莫高窟关闭洞窟温湿度变化分析研究

牟锐　李荣华　高文强　薛平

摘 要：为了解莫高窟不同层位关闭洞窟微环境变化规律，在岩体垂直立面上选择形制、大小相似的关闭洞窟分析各层位温湿度变化特征。结果表明，不同层位关闭洞窟受围护结构阻隔作用，相比外界环境高频率、大幅度波动变化，洞窟温度年变化平稳，从下至上，温度逐渐升高，波动幅度依次增大，相对湿度正好呈相反变化。各层位关闭洞窟温度对降雨响应变化不明显，相对湿度受降雨影响显著，时间上均表现出滞后效应，降雨集中月份，湿度波动幅度最大。从空间上看，莫高窟中、上层关闭洞窟常年湿度集中，波动区间窄，底层洞窟湿度分散，在降水偏多年份，高湿度（>60%）出现频次增多，存在激活盐害的风险。该研究有助于丰富莫高窟微环境研究，为进一步完善莫高窟预防性保护监测体系提供基础数据支撑。

关键词：莫高窟；微环境；温湿度；变化特征

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.03.007

0 前言

随着文物保护理念的深入与科技的发展，世界文化遗产莫高窟已从20世纪40年代的看守阶段进入21世纪的预防性保护。预防性保护的核心是通过环境控制来延缓文物本体的破坏速率①。引起文物退化的环境因素很多，包括温度、相对湿度、颗粒污染物以及光照等。其中，温湿度是最基本也是关注最多的两项要素②。文物的老化与消亡虽然是不可逆转的自然规律，但是通过监测结果改善文物的保存环境质量可以延缓文物的老化速率，延长文物的保存时间，而监测、评估文物保存环境中的温湿度是预防性保护的一项重要工作③。

莫高窟现存石窟数量众多，大小形制各异，位置、形制、有无窟门等不同造成洞窟微环境差异，导致壁画彩塑病害类型也不尽相同。壁画彩塑颜料层中的矿物颜料、有机胶结材料长时间受温湿度、微生物等自然环境作用，很容易老化形成多种严重病害④。在莫高窟492个有壁画的洞窟中，绝大多数都存在着壁画酥碱、起甲、空鼓、裂隙、烟熏、霉变等多种病害⑤，造成大多数病害的主要因素是壁画地仗内的可溶盐和水分⑥。可溶性盐广泛存在于莫高窟围岩与地仗层中，其含量与壁画劣化程度密切相关⑦。洞窟空气中的水分主要来自大气环境，环境温湿度的变化引起地仗内部水和盐相互作用，造成地仗层可溶盐反复溶解、结晶变化，长期作用导致壁画产生酥碱、起甲等病害，对壁画材料的劣化影响很大⑧。本文通过不同层位石窟环境的比较分析，为进一步丰富莫高窟微环境研究與完善莫高窟预防性保护监测体系提供基础数据支撑。

1 监测洞窟概况

莫高窟开凿在敦煌市东南25km的鸣沙山东麓砂砾岩崖体上，崖体高约40m，现存洞窟735个，壁画45000m2，彩塑2000多身，洞窟呈蜂窝状分布于崖面上，从下至上分布成四层，以一、二层分布最多。莫高窟地处沙漠戈壁腹地，海拔约1300m，年平均温度约10℃，相对湿度约32%，年降雨量约23mm，多年蒸发量达4300mm，为降水量的180多倍，具有冬冷夏热、昼夜温差大、风沙活动频繁、降水量稀少、蒸发量大的大陆性沙漠气候特点⑨。

本文选择莫高窟九层楼南侧垂直立面上一层第97窟、二层第215窟、三层第207窟3个关闭洞窟为监测对象（图1）。三个洞窟均开凿于唐代，几何形状相似，为覆斗形顶，西壁开一佛龛，龛内塑有佛、菩萨像，东壁安装铝合金门，门上方有纱网可通风换气。第97、215、207窟均属莫高窟小型洞窟，大小接近，洞窟主室占地面积分别为8.7m2、8.9m2、8.4m2。采用美国Onset公司生产的HOBO温湿度记录仪，设定每15min采集一次数据，在西壁龛台各布设一枚温湿度记录仪，监测2022年1月1日至2022年12月31日温湿度，结合莫高窟72窟前全自动气象站2022年区域气候数据，对比分析不同层位关闭洞窟微环境变化特征。

2 结果与分析

2.1 不同层位关闭洞窟年变化规律

①温度年变化。图2为区域大环境和不同层位关闭洞窟逐日温度变化曲线，从图2中可以看出各层位洞窟年温度变化趋势一致，均随外界环境季节性起伏波动。相比外界环境大幅度剧烈起伏变化，关闭洞窟由于受围护结构阻隔作用，温度年波动变化平稳。从层位上看，上层洞窟（第207窟）更容易受外界环境影响，波动幅度较大，具体表现为夏季升温快、温度最高，冬季降温幅度大、温度最低，其次是中层洞窟（第215窟），温度变化幅度最小的是底层洞窟（第97窟）。从下到上，3个洞窟温度年变化范围依次为1.6～23.5℃、-1.4～23.5℃、-0.7～27.2℃，年温差分别为21.9℃、24.9℃、27.9℃。大环境温度波动范围在-14.1～36.5℃，年温差达50.6℃。

②相对湿度年变化。图3和图4为区域大环境和关闭洞窟相对湿度及年降雨变化曲线，从中可以看出各层位洞窟相对湿度变化主要受外界环境影响，变化趋势与外环境一致。图3显示，外界环境湿度波动幅度剧烈，高湿度峰值主要出现在降雨和冬季低温天气。全年湿度波动在0.8%～99.4%，湿度差高达98.6%。由图3和图4可知，关闭洞窟相对湿度波动频率和变化幅度远小于外环境，高湿度峰值主要出现在降雨阶段，由于洞窟门常年关闭，冬季低温对湿度影响不明显。从下到上，相对湿度变化与温度变化呈相反规律，3个洞窟相对湿度年变化范围依次为8.2%～60.2%、13.6%～53.6%、13.4%～46.4%，年湿度差分别为52%、40%、33%。可见，在洞窟大小、形制、开放状态相似的情况下，温度是影响不同层位洞窟相对湿度差异的主要因素。

2.2 不同层位关闭洞窟月均温湿度统计

①月均温度。对2022年外环境和各层位关闭洞窟温度月均值和标准差进行统计分析（表1），结果显示，外环境温度7月最高27.5℃，12月最低-6.9℃，冬季（12～2月）温度在0℃以下长达3个月，表明围岩体发生冻融现象持续时间长。关闭洞窟最高和最低温度均滞后窟外1个月，8月温度最高，1月温度最低，月均温度均在0℃以上。从下到上，月均最高温度呈递增趋势，最低温度逐渐递减，最高温和最低温依次为21.7℃、22.7℃、25.4℃和3.6℃、0.8℃、0.9℃。7～9月洞窟温度最高，均在20℃以上，在此期间温度分布明显集中，波动小，温度标准差为全年最小，在0.3～0.6℃。从整体来看，底层洞窟月温度分布相对集中，越往上，温度分布越分散。

②月均相对湿度。对2022年外环境和不同层位关闭洞窟相对湿度月均值和标准差进行统计分析（表2），结果显示，气温最低的12月，外环境相对湿度月均值最高，为38.9%，气温回升多风沙的4月湿度最低，为17.9%。夏季洞窟内空气温度较岩体温度高，温度梯度的存在，使岩体缓慢向洞窟释放水汽，由于窟门关闭，空气交换率低，使得窟内湿度明显高于窟外，温度最高的8月，洞窟相对湿度月均值最大。2022年莫高窟地区降水量少，年降水量仅13.3mm，且主要集中在3月（8.8mm），受外界湿度影响，3月洞窟相对湿度明显较高（>30%）。在集中降雨影响下，3月份窟内外湿度分布最分散，波动最大。与温度分布规律相反，从上往下，洞窟湿度分布越分散。

2.3 不同层位关闭洞窟对降雨的响应

敦煌地区干旱少雨，年际间降水量差异大，月间分布不均匀。2022年莫高窟地区仅降水13.3mm，发生降雨只有12d。较大强度降雨主要出现在3月和7月。3月24、25日连续两天出现降雨，累计降雨时长6h，共降雨8.5mm，最大降雨强度出现在25日，为2.8mm/h。7月20、21日连续两天降雨累计时长2h，总降雨3mm，最大降雨强度出现在20日，为2.3mm/h。仅4天降雨占到全年总降水量的86.5%。

图5为3月和7月降雨前后温湿度变化曲线图。从中可以看出发生降雨时，外界环境相对湿度迅速上升，气温也相应下降。较大降雨情况下，空气相对湿度会很快升至90%以上。图5（上）显示，3月24、25日因发生连续降雨，降雨持续时间长，致使外界环境长时段维持高湿度水平，99%以上湿度长达10个多小时（2022年3月24日21：00至3月25日7：30）。相比3月份连续降雨，7月19、20日降雨时间短，为间歇性降雨，外环境湿度波动幅度大，降雨峰值出现在降雨时段，高湿度（>90%）持续时间短。

由图5所示，各层位关闭洞窟温度对降雨响应差异不明显，降雨前后温度基本保持平稳。降雨发生后，随着外界环境相对湿度迅速升高，洞窟间湿度变化步调基本一致，较窟外延迟2h后均开始缓慢上升，上升幅度相差不大，最大增幅约10%。降雨结束后，外界湿度迅速下降，相对湿度恢复至降雨前初始水平时间短，各层位洞窟湿度变化均表现出滞后效应，时间滞后上差异变化不明显，约12h后湿度均开始缓慢下降，恢复至初始水平所需时间长，相比之下，上層洞窟比下层洞窟下降幅度较大，恢复所需时间略短。

2.4 不同层位相对湿度日极大值分布特征

对垂直立面上3个洞窟的相对湿度日极大值统计分析发现（图6～图8），不同层位关闭洞窟相对湿度日极大值月频次分布存在差异。降水偏少年份，底层洞窟（97窟）相对湿度超过60%频次很少，2022年仅出现1次，中、上层洞窟相对湿度均在60%以下，且一年中约一半时间相对湿度基本稳定在20%～30%，相比之下底层洞窟相对湿度波动幅度相对较大，湿度区间分布较广。

2019年莫高窟降水属偏多年份，全年降水67mm，以6、7月降雨为主，降水占比66.7%。统计该立面3个洞窟相对湿度日极大值出现频次后发现，相比降水偏少的2022年，下层洞窟相对湿度超过60%的频次增多，即洞窟处于高湿度的时间变长，中、上层湿度均无超过60%现象。这表明在同一立面的关闭洞窟中，中、上层洞窟较底层洞窟高湿度出现频率低，相对湿度小，更稳定，更有利于壁画的保存。

3 结论

通过监测分析，莫高窟不同层位关闭洞窟温湿变化存在一定差异，外界大气环境温湿度及降雨变化直接影响洞窟微环境。

①不同层位关闭洞窟受围护结构阻隔作用，相比外界环境高频率、大幅度波动变化，窟内温度年变化平稳，从下至上，洞窟温度逐渐升高，波动幅度依次增大，相对湿度正好呈相反变化规律，随着层位增加，湿度降低，波动幅度逐渐减小。

②外界环境在冬季低温天气月均相对湿度最大，洞窟湿度则不同。由于夏季洞窟空气和岩体间存在较大温度差，在温差驱动作用下岩体内部水汽向窟内蒸发迁移，使得窟内相对湿度在温度最高的8月湿度也最高。

③各层位关闭洞窟温度对降雨响应变化不明显，相对湿度受降雨影响显著，时间上均表现出滞后效应，洞窟间滞后特征差异不明显，降雨后湿度恢复至初始水平比窟外时间长，且上层洞窟比下层洞窟恢复所需时间略短。

④整体来看，莫高窟中、上层关闭洞窟常年湿度集中，波动范围窄，底层洞窟湿度分散，波动范围宽，在降水偏多年份，高湿度（>60%）出现频次增多，存在激活盐害的风险。

注释

①张亚旭，于宗仁，崔强，等.敦煌莫高窟第196窟内外环境温湿度相关性研究[J].中国文物科学研究，2022（2）：19-25.

②徐方圆，解玉林，吴来明.文物保存环境中温湿度研究[J].文物保护与考古科学，2009（S1）：69-75.

③徐方圆，吴来明，解玉林，等.文物保存环境中温湿度评估方法研究[J].文物保护与考古科学，2012（S1）：6-12.

④文娟，牛贺强，吴春勇.武威西夏博物馆壁画彩塑文物库房温湿度监测及分析[J].天水师范学院学报，2020（5）：81-84.

⑤陈港泉，李燕飞，刘瑞，等.莫高窟壁画疱疹病害调查研究[J].敦煌研究，2016（3）：110-116.

⑥陈港泉，苏伯民，赵林毅，等.莫高窟第85窟壁画地仗酥碱模拟试验[J].敦煌研究，2005（4）：62-66.

⑦陈港泉，于宗仁.莫高窟第351窟壁画疱疹和壁画地仗可溶盐分析[J].敦煌研究，2008（6）：39-45；郭青林，王旭东，薛平，等.敦煌莫高窟底层洞窟岩体内水汽与盐分空间分布及其关系研究[J].岩石力学与工程学报，2009（S2）：3769-3775；王锦芳，严耿升，杨善龙.莫高窟崖体可溶盐分布特征研究[J].水文地质工程地质，2010（6）：116-120.

⑧姜啸，张虎元，严耿升，等.湿度对盐溶液在壁画地仗中的毛细迁移影响研究[J].岩土力学，2014（2）：459-465.

⑨汪万福，王涛，张伟民，等.敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系设计研究[J].干旱区地理，2005（5）：614-620.