莫高窟關(guān)閉洞窟溫濕度變化分析研究

牟銳　李榮華　高文強(qiáng)　薛平

摘 要：為了解莫高窟不同層位關(guān)閉洞窟微環(huán)境變化規(guī)律，在巖體垂直立面上選擇形制、大小相似的關(guān)閉洞窟分析各層位溫濕度變化特征。結(jié)果表明，不同層位關(guān)閉洞窟受圍護(hù)結(jié)構(gòu)阻隔作用，相比外界環(huán)境高頻率、大幅度波動(dòng)變化，洞窟溫度年變化平穩(wěn)，從下至上，溫度逐漸升高，波動(dòng)幅度依次增大，相對(duì)濕度正好呈相反變化。各層位關(guān)閉洞窟溫度對(duì)降雨響應(yīng)變化不明顯，相對(duì)濕度受降雨影響顯著，時(shí)間上均表現(xiàn)出滯后效應(yīng)，降雨集中月份，濕度波動(dòng)幅度最大。從空間上看，莫高窟中、上層關(guān)閉洞窟常年濕度集中，波動(dòng)區(qū)間窄，底層洞窟濕度分散，在降水偏多年份，高濕度（>60%）出現(xiàn)頻次增多，存在激活鹽害的風(fēng)險(xiǎn)。該研究有助于豐富莫高窟微環(huán)境研究，為進(jìn)一步完善莫高窟預(yù)防性保護(hù)監(jiān)測(cè)體系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：莫高窟；微環(huán)境；溫濕度；變化特征

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.03.007

0 前言

隨著文物保護(hù)理念的深入與科技的發(fā)展，世界文化遺產(chǎn)莫高窟已從20世紀(jì)40年代的看守階段進(jìn)入21世紀(jì)的預(yù)防性保護(hù)。預(yù)防性保護(hù)的核心是通過(guò)環(huán)境控制來(lái)延緩文物本體的破壞速率①。引起文物退化的環(huán)境因素很多，包括溫度、相對(duì)濕度、顆粒污染物以及光照等。其中，溫濕度是最基本也是關(guān)注最多的兩項(xiàng)要素②。文物的老化與消亡雖然是不可逆轉(zhuǎn)的自然規(guī)律，但是通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果改善文物的保存環(huán)境質(zhì)量可以延緩文物的老化速率，延長(zhǎng)文物的保存時(shí)間，而監(jiān)測(cè)、評(píng)估文物保存環(huán)境中的溫濕度是預(yù)防性保護(hù)的一項(xiàng)重要工作③。

莫高窟現(xiàn)存石窟數(shù)量眾多，大小形制各異，位置、形制、有無(wú)窟門等不同造成洞窟微環(huán)境差異，導(dǎo)致壁畫彩塑病害類型也不盡相同。壁畫彩塑顏料層中的礦物顏料、有機(jī)膠結(jié)材料長(zhǎng)時(shí)間受溫濕度、微生物等自然環(huán)境作用，很容易老化形成多種嚴(yán)重病害④。在莫高窟492個(gè)有壁畫的洞窟中，絕大多數(shù)都存在著壁畫酥堿、起甲、空鼓、裂隙、煙熏、霉變等多種病害⑤，造成大多數(shù)病害的主要因素是壁畫地仗內(nèi)的可溶鹽和水分⑥。可溶性鹽廣泛存在于莫高窟圍巖與地仗層中，其含量與壁畫劣化程度密切相關(guān)⑦。洞窟空氣中的水分主要來(lái)自大氣環(huán)境，環(huán)境溫濕度的變化引起地仗內(nèi)部水和鹽相互作用，造成地仗層可溶鹽反復(fù)溶解、結(jié)晶變化，長(zhǎng)期作用導(dǎo)致壁畫產(chǎn)生酥堿、起甲等病害，對(duì)壁畫材料的劣化影響很大⑧。本文通過(guò)不同層位石窟環(huán)境的比較分析，為進(jìn)一步豐富莫高窟微環(huán)境研究與完善莫高窟預(yù)防性保護(hù)監(jiān)測(cè)體系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 監(jiān)測(cè)洞窟概況

莫高窟開鑿在敦煌市東南25km的鳴沙山東麓砂礫巖崖體上，崖體高約40m，現(xiàn)存洞窟735個(gè)，壁畫45000m2，彩塑2000多身，洞窟呈蜂窩狀分布于崖面上，從下至上分布成四層，以一、二層分布最多。莫高窟地處沙漠戈壁腹地，海拔約1300m，年平均溫度約10℃，相對(duì)濕度約32%，年降雨量約23mm，多年蒸發(fā)量達(dá)4300mm，為降水量的180多倍，具有冬冷夏熱、晝夜溫差大、風(fēng)沙活動(dòng)頻繁、降水量稀少、蒸發(fā)量大的大陸性沙漠氣候特點(diǎn)⑨。

本文選擇莫高窟九層樓南側(cè)垂直立面上一層第97窟、二層第215窟、三層第207窟3個(gè)關(guān)閉洞窟為監(jiān)測(cè)對(duì)象（圖1）。三個(gè)洞窟均開鑿于唐代，幾何形狀相似，為覆斗形頂，西壁開一佛龕，龕內(nèi)塑有佛、菩薩像，東壁安裝鋁合金門，門上方有紗網(wǎng)可通風(fēng)換氣。第97、215、207窟均屬莫高窟小型洞窟，大小接近，洞窟主室占地面積分別為8.7m2、8.9m2、8.4m2。采用美國(guó)Onset公司生產(chǎn)的HOBO溫濕度記錄儀，設(shè)定每15min采集一次數(shù)據(jù)，在西壁龕臺(tái)各布設(shè)一枚溫濕度記錄儀，監(jiān)測(cè)2022年1月1日至2022年12月31日溫濕度，結(jié)合莫高窟72窟前全自動(dòng)氣象站2022年區(qū)域氣候數(shù)據(jù)，對(duì)比分析不同層位關(guān)閉洞窟微環(huán)境變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同層位關(guān)閉洞窟年變化規(guī)律

①溫度年變化。圖2為區(qū)域大環(huán)境和不同層位關(guān)閉洞窟逐日溫度變化曲線，從圖2中可以看出各層位洞窟年溫度變化趨勢(shì)一致，均隨外界環(huán)境季節(jié)性起伏波動(dòng)。相比外界環(huán)境大幅度劇烈起伏變化，關(guān)閉洞窟由于受圍護(hù)結(jié)構(gòu)阻隔作用，溫度年波動(dòng)變化平穩(wěn)。從層位上看，上層洞窟（第207窟）更容易受外界環(huán)境影響，波動(dòng)幅度較大，具體表現(xiàn)為夏季升溫快、溫度最高，冬季降溫幅度大、溫度最低，其次是中層洞窟（第215窟），溫度變化幅度最小的是底層洞窟（第97窟）。從下到上，3個(gè)洞窟溫度年變化范圍依次為1.6～23.5℃、-1.4～23.5℃、-0.7～27.2℃，年溫差分別為21.9℃、24.9℃、27.9℃。大環(huán)境溫度波動(dòng)范圍在-14.1～36.5℃，年溫差達(dá)50.6℃。

②相對(duì)濕度年變化。圖3和圖4為區(qū)域大環(huán)境和關(guān)閉洞窟相對(duì)濕度及年降雨變化曲線，從中可以看出各層位洞窟相對(duì)濕度變化主要受外界環(huán)境影響，變化趨勢(shì)與外環(huán)境一致。圖3顯示，外界環(huán)境濕度波動(dòng)幅度劇烈，高濕度峰值主要出現(xiàn)在降雨和冬季低溫天氣。全年濕度波動(dòng)在0.8%～99.4%，濕度差高達(dá)98.6%。由圖3和圖4可知，關(guān)閉洞窟相對(duì)濕度波動(dòng)頻率和變化幅度遠(yuǎn)小于外環(huán)境，高濕度峰值主要出現(xiàn)在降雨階段，由于洞窟門常年關(guān)閉，冬季低溫對(duì)濕度影響不明顯。從下到上，相對(duì)濕度變化與溫度變化呈相反規(guī)律，3個(gè)洞窟相對(duì)濕度年變化范圍依次為8.2%～60.2%、13.6%～53.6%、13.4%～46.4%，年濕度差分別為52%、40%、33%?？梢姡诙纯叽笮?、形制、開放狀態(tài)相似的情況下，溫度是影響不同層位洞窟相對(duì)濕度差異的主要因素。

2.2 不同層位關(guān)閉洞窟月均溫濕度統(tǒng)計(jì)

①月均溫度。對(duì)2022年外環(huán)境和各層位關(guān)閉洞窟溫度月均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表1），結(jié)果顯示，外環(huán)境溫度7月最高27.5℃，12月最低-6.9℃，冬季（12～2月）溫度在0℃以下長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月，表明圍巖體發(fā)生凍融現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。關(guān)閉洞窟最高和最低溫度均滯后窟外1個(gè)月，8月溫度最高，1月溫度最低，月均溫度均在0℃以上。從下到上，月均最高溫度呈遞增趨勢(shì)，最低溫度逐漸遞減，最高溫和最低溫依次為21.7℃、22.7℃、25.4℃和3.6℃、0.8℃、0.9℃。7～9月洞窟溫度最高，均在20℃以上，在此期間溫度分布明顯集中，波動(dòng)小，溫度標(biāo)準(zhǔn)差為全年最小，在0.3～0.6℃。從整體來(lái)看，底層洞窟月溫度分布相對(duì)集中，越往上，溫度分布越分散。

②月均相對(duì)濕度。對(duì)2022年外環(huán)境和不同層位關(guān)閉洞窟相對(duì)濕度月均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表2），結(jié)果顯示，氣溫最低的12月，外環(huán)境相對(duì)濕度月均值最高，為38.9%，氣溫回升多風(fēng)沙的4月濕度最低，為17.9%。夏季洞窟內(nèi)空氣溫度較巖體溫度高，溫度梯度的存在，使巖體緩慢向洞窟釋放水汽，由于窟門關(guān)閉，空氣交換率低，使得窟內(nèi)濕度明顯高于窟外，溫度最高的8月，洞窟相對(duì)濕度月均值最大。2022年莫高窟地區(qū)降水量少，年降水量?jī)H13.3mm，且主要集中在3月（8.8mm），受外界濕度影響，3月洞窟相對(duì)濕度明顯較高（>30%）。在集中降雨影響下，3月份窟內(nèi)外濕度分布最分散，波動(dòng)最大。與溫度分布規(guī)律相反，從上往下，洞窟濕度分布越分散。

2.3 不同層位關(guān)閉洞窟對(duì)降雨的響應(yīng)

敦煌地區(qū)干旱少雨，年際間降水量差異大，月間分布不均勻。2022年莫高窟地區(qū)僅降水13.3mm，發(fā)生降雨只有12d。較大強(qiáng)度降雨主要出現(xiàn)在3月和7月。3月24、25日連續(xù)兩天出現(xiàn)降雨，累計(jì)降雨時(shí)長(zhǎng)6h，共降雨8.5mm，最大降雨強(qiáng)度出現(xiàn)在25日，為2.8mm/h。7月20、21日連續(xù)兩天降雨累計(jì)時(shí)長(zhǎng)2h，總降雨3mm，最大降雨強(qiáng)度出現(xiàn)在20日，為2.3mm/h。僅4天降雨占到全年總降水量的86.5%。

圖5為3月和7月降雨前后溫濕度變化曲線圖。從中可以看出發(fā)生降雨時(shí)，外界環(huán)境相對(duì)濕度迅速上升，氣溫也相應(yīng)下降。較大降雨情況下，空氣相對(duì)濕度會(huì)很快升至90%以上。圖5（上）顯示，3月24、25日因發(fā)生連續(xù)降雨，降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，致使外界環(huán)境長(zhǎng)時(shí)段維持高濕度水平，99%以上濕度長(zhǎng)達(dá)10個(gè)多小時(shí)（2022年3月24日21：00至3月25日7：30）。相比3月份連續(xù)降雨，7月19、20日降雨時(shí)間短，為間歇性降雨，外環(huán)境濕度波動(dòng)幅度大，降雨峰值出現(xiàn)在降雨時(shí)段，高濕度（>90%）持續(xù)時(shí)間短。

由圖5所示，各層位關(guān)閉洞窟溫度對(duì)降雨響應(yīng)差異不明顯，降雨前后溫度基本保持平穩(wěn)。降雨發(fā)生后，隨著外界環(huán)境相對(duì)濕度迅速升高，洞窟間濕度變化步調(diào)基本一致，較窟外延遲2h后均開始緩慢上升，上升幅度相差不大，最大增幅約10%。降雨結(jié)束后，外界濕度迅速下降，相對(duì)濕度恢復(fù)至降雨前初始水平時(shí)間短，各層位洞窟濕度變化均表現(xiàn)出滯后效應(yīng)，時(shí)間滯后上差異變化不明顯，約12h后濕度均開始緩慢下降，恢復(fù)至初始水平所需時(shí)間長(zhǎng)，相比之下，上層洞窟比下層洞窟下降幅度較大，恢復(fù)所需時(shí)間略短。

2.4 不同層位相對(duì)濕度日極大值分布特征

對(duì)垂直立面上3個(gè)洞窟的相對(duì)濕度日極大值統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)（圖6～圖8），不同層位關(guān)閉洞窟相對(duì)濕度日極大值月頻次分布存在差異。降水偏少年份，底層洞窟（97窟）相對(duì)濕度超過(guò)60%頻次很少，2022年僅出現(xiàn)1次，中、上層洞窟相對(duì)濕度均在60%以下，且一年中約一半時(shí)間相對(duì)濕度基本穩(wěn)定在20%～30%，相比之下底層洞窟相對(duì)濕度波動(dòng)幅度相對(duì)較大，濕度區(qū)間分布較廣。

2019年莫高窟降水屬偏多年份，全年降水67mm，以6、7月降雨為主，降水占比66.7%。統(tǒng)計(jì)該立面3個(gè)洞窟相對(duì)濕度日極大值出現(xiàn)頻次后發(fā)現(xiàn)，相比降水偏少的2022年，下層洞窟相對(duì)濕度超過(guò)60%的頻次增多，即洞窟處于高濕度的時(shí)間變長(zhǎng)，中、上層濕度均無(wú)超過(guò)60%現(xiàn)象。這表明在同一立面的關(guān)閉洞窟中，中、上層洞窟較底層洞窟高濕度出現(xiàn)頻率低，相對(duì)濕度小，更穩(wěn)定，更有利于壁畫的保存。

3 結(jié)論

通過(guò)監(jiān)測(cè)分析，莫高窟不同層位關(guān)閉洞窟溫濕變化存在一定差異，外界大氣環(huán)境溫濕度及降雨變化直接影響洞窟微環(huán)境。

①不同層位關(guān)閉洞窟受圍護(hù)結(jié)構(gòu)阻隔作用，相比外界環(huán)境高頻率、大幅度波動(dòng)變化，窟內(nèi)溫度年變化平穩(wěn)，從下至上，洞窟溫度逐漸升高，波動(dòng)幅度依次增大，相對(duì)濕度正好呈相反變化規(guī)律，隨著層位增加，濕度降低，波動(dòng)幅度逐漸減小。

②外界環(huán)境在冬季低溫天氣月均相對(duì)濕度最大，洞窟濕度則不同。由于夏季洞窟空氣和巖體間存在較大溫度差，在溫差驅(qū)動(dòng)作用下巖體內(nèi)部水汽向窟內(nèi)蒸發(fā)遷移，使得窟內(nèi)相對(duì)濕度在溫度最高的8月濕度也最高。

③各層位關(guān)閉洞窟溫度對(duì)降雨響應(yīng)變化不明顯，相對(duì)濕度受降雨影響顯著，時(shí)間上均表現(xiàn)出滯后效應(yīng)，洞窟間滯后特征差異不明顯，降雨后濕度恢復(fù)至初始水平比窟外時(shí)間長(zhǎng)，且上層洞窟比下層洞窟恢復(fù)所需時(shí)間略短。

④整體來(lái)看，莫高窟中、上層關(guān)閉洞窟常年濕度集中，波動(dòng)范圍窄，底層洞窟濕度分散，波動(dòng)范圍寬，在降水偏多年份，高濕度（>60%）出現(xiàn)頻次增多，存在激活鹽害的風(fēng)險(xiǎn)。

注釋

①?gòu)垇喰瘢谧谌?，崔?qiáng)，等.敦煌莫高窟第196窟內(nèi)外環(huán)境溫濕度相關(guān)性研究[J].中國(guó)文物科學(xué)研究，2022（2）：19-25.

②徐方圓，解玉林，吳來(lái)明.文物保存環(huán)境中溫濕度研究[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2009（S1）：69-75.

③徐方圓，吳來(lái)明，解玉林，等.文物保存環(huán)境中溫濕度評(píng)估方法研究[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2012（S1）：6-12.

④文娟，牛賀強(qiáng)，吳春勇.武威西夏博物館壁畫彩塑文物庫(kù)房溫濕度監(jiān)測(cè)及分析[J].天水師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2020（5）：81-84.

⑤陳港泉，李燕飛，劉瑞，等.莫高窟壁畫皰疹病害調(diào)查研究[J].敦煌研究，2016（3）：110-116.

⑥陳港泉，蘇伯民，趙林毅，等.莫高窟第85窟壁畫地仗酥堿模擬試驗(yàn)[J].敦煌研究，2005（4）：62-66.

⑦陳港泉，于宗仁.莫高窟第351窟壁畫皰疹和壁畫地仗可溶鹽分析[J].敦煌研究，2008（6）：39-45；郭青林，王旭東，薛平，等.敦煌莫高窟底層洞窟巖體內(nèi)水汽與鹽分空間分布及其關(guān)系研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009（S2）：3769-3775；王錦芳，嚴(yán)耿升，楊善龍.莫高窟崖體可溶鹽分布特征研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010（6）：116-120.

⑧姜嘯，張虎元，嚴(yán)耿升，等.濕度對(duì)鹽溶液在壁畫地仗中的毛細(xì)遷移影響研究[J].巖土力學(xué)，2014（2）：459-465.

⑨汪萬(wàn)福，王濤，張偉民，等.敦煌莫高窟風(fēng)沙危害綜合防護(hù)體系設(shè)計(jì)研究[J].干旱區(qū)地理，2005（5）：614-620.