模擬壁畫墓葬中的微環(huán)境分析研究

戎 巖，李玉虎

(1．咸陽師范學(xué)院關(guān)中古代陵寢文化研究中心，陜西咸陽 712000;2．陜西師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，歷史文化遺產(chǎn)保護教育部工程中心，陜西西安 710119)

0 引言

墓室壁畫作為中國傳統(tǒng)壁畫的重要一翼，通常壁畫繪制于墓室的四壁、頂部以及甬道兩側(cè)。國際社會對該類文化遺產(chǎn)保護的基本原則是對構(gòu)成遺址的各要素原址一體化保存。中國古代墓室壁畫屬于干壁畫類型，其結(jié)構(gòu)由三部分組成，分別是壁畫的基礎(chǔ)支撐體、顏料層的載體(地仗層或灰泥層)、顏料層。其中任何一部分發(fā)生病變，都會影響壁畫結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。出土墓葬壁畫長期深埋地下，受溫濕度、地質(zhì)環(huán)境、自然災(zāi)害等因素的長期作用與影響。壁畫墓葬易于受到微環(huán)境變化而帶來各種不同的病害。地仗層材料和壁畫顏料在潮濕環(huán)境下強度變低，易產(chǎn)生霉變、開裂、空鼓、起甲、粉化、剝落等病變，且往往受出土壁畫保存狀況、保護技術(shù)水平、現(xiàn)場保存條件等因素所限，原址保存難度較大。因此，對于墓葬壁畫微環(huán)境進行系統(tǒng)研究，為有效調(diào)控微環(huán)境提出合理的對策，以期為墓葬壁畫原址保護提供更多的科學(xué)依據(jù)。

壁畫墓葬受到外界環(huán)境中溫濕度變化、空氣中的有害氣體、光照強度等的影響。墓室壁畫被發(fā)掘出土后，往往會隨著時間的推移產(chǎn)生各種病害，若不加強治理，最終會失去它具有的藝術(shù)價值、歷史價值和科學(xué)價值。在壁畫各種病害中，酥堿病害對壁畫的破壞最為強烈，其后果也最為嚴重。

壁畫墓葬病害均與保存環(huán)境密切相關(guān)。多數(shù)病害的產(chǎn)生、發(fā)展均是在墓室微環(huán)境因素的長期作用下發(fā)生的。溫度波動、干濕周期和風(fēng)速的不斷變化是其根本原因。

雖然國內(nèi)外對于壁畫墓葬的保護修復(fù)已經(jīng)取得了大量科研成果和經(jīng)驗積累，但很多墓葬壁畫仍然存在自然環(huán)境損害、微生物侵蝕以及保護技術(shù)、經(jīng)濟條件的制約，甚至面臨人為破壞的風(fēng)險。尤其是墓葬壁畫的原址保護，始終是文物保護領(lǐng)域的一大難題和亟須解決的重大科研攻關(guān)課題，需要持續(xù)不斷的科學(xué)保護技術(shù)探索和保護理念的創(chuàng)新。為深入系統(tǒng)研究墓葬壁畫微環(huán)境與病害之間的關(guān)系，陜西師范大學(xué)歷史文化遺產(chǎn)保護教育部工程中心于長安校區(qū)模擬坑內(nèi)建立模擬壁畫墓洞，通過對模擬壁畫墓室的保存環(huán)境的監(jiān)測分析，進一步探討墓室壁畫病害與微環(huán)境的關(guān)系，以期為文物保護者提供保護依據(jù)。

1 試驗與方法

1.1 測試儀器及測試條件

HE173型高精度溫濕度記錄儀，溫度精度:±0.5℃，濕度精度:±3%RH(深圳市華圖測控系統(tǒng)有限公司)。

ARN－TSDD電導(dǎo)率記錄儀，外接6路電導(dǎo)率傳感器，測量范圍:0.00～20.00 ms/cm，測量精度:EC±2%，分辨率:0.01 ms/cm(河北奧爾諾電子科技有限公司)。

ARN－TSWC土壤溫度、水分記錄儀，外接6路土壤溫度傳感器，溫度范圍:－30℃ ～70℃，測量精度:±＜0.2℃，溫度分辨率:0.1℃;外接6路土壤水分傳感器，測量范圍:0～100%，測量精度:±3%，測量分辨率:0.1%(河北奧爾諾電子科技有限公司)。

ICS－1500離子色譜儀(美國戴安公司)，Chromeleon 6.8色譜工作站，Dionex IonPacAS19陰離子色譜柱，洗脫液20.0 mmol/L NaOH，流速1.0mL/min。ASRS－ULTRAⅡ電化學(xué)抑制器，進樣體積10 μL。Dionex IonPacCS12A陽離子色譜柱，洗脫液20.0 mmol/L甲烷磺酸，流速1.0 mL/min。CSRS－ULTRAⅡ電化學(xué)抑制器，進樣體積10 μL。

D/Max2550VB+/PC全自動X射線衍射儀(日本理學(xué)公司)，管壓40 kV，管流30 mA;掃描類型:連續(xù)掃描，掃描速度5°/min。

1.2 實驗方法

1)離子色譜對土樣陰、陽離子的測定。土樣經(jīng)105℃烘干、稱重、溶樣、過濾處理，取濾液定容至50 mL容量瓶中待測。

2)X射線粉末衍射(XRD)測定。土樣經(jīng)風(fēng)干、碾磨、過篩處理，取一定量土樣在瑪瑙研缽中研磨后過200目篩，待測。通過對模擬墓室不同層位地仗層樣品進行XRD分析，可以明確土壤中不同深度及高度物相變化的規(guī)律。

3)遺址不同深度溫度、含水率及電導(dǎo)率測定。采用德國Heraeus室內(nèi)防潮型探頭實時監(jiān)測記錄6個不同深度處土壤溫度、含水率以及電導(dǎo)率。傳感器用防潮型節(jié)點無線傳感器與計算機相連，將計算機作為終端接收數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境溫濕度

為真實模擬墓室壁畫的保存環(huán)境，經(jīng)過前期調(diào)研分析，歷史文化遺產(chǎn)保護教育部工程中心在陜西師范大學(xué)土遺址模擬坑內(nèi)富鹽區(qū)，有針對性地建設(shè)模擬壁畫墓洞(圖1)進行科學(xué)研究。模擬墓葬壁畫墓室呈長方形(長約6 m，寬約2 m)，墓室頂部呈拱形，最高處至底部約1.8 m。依據(jù)古代墓葬壁畫制作工藝，采用支撐體(青磚)、地仗層(2 cm草拌泥層)、畫面層(一層薄白灰層上涂顏料層)的構(gòu)建方式，依據(jù)古代壁畫顏料繪制工藝進行壁畫制作。壁畫繪畫顏料采用礦物顏料(朱砂、石青、石綠、鐵棕、雌黃等色)，依據(jù)支撐體、地仗層及顏料層的結(jié)構(gòu)依次進行壁畫制作過程。

通過圖2所示，在陜西師范大學(xué)模擬壁畫墓室的墻壁上分別在距離底面 20、40、60、80、100 和120 cm處插入德國Heraeus室內(nèi)防潮型溫度、含水率、電導(dǎo)率探頭進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測。墓室內(nèi)部監(jiān)測項目包括墓內(nèi)環(huán)境溫濕度、距底部不同高度處土壤溫度、土壤含水率及土壤電導(dǎo)率，通過軟件設(shè)置其數(shù)據(jù)監(jiān)測間隔均為10 min。

壁畫墓葬經(jīng)發(fā)掘后，處于半開放狀態(tài)，墓室溫濕度難以控制，反復(fù)經(jīng)過干濕循環(huán)，易于產(chǎn)生各種病害。若墓室因通風(fēng)后過于干燥，則壁面容易泛堿;若墓門封閉，則因濕度過大而容易誘發(fā)霉菌生長繁殖。在壁畫局部往往出現(xiàn)開裂、剝離、起翹、褪色、粉化等侵蝕。各種病害與其所處的各種環(huán)境因素具有一定的相關(guān)性，通過對模擬墓室環(huán)境的監(jiān)測分析，進一步探討壁畫病害與環(huán)境的關(guān)系(圖3)。

壁畫墓葬內(nèi)土壤處于一種相對開放的耗散體系狀態(tài)，不斷地與外部環(huán)境產(chǎn)生物質(zhì)及能量的交換。非飽和土壤中，空氣易于在其內(nèi)部不斷地流動，并與大氣環(huán)境發(fā)生實時的交換。土壤熱量主要來源于太陽輻射能，其次是土壤微生物分解有機物釋放的能量，地球內(nèi)熱和土壤貯水的潛能等，這些數(shù)量遠遠小于太陽輻射能。土壤熱量的支出主要包括土壤水分蒸發(fā)、加熱土體自身產(chǎn)生的耗散。由于太陽輻射具有明顯的季節(jié)波動規(guī)律，故土壤熱狀況也有明顯的年變化。這些變化除受太陽輻射的影響外，還受一些其他因素的影響，如干濕交替引起的反射率、熱容量和導(dǎo)熱率的變化及這些性質(zhì)隨土層深度的變化等因素。在該體系中，水分的運移會攜帶熱量，溫度的交替變化也會影響水分的運動，土體縱向的水勢梯度及溫度梯度的形成，往往影響其熱量與水分的輸送模式。土壤中的溫度交替變化會影響其內(nèi)部水分的分布，非飽和土壤縱向的溫度梯度驅(qū)動其內(nèi)部水分再次分布;而水分的遷移則對土體的物理性能(特別是土壤導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)和熱容)產(chǎn)生較大的變化，繼而非飽和土壤的溫度將發(fā)生變化。狀態(tài)，全年墓室內(nèi)部濕度較墓室外部均較高;而墓室內(nèi)部溫度在春季、冬季較墓室外部稍高，而夏季、秋季墓室內(nèi)部較外部稍低。

從圖4不難看出，墓室內(nèi)、外溫濕度全年變化趨勢基本一致，說明外部環(huán)境的改變對墓室內(nèi)部微環(huán)境的變化具有一定的影響。且由于墓室處于半封閉

2.2 土壤溫度、含水率變化規(guī)律

從圖5中，模擬墓室縱向距墓底不同高度處探頭溫度與空氣溫度的關(guān)系可看出，不同高度土壤探頭所測溫度同大氣溫度的變化趨勢基本一致，春、夏季呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，秋、冬季呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。春、冬季，土壤溫度普遍高于空氣溫度，由于土壤具有一定的保溫性，隨著土壤埋深深度的增加，土壤溫度呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢。而夏、秋季，土壤溫度普遍低于空氣溫度，由于土壤的導(dǎo)熱性不好，隨著土壤埋深深度的增加，土壤探頭溫度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。因此，距墓底較高處土壤溫度隨季節(jié)的變化幅度要大于較低處土壤，且土壤埋深越深土壤溫度變幅越小。由于墓葬壁畫各層繪畫材料的熱膨脹系數(shù)不同，甚至相差很大，導(dǎo)致體積伸縮和變化速度各異，使壁畫表面開裂。

土壤含水率是影響非飽和土中溶質(zhì)擴散能力的主要因素之一。由圖6中數(shù)據(jù)不難看出，墓室縱向距墓底不同高度處含水率變化趨勢與空氣濕度變化趨勢(圖4)基本一致，夏季含水率相對較高，且土壤埋深深度越深，即距離墓底越近。探頭濕度隨季節(jié)的變化幅度越小;相反，土壤埋深越淺，含水率隨季節(jié)的變化幅度越大。墓葬壁畫環(huán)境中，水分運移會攜帶熱量，溫度交替變化亦會影響水分的運動，土體縱向的水勢及溫度梯度的形成，影響熱量與水分的傳輸狀態(tài)。墓葬土體溫度交替變化會影響其內(nèi)部水分的分布，縱向溫度梯度又會影響內(nèi)部水分分布;而水分的遷移影響土體的物理性能(特別是土壤導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)和熱容)的變化。

土體含水率的動態(tài)變化破壞土體結(jié)構(gòu)，水汽凝結(jié)、降水、毛細水上升、蒸發(fā)等過程，土不斷經(jīng)歷著干濕循環(huán)。土壤在長期的干濕交替變化過程中，土壤團聚體會因為老化、膨脹、收縮和侵蝕等過程明顯地迅速分裂。由于粘合物質(zhì)的溶解或粘合力的減弱以及粘粒的膨脹和彌散等原因，土壤的過度濕潤也會導(dǎo)致土壤團聚體的崩裂。土壤團聚體的不均勻濕潤也會導(dǎo)致其內(nèi)部膨脹壓的分布不均從而引起團聚體的破裂。

2.3 土壤電導(dǎo)率及土壤易溶鹽分析

通過對不同深度處土壤電導(dǎo)率的實時監(jiān)測(圖7)結(jié)果顯示，隨著土壤埋深深度的增加，土壤電導(dǎo)率有升高的趨勢。而隨著季節(jié)的交替，電導(dǎo)率亦發(fā)生有規(guī)律的波動現(xiàn)象。春季至夏季有持續(xù)升高的趨勢，直至夏季達到最高點;秋季至冬季有持續(xù)降低的趨勢。而影響土壤電導(dǎo)率變化的主要因素為土壤含水率和土壤含鹽量，且后者影響程度更大。

對不同深度處土樣進行離子色譜分析，數(shù)據(jù)顯示(圖8)，土壤中陽離子主要有 Na+、Ca2+、Mg2+、K+，陰離子主要有 Cl－、。各種離子隨取樣高度的增加，基本都顯示增加的趨勢，且Na+、Ca2+、離子變化趨勢明顯，增幅較大，通過成鹽計算，表明壁畫土體表面析出鹽分主要以硫酸鈉和硫酸鈣為主，在水分運移帶動下，由毛細管力作用下，鹽分被帶至高處。在不斷的收縮－膨脹的過程中，墓室壁畫極易受到該類鹽害的侵蝕，最終形成酥堿、起甲、脫落等病害。

由圖9可看出，縱向距墓底不同高度處的土樣中含有的陽離子、陰離子在不同高度的變化趨勢與含鹽量在不同高度的變化趨勢基本一致，隨取樣高度的增加，離子濃度有逐漸增大的趨勢，顯示在垂直方向上，存在毛細水由下至上的遷移趨勢，最終在一定層位聚集，隨著外界環(huán)境的交替變化，鹽隨水動，在土體表面結(jié)晶析出，繼而破壞土壤團粒結(jié)構(gòu)?？膳袛?，可溶鹽離子在毛管水的作用下自下而上遷移，Ca2+、Na+、最后在一定高度范圍內(nèi)聚集，并且隨著外界環(huán)境的變化(如干濕循環(huán)、冷熱循環(huán)等)而變化。

根據(jù)不同高度處土樣XRD檢測結(jié)果(圖10～11)，縱向上不同高度土壤所含鹽分主要有CaSO4、CaCl2、Na2SO4，含量均較低。隨著土壤深度的增加，鹽分含量也略有增加。中華人民共和國國家標準GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》中指出，隨著溫度的變化氯鹽的溶解作用較小，保水性較強，能使土體發(fā)生軟化。伴隨外界環(huán)境中溫度的變化，硫酸鹽會發(fā)生膨脹作用，由于硫酸鹽特有的晶體結(jié)構(gòu)，使得它比較趨向于以含結(jié)晶水的比較穩(wěn)定的形式存在。當(dāng)含有結(jié)晶水的硫酸鹽形成鹽晶時，填充在孔隙中，使大空隙變小，小空隙膨脹擠壓相鄰顆粒，則土壤空隙結(jié)構(gòu)遭到破壞。無水芒硝(Na2SO4)結(jié)晶水化變成芒硝(Na2SO4·10H2O)后體積膨脹3.1倍。墓室環(huán)境經(jīng)過反復(fù)的干濕循環(huán)后，結(jié)晶鹽不斷地析出導(dǎo)致土壤體積增大，土壤團粒之間產(chǎn)生機械擠壓作用，使土體團粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，反復(fù)的溶解蒸發(fā)作用促使墓室壁畫表面發(fā)生酥粉等病害。

3 結(jié)論

通過對陜西師范大學(xué)模擬壁畫墓葬微環(huán)境溫濕度、土壤溫度、含水率、電導(dǎo)率等的長期監(jiān)測及易溶鹽分析可得出以下結(jié)論:

1)采用空氣高精度溫濕度記錄儀對模擬墓室空氣溫濕度實時監(jiān)測。結(jié)果表明墓室內(nèi)、外溫濕度全年變化趨勢基本一致，說明外部環(huán)境的改變對墓室內(nèi)部微環(huán)境的變化具有一定的影響。且由于墓室相對處于半封閉狀態(tài)，全年墓室內(nèi)部濕度較墓室外部均較高，而墓室內(nèi)部溫度在春季、冬季較墓室外部稍高，而夏季、秋季墓室內(nèi)部較外部稍低。

2)通過對墓室中距墓底不同高度處土壤的電導(dǎo)率和含鹽量進行測定，表明土壤電導(dǎo)率和含鹽量呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，且隨著距墓底高度的增加，含鹽量增加。采用離子色譜分析距墓底不同高度處土壤含有的無機鹽離子類型和含量。結(jié)果表明隨著距墓底高度的增加，土壤中離子含量逐漸增加。其中Na+、Ca2+、離子含量比較高，增加的幅度也比較大。結(jié)合成鹽計算，表明土壤表面析出鹽分主要以硫酸鈉和硫酸鈣為主。而硫酸鈉和硫酸鈣等在干濕循環(huán)下，不斷的結(jié)晶－膨脹過程是壁畫墓葬產(chǎn)生酥堿等病害的主要原因。