麥積山石窟第127窟賦存環境特征及對壁畫病害的影響

賀東鵬,武發思,胡軍艦,岳永強,馬 千,汪萬福,李師翁

(1.蘭州交通大學 環境與市政工程學院,甘肅 蘭州 730070;2. 敦煌研究院 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.敦煌研究院 麥積山石窟藝術研究所,甘肅 天水 741020;4.甘肅省敦煌文物保護研究中心,甘肅 敦煌 736200)

文物承載燦爛文明,傳承歷史文化,維系民族感情,是寶貴的歷史文化遺產。然而經歷漫長歲月,保存至今的文物大都存在多種類型的病害[1]，賦存環境對文物的保存具有重要影響[2-5]。因此,當今文物保護已轉向文物本體保護與賦存環境保護并重。對于石窟類文物,其所處地域的氣候、地質構造、自然環境以及窟內微環境等,都與窟內文物,特別是壁畫的保存密切相關,不利環境因素是導致文物病害發生的直接原因[6]。例如,對莫高窟開放和非開放洞窟內相對濕度變化的比較研究表明,降雨后開放洞窟的相對濕度增幅明顯,而非開放洞窟相對濕度變化較小[7]，窟內的濕度和溫度變化導致壁畫膨脹起甲和脫落[8]。全球氣候變化加劇,極端天氣頻發,包括環境污染,都會引起文物賦存環境的變化,文物保護工作面臨新的挑戰。因此,開展文物賦存環境的檢測與研究,對做好文物保護工作尤為重要。

麥積山石窟位于甘肅省天水市東南45 km的秦嶺山脈中,自后秦以來延續開窟1 600多年,現存窟龕221個,窟內存有大量精美塑像和壁畫[9](見圖1A),于2014年被聯合國教科文組織列入世界文化遺產名錄。由于環境變化及人類活動等因素影響,麥積山石窟壁畫空鼓、起甲、酥堿及微生物病害較為嚴重[10-11],對塑像和壁畫的保存造成嚴重影響。例如,2018年6—8月,第127窟等窟內壁畫發生了大面積的微生物病害。為此,開展麥積山石窟各窟的賦存環境變化及其與壁畫病害發生關系的研究,是石窟預防性保護的關鍵。然而,當前石窟環境監測主要是通過布設空氣溫濕度探頭獲取窟內和窟外環境參數。由于文物的特殊性決定了該類設備只能通過支架放置在地面或懸掛于監測對象附近,所測數據無法體現文物本體真實的溫濕度變化。紅外熱成像儀可獲取壁畫表面溫度[12],但無法進行多位點同步監測和缺乏連續數據。本研究首次使用微型嵌入式溫濕度記錄儀,并結合傳統監測手段,對麥積山石窟第127窟內外環境和文物本體內環境進行了同步實時檢測和分析,旨在為麥積山石窟賦存環境特征及其與石窟文物病害發生之間的關系進行解析,為麥積山石窟預防性保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 第127窟概況

第127窟位于麥積山西崖上層,于西魏時期(公元535—556年)開鑿營建,洞窟由甬道和主室組成。甬道截面為邊長約2.0 m的正方形,進深約3.0 m,南端為木制窟門,上部透氣紗窗面積約0.44 m2。主室平面呈長方形,覆斗形頂,東西長約8.6 m,南北寬約5.0 m,四壁高約4.0 m,窟頂至地面約4.5 m(見圖1B)。主室中央塑有一佛二菩薩像,四壁及窟頂繪有《涅槃經變》、《西方凈土變》等大型佛傳故事畫,是麥積山石窟保留壁畫最多的洞窟,具有極高的學術研究價值[13]。洞窟病害類型包括地仗層脫落、空鼓、微生物病害(見圖1C)等,其中空鼓脫落及微生物病害最為嚴重,主要集中于主室北壁、東壁北側、西壁北側、頂部北側。

1.2 實驗設計

1.2.1 洞窟壁畫病害現狀調查 根據《古代壁畫病害與圖示》(GB/T 30237—2013)[14]開展第127窟主要病害調查,標識病害分布范圍,并利用CAD2014統計各類病害面積。

1.2.2 麥積山石窟大環境監測 在麥積山石窟中區地面開闊處設置氣象站(圖1D),在中部棧道外側設置HOBO?U23-001型溫濕度監測儀(見圖1E),監測麥積山石窟棧道環境溫度(T)和相對濕度(RH)。

1.2.3 第127窟窟內及文物本體微環境監測

環境監測于2019年1月1日至12月31日間進行。在第127窟甬道西壁地面(AC)、主室南壁東側地面(AS)、主室北壁東側地面(AN)及主室西壁佛臺(AW)布設4臺HOBO?U23-001型溫濕度監測儀,分別監測4處壁畫附近空氣溫度、相對濕度和露點溫度,探頭距地面或佛臺平面約10 cm(圖1F);在主室南壁東側(PS)、北壁東側(PN)距地面約120 cm原有壁畫顏料層已破損脫落處地仗層內置入iButton?DS1923微型(17 mm×5 mm)溫濕度監測儀,然后用地仗層修復用泥土封護破損處,封護層干燥后所測溫濕度即為該處壁畫本體內微環境數據(圖1F)。所有監測儀均設定為每2 h采集1次數據,同時記錄石窟外環境和第127窟空氣及壁畫地仗層內的溫度、相對濕度和空氣露點溫度。

A 麥積山石窟;B 第127窟示意圖;C 第127窟微生物菌斑;D 氣象站;E 棧道監測點;F 第127窟平面圖(左)、側視圖(右)及溫濕度監測儀位置(單位:cm)圖1 本研究布置的環境監測點及微生物病害示意圖Fig.1 Schematic diagram of the monitoring sites and microbial disease in this study

1.3 數據收集與分析

本研究以地面氣象站和石窟棧道上溫濕度監測數據作為石窟外環境因子,第127窟空氣及壁畫地仗層內溫濕度監測數據作為窟內環境和文物本體微環境因子,比較分析外環境、窟內及文物本體溫度、溫度和空氣露點溫度日極大值、月極大值、日較差及壁畫表面溫露差。使用軟件Origin2019和Spss16.0完成數據統計和數據相關性分析。

2 結果與分析

2.1 第127窟壁病害現狀

麥積山石窟第127窟主室南壁、西壁、東壁和北壁地仗脫落面積分別為2.24 m2、1.89 m2、1.92 m2和7.40 m2,分別占其所在壁面的8.14%、9.74%、10.36%和23.00%。第127窟甬道、主室南壁均無可見微生物病害,而主室西壁、東壁及北壁微生物病害面積分別為1.10 m2、1.63 m2和5.84 m2,分別占其所在壁總面積的5.67%、8.80%和18.15%(見圖2)。表明地仗脫落和微生物病害由南向北逐漸嚴重。

2.2 麥積山石窟外環境年度變化特征

以石窟氣象站和石窟棧道2處監測數據比較分析石窟賦存外環境特征。圖3為氣象站和棧道監測點2019年的溫度、濕度及降雨量變化圖。2019年累積降雨839 mm,其中8月降雨量最大(173 mm),9月次之(146 mm),4—10月累積降雨量占全年降雨量的83.9%。2個監測點溫度季節變化明顯,變化趨勢相似。氣象站全年日均溫度波動范圍為5.87℃～24.72℃,年均溫11.54℃;棧道監測點全年日均溫度波動范圍為5.13℃～26.10℃,年均溫11.26℃。棧道位點年均溫高于氣象站監測點,日均溫12月最低,7月底最高。與溫度波動趨勢不同,氣象站和棧道監測點RH季節性變化不明顯,氣象站位點全年RH波動范圍為25.98%～100%,年均RH76.0%;棧道位點全年RH波動范圍為25.71%～93.54%,年均RH為69.15%。棧道點年均RH低于氣象站點,全年RH3月最低,4—10月較大。

圖2 第127窟病害分布Fig.2 Distribution of the deterioration and mural disease in Cave 127

MS:氣象站點，PR:棧道點，RH:相對濕度，T:溫度、MRF:月降雨量圖3 麥積山石窟外環境2019年降雨量、溫度及相對濕度月分布Fig.3 Monthly distribution of rainfall, temperature, and relative humidity in outer environment of Maijishan Grottoes in 2019

2.3 第127窟內環境及窟壁本體微環境年度變化

如圖4所示,第127窟窟內各監測點空氣和地仗層溫度季節變化較為平緩,波動幅度由南向北逐漸減小,甬道空氣溫度波動范圍最大(1.67℃～20.56℃),北壁地仗層溫度波動范圍最小(8.50℃～16.50℃)。各監測點空氣和地仗層RH季節變化明顯,波動幅度由南向北逐漸增大,北壁空氣RH波動幅度最大(30.53%～9.56%),南壁地仗層RH波動幅度最小(41.10%～88.80%)。4—9月,沿窟門向內由南至北溫度逐漸降低,而RH變化趨勢相反。7—8月窟內RH持續高于70%,其中西壁、北壁、北壁地仗層RH持續高于90%。

如圖5A所示,第127窟南壁空氣及地仗層4—10月溫度月極大值均高于北壁,其余5個月則相反。1—3月及12月北壁地仗層溫度月極大值最大,而南壁地仗層溫度月極大值4—9月最大。夏季窟外溫度高于窟內,南壁地仗層溫度最高;冬季則相反,窟內溫度高于窟外,北壁地仗層溫度最高。除10月(南壁),4月、8月和11月(北壁)外,其余月份地仗層溫度月極大值均大于空氣溫度月極大值。冬季南壁地仗層溫度月極大值最低,夏季南壁空氣溫度月極大值最高。第127窟窟門上半部分是可透氣的紗窗,而下半部分為實木板,夏季窟外溫度較高,窟外熱空氣可通過窟門及上部的紗窗進入窟內,進而影響窟壁內部溫度。冬季則相反,窟外冷空氣被窟門阻擋,且南壁外崖體成為熱量傳導的主要介質,南壁地仗層溫度月極大值低于空氣。

由圖5B可知,第127窟南壁地仗層、南壁空氣、北壁空氣和北壁地仗層溫度日較差月均值波動范圍分別為0.19℃～0.58℃、0.16℃～0.63℃、0.01℃～0.77℃和0.11℃～0.38℃,南北兩壁溫度日波動幅度不超過0.8℃。除1月和12月外,南壁空氣溫度日較差月均值均大于北壁;除7月和8月外,南壁地仗層溫度日較差月均值大于北壁。第127窟甬道進深約3 m,即外崖面與窟內南壁間的崖體厚約3 m?？唛T長期關閉時,窟內溫度較為穩定,說明窟門及崖體起阻隔窟外冷空氣、緩沖窟內外熱量交換的作用,這與陳海玲等人的研究結果相符[15]。

CA:甬道，SP:南壁地仗層，SA:南壁，WA:西壁，NA:北壁空氣，NP:北壁地仗層，RH:相對濕度，T:溫度圖4 2019年第127窟內環境溫度及相對濕度月分布Fig. 4 Monthly variation of ambient temperature and relative humidity in Cave 127 in 2019

A 溫度月極大值；B 溫度日較差月均值圖5 第127窟窟壁內外溫度變化特征Fig.5 Change characteristics of temperature inside and outside the wall of Cave 127

如圖6A所示,4—10月北壁空氣和地仗層RH月極大值高于南壁,北壁空氣和地仗層RH月極大值分別在86.5%～99.6%和86.5%～100.0%間波動。6、7、8、9月北壁空氣和地仗層RH月極大值分別為98.4%、99.3%、99.6%、99.0%和99.9%、99.9%、100.0%、97.7%。而南壁除空氣RH在6月達到91.1%外,其余月份空氣及地仗層RH均低于90%。

如圖6B所示，南壁和北壁空氣RH日較差月均值年波動幅度較大,分別為0.83%～4.52%和0.33%～4.64%,而地仗層RH日較差月均值年波動幅度較小,南北壁分布范圍分別為1.20%～2.02%和1.51%～1.96%。空氣RH日較差月均值8月最低,11月最大。7月和8月北壁空氣RH日較差月均值低于0.5%,表明北壁附近空氣RH日波動幅度極小,長期維持在高濕度水平。

麥積山年降雨主要集中在7—9月,此期間，第127窟內空氣RH日波動幅度明顯減小,表明洞窟內濕度上升后短時間內難以降低。由于窟壁和地仗層的隔離作用,地仗層RH全年日變化較為平穩,雨季持續保持在高濕(南壁)或飽和(北壁)狀態。地仗層內部長期維持在高濕環境成為誘發壁畫發生酥堿和空鼓,甚至脫落等病害的主要影響因素。

A 相對濕度月極大值；B 相對濕度日較差月均值圖6 第127窟窟壁內外相對濕度變化特征Fig.6 Change characteristics of RH inside and outside Cave 127 wall

窟內6個監測點的RH日極大值表明,不同位置的南北壁空氣和地仗層RH日極大值出現頻次差異明顯(見表1),由南至北的6個監測點RH超過90%的頻次依次為0、0、3、100、112和127,北壁地仗層出現在6—10月,而南壁空氣、西壁佛臺和北壁空氣均出現在6—9月。各監測點RH超過90%的時長為:西壁佛臺和北壁空氣超過3個月,北壁地仗層超過4個月,南壁僅為3 d。甬道空氣和南壁地仗層RH始終低于90%,表明窟內RH升高并非窟外環境中濕氣通過窟門和甬道向內擴散。由于第127窟為非開放洞窟,長期關閉的窟門阻止了外環境濕氣對洞窟內環境的影響,這與莫高窟研究結果類似[14]。余榮光等人的研究表明,降雨對麥積山石窟滲水影響顯著,受滲水路徑及降雨量影響,滲水體系復雜,并存在延遲滯后現象[16],因此，北壁內、外持續的高相對濕度與降雨導致的崖體內部滲水有關。

表1 2019年第127窟相對濕度日極大值月頻次分布Tab.1 Monthly frequency of daily maximum RH in Cave 127 in 2019

2.4 窟壁表面水汽凝結條件分析

現有研究表明,當石窟內窟壁畫或巖壁表面溫度低于空氣露點溫度時,空氣中的水汽會以窟壁表面的粉塵等顆粒物為凝結核由氣態水轉化為液態水[12, 17]。因此,壁畫表面溫度低于空氣露點溫度是水汽在壁畫表面凝結的必要條件。以南壁、北壁地仗層溫度作為其附近壁畫表面溫度,與對應壁面空氣露點溫度做差值，得到該處壁畫的溫露差。壁畫表面溫露差小于0℃,壁畫表面即可能發生水汽凝結現象。如圖7A所示,第127窟南壁和北壁監測點溫露差年波動范圍分別為2.07℃～15.26℃和0.05℃～18.06℃。與南壁相比,北壁溫露差年波動范圍更大,4月初至10月末北壁溫露差小于南壁。如圖7B顯示,南壁溫露差始終高于2.00℃,而北壁溫露差在0℃～1.00℃和1.00℃～2.00℃區間內的頻率分別為21.3%和9.8%,即全年31.1%的時間內北壁溫露差低于2℃。結合圖7A分析,該時間段為6月初至10月初,這與李燕模擬麥積山第133窟水汽凝結持續期相同[12]。

已有研究表明，洞窟內空氣溫度隨高度升高而增大,相對濕度隨高度升高而減小[15]。此次地仗層溫濕度監測儀距地面高度為100 cm,而空氣溫濕度監測儀距地面約為10 cm,而距地面10 cm處窟壁地仗層實際溫度小于100 cm處所測地仗層溫度。考慮到監測儀可能存在著0.5℃左右的誤差波動,由此推斷,4—10月期間,第127窟北壁下部實際溫露差部分時間段內低于0℃且能發生水汽凝結現象。

A 折線線； B 直方圖圖7 第127窟南壁和北壁溫露差日變化Fig.7 Diurnal variation of temperature and dew difference between the south and north walls of Cave 127

3 討論

3.1 麥積山石窟外環境特征

麥積山石窟處于甘肅省東部小隴山森林中,周圍植被茂密。有研究表明,植物的蒸騰作用可使森林冠層上部空氣相對濕度增加[18-19]。在降雨和植物蒸騰作用共同影響下,石窟外環境相對濕度季節性變化較小。與氣象站監測點相比,棧道監測點溫度略高,而相對濕度較低。這與棧道監測點高于石窟地面底部氣象站位點有關,而崖體熱輻射及棧道本體遮擋降雨等因素也可能加大這一差異[20]。

3.2 第127窟窟內環境特征對壁畫病害的影響

由空鼓導致的壁畫地仗脫落是麥積山石窟最為普遍和嚴重的壁畫病害[21]。第127窟主室四壁地仗脫落面積占整壁的51.24%,且由南向北逐漸遞增。本研究表明,窟內環境和壁畫本體RH自甬道向北壁方向亦呈梯度升高趨勢。4—10月間,北壁地仗層RH月極大值均高于南壁地仗層,RH高于90%的天數達127 d,而監測期間南壁地仗層RH均低于90%。與南壁相比,北壁長期維持在高濕度狀態。麥積山石窟壁畫支撐體中豐富的蒙脫石在環境濕度增大時會吸水膨脹至其原體積的8～10倍,壁畫地仗層與支撐體之間的差異性膨脹和收縮是引發壁畫空鼓病害,并最終導致壁畫脫落的主要影響因素[7, 22]。壁畫制作過程中楔入崖體內的木樁在濕度不斷變化的過程中會反復吸水膨脹,脫水收縮,這一過程也可能加速石窟壁畫的空鼓及脫落。

與地仗脫落病害類似,第127窟內的微生物病害也集中分布于主室偏北一側。本研究表明,2019年北壁空氣RH高于90%的天數達112 d,而南壁空氣RH僅3 d超過90%,甬道空氣RH未超過90%,4—10月期間,北壁空氣RH月極大值均高于南壁空氣。長期處于高空氣濕度下的北壁較南壁更易出現水汽凝結。賦存環境高濕度,壁畫表面產生的凝結水,是引發細菌和真菌等微生物病害的重要因素[23-24]。

微生物病害是影響石窟文物長久保存的常見病害[24],文物微生態學已成為當前文物保護領域關注的熱點[25-26]。在適宜的溫濕度條件下,環境中的微生物會以壁畫制作材料中的膠粘劑和麻絲等有機物為營養源，在壁畫表面大量增殖,其代謝產生的色素和有機酸則會導致壁畫美學價值甚至結構破壞。不同年代的壁畫表面微生物群落結構也不同,因此,病害微生物的防治是文物保護的難題之一[27-28]。對莫高窟空氣微生物研究表明,氣象因子波動是引發石窟文物微生物病害的誘因之一[29-31]。本課題組近年研究發現,麥積山石窟壁畫賦存環境中的細菌豐度與溫度、相對濕度和降雨量呈正相關,其中假諾卡氏菌屬(Pseudonocardia)、芽孢桿菌屬(Arthrobacter)、節桿菌屬(Arthrobacter)和考克氏菌屬(Kocuria)為優勢菌,導致壁畫生物性退化[32-34]。現有研究指出,水分是影響文物生物性退化的關鍵環境因素[2, 22],也是導致古代壁畫酥堿和皰疹等鹽害的重要誘因[35-36]。當環境RH高于62%,壁畫中可溶鹽即開始活動[37]。

《中國氣候變化藍皮書(2019)》資料表明,近年來我國極端強降水量事件呈增多趨勢,2018年中國降水量較常年偏多7.0%,北方大部分地區降水偏多20%～100%[38]。2018年麥積山石窟暴發了階段性微生物病害,一方面與其所在半濕潤氣候區降雨與溫濕度季節性變化有關,另一方面也與2018年中國甘肅東部區域降雨量激增,以及連續降雨持續時間較長相關。

3.3 麥積山石窟文物與環境、微生物間關系

麥積山石窟外環境、窟內環境和文物本體微環境三者間存在強關聯性。與外環境相比,洞窟內環境因子,如光強度、溫度、相對濕度和空氣交換速率等具有可控調節的可能。現有研究指出,濕度是導致歷史建筑結構內材料生物降解和生物劣化最為關鍵的影響因素[39]。當相對濕度在73%以上,微生物極易在吸濕性材料上生長[40]。當環境溫度為25℃、RH為100%時,霉菌繁殖速率最快,并隨著RH的降低而逐漸減小[41]。但受種屬、環境溫濕度、養分來源等多因素影響,微生物病害防控還沒有確定的相對濕度閾值[42]。文物、生物活動與環境因子三者間密切關聯,對于文物生物病害的防控需要綜合考慮文物賦存生態環境各要素及其相互關系(圖8)。

圖8 文物生態環境因子間相互關系概念圖(制圖：武發思)Fig.8 Diagram of the interrelationship among heritage, eco-environmental factors, and organisms(Credit:Wu Fasi)

麥積山景區生態環境特征、 壁畫制作材料、 昆蟲活動、 游客參觀等多因子間耦合作用可能會加劇洞窟微生物病害發展。 在全球氣候變化、 環境污染、 人類活動等因素影響下, 微生物參與的生物地化循環過程加速了文化遺產的侵蝕退化, 環境因子控制、 污染管理、 原位干預及納米抗菌劑運用等, 是當前文化遺產可持續保護的新對策[26, 43-44]。維持洞窟內環境平衡穩定,如加強空氣自然流通、避免長期高濕、減小溫度波動、阻止昆蟲進入及減少人為擾動等措施,是麥積山石窟文物保存和保護的關鍵。

4 結論

麥積山石窟外環境溫度隨季節變化明顯,受降雨及周邊森林植被蒸騰作用影響,外環境相對濕度季節性變化不明顯。第127窟內環境溫度隨季節波動平緩,變化幅度自甬道口由南至北逐漸減小。受崖體及窟門影響,窟內環境溫度日波動幅度極小;相對濕度隨季節波動明顯,變化幅度由南至北逐漸增大。4—10月北壁空氣及地仗層溫度月極大值均低于南壁,而相對濕度月極大值均高于南壁。北壁空氣及地仗層相對濕度一年中高于90%的時間超過了3個月。極端和持續降雨導致的崖體滲水是窟內環境空氣及文物本體內部相對濕度升高的主要影響因素。

第127窟主室北壁空氣及地仗層相對濕度長期過高及潛在的水汽凝結是引發壁畫空鼓、脫落及微生物等病害的重要環境誘因。維持洞窟內部生態環境平衡穩定,加強空氣自然流通、避免長期高濕、阻止昆蟲進入,以及減少人為擾動等措施,是石窟文物長久保存的關鍵。