長沙銅官窯譚家坡遺跡館微環境調查研究

侯文芳， 蘇伯民， 顧海濱， 張興國

(1. 敦煌研究院，甘肅敦煌 736200； 2. 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術研究中心，甘肅敦煌 736200；3. 古代壁畫保護國家文物重點科研基地，甘肅敦煌 736200； 4. 湖南省文物考古研究所，湖南長沙 410003)

0 引 言

遺址博物館是建立在遺址之上或遺址區范圍內的以保護遺址、研究遺址和展示遺址為其主要任務的博物館[1]。早在1953年我國第一座建在考古遺址區范圍內的展示建筑—“中國猿人陳列館”(2002年更名為“周口店北京人遺址博物館”)，就成功創造了考古遺址出土文物就地、就近展示的先例[2]。至今，在遺址上修建博物館，已是國內較常采用的遺址保護展示方法。例如，目前國內規模最大的秦始皇兵馬俑博物館、我國第一座史前考古遺址西安半坡博物館、全封閉式的漢陽陵博物館。伴隨考古遺址公園的建設，相繼落成的四川金沙遺址博物館、安陽殷墟遺址博物館，還有近年發掘的湖南里耶古城遺址和浙江余姚田螺山遺址等等。這些博物館的修建對外部環境如降水、風蝕及空氣污染等直接造成遺址的破壞因素起到了很好的防治作用。但保護性建筑的修建，在改變遺址微環境的同時，隨之也引發了一些新的保護問題。比如，容波[3]在對秦始皇兵馬俑一號坑展廳內的環境分析中提到，展廳內高濕引起昆蟲、微生物、霉菌的迅速繁殖，加速對文物的破壞。為此建議，對一號坑玻璃頂進行改造，增加過濾紫外線、隔熱的防護設施等；王覓[4]以漢陽陵地下博物館封閉保護區域屋頂內表面出現結露、土體表面干燥等問題作了理論分析，并對封閉保護區域結露問題提出了解決措施；趙明霞[5]對半坡遺址、秦兵馬俑修建保護大廳后，土遺址仍受嚴重污染破壞的問題及病害和損害原因進行了分析等等。許多資料表明[6-11]，遺址博物館修建后，通常會對考古遺址及其環境造成不同程度的干預，隨之引發室內外空氣交換、地下水活動、遺址表層環境受室內環境影響等諸多環境問題。如果處理不當，甚至會使考古遺址的價值受到損害。因此對現有遺址博物館環境進行調查研究、分析環境變化規律，能夠為保護遺址和評估遺址博物館建筑保護功能提供科學依據。有必要對遺址博物館修建后的環境變化規律進行深入研究，從而為遺址出現的各類保護問題提供環境數據支持，并通過研究工作的積累，也可為今后修建遺址博物館提供遺址博物館建筑環境評估手段。

本研究以“出土現場文物保護移動實驗室”為研究平臺，對長沙銅官窯遺址中的譚家坡1號龍窯遺跡館的微環境變化和病害現狀開展了調查，通過調查結果能夠為進一步研究遺址博物館劣化機理提供數據支持。

1 遺跡館基本現狀

長沙銅官窯遺址位于湖南省長沙市望城區，始于初唐，盛于中晚唐，衰于五代，前后經歷了200多年，距今已有1000多年的歷史。它與浙江越窯、河北邢窯齊名的中國唐代三大出口瓷窯之一，它是慕尼黑釉下彩瓷的發源地，被稱為“漢文化向外擴張的里程碑”，在世界陶瓷發展史上具有劃時代意義。1972年公布為省級重點文物保護單位，1988年國務院公布為第三批全國重點文物保護單位。

銅官窯遺址發現于上世紀五十年代，先后經歷了四次考古挖掘，發現瓷窯遺存19處，出土大量文物。文物中大都為唐代的作品，其獨特的釉下彩瓷工藝，絢麗多姿的色彩令世人震驚。它是研究中國古代陶瓷藝術、湖湘文化和對外交流等不可多得的實物資料，具有極高的歷史文化價值、科學價值和藝術價值。2012年曾獲“2009—2010年度國家文物局田野考古獎”二等獎。2014年1月國家文物局正式授予“長沙銅官窯國家考古遺址公園”牌匾，長沙銅官窯成為湖南省唯一國家考古遺址公園。

銅官窯核心保護區是譚家坡大窯包的南坡。隨著考古遺址公園的開園，首次公開展示了世界上保存最完整的龍窯—譚家坡1號龍窯，它是迄今為止世界保存最完整的唐代龍窯遺址。譚家坡1號龍窯于1983年在考古發掘中被發現，窯址正南北向，通長41m，寬度2.8～3.5m不等，坡度陡處23°，平緩處9°。由窯頭、窯床、窯尾三大部分構成。至今已考古發掘有關遺跡取泥洞、淘洗池、儲泥池、陶車坑、工棚、烘烤爐、釉缸、裝窯臺面等28處，出土可修復文物上萬件。為保護這一核心遺址，于2012年5月建成了外圍保護建筑，建筑為美觀新穎的玻璃幕墻建筑。依托考古挖掘現場，結合地形，依山而建。保護展示設施總建筑面積為2417.05m2，總高度為8.55m，以38.77～44.1m大跨度鋼結構為主體。整體建筑綠色掩映，造型獨特，稱之為“譚家坡遺跡館”(圖1)。

圖1 譚家坡遺跡館外景、內景

該遺跡館所處地理位置海拔高度在50m以下，屬亞熱帶季風氣候，夏季氣溫偏高，冬寒時間短。年平均溫度16.9℃，極端最高氣溫為40.6℃，極端最低氣溫為-12℃。年降水量1500～1700mm，3～6月為全年降水集中期，占全年70%～80%，7～8月常有伏旱，一年中≥35℃有20天以上，也是長江流域夏季熱中心之一。根據大環境潮濕系數、局部環境的相對濕度、含水率、所處地域氣候特點等判據參數[7]，譚家坡遺跡所在區域屬潮濕環境。

譚家坡遺跡館內的展陳模式將遺跡保護區和參觀游客隔離開，避免了游客與遺跡的直接接觸。外圍建筑的修建，很大程度上減緩了環境因素直接導致的遺跡破壞，但也隨之引發了新的保護問題。外圍建筑的修建使館內微環境長期處于高溫、高濕狀態，微生物依賴這種環境得以肆意滋生和擴散，造成遺址土體表面大面積的污染。高溫、高濕環境也促進了殘留在土體內的根系的生長擴散[12]。伏旱季節，遺址表面和內部失水收縮造成土體表面出現龜裂縫(圖2)。譚家坡遺跡館內出現以上病害現象引起了相關文物保護部門的高度重視。

目前，學者們對譚家坡遺跡館的微環境變化、病害成因、封閉環境下土遺址保護展覽建筑的利弊等方面研究甚少。項目組對譚家坡1號龍窯遺跡館內微環境的空氣溫度、相對濕度及遺址本體土壤溫度、含水率進行了設點跟蹤監測。溫濕度是評估文物保護環境的重要指標[13-14]，在越來越多的博物館對溫濕度進行監測記錄的情況下，需要基于“穩定、適宜”的準則，探索一種科學的評估方法，為文物保護環境溫濕度的調控治理提供依據。本研究主要對譚家坡遺跡館內微環境變化規律特征進行探究， 以期為遺跡館內文物保護環境的合理保護提供科學依據。

a.真菌；b.白色污染物，拍攝于2012年7月；c.藻類，拍攝于2015年10月；d.裂隙，拍攝于2013年9月

2 監測點部署及監測要素

2012年7月，項目組首次對館內微環境進行全面調查，結合遺跡現狀，部署點位，確定監測要素。在遺址窯坡的窯頭、窯床、窯尾，即上坡、中坡、下坡部署三組監測點(圖3)。除此之外，遺跡館大門外也部署一個監測點，主要用來對比館內、館外溫度和相對濕度的變化。自2012年7月開始實施監測，至2015年10月結束，持續3年采集了大量數據，并對數據進行整理、篩選、制圖、分析研究。

圖3 譚家坡遺跡窯坡監測點部署

主要監測要素為館內、外空氣溫度、相對濕度及遺址土壤溫度與含水率。

3 數據處理及分析

綜合所采集的環境數據，2013年具有典型的當地氣候特征，一年氣候變化幅度較大，即出現了高溫、高濕時節，也出現了較長的伏旱時節，因此選定2013年整年度數據為參考進行分析討論。

3.1 空氣溫度

空氣溫度數據傳輸時間間隔為30min，周期1年。分別選取窯上坡、中坡、下坡的監測點反映遺跡館內的空氣溫度變化。傳感器放置遺址土體表面。

館內全年空氣溫度變化穩定、規律性強，受外界大環境的影響四季變化分明(圖4)。全年最高氣溫為43.7℃，出現在8月，窯上坡監測點。最低氣溫為-0.7℃，出現在1月，窯上坡監測點。平均氣溫為18.5℃。館外全年最高氣溫45℃，最低氣溫-3.8℃，平均氣溫18.6℃。遺跡館內、外年平均氣溫差為0.1℃(表1)。

表1 2013年遺跡館內與館外氣溫月均值

圖4 2013年譚家坡遺跡館內與館外空氣溫度年際曲線圖

館內溫度以坡度的高低不同而存在差異，溫度由高到低依次為窯上坡、中坡、下坡，平均值分別為19.6℃、 18.5℃、 17.3℃。列舉3天數據(圖5)， 窯上坡空間開闊，易受外來因素的干擾，對外界氣溫變化反應極快，幾乎同步變化。空氣快速交換，使氣溫變化波動加大，24h內溫度在7～8℃之間波動。窯中坡溫度變化略小，且有明顯滯后現象，24h內基本在5～6℃之間波動。窯下坡溫度變化最小，下坡為一探坑，地勢低，上方有回廊遮擋，受外來因素干擾小，低洼處狹窄空間使得空氣交換速率降低，氣溫差縮小，24h內在2～3℃之間波動。此外，以窯遺址最高點與最低點的氣溫對比，最大溫差為5℃左右。館內平均氣溫偏高于館外的平均氣溫。

圖5 24h館內三個監測點及館外空氣溫度變化對比

綜上所述，遺址館內空氣溫度季節性強，在7、8月達到最高，1月達最低溫度，氣溫年較差為44℃。溫度隨坡度呈正比。館內平均氣溫高于館外氣溫。季節性溫差也是導致遺址緩慢風化的原因之一[15]。

3.2 空氣相對濕度

相對濕度數據間隔為30min，周期為1年。分別選取坡上、坡中、坡下的溫度監測點反映遺址相對濕度的變化規律。傳感器放置遺址土體表面。

綜合數據來看，館內相對濕度變化幅度較大，而且全年處于濕度極高的狀態下，7～8月出現伏旱，引起相對濕度下滑，整體下降了30%。8月中旬相對濕度快速回升，館內恢復高濕狀態(圖6)。館內年平均相對濕度為85%，最高100%，最低30%。館外年平均濕度81%，最高100%，最低23%。館內整體相對濕度高于館外。

窯上坡和中坡易受外界氣候影響，尤其有降水時，窯上坡、中坡的相對濕度快速回應上升。伏旱時節，相對濕度會急驟下降。而窯下坡的相對濕度相對變化平緩，對外界的影響反應也極小，始終處于高濕狀態。相對濕度與窯坡度呈反比，窯上、中、下坡平均值分別為80%、86%、98%，最低值分別為30%、49%、63%，最高值為100%。

窯上坡相對濕度的急驟下降，使得遺址土體失水，引起遺址土體表面出現細小龜裂，甚至較大的裂縫(圖2(d))。如果裂縫發育變大，可貫徹整個土遺址對其結構造成影響。窯下坡處于低洼地勢，對外來因素干擾較小，空氣交換速率低，溫度變化小且高，相對濕度大部分時間處于飽和狀態，全年平均濕度98%以上。有降水時，館外相對濕度還未達100%時，窯下坡監測點濕度依舊在100%。由此推斷，窯下坡相對濕度之所以高，并不受外界降水的影響，而是來源于豐富的地表水或地下水。窯坡底是整個遺跡館內最潮濕、溫度最高的地方，即使伏旱時節，依然保持著高濕狀態。同時也是最容易滋生藻、菌類病害的地方(圖2(a)、(b))。館內的相對濕度同溫度一樣，偏高于館外相對濕度。

綜上所述，遺跡館內全年保持高濕度狀態，降水和地表水是館內相對濕度上升的主要原因。譚家坡遺跡之所以處于潮濕環境， 是因為它不但有一個潮濕多雨的氣象環境，而且土壤也容易遭受地表水、地下水的侵蝕。潮濕環境對遺址產生破壞作用的主導因素就是水，它可以直接或間接引發土遺址病變，加速物理、生物的破壞作用[16]。

圖6 2013年譚家坡遺跡館內與館外空氣濕度年際曲線圖

表2 2013年遺跡館內與館外相對濕度月均值

3.3 土壤溫度、含水率及其相關性

土壤溫度、含水率數據時間間隔為20min，土壤溫度深入土體內15cm，土壤含水率深入土體內6cm。

通過數據分析，遺址本體土壤溫度也呈正函數(圖7)，有明顯的季節變化，且規律性強。土壤溫度年最低值為3.1℃，出現在1月，位置窯下坡。8月達到最高值，為33.9℃，位置窯上坡，年平均值為22℃。

窯上坡、中坡、下坡三個監測點位土壤溫度之間的月變化在9℃左右，日變化則小于2℃。由于土的比熱容大于空氣比熱容，因此，土壤溫度變化幅度比空氣溫度變化幅度小，且土壤溫度響應外界環境變化時出現滯后效應，滯后期為15～20d。

含水率上半年較高，7月之后，逐漸下降繼而平緩穩定。窯上坡、中坡、下坡平均值分別為6.23%、7.67%、8.89%。遺址本體的含水率并不等同于土遺址所處環境的潮濕程度，而是與土遺址直接接觸的周邊物體的含水率緊密相關。所以要想更多掌握譚家坡遺址土壤的含水率和遺址潮濕程度，就得進一步對遺址周邊環境做更詳細的全面監測。

圖7 三個監測點位土壤溫度與含水率的年際變化曲線圖

通過以上對土壤溫度和含水率年際變化特征分析，二者有明顯負相關關系。為了便于分析土壤溫度和含水率的關系，采用線性回歸分析，將土壤溫度與含水率月均值進行線性擬合(圖8)，同時，也得出二者的相關系數值R。其中上坡、中坡、下坡監測點位土壤溫度與含水率相關系數分別為：R=-0.44、R=-0.35、R=-0.46。隨著土壤溫度的增加，土壤含水率呈下降的趨勢，兩個變量為一增一減，R值為低度相關。故此表明土壤溫度與含水率呈負相關系數。土壤含水率越高，土壤溫度上升速度越慢，進而對下層溫度產生影響，同時較低的土壤溫度可以在一定程度上減小土壤水分蒸發，增加土壤含水率[17]。

圖8 土壤溫度與含水率的擬合圖

3.4 空氣溫度與土壤溫度擬合關系

由于太陽輻射周期性日變化和年變化的影響，土壤溫度也有相應的變化。土壤溫度隨著氣溫的變化而呈現出季節性起伏和晝夜變化。

氣溫監測點置于土體表面，土壤溫度監測點深入土體內15cm，又同處一個位置。當氣溫隨季節變暖，土溫也隨之升高，在7、8月達到全年溫度的最大值。9月之后，季節轉涼，氣溫下降，土溫也隨之下降，至來年1月，降至全年最低點。進入3月，氣溫回升，直至進入下一個循環。此外，同一位置，同一時段，氣溫與土溫溫差為2～3℃。

通過對氣溫與土溫年際變化(圖4、7)特征分析，土體表面氣溫與土壤溫度表現出較強的相關性。采用線性回歸分析，將氣溫與土溫平均值進行線性擬合(圖9)，并得出窯上坡、中坡、下坡的相關系數R分別是0.995、0.991、0.945。月回歸得到的方程呈直線型，回歸系數相近，表明土壤溫度與空氣溫度呈正相關關系。

圖9 窯上坡、中坡、下坡氣溫與土溫線性擬合圖

3.5 空氣相對濕度與土壤含水率擬合關系

外圍玻璃幕墻建筑阻擋了外界大環境帶來的各種因素的直接破壞，如雨水的沖刷、風的吹蝕、太陽的直接輻射等。同時，也減緩了遺跡館內微環境的變化。

空氣相對濕度年際變化幅度大，規律性強。土壤含水率年際變化較平緩，7、8月伏旱時，土壤含水率也出現小幅下降的情況。

通過對空氣相對濕度與土壤含水率年際變化特征的分析，尋找到二者之間的相關性。采用線性回歸分析，將相對濕度與土壤含水率月均值進行線性擬合(圖10)，同時得出二者相關系數R值。窯上坡、 中坡、 下坡相關系數R值分別是0.755、0.634、0.604。窯上坡與中坡，空氣相對濕度上下浮動的同時，土壤含水率也會出現小幅上下浮動，R值也表明它們的擬合程度較高，土壤含水率與空氣濕度有良好的相關性。而下坡土壤含水率變化穩定、平緩，與空氣相對濕度擬合程度偏低，這表明空氣濕度與土壤含水率的相關關系較弱。

圖10 空氣濕度與土壤含水率的擬合圖

通過對空氣相對濕度與土壤含水率線性擬合并得出的相關系數R值表明，符合3.2節中對空氣相對濕度變化特征的分析。窯上坡、中坡土壤含水率變化受空氣相對濕度的影響較大。而窯下坡空氣相對濕度的變化幾乎不受外來因素的干擾，升高原因應該就是地表水或地下水。

4 結 論

本研究通過對譚家坡遺跡館內空氣溫度、相對濕度以及土壤溫度、土壤含水率監測數據一個完整周期年的對比分析，對封閉式館內的微環境變化有了一個初步的了解，并從監測結果中得知遺跡館內空氣溫濕度與土壤溫度、含水率的變化規律。

1) 遺跡館內環境依然易受外界大環境的影響。伏旱時，導致空氣濕度、遺址本土體內水分快速蒸發，使本土表面因干燥而出現龜裂或裂隙。降水時，濕氣會快速進入館內，不但造成館內濕度升高，同時也使遺址土壤表面的濕氣加重。降水、地下水或地表水的影響館內環境保持高濕狀態。遺跡館內的含水率和土體持水能力，表現在遺跡表面已出現與水有關的病害，如真菌類、藻類、生物生長等。

2) 譚家坡遺址之所以處于潮濕環境，是因它不但處于一個潮濕多雨的氣象環境，而且土壤也容易遭受地下水的侵蝕。潮濕環境對遺址會直接或間接引發病變，加速物理、化學的破壞作用，大量地下殘留根系為病害菌提供了豐富的營養源，高溫高濕使病害菌大肆擴散，土體大面積受到污染。因此遺址保護所需的環境問題仍需做進一步的監測研究。

3) 外圍建筑雖然在阻擋遺址受外界因素直接破壞具有優勢，但仍需進一步探討研究，比如：遺址保護區微生物的滋生與土體開裂、館內空間溫/濕度控制等。另外，遺跡館內空調設備只服務于參觀瀏覽區，如何使用空調設備或改善圍護結構對遺址保護區的熱、濕環境進行調控，也是今后的研究重點。

4) 為了有效地保護遺址，要科學而恰當地控制遺址保存環境，使遺址得到一個健康而穩定的環境條件。建議在遺址館內設立環境監測設備，館外可設立小型氣象站，對周邊大區域環境進行長期監測。定期測量大氣污染及TMP指標。在長期監測的基礎上，建立起遺址區環境數據庫，形成一整套室內預測和預警監控體系。

致謝： 感謝長沙考古研究所與銅官窯管理中心人員在數據收集過程中給予大力支持與幫助。

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