劉 甜，趙曉文，劉建軍，王 開(kāi)

(西北農(nóng)林科技大學(xué)風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院，陜西楊凌 712100)

0 引言

土遺址是指以土作為主要建筑材料的由古人的生產(chǎn)以及生活等多種活動(dòng)實(shí)際遺留下來(lái)的歷史遺跡，屬于重要的文物資源之一。這些文物資源都以夯土的形式遺存至今。但是，隨著城市化進(jìn)程的加快，作為中華文明繁衍播發(fā)之地的西安，其數(shù)百平方公里的大遺址保護(hù)面臨巨大挑戰(zhàn)［1－2］。對(duì)露天土遺址而言，受風(fēng)雨等自然因素影響的土遺址日漸消減甚至消失。通過(guò)對(duì)西安現(xiàn)存的阿房宮遺址、漢長(zhǎng)安城遺址及杜陵遺址的保存狀況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，植物對(duì)土遺址具有雙重作用。遺址上長(zhǎng)有植被的區(qū)域保存相對(duì)較好，植被對(duì)防止風(fēng)雨等自然因素起到良好的保護(hù)作用，但在植物對(duì)土遺址產(chǎn)生保護(hù)作用的同時(shí)，其根劈作用及根系對(duì)土遺址亦產(chǎn)生了破壞。因此，植物對(duì)土遺址造成的負(fù)面影響成為利用植物進(jìn)行保護(hù)土遺址工作中的棘手問(wèn)題。

在植物對(duì)土遺址作用的研究中，對(duì)于其保護(hù)作用有了初步的調(diào)查研究，但對(duì)于其負(fù)面作用大都停留在概念上，只是簡(jiǎn)單地提到因植物根系產(chǎn)生了裂隙，鮮有就真實(shí)的遺址來(lái)展開(kāi)調(diào)查，以及討論植物給土遺址帶來(lái)的負(fù)作用及其機(jī)理。就植物根系來(lái)講，它是土壤、植物間的連接體，它在吸收營(yíng)養(yǎng)成分，為自身的生長(zhǎng)和發(fā)育供給營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，也給土壤環(huán)境以及土體結(jié)構(gòu)以特定的影響。植物根系作用是植物對(duì)土遺址產(chǎn)生負(fù)面影響的主要原因，由于夯土自身脆弱的結(jié)構(gòu)和根系作用等影響，使得土遺址開(kāi)裂坍塌等現(xiàn)象十分嚴(yán)重，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到遺址的保存。通過(guò)對(duì)阿房宮遺址的植物進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合實(shí)際的遺址分析研究植物對(duì)土遺址病害產(chǎn)生的負(fù)面影響，為植物的破壞機(jī)理提供理論依據(jù)，以期突破傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法，在土遺址保護(hù)領(lǐng)域?yàn)橹参锉Ｗo(hù)土遺址提出相應(yīng)建議并為土遺址的實(shí)際保護(hù)工作提供理論基礎(chǔ)以及技術(shù)支持。

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究地位于今陜西省西安市阿房宮前殿遺址，為阿房宮遺址的核心建筑，1961年被國(guó)務(wù)院公布為第一批國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位。遺址區(qū)地處西安市渭河以南，古皂河以西13 km，平均海拔400 m，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)的季風(fēng)氣候區(qū)。

阿房宮前殿遺址是迄今為止規(guī)模最龐大的夯土臺(tái)基遺址，臺(tái)基由東至西全長(zhǎng)127 m，由南到北則長(zhǎng)425 m，由秦代地面統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)存的高度中最大高度為12 m。遺址的四周均為村落，遺址西側(cè)中部的缺口因周邊村落堆積傾倒的廢棄垃圾對(duì)遺址造成污染嚴(yán)重。現(xiàn)存臺(tái)基上部基本被苗圃及果園占據(jù)，遺址墻基臺(tái)緣周?chē)恢参锇鼑z址西側(cè)墻面有填埋窯洞的痕跡。

1.2 研究方法

1．2．1 土遺址植物分布調(diào)查方法 阿房宮前殿遺址為露天遺存的土遺址，表面多覆蓋有野生植被。這些植被是生物侵蝕的主要來(lái)源，根據(jù)遺址區(qū)環(huán)境和植被分布狀況，采用野外調(diào)查中的樣帶法和踏查法［3－4］對(duì)遺址區(qū)植物進(jìn)行整體調(diào)查。圍繞露天土遺址中的臺(tái)緣地帶設(shè)置帶寬為5 m的樣帶。

在此樣帶內(nèi)分設(shè)5組樣方，每組樣方含3個(gè)喬木樣方(30 m×5 m)，其位置依次設(shè)于已有自然植被生長(zhǎng)的臺(tái)地南、北、西3側(cè)(圖1)。在每個(gè)喬木樣方內(nèi)分設(shè)1個(gè)灌木樣方(3 m×3 m)，且每個(gè)灌木樣方內(nèi)分設(shè)1個(gè)草木樣方(1 m×1 m)。對(duì)于大面積的臺(tái)基內(nèi)部植物則用踏查法進(jìn)行調(diào)查。

1．2．2 植物根劈作用研究方法 根據(jù)前殿遺址裂隙的分布情況選定研究區(qū)域:由于前殿遺址南北兩側(cè)均為回填土緩坡，東側(cè)臨近村落，三面皆無(wú)垂直裂縫。因此，本研究以阿房宮前殿遺址北側(cè)部分區(qū)域及西側(cè)區(qū)域的垂直斷面(總長(zhǎng)約400 m)為研究對(duì)象，旨在全面分析植物在根劈裂隙中的作用(圖1)。

調(diào)查時(shí)間選擇在3月份植被未萌發(fā)新葉時(shí)，以便于清晰地觀測(cè)出其裂縫信息及開(kāi)展測(cè)量工作。借鑒土壤裂隙特征研究中使用的圖像分析法獲取臺(tái)緣裂隙基本數(shù)據(jù)。使用相機(jī)拍照的同時(shí)用鋼尺對(duì)裂縫的具體長(zhǎng)度加以測(cè)量并記錄，然后用PS軟件對(duì)分辨率為600 dpi的照片進(jìn)行處理。用鋼尺以及游標(biāo)卡尺依次對(duì)縫隙內(nèi)根系的長(zhǎng)度與直徑、裂縫的具體長(zhǎng)度以及寬度進(jìn)行測(cè)量(最大值、最小值)，裂縫面積使用圖像分析法計(jì)算［5］。詳盡地測(cè)出裂縫對(duì)應(yīng)地上部的其多項(xiàng)指標(biāo)(如樹(shù)高、胸徑、基徑等)并記錄植物種名。

1．2．3 遺址區(qū)土壤樣品采集方法 于2018年3月份植被未萌發(fā)新葉時(shí)采集土樣。于樹(shù)冠投影的范圍之內(nèi)，在已除去土壤表面的落葉枯枝之后，距主干30～50 cm范圍內(nèi)避開(kāi)樹(shù)冠的重疊區(qū)挖取0～10 cm土層內(nèi)的根系，分別在根系表面約2 mm處和遠(yuǎn)離根系區(qū)域取得根際土和非根際土［6］;采集墻基臺(tái)緣立面距地面160 cm左右無(wú)根系分布的夯土作為對(duì)照組;每組采集5個(gè)樣本。將取得的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，在－20℃下冷凍保存，用于測(cè)定土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、微生物碳、微生物氮、胡敏酸、富里酸等指標(biāo)。

1.3 土壤測(cè)定方法

測(cè)定土壤含水率、土壤有機(jī)質(zhì)含量采用烘干法和重鉻酸鉀外加熱法［7］;土壤微生物氮以及微生物碳測(cè)定采用氯仿熏蒸－K2SO4浸提法［8］。土壤腐殖質(zhì)組分采用焦磷酸鈉－氫氧化鈉溶液提取法提?。?］，浸提液中為胡敏酸和富里酸，胡敏酸的含量采用重鉻酸鉀比色法;富里酸和胡敏素的含量采用差減法獲得［10］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20．0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。分析植物基徑、株高、根長(zhǎng)、根徑和裂隙面積間的相關(guān)性;用LSD法檢驗(yàn)各組土壤間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土遺址主要病害類型

通過(guò)對(duì)阿房宮前殿遺址的調(diào)查發(fā)現(xiàn)該遺址存在5種病害類型。由于土遺址被破壞的自然因素多樣，鮮少有單一要素所引起的病害，大多是多重要素共同作用而引發(fā)的結(jié)果，也可能為諸多要素互相交替作用之后的結(jié)果。現(xiàn)按不同的病害類型形成原因?qū)Σ『M(jìn)行分類(表1)。

表1 阿房宮前殿遺址主要病害類型Table 1 Main disease types of the front hall site of Epang Palace

2.2 土遺址植物分布情況

阿房宮前殿遺址區(qū)域遍布高大的喬木及根系發(fā)達(dá)的灌木樹(shù)種，自然植被主要分布于臺(tái)基的南側(cè)、北側(cè)和西側(cè)邊緣地帶，呈條帶狀分布。野生植被內(nèi)側(cè)緊鄰果園和苗圃基地，人為因素干擾嚴(yán)重。

從生態(tài)型分類看，阿房宮前殿遺址記錄到植物32種，其中9種為喬木，4種為灌木，19種為草本。草本層植物種類多樣，灌木層和喬木層則相對(duì)較貧乏。受中心臺(tái)地的影響，導(dǎo)致喬木層原有植物樹(shù)種大量增加。野生喬木優(yōu)勢(shì)種為根系發(fā)達(dá)的深根性樹(shù)種構(gòu)樹(shù)、榆樹(shù)和臭椿;酸棗和枸杞作為西北地區(qū)常見(jiàn)的植物根系發(fā)達(dá)且耐干旱、耐貧瘠的野生灌木，為灌木層優(yōu)勢(shì)種。草本層植物種類多為西安地區(qū)常見(jiàn)一、二年生植株。

2.3 植物的根劈作用

2．3．1 不同植物對(duì)臺(tái)緣裂隙的貢獻(xiàn)率 植物侵蝕作用中遺址邊緣區(qū)域植物根劈作用的破壞性最為顯著。調(diào)查區(qū)域中有7種植物引發(fā)根劈裂隙，不同植物造成的根劈作用結(jié)果如表2所示［11］，其中數(shù)量最多的樹(shù)種對(duì)臺(tái)緣裂隙的引發(fā)無(wú)顯著影響。依據(jù)的具體數(shù)量可知，酸棗對(duì)引發(fā)裂隙數(shù)量最為顯著，然后依次為臭椿、榆樹(shù)、枸杞、構(gòu)樹(shù)和紫花泡桐，刺槐最不顯著;依據(jù)所引發(fā)裂隙總面積大小可知，酸棗對(duì)引發(fā)裂隙面積最為顯著，然后依次為臭椿、榆樹(shù)、紫花泡桐、刺槐和構(gòu)樹(shù)，枸杞最不顯著。由此可知臭椿以及酸棗、榆樹(shù)引發(fā)的裂隙侵蝕最為顯著，且各個(gè)樹(shù)種在此兩種侵蝕程度下的強(qiáng)度排序序基本一致。

表2 阿房宮前殿遺址處裂縫基本情況Table 2 Crack features of the front hall site of Epang Palace

(續(xù)表2)

2．3．2 裂隙面積與植物調(diào)查因子間的相關(guān)性 由表2可知，酸棗、臭椿和榆樹(shù)產(chǎn)生的裂隙面積占總面積比例最大，因此對(duì)這3種植物進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。調(diào)查樣本基本信息如表3所示［11］，其各種指標(biāo)間都有較大差異。將測(cè)定信息不完全的數(shù)據(jù)篩除后，臭椿以及榆樹(shù)、酸棗的樣本數(shù)量按次為21株、16株、69株，并對(duì)植物間每種指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。

酸棗的樣本數(shù)共69個(gè)，各個(gè)調(diào)查因子與裂縫面積均呈顯著相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)在0．287～0．819之間;臭椿的樣本數(shù)共21個(gè)，各個(gè)調(diào)查因子與裂縫面積均呈顯著相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)在0．056～0．852之間;榆樹(shù)的樣本數(shù)較少，共16個(gè)，榆樹(shù)的根長(zhǎng)、基徑、根徑均與裂縫面積呈顯著相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)范圍為0．615～0．886(表4)。植物的各項(xiàng)調(diào)查因子與裂隙面積的相關(guān)性大小為:根徑＞根長(zhǎng)＞基徑＞株高。結(jié)果表明裂縫內(nèi)的根系直徑大小與裂隙面積顯著相關(guān)，而株高與裂縫面積的大小無(wú)顯著影響。

表3 調(diào)查植株的基本參數(shù)范圍Table 3 General parameter range of the sampled plants

表4 調(diào)查植株變量間相關(guān)矩陣Table 4 Individual correlation matrix between the sampled plants

2.4 植物根系對(duì)土壤環(huán)境的影響

植物根系層是以植物活根系為主的土層，物質(zhì)和能量的遷移轉(zhuǎn)化在此層最為活躍，其中有根際土層和非根際土層。根際是在物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)上受植物根系活動(dòng)影響，有別于土體的那部分微域環(huán)境。因此，為探析植物根系對(duì)土壤環(huán)境的影響，對(duì)露天遺址區(qū)植物的根際土、非根際土及原生夯土進(jìn)行土壤性質(zhì)比較分析。

通過(guò)遺址區(qū)植物根際土壤和遺址原生夯土的土壤性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，根際土和非根際土對(duì)夯土壤性質(zhì)存在顯著性影響(表5)。根際土和非根際土與原生夯土對(duì)照相比較，土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、微生物碳、微生物氮、胡敏酸和富里酸等土壤性質(zhì)均存在顯著性差異?？傮w而言，根際土和非根際土與夯土相比差異最大的為胡敏酸，差異最小的為富里酸，根際土對(duì)比差異由大到小為胡敏酸＞微生物氮＞有機(jī)質(zhì)＞微生物碳＞H/F＞含水率＞富里酸;非根際土對(duì)比差異由大到小為胡敏酸＞微生物氮＞有機(jī)質(zhì)＞微生物碳＞H/F＞含水率＞富里酸。H/F比值越大說(shuō)明植物根系周?chē)馏w中土壤的腐殖化程度高［12］，破壞了夯土原有結(jié)構(gòu)，對(duì)土遺址造成破壞越嚴(yán)重。

表5 植物根系對(duì)夯土性質(zhì)的影響Table 5 Effects of plant roots on soil properties in the site

3 結(jié)論

阿房宮遺址的主要病害類型包含了邊緣夯土的基礎(chǔ)掏蝕、洞穴遺存、開(kāi)裂坍塌、沖溝發(fā)育、表面剝蝕。引發(fā)上述的現(xiàn)象的因素為:風(fēng)化侵蝕、雨蝕、植物根系作用等。其中植物根劈作用引發(fā)的裂隙是阿房宮遺址面臨的最具有威脅性的病害類型，這同樣是半干旱區(qū)域中土遺址所需直面的特殊問(wèn)題。

針對(duì)不同侵蝕類型對(duì)遺址所帶來(lái)的破壞程度進(jìn)行評(píng)價(jià)后得知，阿房宮前殿遺址中植物作用和人為破壞是主要影響因素，其侵蝕速度快，使得土方量大面積減少;其次為雨蝕作用，侵蝕速度較緩慢，不會(huì)造成遺址坍塌及大面積缺失;風(fēng)化侵蝕對(duì)土遺址產(chǎn)生的影響不顯著。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查植物作用分析，利用植物保護(hù)土遺址選取適栽植物的主要因素為植物的根系特征。植物的篩選關(guān)鍵是篩選根系在40 cm以內(nèi)的淺根性，且根系不是很發(fā)達(dá)的植物，使植物根系對(duì)土遺址的破壞程度降到最低。例如鋪地柏、火炬樹(shù)等木本植物和假儉草等草本植物。這些植物根系分布較淺，既能減弱遺址受風(fēng)蝕雨蝕的病害程度，又能減小植物根劈作用產(chǎn)生的破壞。