土遗址博物馆展区微环境变化对土壤含水率的影响初探

冯永亨，温敬伟，傅英毅，范 敏，全 洪

（1. 广州市白云文物保护工程有限公司，广东 广州 510540；2. 南越王宫博物馆，广东 广州 510500）

目前，文物保护领域普遍用大气相对湿度或者含水量来确定土遗址的状况，将土遗址区划分为潮湿土遗址和干燥土遗址[1]。根据张虎元先生的潮湿土遗址界定及病害分类研究中的研究结果[2]，结合本项目研究区域数据表明，南汉宫殿展区属于潮湿区潮湿环境潮湿状态土遗址。

影响土遗址保存质量的环境因素有很多，其中环境的温、湿度是最显而易见，也是研究最多的两个指标，但古代土遗址类文物的病害发展也与土壤含水率有着更密切的关联，控制土壤含水率对预防土遗址盐害、霉菌爆发及大面积开裂等严重病害具有重要意义[3-5]。因此，本文着眼于研究土遗址所处的微环境与土壤含水率之间的关系。了解土遗址自身含水状态、所处的微环境相对湿度和土遗址所处的区域气候条件等方面，是甄别土遗址病害成因及制定保护方案的重要依据[2]。监测、分析与评估影响土壤含水率变化的因子是改善土遗址文物保护环境中的一项重要工作。

1 研究对象与材质分析

本次数据来源于南越王宫博物馆内南汉宫殿展区微环境的监测数据。南越王宫博物馆位于广州市越秀区北京路，馆内展区保护面积约5.3万m2，是公元前204年赵佗在岭南建立的第一个封建王朝宫殿的遗址，1996年入选全国重点文物保护单位。南汉宫殿展区采用“覆罩露明”的方式进行展示，展区内配备舒适性变频空调和空气净化器来维持温湿度，正常情况下24 h运行。数据设置为每小时记录一次。主要对展区内外温度、相对湿度、埋深土壤含水率等主要因素进行了不间断监测。

1.1 地质分析

经前期地质勘察研究[6]，南汉宫殿展区地层岩性复杂：0～4 m属于杂填土；4～6 m属于黏土（软塑）；6～24 m属于粉质黏土；等效剪切波速度为165 m/s，场地土地类型属于中软土。根据勘察资料表明：杂填土上部因为砂土和碎石具有透水作用因而透水性最强；软塑状黏土透水性最弱；而杂填土下部土层的渗水性居两者之中。由此可以判断展区内的土壤含水率一定程度上受到湿度的影响，但是影响程度不明显。目前南汉宫殿展区位于室内，因此不受大气降水的垂直入渗影响，但大气降水会同周边生活用水等对遗址地下水进行补给，继而通过毛细水作用影响土壤含水率。

1.2 土壤成分分析

项目组于2016年10月对展区东西两侧隐蔽区域进行采样检测，按照《JY/T009—1996转靶多晶体X射线衍射方法通则》和《JY/T016—1996波长色散型X射线衍射荧光光谱方法通则》的规定对土样进行了XRD和XRF测试。通过这些仪器分析可以得到遗址区土质的组成元素、矿物成分及含量等指标。

(1)XRD分析。土质文物样品X射线衍射检测结果如表1所示，样品主要结晶相为石英，并含有少量的伊利石和高岭石等。

表1 土质文物样品XRD结果

(2)XRF分析。土质文物样品的XRF测试结果如表2所示。从表2中数据可知，所采集的土质文物样品中主要含有SiO2、Al2O3、K2O和Fe2O3等，根据XRF对各氧化物含量的分析可知：Si元素主要以石英和硅铝酸盐的形式存在，因此可以确定展示区的土样主要成分为石英，并含有少量的伊利石和高岭石。

表2 南汉宫殿展示区土质文物样品XRF半定量分析结果

结合地质勘查结果与土壤成分分析，南汉宫殿展区土遗址主要由细砂岩组成。细砂岩毛细水上升高度情况比较复杂，会随土塑性大小而改变，同时受到压实度和液限等因素影响[7]。本次研究仅对微环境因素的影响进行探讨。

2 微环境对土壤含水率的影响

2.1 展区内环境温湿度

由图1（a）和图1（b）数据记录可知，2017年度展区内最高月平均气温24.2℃，最低月平均气温19.7℃，室内外温度变化规律一致，室内气温波动明显小于室外；室外空气相对湿度全年波动极大，而室内相对湿度则维持在95%～100%的高湿状态，尽管监测器所处区域湿度偏高，但变化相对稳定，结合遗址病害情况发现超高湿度环境暂时没有对土遗址造成不可逆的破坏。考虑到室内配置了温度调控和空气净化器等设备，室内温湿度处于相对稳定，表明展区内的微环境控制有效，长期稳定的温湿度环境是保护土遗址的基础。

图1 2017年南汉宫殿展示区室内外温湿度变化图（来源：作者自绘）

2.2 室内湿度对土壤含水率的影响

由图2可知，展区内湿度全年均处于稳定状态，但在10月前后出现了断层式下降，相对湿度比年平均相对湿度下降了近5个百分点，与此同时各个监测点的埋深土壤含水率出现下降，结合地层岩性分析结果可以判断，馆内空气湿度的下降间接导致土壤含水率下降，且对浅层的影响更为明显。

图2 土壤含水率与室内湿度变化曲线（来源：作者自绘）

2.3 地下水位变化对土壤含水率的影响

由图3可知，展区内地下水位6—9月总体呈上升趋势，而该区域埋深0 m和0.8 m的土壤含水率也呈上升趋势，埋深3 m和1.5 m的土壤含水率则维持在43%～46%之间；9月中下旬地下水位开始骤降，此时4个不同埋深土壤含水率的曲线也出现了明显下降，埋深1.5 m的土壤含水率最为明显。由此可见，地下水位变化和土壤深度也是影响土壤含水率的重要因素，毛细水作用是导致土壤含水率上升的主要原因。

图3 土壤含水率与地下水位变化曲线（来源：作者自绘）

2.4 室外降雨对土壤含水率的影响

图4为2017年下半年土壤含水率与室外降雨变化曲线，由于降雨是地下水的重要补给，而地下水位是控制土壤含水率的最大权重因素，降雨的大小间接影响土壤含水率的变化，因此选取雨季6—9月讨论降雨对土壤含水率的影响。9月4日为监测期间降雨量最多的一天，达到95.83 mm，降雨后不同埋深的土壤含水率均有明显波动，随着降雨的发生，土壤含水率也随之上升，并存在一定的延后，其中埋深1.5 m和3 m的土壤含水率在雨后上升尤为明显，符合土壤水分滞后效应。

图4 土壤含水率与室外降雨变化曲线（来源：作者自绘）

2.5 小结

综上所述，土遗址内埋深土壤含水率的变化与保存环境湿度、地下水位及室外降雨均有密不可分的关系。自然情况下土壤含水率会随着环境湿度、地下水位及降雨的变化而变化，降雨、地下水位和湿度三者也会相互联系、相互影响，共同形成土遗址保存的微环境。

3 结束语

本文以位于岭南地区的南越王宫博物馆土遗址展区为研究对象，对影响土遗址土壤含水率变化的主要微环境因素进行研究，初步得出了环境湿度、地下水位及室外降雨3种微环境因素对土壤含水率变化均有一定的影响，为今后改善文物保护环境的研究重点与方向提供参考。