植物覆蓋技術(shù)保護潮濕地區(qū)土遺址探討

孫滿利

(西北大學(xué)文化遺產(chǎn)學(xué)院，陜西西安 710069)

0 引 言

我國古代建筑以土木建筑為主，經(jīng)過長期的人為與自然破壞，大量的木質(zhì)結(jié)構(gòu)缺失，保留下大量的土遺址。我國土遺址數(shù)量眾多，全國重點文物保護單位中大約有土遺址1 000余項，全國各省區(qū)皆有分布，干旱區(qū)土遺址主要病害的保護技術(shù)和方法已逐步成熟，但對潮濕地區(qū)的土遺址保護還缺乏有效解決辦法。對潮濕地區(qū)土遺址表面防風(fēng)化主要有三種思路：建設(shè)保護性設(shè)施，添加覆蓋層及提高遺址表面抗風(fēng)化能力。建設(shè)保護性設(shè)施主要適用于重點部位，通過建設(shè)保護大廳等措施，將野外保存環(huán)境改變?yōu)槭覂?nèi)保存，主要表現(xiàn)為遺址博物館。覆蓋層有軟覆蓋和硬覆蓋，硬覆蓋也有稱犧牲層的概念，在國外也稱作遮蓋層，應(yīng)用較多[1]，在國內(nèi)已開展了研究[2]，在一些工程中已有實施，但對遺址外貌影響較大；軟覆蓋多采用植物保護，也實施了一些保護工程。對于提高遺址表面抗風(fēng)化能力，多采用化學(xué)固結(jié)加固遺址表面，眾多學(xué)者探討了潮濕環(huán)境土遺址表面防風(fēng)化的加固材料，如高模數(shù)硅酸鉀(PS)[3]、硅酸乙酯類[4-5]、以硅酸乙酯為主劑改性如聚有機硅氧烷+硅酸乙酯[6]、有機硅改性丙烯酸樹脂[7]、有機氟硅改性丙烯酸酯[8]、聚硅酸乙酯混合物以及主要成分為水玻璃和硅氧烷共聚物[9]、鈣基液態(tài)水硬性材料[10]、丙烯酸-有機硅-環(huán)氧樹脂三元體系[11]，這些材料的研究，都證明有一定的加固效果，但是由于潮濕環(huán)境一般降雨量較大，土遺址表面受降雨沖刷劇烈，保護效果欠佳。近年來，借鑒水土保護工程的經(jīng)驗，提出了采用植物覆蓋技術(shù)保護潮濕地區(qū)土遺址的概念[12]。在歐洲和美國，采用植物覆蓋遺址頂部的方法已被證明有效[13-15]，國內(nèi)也開始了一些采用植物保護土遺址的基礎(chǔ)研究[16-22]，重點研究了植物對土遺址的影響，提出了植物覆蓋保護技術(shù)的一般要求。在工程實踐中，也逐步實施了采用植物覆蓋技術(shù)保護土遺址的案例，如漢魏洛陽城、漢長安城等，但是由于植物對土遺址的作用存在兩個方面，既有保護作用，也有破壞作用，因此，對植物覆蓋技術(shù)的應(yīng)用還沒有形成共識，仍在討論探索階段，通過對我國潮濕地區(qū)土遺址植被狀態(tài)和已經(jīng)實施植物覆蓋技術(shù)的工程效果的調(diào)查與分析，探討該技術(shù)的可行性。

1 潮濕地區(qū)植物病害的類型與作用

中國氣候按降水量分為干旱、半干旱、半濕潤、濕潤四個類型，其中半濕潤和濕潤地區(qū)指年降水量超過400 mm的地區(qū)，潮濕地區(qū)指的是我國濕潤和半濕潤地區(qū)，即沿大興安嶺—張家口—蘭州—拉薩—喜馬拉雅山脈東端一線以東地區(qū)。在這個區(qū)域，保存有大量土遺址，由于降水量大，土遺址上長有較多的天然植物，植被覆蓋度普遍較大，主要有喬木、灌木、草本植物、苔蘚等。

降雨沖刷是該地區(qū)地面土遺址的主要病害之一，天然植被的存在可以有效緩解降雨沖刷問題。當(dāng)然，植物對土遺址也有副作用，如根劈作用及使遺址土體風(fēng)化疏松的土壤化(富含有機質(zhì)形成土壤)等作用。

土遺址表面的喬木種類較多，一般和當(dāng)?shù)靥烊晃锓N一致。對于墓葬封土而言，主要防止封土的水土流失，由于植物根系的固結(jié)作用，植被可以有效防止水土流失，減少了降雨對土遺址的沖刷，同時喬木具有深根錨固作用，也能有效防止封土的滑坡與坍塌，一般有利于封土的保存。我國許多潮濕地區(qū)墓葬封土上都種植或生長有茂盛的喬木，如陜西秦始皇陵、漢武帝陵、湖北紀(jì)南墓地等。但是對于近直立的許多城墻遺址、長城墻體，喬木的存在卻加速了遺址表層的土壤化過程，而且喬木根系往往沿裂隙生長，由于植物的根劈作用(圖1和圖2)，大部對遺址穩(wěn)定不利，也對墻體的風(fēng)貌造成不利影響。

圖1 陜西西安漢長安城城墻

圖2 河北燕下都遺址城墻

土遺址上的灌木分布較多，在降雨量大的地區(qū)，常和喬木共生，灌木的根系一般固土能力高于喬木，防止降雨沖蝕的能力更強；但同時，灌木一般比較雜亂，遺址景觀效果欠佳，而且現(xiàn)有灌木一般根系深，對遺址的土壤化作用深度大。墓葬類土遺址由于土的密度相對較小，一般遺址表面土壤化深度較大，因此，灌木的主要影響是景觀效果(圖3)；而墻體類遺址由于密度相對較大，遺址比較直立，遺址頂面殘留風(fēng)化層較薄，根系較深的灌木持續(xù)對遺址頂面土壤化，同時，雜亂的灌木景觀效果不好(圖4和圖5)；尤其是當(dāng)植物沿裂隙生長時對遺址的破壞作用更為明顯(圖6和圖7)。

圖3 漢陽陵帝陵封土天然植被(灌木與草本植物)

圖4 湖北紀(jì)南城城墻天然植被(雜亂的灌木)

圖5 陜西韓城魏長城(雜亂的灌木)

圖6 河南洛陽漢魏洛陽故城城墻(沿裂隙生長的灌木)

圖7 內(nèi)蒙古遼上京遺址城墻(沿裂隙生長的灌木)

草本植物有較好的保護效果(圖8、圖9和圖10)。草本植物一般根系淺而密，須根數(shù)量多，而且主要分布在遺址表層50 cm，潮濕地區(qū)土遺址表面土壤化深度一般都大于50 cm，因此，對土遺址的破壞程度相對較低而防止降雨沖刷能力較強。草本植物一般比較密集，覆蓋度大，是較好的水土保持植物，同時，草本植物相對比較低矮，對遺址的景觀影響也較小。值得討論的是，植被的覆蓋度對遺址保護作用的影響較大，當(dāng)覆蓋度較小時，植物對遺址的不利影響超過有利作用，這一點在實施時應(yīng)該科學(xué)研究。

圖8 陜西榆林明長城墻體(遺址頂部草本植物)

圖9 內(nèi)蒙古應(yīng)昌路遺址(遺址頂部草本植物)

圖10 內(nèi)蒙古遼上京遺址城墻(遺址頂部草本植物)

對一些近直立或較陡立的遺址，立面一般喬木、灌木、草本植物難以生長，但往往陡立墻面生長有較多的苔蘚類植物(圖11)。苔蘚類植物在遺址表面形成一個保護層，有效防止降雨沖刷，但是也存在整片掉落的問題，這一點應(yīng)在未來使用時通過科學(xué)定量評估，確定其有利和不利兩個方面的作用。

圖11 陜西明長城款貢城城墻(黑色斑塊為苔蘚植物)

2 植物覆蓋技術(shù)的應(yīng)用分析

植物對遺址的作用有兩方面——既有保護作用，也有破壞作用。采用植物覆蓋技術(shù)保護遺址，關(guān)鍵是如何科學(xué)、合理評估植物的兩方面作用，盡量保持和強化有利作用，減少不利影響。對干旱地區(qū)土遺址而言，由于一般植被覆蓋度不夠，難以起到有效保護作用，植物的破壞作用大于保護作用，不宜采用植物覆蓋技術(shù)保護土遺址；但是對于潮濕地區(qū)土遺址，一般土遺址表面本身就生長有較多的天然植被，保護和破壞兩方面的作用效果就需要根據(jù)遺址的保存狀況合理評估。植物的保護作用主要從防止降水沖蝕的角度分析判斷，而破壞作用主要從是否加大遺址風(fēng)化角度分析。

對于潮濕地區(qū)墓葬封土遺址，主要問題是防止降雨對封土的沖刷、封土的滑坡和坍塌以及封土的景觀效果。對于大型封土遺址，可采用喬木予以保護。喬木根粗而深，具有深根錨固作用，能提高土體穩(wěn)定性，防止土遺址滑塌。在降雨量大的地區(qū)，土遺址表面的沖刷問題也不能忽視，因此，也可采用喬木結(jié)合低矮草本植物予以保護。草本植物根系一般較淺、根系細而密，根系在土壤表層形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在地表20 mm深度范圍形成加筋整體[23]，提高土壤表層的抗剪強度[24]，草本植物對土壤抗剪強度的提高值是樹木的2～3倍[25]，草的根系增強了土體的抗沖刷性能[26-27]，土體的抗崩解性能也明顯提高[28-29]，草本植物可以有效防止降雨對封土的沖刷作用。植被的景觀效果也是采用植物覆蓋技術(shù)需要考慮的問題，可選用天然植被的優(yōu)勢物種并經(jīng)合理規(guī)整，避免雜亂無序的狀態(tài)。封土遺址的喬木選擇，應(yīng)考慮文化風(fēng)俗的影響，不宜選擇和墓葬不匹配植物，也可以選用具有經(jīng)濟價值植物，如秦始皇帝陵封土上部種植有石榴樹。采用喬木保護封土已有工程案例，漢武帝陵封土采用人工種植喬木予以保護，但是由于喬木一般間距比較大，降雨引起的地面流水仍然會對封土表面產(chǎn)生較大的沖刷，未來可以考慮地面配以草本植物。對小型墓葬封土，由于封土規(guī)模小，高度比較低，一般不應(yīng)采用喬木進行保護，可直接采用草本植物保護封土，張騫墓封土和陜西勉縣武侯祠武侯墓封土、湖南老司城遺址墓葬封土都采用該方法予以保護(圖12)，目前來看，達到了保護效果。采用草本植物保護小型墓葬封土，物種的選擇要考慮植物的季節(jié)變化，有些物種由于冬季枯萎，景觀效果降低(圖13)。草本植物的選擇還要考慮后期養(yǎng)護條件，如灌溉、施肥等措施都可以加大對遺址的破壞，應(yīng)盡量選擇耐干旱、耐貧瘠的植物。

圖12 陜西漢中張騫墓封土(草本植物覆蓋)

圖13 湖南老司城墓葬遺址封土(草本植物覆蓋)

對于城墻遺址而言，潮濕地區(qū)城墻遺址大部分由于長期降雨沖刷斷面已成圓弧狀，墻體頂面坡度小，整體穩(wěn)定性好，不易坍塌，墻體表面長有茂盛的植物，表面土壤化層厚度較薄，由于喬木根比較深，加大下部土遺址的風(fēng)化，不宜采用喬木保護，而草本植物根系向下生長深度一般為0.75～1.5 m，90%的根數(shù)分布在0～30 cm的土層內(nèi)[30-31]，可優(yōu)先選擇草本植物予以保護，如湖北紀(jì)南城部分城墻(圖14)。草本植物應(yīng)盡量選擇當(dāng)?shù)貎?yōu)勢植物，并且植物有耐旱、耐堿、耐貧瘠，不宜選擇根莖經(jīng)濟價值高的植物，防止人為挖掘?qū)е逻z址破壞，也可選擇部分有經(jīng)濟價值植物或花卉類植物，兼顧經(jīng)濟、觀賞和景觀效果。實踐中，由于潮濕地區(qū)易生雜草，雜草往往長勢優(yōu)于所選草種，因此需要定期維護割草，保持植物高度在30 cm以內(nèi)，景觀效果較好。如果遺址表面土壤化層相對較厚，也可采用灌木保護，常用護坡灌木的根系主要也分布在表層70 cm以內(nèi)[32-34]，山東魯國故城城墻表面種植了金銀花(圖15)，已成為當(dāng)?shù)仄放凭坝^。

圖14 紀(jì)南城城墻(草本植物覆蓋)

圖15 山東魯國故城城墻(金銀花覆蓋)

對于直立或較陡立的墻體立面，不應(yīng)采用喬木、灌木和草本植物，主要是這幾類植物不易生長，沒有種植空間，可考慮采用藤類植物，這方面還沒有工程實踐，但在一些遺址的邊坡工程中有應(yīng)用(圖16)，也取得較好的防護效果。采用苔蘚類植物保護直立墻體立面，目前還沒有工程嘗試，也沒有開展這方面研究，其應(yīng)用類型還有待進一步研究。

圖16 湖南里耶遺址邊坡植物護坡(藤類植物覆蓋)

從以往的工程實踐來看，采用植物覆蓋技術(shù)保護潮濕地區(qū)土遺址還有許多技術(shù)問題需要探索。植物覆蓋技術(shù)適應(yīng)性缺乏試驗研究，部分已實施工程由于植物物種選擇、養(yǎng)護問題等造成種植植物成活率不高，影響保護效果。植物物種選擇首先要考慮遺址的保存狀態(tài)和植被狀態(tài)；其次考慮遺址風(fēng)化程度、遺址表面土壤化深度；第三要考慮環(huán)境條件如降雨量大小；第四需要考慮土壤營養(yǎng)元素和景觀效果。有幾條原則應(yīng)該堅持：1)遺址應(yīng)該天然生長有較多植物；2)應(yīng)充分考慮植被對遺址的不利作用；3)在沒有其他更為有效方法基礎(chǔ)上可以采用。

3 結(jié) 論

潮濕地區(qū)土遺址表面一般土壤化比較嚴(yán)重，遺址表面普遍生長有茂盛的植被，植物對土遺址有兩方面作用：既有有利作用，也有不利作用。充分發(fā)揮植物對遺址的保護作用，減少不利影響，論證了喬木、灌木、草本植物、苔蘚等對遺址的影響，認(rèn)為植物覆蓋技術(shù)保護遺址十分必要且可行。針對封土、墻體等不同遺址提出了植物類型的選擇原則，充分考慮遺址風(fēng)化程度和保存狀態(tài)，選用適合植物物種實施植物覆蓋技術(shù)，可以有效保護潮濕地區(qū)土遺址；植物物種選擇應(yīng)首選當(dāng)?shù)剡m宜優(yōu)勢物種，應(yīng)充分評估植物對土遺址的不利影響。未來應(yīng)加強土遺址表面植物的種植技術(shù)與方法研究，對植物的保護效果進行定量化評估，為該技術(shù)的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。