模拟壁画墓葬中的微环境分析研究

戎 岩，李玉虎

(1．咸阳师范学院关中古代陵寝文化研究中心，陕西咸阳 712000;2．陕西师范大学材料科学与工程学院，历史文化遗产保护教育部工程中心，陕西西安 710119)

0 引言

墓室壁画作为中国传统壁画的重要一翼，通常壁画绘制于墓室的四壁、顶部以及甬道两侧。国际社会对该类文化遗产保护的基本原则是对构成遗址的各要素原址一体化保存。中国古代墓室壁画属于干壁画类型，其结构由三部分组成，分别是壁画的基础支撑体、颜料层的载体(地仗层或灰泥层)、颜料层。其中任何一部分发生病变，都会影响壁画结构的整体稳定性。出土墓葬壁画长期深埋地下，受温湿度、地质环境、自然灾害等因素的长期作用与影响。壁画墓葬易于受到微环境变化而带来各种不同的病害。地仗层材料和壁画颜料在潮湿环境下强度变低，易产生霉变、开裂、空鼓、起甲、粉化、剥落等病变，且往往受出土壁画保存状况、保护技术水平、现场保存条件等因素所限，原址保存难度较大。因此，对于墓葬壁画微环境进行系统研究，为有效调控微环境提出合理的对策，以期为墓葬壁画原址保护提供更多的科学依据。

壁画墓葬受到外界环境中温湿度变化、空气中的有害气体、光照强度等的影响。墓室壁画被发掘出土后，往往会随着时间的推移产生各种病害，若不加强治理，最终会失去它具有的艺术价值、历史价值和科学价值。在壁画各种病害中，酥碱病害对壁画的破坏最为强烈，其后果也最为严重。

壁画墓葬病害均与保存环境密切相关。多数病害的产生、发展均是在墓室微环境因素的长期作用下发生的。温度波动、干湿周期和风速的不断变化是其根本原因。

虽然国内外对于壁画墓葬的保护修复已经取得了大量科研成果和经验积累，但很多墓葬壁画仍然存在自然环境损害、微生物侵蚀以及保护技术、经济条件的制约，甚至面临人为破坏的风险。尤其是墓葬壁画的原址保护，始终是文物保护领域的一大难题和亟须解决的重大科研攻关课题，需要持续不断的科学保护技术探索和保护理念的创新。为深入系统研究墓葬壁画微环境与病害之间的关系，陕西师范大学历史文化遗产保护教育部工程中心于长安校区模拟坑内建立模拟壁画墓洞，通过对模拟壁画墓室的保存环境的监测分析，进一步探讨墓室壁画病害与微环境的关系，以期为文物保护者提供保护依据。

1 试验与方法

1.1 测试仪器及测试条件

HE173型高精度温湿度记录仪，温度精度:±0.5℃，湿度精度:±3%RH(深圳市华图测控系统有限公司)。

ARN－TSDD电导率记录仪，外接6路电导率传感器，测量范围:0.00～20.00 ms/cm，测量精度:EC±2%，分辨率:0.01 ms/cm(河北奥尔诺电子科技有限公司)。

ARN－TSWC土壤温度、水分记录仪，外接6路土壤温度传感器，温度范围:－30℃ ～70℃，测量精度:±＜0.2℃，温度分辨率:0.1℃;外接6路土壤水分传感器，测量范围:0～100%，测量精度:±3%，测量分辨率:0.1%(河北奥尔诺电子科技有限公司)。

ICS－1500离子色谱仪(美国戴安公司)，Chromeleon 6.8色谱工作站，Dionex IonPacAS19阴离子色谱柱，洗脱液20.0 mmol/L NaOH，流速1.0mL/min。ASRS－ULTRAⅡ电化学抑制器，进样体积10 μL。Dionex IonPacCS12A阳离子色谱柱，洗脱液20.0 mmol/L甲烷磺酸，流速1.0 mL/min。CSRS－ULTRAⅡ电化学抑制器，进样体积10 μL。

D/Max2550VB+/PC全自动X射线衍射仪(日本理学公司)，管压40 kV，管流30 mA;扫描类型:连续扫描，扫描速度5°/min。

1.2 实验方法

1)离子色谱对土样阴、阳离子的测定。土样经105℃烘干、称重、溶样、过滤处理，取滤液定容至50 mL容量瓶中待测。

2)X射线粉末衍射(XRD)测定。土样经风干、碾磨、过筛处理，取一定量土样在玛瑙研钵中研磨后过200目筛，待测。通过对模拟墓室不同层位地仗层样品进行XRD分析，可以明确土壤中不同深度及高度物相变化的规律。

3)遗址不同深度温度、含水率及电导率测定。采用德国Heraeus室内防潮型探头实时监测记录6个不同深度处土壤温度、含水率以及电导率。传感器用防潮型节点无线传感器与计算机相连，将计算机作为终端接收数据。

2 结果与讨论

2.1 环境温湿度

为真实模拟墓室壁画的保存环境，经过前期调研分析，历史文化遗产保护教育部工程中心在陕西师范大学土遗址模拟坑内富盐区，有针对性地建设模拟壁画墓洞(图1)进行科学研究。模拟墓葬壁画墓室呈长方形(长约6 m，宽约2 m)，墓室顶部呈拱形，最高处至底部约1.8 m。依据古代墓葬壁画制作工艺，采用支撑体(青砖)、地仗层(2 cm草拌泥层)、画面层(一层薄白灰层上涂颜料层)的构建方式，依据古代壁画颜料绘制工艺进行壁画制作。壁画绘画颜料采用矿物颜料(朱砂、石青、石绿、铁棕、雌黄等色)，依据支撑体、地仗层及颜料层的结构依次进行壁画制作过程。

通过图2所示，在陕西师范大学模拟壁画墓室的墙壁上分别在距离底面 20、40、60、80、100 和120 cm处插入德国Heraeus室内防潮型温度、含水率、电导率探头进行实时数据监测。墓室内部监测项目包括墓内环境温湿度、距底部不同高度处土壤温度、土壤含水率及土壤电导率，通过软件设置其数据监测间隔均为10 min。

壁画墓葬经发掘后，处于半开放状态，墓室温湿度难以控制，反复经过干湿循环，易于产生各种病害。若墓室因通风后过于干燥，则壁面容易泛碱;若墓门封闭，则因湿度过大而容易诱发霉菌生长繁殖。在壁画局部往往出现开裂、剥离、起翘、褪色、粉化等侵蚀。各种病害与其所处的各种环境因素具有一定的相关性，通过对模拟墓室环境的监测分析，进一步探讨壁画病害与环境的关系(图3)。

壁画墓葬内土壤处于一种相对开放的耗散体系状态，不断地与外部环境产生物质及能量的交换。非饱和土壤中，空气易于在其内部不断地流动，并与大气环境发生实时的交换。土壤热量主要来源于太阳辐射能，其次是土壤微生物分解有机物释放的能量，地球内热和土壤贮水的潜能等，这些数量远远小于太阳辐射能。土壤热量的支出主要包括土壤水分蒸发、加热土体自身产生的耗散。由于太阳辐射具有明显的季节波动规律，故土壤热状况也有明显的年变化。这些变化除受太阳辐射的影响外，还受一些其他因素的影响，如干湿交替引起的反射率、热容量和导热率的变化及这些性质随土层深度的变化等因素。在该体系中，水分的运移会携带热量，温度的交替变化也会影响水分的运动，土体纵向的水势梯度及温度梯度的形成，往往影响其热量与水分的输送模式。土壤中的温度交替变化会影响其内部水分的分布，非饱和土壤纵向的温度梯度驱动其内部水分再次分布;而水分的迁移则对土体的物理性能(特别是土壤导热系数、热扩散系数和热容)产生较大的变化，继而非饱和土壤的温度将发生变化。状态，全年墓室内部湿度较墓室外部均较高;而墓室内部温度在春季、冬季较墓室外部稍高，而夏季、秋季墓室内部较外部稍低。

从图4不难看出，墓室内、外温湿度全年变化趋势基本一致，说明外部环境的改变对墓室内部微环境的变化具有一定的影响。且由于墓室处于半封闭

2.2 土壤温度、含水率变化规律

从图5中，模拟墓室纵向距墓底不同高度处探头温度与空气温度的关系可看出，不同高度土壤探头所测温度同大气温度的变化趋势基本一致，春、夏季呈现逐渐增加的趋势，秋、冬季呈现逐渐下降的趋势。春、冬季，土壤温度普遍高于空气温度，由于土壤具有一定的保温性，随着土壤埋深深度的增加，土壤温度呈现出逐渐升高的趋势。而夏、秋季，土壤温度普遍低于空气温度，由于土壤的导热性不好，随着土壤埋深深度的增加，土壤探头温度呈现逐渐降低的趋势。因此，距墓底较高处土壤温度随季节的变化幅度要大于较低处土壤，且土壤埋深越深土壤温度变幅越小。由于墓葬壁画各层绘画材料的热膨胀系数不同，甚至相差很大，导致体积伸缩和变化速度各异，使壁画表面开裂。

土壤含水率是影响非饱和土中溶质扩散能力的主要因素之一。由图6中数据不难看出，墓室纵向距墓底不同高度处含水率变化趋势与空气湿度变化趋势(图4)基本一致，夏季含水率相对较高，且土壤埋深深度越深，即距离墓底越近。探头湿度随季节的变化幅度越小;相反，土壤埋深越浅，含水率随季节的变化幅度越大。墓葬壁画环境中，水分运移会携带热量，温度交替变化亦会影响水分的运动，土体纵向的水势及温度梯度的形成，影响热量与水分的传输状态。墓葬土体温度交替变化会影响其内部水分的分布，纵向温度梯度又会影响内部水分分布;而水分的迁移影响土体的物理性能(特别是土壤导热系数、热扩散系数和热容)的变化。

土体含水率的动态变化破坏土体结构，水汽凝结、降水、毛细水上升、蒸发等过程，土不断经历着干湿循环。土壤在长期的干湿交替变化过程中，土壤团聚体会因为老化、膨胀、收缩和侵蚀等过程明显地迅速分裂。由于粘合物质的溶解或粘合力的减弱以及粘粒的膨胀和弥散等原因，土壤的过度湿润也会导致土壤团聚体的崩裂。土壤团聚体的不均匀湿润也会导致其内部膨胀压的分布不均从而引起团聚体的破裂。

2.3 土壤电导率及土壤易溶盐分析

通过对不同深度处土壤电导率的实时监测(图7)结果显示，随着土壤埋深深度的增加，土壤电导率有升高的趋势。而随着季节的交替，电导率亦发生有规律的波动现象。春季至夏季有持续升高的趋势，直至夏季达到最高点;秋季至冬季有持续降低的趋势。而影响土壤电导率变化的主要因素为土壤含水率和土壤含盐量，且后者影响程度更大。

对不同深度处土样进行离子色谱分析，数据显示(图8)，土壤中阳离子主要有 Na+、Ca2+、Mg2+、K+，阴离子主要有 Cl－、。各种离子随取样高度的增加，基本都显示增加的趋势，且Na+、Ca2+、离子变化趋势明显，增幅较大，通过成盐计算，表明壁画土体表面析出盐分主要以硫酸钠和硫酸钙为主，在水分运移带动下，由毛细管力作用下，盐分被带至高处。在不断的收缩－膨胀的过程中，墓室壁画极易受到该类盐害的侵蚀，最终形成酥碱、起甲、脱落等病害。

由图9可看出，纵向距墓底不同高度处的土样中含有的阳离子、阴离子在不同高度的变化趋势与含盐量在不同高度的变化趋势基本一致，随取样高度的增加，离子浓度有逐渐增大的趋势，显示在垂直方向上，存在毛细水由下至上的迁移趋势，最终在一定层位聚集，随着外界环境的交替变化，盐随水动，在土体表面结晶析出，继而破坏土壤团粒结构。可判断，可溶盐离子在毛管水的作用下自下而上迁移，Ca2+、Na+、最后在一定高度范围内聚集，并且随着外界环境的变化(如干湿循环、冷热循环等)而变化。

根据不同高度处土样XRD检测结果(图10～11)，纵向上不同高度土壤所含盐分主要有CaSO4、CaCl2、Na2SO4，含量均较低。随着土壤深度的增加，盐分含量也略有增加。中华人民共和国国家标准GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》中指出，随着温度的变化氯盐的溶解作用较小，保水性较强，能使土体发生软化。伴随外界环境中温度的变化，硫酸盐会发生膨胀作用，由于硫酸盐特有的晶体结构，使得它比较趋向于以含结晶水的比较稳定的形式存在。当含有结晶水的硫酸盐形成盐晶时，填充在孔隙中，使大空隙变小，小空隙膨胀挤压相邻颗粒，则土壤空隙结构遭到破坏。无水芒硝(Na2SO4)结晶水化变成芒硝(Na2SO4·10H2O)后体积膨胀3.1倍。墓室环境经过反复的干湿循环后，结晶盐不断地析出导致土壤体积增大，土壤团粒之间产生机械挤压作用，使土体团粒结构发生变化，反复的溶解蒸发作用促使墓室壁画表面发生酥粉等病害。

3 结论

通过对陕西师范大学模拟壁画墓葬微环境温湿度、土壤温度、含水率、电导率等的长期监测及易溶盐分析可得出以下结论:

1)采用空气高精度温湿度记录仪对模拟墓室空气温湿度实时监测。结果表明墓室内、外温湿度全年变化趋势基本一致，说明外部环境的改变对墓室内部微环境的变化具有一定的影响。且由于墓室相对处于半封闭状态，全年墓室内部湿度较墓室外部均较高，而墓室内部温度在春季、冬季较墓室外部稍高，而夏季、秋季墓室内部较外部稍低。

2)通过对墓室中距墓底不同高度处土壤的电导率和含盐量进行测定，表明土壤电导率和含盐量呈现良好的相关性，且随着距墓底高度的增加，含盐量增加。采用离子色谱分析距墓底不同高度处土壤含有的无机盐离子类型和含量。结果表明随着距墓底高度的增加，土壤中离子含量逐渐增加。其中Na+、Ca2+、离子含量比较高，增加的幅度也比较大。结合成盐计算，表明土壤表面析出盐分主要以硫酸钠和硫酸钙为主。而硫酸钠和硫酸钙等在干湿循环下，不断的结晶－膨胀过程是壁画墓葬产生酥碱等病害的主要原因。