浅析饱水古木材低温低氧保藏技术——以“南海 I号”出土饱水木材标本为例

张玄微

一、饱水木材

“饱水古木材是指被考古学家发掘的不论尺寸、树种或年代，其内部饱含水分的木材”[1]。通常，饱水木材在水下或饱水环境中被发现时，常常保存有完好的外观形态，但被发掘提取暴露于干燥的自然环境中，就变得十分不稳定，会快速失水，导致收缩、扭曲甚至崩解。显然，饱水木材与新材相比，其内部结构已经发生了变化，产生这种变化的根本原因是木材纤维素含量上的改变，伴随木材纤维素的改变（降解），木材含水率大幅增加，这类木材由此被称为“饱水木材”。

木材的主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素，纤维素是木材强度的主要来源，木质素的作用是将纤维素胶结在一起，纤维素相当于混凝土中的钢筋，而木质素相当于水泥，半纤维素可以看做是砂石等填料。

纤维素属于糖类大分子，性质并不稳定，可以在热、碱性、酸性、盐类离子作用下发生断链反应（降解）。在自然界中，很多微生物也可以纤维素作为营养物质，令木材结构降解糟朽；有些古木材的埋藏环境还含有大量的铁，在长期的埋藏过程中受铁离子侵蚀浸润，当木材离开埋藏环境暴露于空气中时，这些铁离子与木材自身的硫元素（也包括埋藏环境中的硫）会形成硫酸盐（硫铁化合物）[2]，对木材纤维素加速降解的腐蚀作用极大。

以上这些自然、生物、化学因素等，都可以使木材纤维素原来的长链大分子结构降解变成短链的小分子并溶出，使得木材在显微结构上呈现出空洞的病害状态，纤维素溶出后的空洞会被环境中的水分所填充，其结果是木材的强度急剧下降而含水率急剧上升，含水率甚至可以高达1000%。

二、“南海I号”出土饱水木质文物

2014年1月，“南海I号”的全面保护发掘工作正式开始，随着发掘的持续深入，木质船体逐渐暴露，另有大量的饱水木质文物也陆续被发掘提取出来，特别是船体上散落下来的零散、破碎的饱水木材标本，数量十分庞大。为全面了解“南海I号”船体木材的保存状态和饱水木材保护方法研究提供了真实的实物资料。

经探查，“南海I号”船木及出土的木质器物病害的主要表现形式有物理结构破坏和外观颜色改变。物理结构破坏包括断裂、变形、残缺等，而引发木材物理结构破坏的最根本因素，是木材纤维素降解导致的材质机械强度下降。外观颜色改变主要是因生物侵蚀、硫铁等盐类离子浸润引发的，而微生物侵蚀和硫铁离子浸润，是导致木材纤维素加速降解的主要因素。

经检测分析，“南海I号”船木纤维素含量大多低于20%，相比于同类型材质新材平均60%的纤维素含量，下降十分严重。在木材含水率指标上，测得的最高含水率为700%，最低的也达到了250%，而同类新材最高含水率不会超过100%。仅仅从纤维素和含水率指标上看，“南海I号”木质材料的保存状态极差，体现在木材物理强度上的变化，以横纹抗压强度为例，最大值为1.91 MPa，最低值仅有0.29 MPa，同类新材的平均值为3.5 MPa。

对“南海I号”船木及出土的木材标本进行生物学采样分析，检测到十余种危害木材的菌群，其中的优势菌群是镰刀菌；对木材标本进行电镜+能谱分析，可见木材纤维中沉积有大量的含硫、铁的盐类离子及可溶盐离子（表1）。

表1 “南海Ⅰ号”船体木材可溶盐含量（ppm）（来源：“南海I号”沉船发掘现场保护研究2014-2016）

三、饱水木材的稳定性保护

在遗址发掘中，特别是有较大数量饱水古木的遗址发掘，由于工作进度、发掘方式、后期的遗址展示方案等诸多原因，饱水古木无法或不能被及时提取开展全面保护，只能在发掘现场原址进行稳定性保护处理。另外，饱水古木材全面保护处理的周期比较漫长，在处理的过程中，也要采取一定的技术措施，使其保持稳定的安全状态，阻止或延缓木材纤维素的腐蚀降解。饱水木材的稳定性保护可以通过存放空间的微环境控制或本体饱水状态控制来实现。

遗址中的饱水木材，经发掘一旦暴露在大气环境中，如果不加以有效保护手段，会很快失水干燥导致收缩扭曲变形，饱水木材的干燥变形是不可逆的过程。饱水木材所在的遗址环境对其保存状态起着决定性的作用。根据明尼苏达大学Brian A.Jondan的相关研究，饱水木材保存的最佳环境是其在被发掘提取前的“原始”埋藏环境。也就是说，发掘提取后的饱水木材保存环境应该尽量恢复到发掘前的状态，这些环境条件包括：低氧/无氧的密封状态、缓慢或相对静止的水下环境、较低的温度、较弱的光照（紫外线）等，都有利于减缓木材纤维素降解和微生物病害的侵蚀。显然，饱水木材一旦经发掘提取搬移后，原有的保存环境条件极难通过常规手段恢复再现，而简单的回填掩埋方式，也不能保证恢复原有的保护条件。完全“再现”饱水木材原有的埋藏环境虽然很难实现，但可以通过技术手段，将饱水木材放置于低氧、低温、低光照的环境下保存，通过人工手段模拟原保存环境的低温密闭无氧条件，对饱水木材同样可以起到良好的稳定性保护效果。此外，维持饱水木材的水分含量，也是非常重要的稳定性保护措施，最简单的办法是通过定期喷淋保湿防腐液[3]，以维持木材水分的动态平衡。

四、“南海I号”出土饱水木质文物及标本的稳定性保护措施

“南海I号”出土的饱水木质文物（包括木质船体）、无法辨别形制的木材标本主要采用的是喷淋保湿防腐和浸泡保湿防腐保存的方式，而形制保存较好的木质品，采用低温或低氧+低温保存的方式进行稳定性保护。

低温环境可以抑制大部分微生物的生长繁殖，不过由于饱水木材纤维素降解严重、含水率极高，这类木质品并不适合保存在零度以下结冰的低温环境。否则，木材会因内部水分冰冻结晶，导致本体材质酥解破坏。饱水古木材低温保存环境以5℃比较适宜，此时纤维素降解和微生物的活动可以获得理想的减缓和抑制效果。如果低温环境再结合低氧控制，微生物的生长不但可以被有效抑制，经过一段时间的低氧处理后，对微生物还可以起到一定的杀灭抑制作用。

图1 CATHSE技术体系流程示意图

为了更加有效保护保存“南海I号”出土的有机质文物，定制了一套低温低氧专用库房，用于“南海I号”珍贵有机文物的稳定性保护保存。该低温低氧有机质文物保藏技术全称为“高密封环境下气调保护技术”（Controlled Atmosphere technology of High Sealed environment），简称“CATHSE”技术（图1）。该技术系统包括围护结构密封技术、气体洁净技术、湿温度调控技术、氧含量调控技术、智能控制及信息化技术等组成。系统采用多级复合带压过滤与分子级氮氧分离技术，制取纯度99.99%的高洁净氮气，通过阶梯式降氧，降氧时间比常规“置换”降氧时间缩短了20%；在控湿技术上采用独特的“先干后湿”控制，通过等焓加湿和PID控湿工艺，湿度调控精度±3%，在低温储藏条件下，相对湿度可达到95%，且不产生水滴或雾化现象，库房空间内湿度均匀、稳定；在气密性和保温性能控制上，采用不锈钢聚氨酯板和“三玻两腔”中空玻璃围板，制冷蒸发器的冷气出口被均匀地设置在库房天花上，由静压箱将冷气分散到库房内的各个角落（图2）。经实际使用，库房内的静态气流和温度的均一性较好，特别是文物存放区，没有明显的体感气流。在温度控制上，通过PID精准温度调节，温度可以稳定的维持在设定值±2℃范围内。

图2 库房冷气走向剖面示意图

五、“南海I号”饱水木质文物及标本稳定性保护效果评估

为验证饱水木质品在低温、低氧环境下的保存保护效果，选取了6块饱水木材标本，每块标本切割成2块，分别放置于发掘现场环境（对照组）和低温低氧库房保存（实验组），进行对比实验。放置于现场的对照组每日淋洗去离子水保湿，气调库房中的实验组标本每周进行一次去离子水淋洗，喷淋后用吸水无纺布覆盖保湿，持续1年后对标本进行pH值、纤维素含量分析测定，并利用三维扫描仪对三维形态稳定性扫描分析。选取的6组饱水木材标本pH值测定结果见图3，纤维素含量测定结果见图4。

图3 饱水木材标本pH值

标本在进入实验阶段前，pH值大部分呈现弱酸性，最低值为4。一年后，对照组的木材标本pH值呈进一步恶化的趋势，而实验组的木材标本pH值整体趋向于中性或偏中性方向发展。说明实验组木材的酸化现象得到较好的控制，其内部微生物活动以及硫铁元素氧化进程受到有效抑制。

图4 饱水木材标本纤维素含量

对实验标本纤维素含量分析结果显示，一年后，对照组的纤维素含量普遍低于实验前的检测值，实验组的纤维素含量与实验前的检测值保持了较好的一致性。这里需要说明的是，纤维素的采样分析，在实验前是对整块标本的局部取样分析，由于木材为非均一性材料，即使同一块木材标本的不同部分，其纤维素含量数据也会存在一定差异，实验结束后，纤维素测定是对整块实验标本的整体取样分析，数据的均一性较好，更能体现整块木材真实的纤维素含量（平均含量）。

图5-图8为木材标本及实验前后三维扫描数据（因标本照片及三维扫描数据较多，以标本2为例）。

图5 标本2对照组木材照片（实验前）

图6 标本2对照组三维扫描数据（实验前后木材形变数据）

图7 标本2实验组木材照片（实验前）

图8 标本2实验组三维扫描数据（实验前后木材形变数据）

三维扫描数据结果，对照组在实验前后，其三维轮廓发生了较明显变化，标本发生了收缩、扭曲，实验组标本的三维轮廓没有明显改变，说明实验组木材标本的饱水率、纤维素含量等处于较稳定的状态。

六、结语

通过低温、低氧保存饱水木材实验取得的数据显示，低温、低氧环境对抑制饱水木材微生物繁殖、延缓纤维素降解、维持木材结构稳定等方面，具有比较理想的保护效果。

在实验中发现低温低氧设备仍有进一步改进的空间，由于每周要开启一次气调库房对实验标本进行淋洗保湿，每次进入库房都要开启库房充氧操作，换气需要的时间较长，也会增加不必要的能耗。同时，频繁开启库房充氧，不利于库房长期维持低温低氧的环境状态，影响文物的保存效果。因此，除了库房环境恒湿系统外，可以考虑在今后的设备升级中，在库房内部设置一套用于饱水木材本体的自动淋洗系统，避免人员经常进入库房内进行淋洗操作对文物产生的不良干扰。