張玄微

一、飽水木材

“飽水古木材是指被考古學家發(fā)掘的不論尺寸、樹種或年代，其內(nèi)部飽含水分的木材”[1]。通常，飽水木材在水下或飽水環(huán)境中被發(fā)現(xiàn)時，常常保存有完好的外觀形態(tài)，但被發(fā)掘提取暴露于干燥的自然環(huán)境中，就變得十分不穩(wěn)定，會快速失水，導致收縮、扭曲甚至崩解。顯然，飽水木材與新材相比，其內(nèi)部結構已經(jīng)發(fā)生了變化，產(chǎn)生這種變化的根本原因是木材纖維素含量上的改變，伴隨木材纖維素的改變（降解），木材含水率大幅增加，這類木材由此被稱為“飽水木材”。

木材的主要成分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，纖維素是木材強度的主要來源，木質(zhì)素的作用是將纖維素膠結在一起，纖維素相當于混凝土中的鋼筋，而木質(zhì)素相當于水泥，半纖維素可以看做是砂石等填料。

纖維素屬于糖類大分子，性質(zhì)并不穩(wěn)定，可以在熱、堿性、酸性、鹽類離子作用下發(fā)生斷鏈反應（降解）。在自然界中，很多微生物也可以纖維素作為營養(yǎng)物質(zhì)，令木材結構降解糟朽；有些古木材的埋藏環(huán)境還含有大量的鐵，在長期的埋藏過程中受鐵離子侵蝕浸潤，當木材離開埋藏環(huán)境暴露于空氣中時，這些鐵離子與木材自身的硫元素（也包括埋藏環(huán)境中的硫）會形成硫酸鹽（硫鐵化合物）[2]，對木材纖維素加速降解的腐蝕作用極大。

以上這些自然、生物、化學因素等，都可以使木材纖維素原來的長鏈大分子結構降解變成短鏈的小分子并溶出，使得木材在顯微結構上呈現(xiàn)出空洞的病害狀態(tài)，纖維素溶出后的空洞會被環(huán)境中的水分所填充，其結果是木材的強度急劇下降而含水率急劇上升，含水率甚至可以高達1000%。

二、“南海I號”出土飽水木質(zhì)文物

2014年1月，“南海I號”的全面保護發(fā)掘工作正式開始，隨著發(fā)掘的持續(xù)深入，木質(zhì)船體逐漸暴露，另有大量的飽水木質(zhì)文物也陸續(xù)被發(fā)掘提取出來，特別是船體上散落下來的零散、破碎的飽水木材標本，數(shù)量十分龐大。為全面了解“南海I號”船體木材的保存狀態(tài)和飽水木材保護方法研究提供了真實的實物資料。

經(jīng)探查，“南海I號”船木及出土的木質(zhì)器物病害的主要表現(xiàn)形式有物理結構破壞和外觀顏色改變。物理結構破壞包括斷裂、變形、殘缺等，而引發(fā)木材物理結構破壞的最根本因素，是木材纖維素降解導致的材質(zhì)機械強度下降。外觀顏色改變主要是因生物侵蝕、硫鐵等鹽類離子浸潤引發(fā)的，而微生物侵蝕和硫鐵離子浸潤，是導致木材纖維素加速降解的主要因素。

經(jīng)檢測分析，“南海I號”船木纖維素含量大多低于20%，相比于同類型材質(zhì)新材平均60%的纖維素含量，下降十分嚴重。在木材含水率指標上，測得的最高含水率為700%，最低的也達到了250%，而同類新材最高含水率不會超過100%。僅僅從纖維素和含水率指標上看，“南海I號”木質(zhì)材料的保存狀態(tài)極差，體現(xiàn)在木材物理強度上的變化，以橫紋抗壓強度為例，最大值為1.91 MPa，最低值僅有0.29 MPa，同類新材的平均值為3.5 MPa。

對“南海I號”船木及出土的木材標本進行生物學采樣分析，檢測到十余種危害木材的菌群，其中的優(yōu)勢菌群是鐮刀菌；對木材標本進行電鏡+能譜分析，可見木材纖維中沉積有大量的含硫、鐵的鹽類離子及可溶鹽離子（表1）。

表1 “南海Ⅰ號”船體木材可溶鹽含量（ppm）（來源：“南海I號”沉船發(fā)掘現(xiàn)場保護研究2014-2016）

三、飽水木材的穩(wěn)定性保護

在遺址發(fā)掘中，特別是有較大數(shù)量飽水古木的遺址發(fā)掘，由于工作進度、發(fā)掘方式、后期的遺址展示方案等諸多原因，飽水古木無法或不能被及時提取開展全面保護，只能在發(fā)掘現(xiàn)場原址進行穩(wěn)定性保護處理。另外，飽水古木材全面保護處理的周期比較漫長，在處理的過程中，也要采取一定的技術措施，使其保持穩(wěn)定的安全狀態(tài)，阻止或延緩木材纖維素的腐蝕降解。飽水木材的穩(wěn)定性保護可以通過存放空間的微環(huán)境控制或本體飽水狀態(tài)控制來實現(xiàn)。

遺址中的飽水木材，經(jīng)發(fā)掘一旦暴露在大氣環(huán)境中，如果不加以有效保護手段，會很快失水干燥導致收縮扭曲變形，飽水木材的干燥變形是不可逆的過程。飽水木材所在的遺址環(huán)境對其保存狀態(tài)起著決定性的作用。根據(jù)明尼蘇達大學Brian A.Jondan的相關研究，飽水木材保存的最佳環(huán)境是其在被發(fā)掘提取前的“原始”埋藏環(huán)境。也就是說，發(fā)掘提取后的飽水木材保存環(huán)境應該盡量恢復到發(fā)掘前的狀態(tài)，這些環(huán)境條件包括：低氧/無氧的密封狀態(tài)、緩慢或相對靜止的水下環(huán)境、較低的溫度、較弱的光照（紫外線）等，都有利于減緩木材纖維素降解和微生物病害的侵蝕。顯然，飽水木材一旦經(jīng)發(fā)掘提取搬移后，原有的保存環(huán)境條件極難通過常規(guī)手段恢復再現(xiàn)，而簡單的回填掩埋方式，也不能保證恢復原有的保護條件。完全“再現(xiàn)”飽水木材原有的埋藏環(huán)境雖然很難實現(xiàn)，但可以通過技術手段，將飽水木材放置于低氧、低溫、低光照的環(huán)境下保存，通過人工手段模擬原保存環(huán)境的低溫密閉無氧條件，對飽水木材同樣可以起到良好的穩(wěn)定性保護效果。此外，維持飽水木材的水分含量，也是非常重要的穩(wěn)定性保護措施，最簡單的辦法是通過定期噴淋保濕防腐液[3]，以維持木材水分的動態(tài)平衡。

四、“南海I號”出土飽水木質(zhì)文物及標本的穩(wěn)定性保護措施

“南海I號”出土的飽水木質(zhì)文物（包括木質(zhì)船體）、無法辨別形制的木材標本主要采用的是噴淋保濕防腐和浸泡保濕防腐保存的方式，而形制保存較好的木質(zhì)品，采用低溫或低氧+低溫保存的方式進行穩(wěn)定性保護。

低溫環(huán)境可以抑制大部分微生物的生長繁殖，不過由于飽水木材纖維素降解嚴重、含水率極高，這類木質(zhì)品并不適合保存在零度以下結冰的低溫環(huán)境。否則，木材會因內(nèi)部水分冰凍結晶，導致本體材質(zhì)酥解破壞。飽水古木材低溫保存環(huán)境以5℃比較適宜，此時纖維素降解和微生物的活動可以獲得理想的減緩和抑制效果。如果低溫環(huán)境再結合低氧控制，微生物的生長不但可以被有效抑制，經(jīng)過一段時間的低氧處理后，對微生物還可以起到一定的殺滅抑制作用。

圖1 CATHSE技術體系流程示意圖

為了更加有效保護保存“南海I號”出土的有機質(zhì)文物，定制了一套低溫低氧專用庫房，用于“南海I號”珍貴有機文物的穩(wěn)定性保護保存。該低溫低氧有機質(zhì)文物保藏技術全稱為“高密封環(huán)境下氣調(diào)保護技術”（Controlled Atmosphere technology of High Sealed environment），簡稱“CATHSE”技術（圖1）。該技術系統(tǒng)包括圍護結構密封技術、氣體潔凈技術、濕溫度調(diào)控技術、氧含量調(diào)控技術、智能控制及信息化技術等組成。系統(tǒng)采用多級復合帶壓過濾與分子級氮氧分離技術，制取純度99.99%的高潔凈氮氣，通過階梯式降氧，降氧時間比常規(guī)“置換”降氧時間縮短了20%；在控濕技術上采用獨特的“先干后濕”控制，通過等焓加濕和PID控濕工藝，濕度調(diào)控精度±3%，在低溫儲藏條件下，相對濕度可達到95%，且不產(chǎn)生水滴或霧化現(xiàn)象，庫房空間內(nèi)濕度均勻、穩(wěn)定；在氣密性和保溫性能控制上，采用不銹鋼聚氨酯板和“三玻兩腔”中空玻璃圍板，制冷蒸發(fā)器的冷氣出口被均勻地設置在庫房天花上，由靜壓箱將冷氣分散到庫房內(nèi)的各個角落（圖2）。經(jīng)實際使用，庫房內(nèi)的靜態(tài)氣流和溫度的均一性較好，特別是文物存放區(qū)，沒有明顯的體感氣流。在溫度控制上，通過PID精準溫度調(diào)節(jié)，溫度可以穩(wěn)定的維持在設定值±2℃范圍內(nèi)。

圖2 庫房冷氣走向剖面示意圖

五、“南海I號”飽水木質(zhì)文物及標本穩(wěn)定性保護效果評估

為驗證飽水木質(zhì)品在低溫、低氧環(huán)境下的保存保護效果，選取了6塊飽水木材標本，每塊標本切割成2塊，分別放置于發(fā)掘現(xiàn)場環(huán)境（對照組）和低溫低氧庫房保存（實驗組），進行對比實驗。放置于現(xiàn)場的對照組每日淋洗去離子水保濕，氣調(diào)庫房中的實驗組標本每周進行一次去離子水淋洗，噴淋后用吸水無紡布覆蓋保濕，持續(xù)1年后對標本進行pH值、纖維素含量分析測定，并利用三維掃描儀對三維形態(tài)穩(wěn)定性掃描分析。選取的6組飽水木材標本pH值測定結果見圖3，纖維素含量測定結果見圖4。

圖3 飽水木材標本pH值

標本在進入實驗階段前，pH值大部分呈現(xiàn)弱酸性，最低值為4。一年后，對照組的木材標本pH值呈進一步惡化的趨勢，而實驗組的木材標本pH值整體趨向于中性或偏中性方向發(fā)展。說明實驗組木材的酸化現(xiàn)象得到較好的控制，其內(nèi)部微生物活動以及硫鐵元素氧化進程受到有效抑制。

圖4 飽水木材標本纖維素含量

對實驗標本纖維素含量分析結果顯示，一年后，對照組的纖維素含量普遍低于實驗前的檢測值，實驗組的纖維素含量與實驗前的檢測值保持了較好的一致性。這里需要說明的是，纖維素的采樣分析，在實驗前是對整塊標本的局部取樣分析，由于木材為非均一性材料，即使同一塊木材標本的不同部分，其纖維素含量數(shù)據(jù)也會存在一定差異，實驗結束后，纖維素測定是對整塊實驗標本的整體取樣分析，數(shù)據(jù)的均一性較好，更能體現(xiàn)整塊木材真實的纖維素含量（平均含量）。

圖5-圖8為木材標本及實驗前后三維掃描數(shù)據(jù)（因標本照片及三維掃描數(shù)據(jù)較多，以標本2為例）。

圖5 標本2對照組木材照片（實驗前）

圖6 標本2對照組三維掃描數(shù)據(jù)（實驗前后木材形變數(shù)據(jù)）

圖7 標本2實驗組木材照片（實驗前）

圖8 標本2實驗組三維掃描數(shù)據(jù)（實驗前后木材形變數(shù)據(jù)）

三維掃描數(shù)據(jù)結果，對照組在實驗前后，其三維輪廓發(fā)生了較明顯變化，標本發(fā)生了收縮、扭曲，實驗組標本的三維輪廓沒有明顯改變，說明實驗組木材標本的飽水率、纖維素含量等處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。

六、結語

通過低溫、低氧保存飽水木材實驗取得的數(shù)據(jù)顯示，低溫、低氧環(huán)境對抑制飽水木材微生物繁殖、延緩纖維素降解、維持木材結構穩(wěn)定等方面，具有比較理想的保護效果。

在實驗中發(fā)現(xiàn)低溫低氧設備仍有進一步改進的空間，由于每周要開啟一次氣調(diào)庫房對實驗標本進行淋洗保濕，每次進入庫房都要開啟庫房充氧操作，換氣需要的時間較長，也會增加不必要的能耗。同時，頻繁開啟庫房充氧，不利于庫房長期維持低溫低氧的環(huán)境狀態(tài)，影響文物的保存效果。因此，除了庫房環(huán)境恒濕系統(tǒng)外，可以考慮在今后的設備升級中，在庫房內(nèi)部設置一套用于飽水木材本體的自動淋洗系統(tǒng)，避免人員經(jīng)常進入庫房內(nèi)進行淋洗操作對文物產(chǎn)生的不良干擾。