戎 巖，李玉虎

(1．咸陽(yáng)師范學(xué)院關(guān)中古代陵寢文化研究中心，陜西咸陽(yáng) 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(hù)教育部工程中心，陜西西安 710119)

0 引言

墓室壁畫作為中國(guó)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(guó)際社會(huì)對(duì)該類文化遺產(chǎn)保護(hù)的基本原則是對(duì)構(gòu)成遺址的各要素原址一體化保存。中國(guó)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(huì)影響壁畫結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。出土墓葬壁畫長(zhǎng)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(zhǎng)期作用與影響。壁畫墓葬易于受到微環(huán)境變化而帶來(lái)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(qiáng)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(hù)技術(shù)水平、現(xiàn)場(chǎng)保存條件等因素所限，原址保存難度較大。因此，對(duì)于墓葬壁畫微環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)研究，為有效調(diào)控微環(huán)境提出合理的對(duì)策，以期為墓葬壁畫原址保護(hù)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(qiáng)度等的影響。墓室壁畫被發(fā)掘出土后，往往會(huì)隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生各種病害，若不加強(qiáng)治理，最終會(huì)失去它具有的藝術(shù)價(jià)值、歷史價(jià)值和科學(xué)價(jià)值。在壁畫各種病害中，酥堿病害對(duì)壁畫的破壞最為強(qiáng)烈，其后果也最為嚴(yán)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(zhǎng)期作用下發(fā)生的。溫度波動(dòng)、干濕周期和風(fēng)速的不斷變化是其根本原因。

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)于壁畫墓葬的保護(hù)修復(fù)已經(jīng)取得了大量科研成果和經(jīng)驗(yàn)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(hù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件的制約，甚至面臨人為破壞的風(fēng)險(xiǎn)。尤其是墓葬壁畫的原址保護(hù)，始終是文物保護(hù)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(hù)技術(shù)探索和保護(hù)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(hù)教育部工程中心于長(zhǎng)安校區(qū)模擬坑內(nèi)建立模擬壁畫墓洞，通過(guò)對(duì)模擬壁畫墓室的保存環(huán)境的監(jiān)測(cè)分析，進(jìn)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(hù)者提供保護(hù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 測(cè)試儀器及測(cè)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(cè)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(cè)量范圍:0.00～20.00 ms/cm，測(cè)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(cè)量精度:±＜0.2℃，溫度分辨率:0.1℃;外接6路土壤水分傳感器，測(cè)量范圍:0～100%，測(cè)量精度:±3%，測(cè)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(guó)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(jìn)樣體積10 μL。Dionex IonPacCS12A陽(yáng)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(jìn)樣體積10 μL。

D/Max2550VB+/PC全自動(dòng)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(shí)驗(yàn)方法

1)離子色譜對(duì)土樣陰、陽(yáng)離子的測(cè)定。土樣經(jīng)105℃烘干、稱重、溶樣、過(guò)濾處理，取濾液定容至50 mL容量瓶中待測(cè)。

2)X射線粉末衍射(XRD)測(cè)定。土樣經(jīng)風(fēng)干、碾磨、過(guò)篩處理，取一定量土樣在瑪瑙研缽中研磨后過(guò)200目篩，待測(cè)。通過(guò)對(duì)模擬墓室不同層位地仗層樣品進(jìn)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(cè)定。采用德國(guó)Heraeus室內(nèi)防潮型探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄6個(gè)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(diǎn)無(wú)線傳感器與計(jì)算機(jī)相連，將計(jì)算機(jī)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(shí)模擬墓室壁畫的保存環(huán)境，經(jīng)過(guò)前期調(diào)研分析，歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)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(duì)性地建設(shè)模擬壁畫墓洞(圖1)進(jìn)行科學(xué)研究。模擬墓葬壁畫墓室呈長(zhǎng)方形(長(zhǎng)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(jìn)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(jìn)行壁畫制作過(guò)程。

通過(guò)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(guó)Heraeus室內(nèi)防潮型溫度、含水率、電導(dǎo)率探頭進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。墓室內(nèi)部監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(guò)軟件設(shè)置其數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(guò)干濕循環(huán)，易于產(chǎn)生各種病害。若墓室因通風(fēng)后過(guò)于干燥，則壁面容易泛堿;若墓門封閉，則因濕度過(guò)大而容易誘發(fā)霉菌生長(zhǎng)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(guò)對(duì)模擬墓室環(huán)境的監(jiān)測(cè)分析，進(jìn)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(duì)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(dòng)，并與大氣環(huán)境發(fā)生實(shí)時(shí)的交換。土壤熱量主要來(lái)源于太陽(yáng)輻射能，其次是土壤微生物分解有機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于太陽(yáng)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(yáng)輻射具有明顯的季節(jié)波動(dòng)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(yáng)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(yùn)移會(huì)攜帶熱量，溫度的交替變化也會(huì)影響水分的運(yùn)動(dòng)，土體縱向的水勢(shì)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(huì)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(dòng)其內(nèi)部水分再次分布;而水分的遷移則對(duì)土體的物理性能(特別是土壤導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)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(shì)基本一致，說(shuō)明外部環(huán)境的改變對(duì)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(cè)溫度同大氣溫度的變化趨勢(shì)基本一致，春、夏季呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，秋、冬季呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。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(shì)。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(shì)。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(kuò)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(shì)與空氣濕度變化趨勢(shì)(圖4)基本一致，夏季含水率相對(duì)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(yùn)移會(huì)攜帶熱量，溫度交替變化亦會(huì)影響水分的運(yùn)動(dòng)，土體縱向的水勢(shì)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(huì)影響其內(nèi)部水分的分布，縱向溫度梯度又會(huì)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(kuò)散系數(shù)和熱容)的變化。

土體含水率的動(dòng)態(tài)變化破壞土體結(jié)構(gòu)，水汽凝結(jié)、降水、毛細(xì)水上升、蒸發(fā)等過(guò)程，土不斷經(jīng)歷著干濕循環(huán)。土壤在長(zhǎng)期的干濕交替變化過(guò)程中，土壤團(tuán)聚體會(huì)因?yàn)槔匣⑴蛎?、收縮和侵蝕等過(guò)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(guò)度濕潤(rùn)也會(huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體的崩裂。土壤團(tuán)聚體的不均勻濕潤(rùn)也會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部膨脹壓的分布不均從而引起團(tuán)聚體的破裂。

2.3 土壤電導(dǎo)率及土壤易溶鹽分析

通過(guò)對(duì)不同深度處土壤電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(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(shì)。而隨著季節(jié)的交替，電導(dǎo)率亦發(fā)生有規(guī)律的波動(dòng)現(xiàn)象。春季至夏季有持續(xù)升高的趨勢(shì)，直至夏季達(dá)到最高點(diǎn);秋季至冬季有持續(xù)降低的趨勢(shì)。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(duì)不同深度處土樣進(jìn)行離子色譜分析，數(shù)據(jù)顯示(圖8)，土壤中陽(yáng)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(shì)，且Na+、Ca2+、離子變化趨勢(shì)明顯，增幅較大，通過(guò)成鹽計(jì)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(yùn)移帶動(dòng)下，由毛細(xì)管力作用下，鹽分被帶至高處。在不斷的收縮－膨脹的過(guò)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(yáng)離子、陰離子在不同高度的變化趨勢(shì)與含鹽量在不同高度的變化趨勢(shì)基本一致，隨取樣高度的增加，離子濃度有逐漸增大的趨勢(shì)，顯示在垂直方向上，存在毛細(xì)水由下至上的遷移趨勢(shì)，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(dòng)，在土體表面結(jié)晶析出，繼而破壞土壤團(tuán)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(cè)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)，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(huì)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(shí)，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(wú)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(guò)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(tuán)粒之間產(chǎn)生機(jī)械擠壓作用，使土體團(tuán)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(guò)對(duì)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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(duì)模擬墓室空氣溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明墓室內(nèi)、外溫濕度全年變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明外部環(huán)境的改變對(duì)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(duì)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(guò)對(duì)墓室中距墓底不同高度處土壤的電導(dǎo)率和含鹽量進(jìn)行測(cè)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(wú)機(jī)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(jì)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(guò)程是壁畫墓葬產(chǎn)生酥堿等病害的主要原因。