木炭特征的层级控制：解释古火代用指标的框架

《Organic Geochemistry》：Hierarchical controls on charcoal signatures: a framework for interpreting paleo-fire proxies

　　

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  热解温度是控制木炭化学和结构转变的主要因素。
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  燃料类型在热改变下仍保留独特的同位素和形态特征。
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  燃烧持续时间对木炭特性产生次要且依赖于背景的影响。
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  层级框架改善了古火代用指标的校准和解释。

引言

木炭是一种富含碳的残留物，产生于生物质在低氧条件下的不完全燃烧或热分解（热解）（Goldberg, 1985; Orvis et al., 2005; Braadbaart and Poole, 2008; Scott, 2010; Bird et al., 2015）。在沉积档案中，它是重建火 regime 和植被–气候相互作用的基本代用指标（Braadbaart and Poole, 2008; Scott, 2010; Knicker, 2011; Krikunova et al., 2024），并有助于更好地理解过去人类–环境关系（Gowlett, 2016; Chazan, 2017）。由于其难分解的特性，木炭可以在沉积物中持久存在百万年（Glaser et al., 1998, Glaser et al., 2002; Masiello and Druffel, 1998; Brodowski et al., 2005a; Scott, 2010）。其丰度、形态和地球化学组成提供了关于燃料类型、燃烧条件和火强度的宝贵见解（Rhodes, 1998; Umbanhowar Jr. and Mcgrath, 1998; Cohen-Ofri et al., 2006; Crawford and Belcher, 2014; Gosling et al., 2019; Vachula et al., 2021）。

尽管其在古生态学研究中长期使用，但控制木炭形成及其沉积后特征的过程仍未得到充分理解。此外，人们 increasingly 认识到，木炭（更广泛地被包含在通常所说的黑碳（BC）或热成因碳（PyC）中）仅代表更广泛的“燃烧连续体”（图 1）的一部分，这是一个热改变碳残留物的光谱，范围从轻度炭化（煨烧）的生物质，到结构保存完好的木炭，再到高度冷凝的烟灰或石墨（Masiello, 2004; Preston and Schmidt, 2006; Poot et al., 2009; Coppola et al., 2022; Xie et al., 2024）。木炭特性不仅取决于燃烧材料类型，还取决于热解条件，如温度、氧气可用性和持续时间（Glaser et al., 1998; Braadbaart and Poole, 2008; Wolf et al., 2013; Miller et al., 2026）。这些参数决定了燃烧过程中发生的芳香族缩合程度、元素组成和同位素分馏，最终影响木炭如何在地质记录中保存（Glaser et al., 1998; Wolf et al., 2013; Bird et al., 2015）。

木炭在古环境重建中的潜力尚未得到充分利用（Scott, 2010），特别是在覆盖超过地球陆地表面三分之一的干旱和半干旱地区，那里的花粉保存通常较差（Wickens, 1998）。木炭的来源和性质可以通过使用既定的分析方法表征其物理和化学特性来推断，包括通过苯多羧酸（BPCA）分析定量黑碳（Glaser et al., 1998; Schneider et al., 2010; Wolf et al., 2013; Vachula et al., 2018），长宽（L/W）长宽比形态测量（Umbanhowar Jr. and Mcgrath, 1998; Feurdean, 2021; Feurdean et al., 2023; Vachula et al., 2024; Kroehling et al., 2026），傅里叶变换红外（FTIR）光谱（Gosling et al., 2019; Constantine et al., 2021; Minatre et al., 2024; Gosling and McMichael, 2025）和稳定同位素分析（Hall et al., 2008; Luo et al., 2022; Rehn et al., 2022）。

木炭形态 increasingly 被视为燃料类型的可靠指标，因为草源木炭的 L/W 比率往往比木质类群更细长（Umbanhowar Jr. and Mcgrath, 1998; Jensen et al., 2007; Crawford and Belcher, 2014; Vachula et al., 2021）。实验研究表明，温度强烈影响木炭产量、结构和稳定性（Keiluweit et al., 2010; Feurdean et al., 2023）；然而，燃料类型和热 regime 之间的相互作用仍未得到充分理解，特别是在 C3 树木和 C4 草本等主要植物功能型之间（Vachula et al., 2021 and references therein）。尽管其潜力以及该领域的最新进展，木炭形态和形态测量对燃烧参数的敏感性仍未得到完全限制，特别是在受控实验室条件下（Feurdean, 2021; Vachula et al., 2021, Vachula et al., 2024; Feurdean et al., 2023; Miller et al., 2026）。由于组织解剖结构、木质素含量和光合作用碳同位素基线的差异，C3 和 C4 植物之间的碳化和结构途径存在显著差异（Czimczik et al., 2002; Tipple and Pagani, 2007; Braadbaart and Poole, 2008; Kawamoto, 2017）。此外，认为细长木炭碎片主要来源于草本植物的普遍假设受到了碳同位素证据的挑战，显示 C3 莎草也可以在不存在 C4 草本植物的情况下产生细长的木炭（Rehn et al., 2022）和新型实验方法（Vachula et al., 2024; Galinger et al., 2025; Kroehling et al., 2026）。

本研究旨在理清温度、持续时间和燃料类型对木炭形成及其化学和物理特征形成的相对贡献。使用两种广泛分布的模式物种，Alnus glutinosa（温带木本双子叶植物，C3 植物）和 Setaria viridis（C4 草本植物），我们在定义的温度和时间间隔下进行了一系列受控热解实验。对生成的木炭进行了黑碳产量和 BPCA 组成、元素和同位素特征以及形态测量参数的分析。通过整合这些多代用指标数据集，我们全面评估了燃烧变量如何塑造木炭特性，并讨论了它们对重建古火活动和植被动态的意义。

章节片段

采样

对于木炭生产实验，新鲜 Alnus glutinosa (L.) Gaertn. (Betulaceae) 和 Setaria viridis (L.) P. Beauv. (Poaceae) 的嫩枝和茎秆于 2024 年 7 月从德国柏林地区的自然环境中采集。这些物种被选为代表温带木本和草本植被类型的模型。A. glutinosa，俗称黑桤木，是一种广泛分布于欧洲温带地区和亚洲部分地区的落叶树，

黑碳生产

总有机碳（TOC）和黑碳含量随着燃烧温度的升高而系统且显著地增加（图 2；补充材料 S0 和 S1）。这一趋势证实了我们热解实验的可重复性，并能够清晰地区分燃烧温度、持续时间和燃料类型对炭化植物材料化学特征的影响。在 200°C 时，处理的植物材料主要表现出脱水及相关物理

结论

我们的实验结果表明，热解温度是木炭在化学、光谱、同位素和形态维度转变的主要驱动力，而燃烧持续时间起着次要和依赖于背景的作用。在测试条件下，在 300°C 时观察到明显的 PyC 形成。这种实验观察到的 PyC 形成起点为解释沉积 PyC 档案提供了有用的参考点，同时认识到它不应

CRediT 作者贡献声明

Bruk Lemma: 写作 - 初稿，可视化，形式分析，概念化。Luzia Beil: 写作 - 审查与编辑，形式分析。Tobias Bromm: 写作 - 审查与编辑，资源。Bruno Glaser: 写作 - 审查与编辑，资源。Mathias Stein: 写作 - 审查与编辑，形式分析。Franziska Kobe: 写作 - 审查与编辑，资源。Markus L. Fischer: 写作 - 审查与编辑。Martin H. Trauth: 写作 - 审查与编辑，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本论文报告的工作。

致谢

作者感谢马丁·路德·哈勒 - 维滕贝格大学（MLU）地球生态学和土壤生物地球化学实验室的技术人员提供的宝贵实验室协助。我们还感谢德国考古研究所（DAI）提供实验所用管式炉的访问权限，并感谢 Antonella Aquaro 在木炭形成过程中给予的大力支持。我们感谢来自 MLU 的学生助手 Antonia Pilz 和 Ryan Pearson 以及 Linda-Helen

Bruk Lemma|Luzia Beil|Tobias Bromm|Bruno Glaser|Mathias Stein|Franziska Kobe|Markus L. Fischer|Martin H. Trauth|William D. Gosling|Verena Foerster|Frank Schaebitz|Pavel E. Tarasov|Stefanie Kaboth-Bahr