麦积山石窟第127窟赋存环境特征及对壁画病害的影响

贺东鹏,武发思,胡军舰,岳永强,马 千,汪万福,李师翁

(1.兰州交通大学 环境与市政工程学院,甘肃 兰州 730070;2. 敦煌研究院 国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心,甘肃 敦煌 736200;3.敦煌研究院 麦积山石窟艺术研究所,甘肃 天水 741020;4.甘肃省敦煌文物保护研究中心,甘肃 敦煌 736200)

文物承载灿烂文明,传承历史文化,维系民族感情,是宝贵的历史文化遗产。然而经历漫长岁月,保存至今的文物大都存在多种类型的病害[1]，赋存环境对文物的保存具有重要影响[2-5]。因此,当今文物保护已转向文物本体保护与赋存环境保护并重。对于石窟类文物,其所处地域的气候、地质构造、自然环境以及窟内微环境等,都与窟内文物,特别是壁画的保存密切相关,不利环境因素是导致文物病害发生的直接原因[6]。例如,对莫高窟开放和非开放洞窟内相对湿度变化的比较研究表明,降雨后开放洞窟的相对湿度增幅明显,而非开放洞窟相对湿度变化较小[7]，窟内的湿度和温度变化导致壁画膨胀起甲和脱落[8]。全球气候变化加剧,极端天气频发,包括环境污染,都会引起文物赋存环境的变化,文物保护工作面临新的挑战。因此,开展文物赋存环境的检测与研究,对做好文物保护工作尤为重要。

麦积山石窟位于甘肃省天水市东南45 km的秦岭山脉中,自后秦以来延续开窟1 600多年,现存窟龛221个,窟内存有大量精美塑像和壁画[9](见图1A),于2014年被联合国教科文组织列入世界文化遗产名录。由于环境变化及人类活动等因素影响,麦积山石窟壁画空鼓、起甲、酥碱及微生物病害较为严重[10-11],对塑像和壁画的保存造成严重影响。例如,2018年6—8月,第127窟等窟内壁画发生了大面积的微生物病害。为此,开展麦积山石窟各窟的赋存环境变化及其与壁画病害发生关系的研究,是石窟预防性保护的关键。然而,当前石窟环境监测主要是通过布设空气温湿度探头获取窟内和窟外环境参数。由于文物的特殊性决定了该类设备只能通过支架放置在地面或悬挂于监测对象附近,所测数据无法体现文物本体真实的温湿度变化。红外热成像仪可获取壁画表面温度[12],但无法进行多位点同步监测和缺乏连续数据。本研究首次使用微型嵌入式温湿度记录仪,并结合传统监测手段,对麦积山石窟第127窟内外环境和文物本体内环境进行了同步实时检测和分析,旨在为麦积山石窟赋存环境特征及其与石窟文物病害发生之间的关系进行解析,为麦积山石窟预防性保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 第127窟概况

第127窟位于麦积山西崖上层,于西魏时期(公元535—556年)开凿营建,洞窟由甬道和主室组成。甬道截面为边长约2.0 m的正方形,进深约3.0 m,南端为木制窟门,上部透气纱窗面积约0.44 m2。主室平面呈长方形,覆斗形顶,东西长约8.6 m,南北宽约5.0 m,四壁高约4.0 m,窟顶至地面约4.5 m(见图1B)。主室中央塑有一佛二菩萨像,四壁及窟顶绘有《涅槃经变》、《西方净土变》等大型佛传故事画,是麦积山石窟保留壁画最多的洞窟,具有极高的学术研究价值[13]。洞窟病害类型包括地仗层脱落、空鼓、微生物病害(见图1C)等,其中空鼓脱落及微生物病害最为严重,主要集中于主室北壁、东壁北侧、西壁北侧、顶部北侧。

1.2 实验设计

1.2.1 洞窟壁画病害现状调查 根据《古代壁画病害与图示》(GB/T 30237—2013)[14]开展第127窟主要病害调查,标识病害分布范围,并利用CAD2014统计各类病害面积。

1.2.2 麦积山石窟大环境监测 在麦积山石窟中区地面开阔处设置气象站(图1D),在中部栈道外侧设置HOBO®U23-001型温湿度监测仪(见图1E),监测麦积山石窟栈道环境温度(T)和相对湿度(RH)。

1.2.3 第127窟窟内及文物本体微环境监测

环境监测于2019年1月1日至12月31日间进行。在第127窟甬道西壁地面(AC)、主室南壁东侧地面(AS)、主室北壁东侧地面(AN)及主室西壁佛台(AW)布设4台HOBO®U23-001型温湿度监测仪,分别监测4处壁画附近空气温度、相对湿度和露点温度,探头距地面或佛台平面约10 cm(图1F);在主室南壁东侧(PS)、北壁东侧(PN)距地面约120 cm原有壁画颜料层已破损脱落处地仗层内置入iButton®DS1923微型(17 mm×5 mm)温湿度监测仪,然后用地仗层修复用泥土封护破损处,封护层干燥后所测温湿度即为该处壁画本体内微环境数据(图1F)。所有监测仪均设定为每2 h采集1次数据,同时记录石窟外环境和第127窟空气及壁画地仗层内的温度、相对湿度和空气露点温度。

A 麦积山石窟;B 第127窟示意图;C 第127窟微生物菌斑;D 气象站;E 栈道监测点;F 第127窟平面图(左)、侧视图(右)及温湿度监测仪位置(单位:cm)图1 本研究布置的环境监测点及微生物病害示意图Fig.1 Schematic diagram of the monitoring sites and microbial disease in this study

1.3 数据收集与分析

本研究以地面气象站和石窟栈道上温湿度监测数据作为石窟外环境因子,第127窟空气及壁画地仗层内温湿度监测数据作为窟内环境和文物本体微环境因子,比较分析外环境、窟内及文物本体温度、温度和空气露点温度日极大值、月极大值、日较差及壁画表面温露差。使用软件Origin2019和Spss16.0完成数据统计和数据相关性分析。

2 结果与分析

2.1 第127窟壁病害现状

麦积山石窟第127窟主室南壁、西壁、东壁和北壁地仗脱落面积分别为2.24 m2、1.89 m2、1.92 m2和7.40 m2,分别占其所在壁面的8.14%、9.74%、10.36%和23.00%。第127窟甬道、主室南壁均无可见微生物病害,而主室西壁、东壁及北壁微生物病害面积分别为1.10 m2、1.63 m2和5.84 m2,分别占其所在壁总面积的5.67%、8.80%和18.15%(见图2)。表明地仗脱落和微生物病害由南向北逐渐严重。

2.2 麦积山石窟外环境年度变化特征

以石窟气象站和石窟栈道2处监测数据比较分析石窟赋存外环境特征。图3为气象站和栈道监测点2019年的温度、湿度及降雨量变化图。2019年累积降雨839 mm,其中8月降雨量最大(173 mm),9月次之(146 mm),4—10月累积降雨量占全年降雨量的83.9%。2个监测点温度季节变化明显,变化趋势相似。气象站全年日均温度波动范围为5.87℃～24.72℃,年均温11.54℃;栈道监测点全年日均温度波动范围为5.13℃～26.10℃,年均温11.26℃。栈道位点年均温高于气象站监测点,日均温12月最低,7月底最高。与温度波动趋势不同,气象站和栈道监测点RH季节性变化不明显,气象站位点全年RH波动范围为25.98%～100%,年均RH76.0%;栈道位点全年RH波动范围为25.71%～93.54%,年均RH为69.15%。栈道点年均RH低于气象站点,全年RH3月最低,4—10月较大。

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

MS:气象站点，PR:栈道点，RH:相对湿度，T:温度、MRF:月降雨量图3 麦积山石窟外环境2019年降雨量、温度及相对湿度月分布Fig.3 Monthly distribution of rainfall, temperature, and relative humidity in outer environment of Maijishan Grottoes in 2019

2.3 第127窟内环境及窟壁本体微环境年度变化

如图4所示,第127窟窟内各监测点空气和地仗层温度季节变化较为平缓,波动幅度由南向北逐渐减小,甬道空气温度波动范围最大(1.67℃～20.56℃),北壁地仗层温度波动范围最小(8.50℃～16.50℃)。各监测点空气和地仗层RH季节变化明显,波动幅度由南向北逐渐增大,北壁空气RH波动幅度最大(30.53%～9.56%),南壁地仗层RH波动幅度最小(41.10%～88.80%)。4—9月,沿窟门向内由南至北温度逐渐降低,而RH变化趋势相反。7—8月窟内RH持续高于70%,其中西壁、北壁、北壁地仗层RH持续高于90%。

如图5A所示,第127窟南壁空气及地仗层4—10月温度月极大值均高于北壁,其余5个月则相反。1—3月及12月北壁地仗层温度月极大值最大,而南壁地仗层温度月极大值4—9月最大。夏季窟外温度高于窟内,南壁地仗层温度最高;冬季则相反,窟内温度高于窟外,北壁地仗层温度最高。除10月(南壁),4月、8月和11月(北壁)外,其余月份地仗层温度月极大值均大于空气温度月极大值。冬季南壁地仗层温度月极大值最低,夏季南壁空气温度月极大值最高。第127窟窟门上半部分是可透气的纱窗,而下半部分为实木板,夏季窟外温度较高,窟外热空气可通过窟门及上部的纱窗进入窟内,进而影响窟壁内部温度。冬季则相反,窟外冷空气被窟门阻挡,且南壁外崖体成为热量传导的主要介质,南壁地仗层温度月极大值低于空气。

由图5B可知,第127窟南壁地仗层、南壁空气、北壁空气和北壁地仗层温度日较差月均值波动范围分别为0.19℃～0.58℃、0.16℃～0.63℃、0.01℃～0.77℃和0.11℃～0.38℃,南北两壁温度日波动幅度不超过0.8℃。除1月和12月外,南壁空气温度日较差月均值均大于北壁;除7月和8月外,南壁地仗层温度日较差月均值大于北壁。第127窟甬道进深约3 m,即外崖面与窟内南壁间的崖体厚约3 m。窟门长期关闭时,窟内温度较为稳定,说明窟门及崖体起阻隔窟外冷空气、缓冲窟内外热量交换的作用,这与陈海玲等人的研究结果相符[15]。

CA:甬道，SP:南壁地仗层，SA:南壁，WA:西壁，NA:北壁空气，NP:北壁地仗层，RH:相对湿度，T:温度图4 2019年第127窟内环境温度及相对湿度月分布Fig. 4 Monthly variation of ambient temperature and relative humidity in Cave 127 in 2019

A 温度月极大值；B 温度日较差月均值图5 第127窟窟壁内外温度变化特征Fig.5 Change characteristics of temperature inside and outside the wall of Cave 127

如图6A所示,4—10月北壁空气和地仗层RH月极大值高于南壁,北壁空气和地仗层RH月极大值分别在86.5%～99.6%和86.5%～100.0%间波动。6、7、8、9月北壁空气和地仗层RH月极大值分别为98.4%、99.3%、99.6%、99.0%和99.9%、99.9%、100.0%、97.7%。而南壁除空气RH在6月达到91.1%外,其余月份空气及地仗层RH均低于90%。

如图6B所示，南壁和北壁空气RH日较差月均值年波动幅度较大,分别为0.83%～4.52%和0.33%～4.64%,而地仗层RH日较差月均值年波动幅度较小,南北壁分布范围分别为1.20%～2.02%和1.51%～1.96%。空气RH日较差月均值8月最低,11月最大。7月和8月北壁空气RH日较差月均值低于0.5%,表明北壁附近空气RH日波动幅度极小,长期维持在高湿度水平。

麦积山年降雨主要集中在7—9月,此期间，第127窟内空气RH日波动幅度明显减小,表明洞窟内湿度上升后短时间内难以降低。由于窟壁和地仗层的隔离作用,地仗层RH全年日变化较为平稳,雨季持续保持在高湿(南壁)或饱和(北壁)状态。地仗层内部长期维持在高湿环境成为诱发壁画发生酥碱和空鼓,甚至脱落等病害的主要影响因素。

A 相对湿度月极大值；B 相对湿度日较差月均值图6 第127窟窟壁内外相对湿度变化特征Fig.6 Change characteristics of RH inside and outside Cave 127 wall

窟内6个监测点的RH日极大值表明,不同位置的南北壁空气和地仗层RH日极大值出现频次差异明显(见表1),由南至北的6个监测点RH超过90%的频次依次为0、0、3、100、112和127,北壁地仗层出现在6—10月,而南壁空气、西壁佛台和北壁空气均出现在6—9月。各监测点RH超过90%的时长为:西壁佛台和北壁空气超过3个月,北壁地仗层超过4个月,南壁仅为3 d。甬道空气和南壁地仗层RH始终低于90%,表明窟内RH升高并非窟外环境中湿气通过窟门和甬道向内扩散。由于第127窟为非开放洞窟,长期关闭的窟门阻止了外环境湿气对洞窟内环境的影响,这与莫高窟研究结果类似[14]。余荣光等人的研究表明,降雨对麦积山石窟渗水影响显著,受渗水路径及降雨量影响,渗水体系复杂,并存在延迟滞后现象[16],因此，北壁内、外持续的高相对湿度与降雨导致的崖体内部渗水有关。

表1 2019年第127窟相对湿度日极大值月频次分布Tab.1 Monthly frequency of daily maximum RH in Cave 127 in 2019

2.4 窟壁表面水汽凝结条件分析

现有研究表明,当石窟内窟壁画或岩壁表面温度低于空气露点温度时,空气中的水汽会以窟壁表面的粉尘等颗粒物为凝结核由气态水转化为液态水[12, 17]。因此,壁画表面温度低于空气露点温度是水汽在壁画表面凝结的必要条件。以南壁、北壁地仗层温度作为其附近壁画表面温度,与对应壁面空气露点温度做差值，得到该处壁画的温露差。壁画表面温露差小于0℃,壁画表面即可能发生水汽凝结现象。如图7A所示,第127窟南壁和北壁监测点温露差年波动范围分别为2.07℃～15.26℃和0.05℃～18.06℃。与南壁相比,北壁温露差年波动范围更大,4月初至10月末北壁温露差小于南壁。如图7B显示,南壁温露差始终高于2.00℃,而北壁温露差在0℃～1.00℃和1.00℃～2.00℃区间内的频率分别为21.3%和9.8%,即全年31.1%的时间内北壁温露差低于2℃。结合图7A分析,该时间段为6月初至10月初,这与李燕模拟麦积山第133窟水汽凝结持续期相同[12]。

已有研究表明，洞窟内空气温度随高度升高而增大,相对湿度随高度升高而减小[15]。此次地仗层温湿度监测仪距地面高度为100 cm,而空气温湿度监测仪距地面约为10 cm,而距地面10 cm处窟壁地仗层实际温度小于100 cm处所测地仗层温度。考虑到监测仪可能存在着0.5℃左右的误差波动,由此推断,4—10月期间,第127窟北壁下部实际温露差部分时间段内低于0℃且能发生水汽凝结现象。

A 折线线； B 直方图图7 第127窟南壁和北壁温露差日变化Fig.7 Diurnal variation of temperature and dew difference between the south and north walls of Cave 127

3 讨论

3.1 麦积山石窟外环境特征

麦积山石窟处于甘肃省东部小陇山森林中,周围植被茂密。有研究表明,植物的蒸腾作用可使森林冠层上部空气相对湿度增加[18-19]。在降雨和植物蒸腾作用共同影响下,石窟外环境相对湿度季节性变化较小。与气象站监测点相比,栈道监测点温度略高,而相对湿度较低。这与栈道监测点高于石窟地面底部气象站位点有关,而崖体热辐射及栈道本体遮挡降雨等因素也可能加大这一差异[20]。

3.2 第127窟窟内环境特征对壁画病害的影响

由空鼓导致的壁画地仗脱落是麦积山石窟最为普遍和严重的壁画病害[21]。第127窟主室四壁地仗脱落面积占整壁的51.24%,且由南向北逐渐递增。本研究表明,窟内环境和壁画本体RH自甬道向北壁方向亦呈梯度升高趋势。4—10月间,北壁地仗层RH月极大值均高于南壁地仗层,RH高于90%的天数达127 d,而监测期间南壁地仗层RH均低于90%。与南壁相比,北壁长期维持在高湿度状态。麦积山石窟壁画支撑体中丰富的蒙脱石在环境湿度增大时会吸水膨胀至其原体积的8～10倍,壁画地仗层与支撑体之间的差异性膨胀和收缩是引发壁画空鼓病害,并最终导致壁画脱落的主要影响因素[7, 22]。壁画制作过程中楔入崖体内的木桩在湿度不断变化的过程中会反复吸水膨胀,脱水收缩,这一过程也可能加速石窟壁画的空鼓及脱落。

与地仗脱落病害类似,第127窟内的微生物病害也集中分布于主室偏北一侧。本研究表明,2019年北壁空气RH高于90%的天数达112 d,而南壁空气RH仅3 d超过90%,甬道空气RH未超过90%,4—10月期间,北壁空气RH月极大值均高于南壁空气。长期处于高空气湿度下的北壁较南壁更易出现水汽凝结。赋存环境高湿度,壁画表面产生的凝结水,是引发细菌和真菌等微生物病害的重要因素[23-24]。

微生物病害是影响石窟文物长久保存的常见病害[24],文物微生态学已成为当前文物保护领域关注的热点[25-26]。在适宜的温湿度条件下,环境中的微生物会以壁画制作材料中的胶粘剂和麻丝等有机物为营养源，在壁画表面大量增殖,其代谢产生的色素和有机酸则会导致壁画美学价值甚至结构破坏。不同年代的壁画表面微生物群落结构也不同,因此,病害微生物的防治是文物保护的难题之一[27-28]。对莫高窟空气微生物研究表明,气象因子波动是引发石窟文物微生物病害的诱因之一[29-31]。本课题组近年研究发现,麦积山石窟壁画赋存环境中的细菌丰度与温度、相对湿度和降雨量呈正相关,其中假诺卡氏菌属(Pseudonocardia)、芽孢杆菌属(Arthrobacter)、节杆菌属(Arthrobacter)和考克氏菌属(Kocuria)为优势菌,导致壁画生物性退化[32-34]。现有研究指出,水分是影响文物生物性退化的关键环境因素[2, 22],也是导致古代壁画酥碱和疱疹等盐害的重要诱因[35-36]。当环境RH高于62%,壁画中可溶盐即开始活动[37]。

《中国气候变化蓝皮书(2019)》资料表明,近年来我国极端强降水量事件呈增多趋势,2018年中国降水量较常年偏多7.0%,北方大部分地区降水偏多20%～100%[38]。2018年麦积山石窟暴发了阶段性微生物病害,一方面与其所在半湿润气候区降雨与温湿度季节性变化有关,另一方面也与2018年中国甘肃东部区域降雨量激增,以及连续降雨持续时间较长相关。

3.3 麦积山石窟文物与环境、微生物间关系

麦积山石窟外环境、窟内环境和文物本体微环境三者间存在强关联性。与外环境相比,洞窟内环境因子,如光强度、温度、相对湿度和空气交换速率等具有可控调节的可能。现有研究指出,湿度是导致历史建筑结构内材料生物降解和生物劣化最为关键的影响因素[39]。当相对湿度在73%以上,微生物极易在吸湿性材料上生长[40]。当环境温度为25℃、RH为100%时,霉菌繁殖速率最快,并随着RH的降低而逐渐减小[41]。但受种属、环境温湿度、养分来源等多因素影响,微生物病害防控还没有确定的相对湿度阈值[42]。文物、生物活动与环境因子三者间密切关联,对于文物生物病害的防控需要综合考虑文物赋存生态环境各要素及其相互关系(图8)。

图8 文物生态环境因子间相互关系概念图(制图：武发思)Fig.8 Diagram of the interrelationship among heritage, eco-environmental factors, and organisms(Credit:Wu Fasi)

麦积山景区生态环境特征、 壁画制作材料、 昆虫活动、 游客参观等多因子间耦合作用可能会加剧洞窟微生物病害发展。 在全球气候变化、 环境污染、 人类活动等因素影响下, 微生物参与的生物地化循环过程加速了文化遗产的侵蚀退化, 环境因子控制、 污染管理、 原位干预及纳米抗菌剂运用等, 是当前文化遗产可持续保护的新对策[26, 43-44]。维持洞窟内环境平衡稳定,如加强空气自然流通、避免长期高湿、减小温度波动、阻止昆虫进入及减少人为扰动等措施,是麦积山石窟文物保存和保护的关键。

4 结论

麦积山石窟外环境温度随季节变化明显,受降雨及周边森林植被蒸腾作用影响,外环境相对湿度季节性变化不明显。第127窟内环境温度随季节波动平缓,变化幅度自甬道口由南至北逐渐减小。受崖体及窟门影响,窟内环境温度日波动幅度极小;相对湿度随季节波动明显,变化幅度由南至北逐渐增大。4—10月北壁空气及地仗层温度月极大值均低于南壁,而相对湿度月极大值均高于南壁。北壁空气及地仗层相对湿度一年中高于90%的时间超过了3个月。极端和持续降雨导致的崖体渗水是窟内环境空气及文物本体内部相对湿度升高的主要影响因素。

第127窟主室北壁空气及地仗层相对湿度长期过高及潜在的水汽凝结是引发壁画空鼓、脱落及微生物等病害的重要环境诱因。维持洞窟内部生态环境平衡稳定,加强空气自然流通、避免长期高湿、阻止昆虫进入,以及减少人为扰动等措施,是石窟文物长久保存的关键。