一种能够有效减少老碳影响、获得更接近沉积年龄的定年方法，对于提高古环境研究的可靠性和分辨率具有重要意义。

为了应对这一挑战，Darrell S. Kaufman等人发表在《Radiocarbon》上的研究，提出并验证了一种基于低温燃烧原理的、简单实用的湖泊沉积物¹⁴C定年新方法。该方法的核心思想是，利用有机碳（OC）不同组分热稳定性的差异，通过低温加热选择性地去除其中较年轻、易分解的组分，而留下更顽固、通常也更古老的组分，进而通过计算获得代表年轻端元的年龄。

研究人员系统评估了该方法。他们从五个北极湖泊（Eight Mile Lake, Schrader Lake, CF8, Bolshoye Shchuchye, Levinson-Lessing）以及布法罗河沉积物（BRS）标准参考物质中采集了沉积物样品。研究方法的关键在于，将每个沉积物样品分成两份：一份不经过加热（用于测定TOC的¹⁴C年龄和有机碳百分比），另一份在250°C下加热5小时，以去除其中在低温下即可燃烧的有机碳组分。加热后的样品和未加热的样品均经过酸化去除无机碳，然后使用与MICADAS加速器质谱仪联用的元素分析仪（EA-GIS）测定其有机碳含量和¹⁴C含量。最后，通过一个两组分混合模型，利用未加热（TOC）和加热后（>250°C）残留组分的有机碳含量和¹⁴C测量值，计算出低温（<250°C）燃烧组分的¹⁴C年龄。

本研究采用了几项关键的技术方法。首先是低温燃烧预处理，即在250°C下加热沉积物样品5小时以分离有机碳组分。其次是利用与MICADAS加速器质谱仪联用的元素分析仪-气体离子源（EA-GIS）进行碳含量和¹⁴C含量的同步测定，该方法无需石墨化步骤，所需样品量小，且保留了酸溶性有机碳。第三是应用了两组分混合模型来计算低温组分的¹⁴C年龄。此外，研究还使用了布法罗河沉积物（BRS）作为标准参考物质评估方法的重现性，并与从相同层位挑选的植物大化石的¹⁴C年龄进行对比以验证方法的准确性。样本来源于五个北极湖泊的沉积岩芯，涵盖了末次冰消期和全新世的沉积物。

优化加热温度

研究人员首先通过在不同温度（200°C至400°C）下加热沉积物，确定了250°C为最佳燃烧温度。在此温度下，平均约54%的有机碳被燃烧掉，既避免了燃烧过多的年轻碳导致剩余碳量不足，又尽可能排除了最顽固、最古老的高温有机碳组分。实验表明，有机碳在不同温度下的燃烧比例与TOC年龄和沉积年龄（以植物大化石年龄代表）之间的偏移程度密切相关。

重现性 - 布法罗河沉积物

对BRS标准物质进行的重复性测试表明，该方法在一年内多个批次的分析中具有较好的稳定性。未加热（TOC）和250°C加热后组分的有机碳含量及¹⁴C年龄的测量值相对稳定。计算得到的BRS低温（<250°C）组分的¹⁴C年龄为406±279 ¹⁴C yr BP，比其TOC年龄（3248±247 ¹⁴C yr BP）年轻得多，更符合河流底部沉积物预期的沉积年龄（数百年尺度），初步证明了该方法的有效性。

重现性 - 湖泊沉积物TOC和植物大化石放射性碳

对湖泊沉积物TOC和植物大化石的重复样分析表明，两者¹⁴C年龄的成对差值相近，说明批量沉积物测年的重现性与植物大化石测年相当。这反映了沉积物中有机质在样品尺度上存在一定的不均一性。

<250°C年龄与植物大化石和TOC年龄的比较

这是评估方法有效性的核心部分。研究人员将低温燃烧法得到的年龄与植物大化石年龄（视为最接近真实沉积年龄的参考）以及传统TOC年龄进行了系统比较。结果表明，在48个同时拥有三种年龄数据的样品中，低温（<250°C）组分年龄与植物大化石年龄的平均差异（932年）显著小于TOC年龄与植物大化石年龄的平均差异（2425年）。在五个湖泊中的三个（Levinson-Lessing, Schrader, Eight Mile Lakes），低温燃烧法将年龄偏移平均降低了70%（从2922年降至883年）。研究还发现，加热后残留的顽固有机碳比例是预测年龄偏移大小的有效指标。残留比例高的样品，其低温组分年龄与植物大化石年龄的偏移通常也更大。

年龄模型比较：Eight Mile Lake的植物大化石、TOC和<250°C年龄

对Eight Mile Lake湖泊沉积序列的深入分析显示，基于低温（<250°C）组分年龄建立的年代模型，与基于植物大化石年龄建立的模型更为接近，两者之间的差异（156±423 日历年）远小于TOC年龄模型与植物大化石年龄模型之间的差异（731±576 日历年）。这表明低温燃烧法能显著提高沉积物年代框架的准确性。

该研究得出结论，这种基于低温燃烧的简单方法为湖泊沉积物的¹⁴C定年提供了一种实用的改进方案。该方法产生的年龄比传统的TOC定年更接近真实的沉积年龄，其重现性可与植物大化石定年相媲美。方法的准确性可以通过加热后残留有机碳的比例来评估，残留比例低的样品通常能获得更准确的结果。该方法操作相对简单，无需复杂设备，通量高，成本效益好，特别适用于植物大化石稀少的研究场景。此外，该方法还能为了解沉积物中有机碳的组成和周转提供有价值的信息，有助于深化对湖泊碳循环的理解。

讨论部分指出，该方法的局限性在于无法校正由水体硬水效应引入的老碳误差。此外，将低温燃烧年龄整合到沉积物年代建模中仍需进一步探索。未来研究可在更多样的沉积环境中检验该方法，并探索通过初始灼烧失重实验为不同湖泊优化最佳加热温度的可能性。

总之，这项研究开发并严格验证了一种改进的湖泊沉积物放射性碳定年方法。该方法通过低温燃烧有效降低了老碳的影响，显著提高了定年准确性，为古环境研究，特别是在缺乏理想定年材料的地区，提供了更可靠的年代学工具，同时增进了对沉积碳循环过程的认识。