楊小菊,武發(fā)思,賈榮亮,郭青林,王彥武,趙思騰,2,趙學(xué)勇,2

[1. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院奈曼沙漠化研究站/烏拉特荒漠草原研究站,甘肅蘭州 730000;2. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 3. 國家古代壁畫與土遺址保護(hù)工程技術(shù)研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200]

0 引 言

按文物組成材質(zhì)劃分,巖土文物主要包括石窟寺、摩崖石刻、古墓葬以及土遺址等[1],其分布廣泛,數(shù)量多達(dá)76萬處[2],成為歷史、區(qū)域生態(tài)甚至全球變化的重要實(shí)證[3]。多數(shù)巖土文物為不穩(wěn)定的人工-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),在長期溫度波動(dòng)、風(fēng)沙磨蝕、雨水沖刷、生物侵蝕等自然環(huán)境因素和人類活動(dòng)作用下,巖土文物表面風(fēng)化、坍塌、剝蝕、裂隙、生物損害等病害日趨嚴(yán)重[4-7]。

巖土文物作為植物、動(dòng)物和微生物生存的物質(zhì)基礎(chǔ),使其完整保存面臨的生物學(xué)問題尤為突出。生物對巖土文物的危害在20世紀(jì)初就被關(guān)注,尤其在Hueck[8]提出了生物退化(bioterioration)概念后,生物對文物影響的研究一直是科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。作為生物退化的重要組成部分,植物對巖土文物的影響多數(shù)判定為負(fù)面作用,如維管束植物地上部分增加遺址的重力侵蝕負(fù)荷引起坍塌,根系促使巖土產(chǎn)生裂縫、分泌出有機(jī)酸改變巖土化學(xué)成分、鹽分富集加速巖土風(fēng)化侵蝕等[9]。但也有觀點(diǎn)提出其能通過根系固定、地上部分緩沖不利環(huán)境因子等方式保護(hù)文物,如喬木和灌木粗根錨固、草本植物根系串聯(lián)等方式增強(qiáng)巖土力學(xué)特征[10]。由于植物對文物保存有正負(fù)兩方面作用,但研究方法受限及保護(hù)理念的不斷更新等問題,致使植物與巖土文物間的辯證關(guān)系至今界定不清[11],并未形成統(tǒng)一的評判標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于巖土文物病害,已實(shí)施了大量搶救性保護(hù)措施,如針對遺址失穩(wěn)采取錨固、支頂、攬拉等措施[12];針對表面風(fēng)化,采取材料加固等措施[13],但保護(hù)材料一直主要以無機(jī)類和有機(jī)類為主,因存在兼容性差、易失效等問題,又不可避免地給文物保護(hù)帶來了新的挑戰(zhàn)[14]。傳統(tǒng)的物理、化學(xué)及工程加固雖在一定程度上延長了巖土文物壽命,但同時(shí)也存在局限性,亟需挖掘綠色新材料及尋找新型防控策略[15]。生物技術(shù)作為一種新方法,近年在文物保護(hù)修復(fù)中廣泛應(yīng)用,并開始轉(zhuǎn)向保護(hù)實(shí)踐,如生物礦化、生物清洗技術(shù)[16-17]?；谥参锏倪z址新型生物防護(hù)技術(shù)以其綠色、環(huán)保及易于實(shí)施等優(yōu)勢也開始用于石質(zhì)古城墻、夯土類遺址等的保護(hù)[10,18],但在我國尚處于探索階段。能否借鑒植物護(hù)坡、風(fēng)沙防治領(lǐng)域成功經(jīng)驗(yàn)[19-20],基于文物保護(hù)的基本原則,對我國不同氣候帶巖土文物本體進(jìn)行保護(hù)。為此,本工作從植物對巖土文物的損害與保護(hù)作用、植物影響巖土文物研究方法、植物損害防控技術(shù)及植物保護(hù)應(yīng)用技術(shù)等方面進(jìn)行了回顧和總結(jié),并展望了巖土文物科技保護(hù),以期為保護(hù)新材料挖掘和新技術(shù)研發(fā)提供參考。

1 植物對巖土文物作用機(jī)理

現(xiàn)階段關(guān)于植物對巖土文物作用研究多集中在維管束植物(vascular plant)和苔蘚植物(bryophyte)(圖1),維管束植物是指具有維管組織的植物,苔蘚植物不具有維管組織,僅有莖和葉,根非常簡單,稱為“假根”[21]。

圖1 植物對巖土文物作用模式圖

不同植物定植與巖土文物組成材質(zhì)密切相關(guān),因此,以下分別對維管束植物和苔蘚植物對石窟寺、摩崖石刻、古墓葬以及土長城等遺址的作用研究現(xiàn)狀進(jìn)行了對比分析。

1.1 生物的侵蝕

以石質(zhì)建筑為例,暴露在外界環(huán)境中逐漸風(fēng)化的石質(zhì)材料孔隙度增加,質(zhì)地疏松,出現(xiàn)崩解、裂縫等,這種表面粗糙多孔的石質(zhì)材料更容易受到微生物定殖,形成生物膜等增加了有機(jī)質(zhì)沉積量,隨著空氣中降塵積累,藻類、地衣、苔蘚和維管植物依次定殖和演替[9],造成建筑文物退化、裂隙和崩解等(圖2)。

圖2 生態(tài)演替與古建筑遺址生物退化關(guān)系簡圖[9]

1.2 維管束植物

短期內(nèi),維管束植物對巖土文物的作用比苔蘚植物更顯著,維管束植物對不同基質(zhì)的文物可能同時(shí)存在保護(hù)作用和破壞作用(圖3、表1),這給制定文物本體及周邊植物的保留或去除策略造成了極大的困難。

表1 優(yōu)勢植物對巖土文物的作用類型

圖3 維管束植物對巖土文物的損害及防護(hù)作用

考古遺址中多數(shù)維管束植物都會(huì)嚴(yán)重破壞建筑結(jié)構(gòu),其中臭椿是極具入侵性的常見物種[23],因其環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),幼苗在一年內(nèi)可達(dá)2 m高,之后迅速達(dá)到20～30 m,難以人工清除或利用化學(xué)除草劑徹底殺滅[27]。Trotta等[23]對臭椿引起的羅馬奧勒良城墻分離、開裂和變形參數(shù)進(jìn)行了量化,發(fā)現(xiàn)臭椿根系產(chǎn)生的機(jī)械破壞和分泌酸性化學(xué)物質(zhì)腐蝕導(dǎo)致墻體受損,其根系直徑與墻壁損壞強(qiáng)度明顯相關(guān),距離墻體4 m處也可導(dǎo)致裂隙;Caneva等[28]等指出,紅松根系分布輻射直徑達(dá)30 m、深約15 m,導(dǎo)致古建筑墻體產(chǎn)生裂隙、坍塌和形成滲水路徑,誘發(fā)新的危害;Caneva等[29]在羅馬托洛尼亞別墅(Villa Torlonia)猶太墓保存調(diào)查中發(fā)現(xiàn),地面花園里入侵性較強(qiáng)的無花果、冬青櫟和松樹根系橫向、縱向生長深度達(dá)到10 m,引起墓穴巖石基質(zhì)分離;日本高松冢墳丘上方附生植被根系引起的雨水入滲可能是造成墓室內(nèi)蜈蚣和螞蟻等節(jié)肢動(dòng)物及壁畫霉菌暴發(fā)的成因之一,在鏟除竹林和櫸樹林后,石室溫度下降,維持了一個(gè)較穩(wěn)定的環(huán)境[30];André等[31]、Liu等[32]在柬埔寨吳哥古建筑植物調(diào)查中發(fā)現(xiàn),高棉寺廟在16世紀(jì)被廢棄后,生物群落拓殖形成茂密森林,樹木根系穿透建筑物引起裂隙、坍塌(圖3a);四川樂山大佛及周邊分布有大量蕨類、裸子和被子植物[33],維管束植物土壤有機(jī)碳、氮、磷的儲(chǔ)量高于其他植被土壤,這將加速表面風(fēng)化和植被發(fā)育[34],而每年1～2次的除草并不能永久去除有害植物,生物風(fēng)化問題日趨嚴(yán)重;即使是處于極端干旱區(qū)的世界文化遺產(chǎn)地敦煌莫高窟,下層部分洞窟歷史上曾被風(fēng)沙掩埋,窟外植物根系沿流沙生長進(jìn)入壁畫,嚴(yán)重降低了壁畫的價(jià)值(圖3b)。

本段施工擬采用管棚灌漿法施工，①首先在洞頂上方設(shè)計(jì)位置用YG-80型鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)，鉆孔孔徑不小于146mm；②鉆孔完成后下設(shè)直徑不小于75mm壁厚≥5mm無縫鋼管（管棚）；③拔出套管，孔口處采用水泥砂漿封閉管棚與孔壁間空隙；④射漿管下入孔底后采用孔口封閉純壓式灌漿法。

對土遺址造成損害的維管束植物主要集中在根系發(fā)達(dá)的喬木和灌木。青海明長城墻體上生長的灌木,不僅造成根劈損壞,同時(shí)為昆蟲、鳥類提供了適宜的生存環(huán)境,引入了動(dòng)物損害[35];西安地區(qū)土遺址由于植物生長造成了裂隙、坍塌及剝蝕等病害,根系發(fā)達(dá)的深根系樹種(喬木、灌木)對裂縫發(fā)展的貢獻(xiàn)較大[36];在阿房宮前殿、漢長安城和杜陵遺址,喬木的根系造成夯土臺(tái)邊緣裂隙(縫),在重力及雨水作用下坍塌[37];甘肅高臺(tái)明長城八壩段因處于林地中間,灌水促使以銀白楊為主的高大喬木根系發(fā)達(dá),導(dǎo)致夯土墻根系周圍的鹽風(fēng)化非常嚴(yán)重(圖3c)。

1.2.2保護(hù)作用 植被覆蓋對文物的保護(hù)作用長期以來并未被充分關(guān)注[10,38]。植物地上部分能減弱風(fēng)沙、降水和光照等對遺址的侵蝕,根系可起到錨固和加筋土壤作用[39]。Fabbri等[40]發(fā)現(xiàn)植被可降低考古遺址遭受熱沖擊的風(fēng)險(xiǎn),并調(diào)節(jié)最佳相對濕度保護(hù)遺產(chǎn)。常春藤可減小遺跡表面微氣候在晝夜、季節(jié)和年尺度上的變化幅度[5],降低凍融發(fā)生的頻率、持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度,還可顯著降低到達(dá)墻體的顆粒物污染[18]。石窟寺的植被還可有效調(diào)節(jié)氣候,降低泥石流發(fā)生頻率[41]。甘肅麥積山石窟頂部有大量維管束植物,其在減弱降水對石窟本體沖刷方面可能起到正面作用(圖3d)。Li等[42]通過模擬分析植物陰影對南京城墻的影響發(fā)現(xiàn),常綠樹木可有效降低因凍融循環(huán)、風(fēng)化和蒸發(fā)導(dǎo)致墻體劣化的風(fēng)險(xiǎn);André等[41]指出,吳哥寺廟周圍森林被砍伐后,森林覆蓋的緩沖功能喪失,石材風(fēng)化損失率增加了約10倍,砂巖溫度和濕度日變化范圍增加了3倍,植物“傘形保護(hù)效應(yīng)”的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能降低。

在漢陽陵露天土遺址保護(hù)中,高度小于40 cm、根徑小于0.5 mm的低矮禾本科植物可有效防止遺址風(fēng)化和抵抗降水侵蝕[43],如封土上的沙蒿憑借自身發(fā)達(dá)的根系,通過串聯(lián)作用對表層土壤有明顯加固效果,并顯著降低近地面風(fēng)速,坡面上的枸杞和酸棗對0～60 cm深的土體有一定的錨固作用[44];潮濕環(huán)境中,大量土遺址在降水沖蝕下瀕臨消亡,但表面有植被分布的如湖北紀(jì)南城、內(nèi)蒙古東部元上都和西安漢長安城等土遺址保存相對完好[45],主要因植物根系的加筋作用減弱了雨水沖刷。本課題組調(diào)查發(fā)現(xiàn),甘肅渭源戰(zhàn)國秦長城頂部分布有二裂委陵菜、醉馬草和芨芨草等大量草本植物,其明顯減緩了雨水對夯土層的沖刷(圖3e)。在瓜州鎖陽城遺址[46],本體周邊植被在降低風(fēng)速、減弱遺址的風(fēng)沙侵蝕方面起到了積極作用(圖3f)。因此,深根系植物粗根系的錨固作用以及淺根系植物細(xì)根系的網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)作用對土遺址保存具有正向防護(hù)效果。

1.3 苔蘚植物及其生態(tài)效應(yīng)

苔蘚植物也稱為隱花植物,在土壤表面通常以生態(tài)系統(tǒng)工程師—生物土壤結(jié)皮(biological soil crust,BSC)的形式存在,將生物土壤結(jié)皮(生物結(jié)皮)定義為:由土壤顆粒與不同比例的光合自養(yǎng)(例如藍(lán)細(xì)菌、藻類、地衣、苔蘚植物)和異養(yǎng)(例如細(xì)菌、真菌、古生菌)有機(jī)體之間形成的復(fù)合體,這些有機(jī)體生活在土壤內(nèi)部或緊鄰其表層,土壤顆粒通過這些極端耐受生物群的存在和活動(dòng)而聚集,由此產(chǎn)生的地表活體以連續(xù)方式覆蓋在土壤表面[47],占干旱、半干旱區(qū)地表活體覆蓋的40%以上[48],在可利用水資源限制維管植物生存的地區(qū),這些群落尤其顯著,其形成了一個(gè)幾乎連續(xù)的地表生物體,介導(dǎo)了大多數(shù)輸入、轉(zhuǎn)移和跨越土壤表面邊界的損失(圖4),對極端環(huán)境下生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖4 生物結(jié)皮影響的生態(tài)系統(tǒng)過程示意圖[49]

1.3.1石質(zhì)文物 苔蘚植物對石質(zhì)文物的影響多為負(fù)面。石質(zhì)文物表面分布有大量不同發(fā)育階段的BSC,作為主要的組成部分,苔蘚植物在BSC后期演替階段的生態(tài)系統(tǒng)功能中占主導(dǎo)地位,是引起露天石質(zhì)文物生物侵蝕的關(guān)鍵類群。苔蘚的“假根”可鉆入巖體內(nèi)部引起機(jī)械破壞[50]。苔蘚分泌酸性等物質(zhì)腐蝕石材[51],也可通過防紫外線和隔熱為微生物提供庇護(hù)場所[52],微生物分泌色素可降低文物美學(xué)價(jià)值[53],間接對石質(zhì)文物造成損害。苔蘚和地衣在迅速失水或死亡后干燥卷曲,黏附大量石材顆粒,加速巖石風(fēng)化[54],死亡的苔蘚可通過增加腐殖質(zhì)等為高等植物建植提供營養(yǎng)。

不同發(fā)育階段的BSC對石質(zhì)文物損害程度存在差異,苔蘚較地衣更能降低砂巖表面硬度[55]。吳哥柬埔寨大內(nèi)遺址教堂石材表面苔蘚覆蓋區(qū)域巖石的滲透性等參數(shù)都表現(xiàn)出最高值,苔蘚假根穿透深度達(dá)2.46 mm,對石質(zhì)文物具有較強(qiáng)的侵入能力和巨大的潛在威脅[56];南京明代石刻生物覆蓋的區(qū)域比無生物覆蓋的表面凹陷1～5 mm,苔蘚等引起明顯的生物風(fēng)化[57];苔蘚對陜西露天摩崖題刻和石窟的腐蝕面積較小,但其假根腐蝕深度較深[58];杭州飛來峰石質(zhì)文物表面信息被黑色和綠色苔蘚覆蓋[59],嚴(yán)重降低了文物美學(xué)等價(jià)值;樂山大佛苔蘚、蕨類植物假根能穿透佛體表面,蕨類分泌的有機(jī)酸加速了佛體化學(xué)風(fēng)化[60]。也有地衣、苔蘚作為屏障減弱石材風(fēng)蝕、雨蝕、凍融及污染氣體破壞等正面保護(hù)作用[61],以及因去除苔蘚巖石表面的粗糙度增大,物理、化學(xué)風(fēng)化加速,其他生物快速定殖的報(bào)道[62]。BSC對石質(zhì)文物的作用非常緩慢,短期內(nèi)無法科學(xué)、全面評估其作用機(jī)理,其對石質(zhì)文物的作用與石材基質(zhì)種類、表面狀況、賦存環(huán)境等因素相關(guān),開展長期多因素耦合下石材生物退化的研究對全面認(rèn)知石質(zhì)文物表面BSC作用非常重要。

1.3.2土遺址 BSC對土遺址作用研究結(jié)果較少,主要集中在苔蘚方面,苔蘚定殖對土遺址的作用存在不確定性,其對干旱、半干旱區(qū)土遺址影響研究結(jié)果多為正面。趙海燕等[63]發(fā)現(xiàn)苔蘚覆蓋度達(dá)40%時(shí),蘭州榆中夏官營古城黃土坡面抗風(fēng)蝕、雨蝕可分別提高2～3倍、3～4倍;諶文武等[64]調(diào)查發(fā)現(xiàn)苔蘚可減輕青海明長城的片狀剝離,通過增加遺址土黏粒提高其表面強(qiáng)度,并降低鹽分富集;白貴斌[65]指出苔蘚和地衣能在甘肅涼州明長城土體上形成結(jié)構(gòu)面,進(jìn)而減弱風(fēng)蝕、雨蝕病害的發(fā)生和發(fā)育;楊光[66]發(fā)現(xiàn)苔蘚生長能增強(qiáng)青海貴德古城墻體表面貫入阻力、修復(fù)墻體微小裂隙、對片狀剝離有加筋作用。以上研究多集中在苔蘚結(jié)皮的巖土力學(xué)特征方面,缺乏對苔蘚生理生態(tài)的深入研究。BSC對潮濕地區(qū)考古遺址的影響多為負(fù)面,武發(fā)思等[67]發(fā)現(xiàn),杭州良渚遺址表面大量苔蘚覆蓋考古遺址文化層,不利于遺址保護(hù)與展示;賈付春[68]提出,苔蘚覆蓋河南黃蘭楊莊漢代聚落遺址的歷史信息,引起土遺址風(fēng)化,苔蘚活動(dòng)受限于水分獲取;趙崗等[69]指出,充足的水分、低孔隙度、低硬度以及弱堿性環(huán)境為大唐西市土遺址苔蘚生存和擴(kuò)展提供適宜條件,引發(fā)了多種生物病害。以上研究僅局限于苔蘚對土遺址信息影響等方面,并未從苔蘚對土壤理化、生物學(xué)屬性及生態(tài)水文等多角度綜合剖析,極大限制了對苔蘚和土遺址互作機(jī)理的全面認(rèn)知。

本課題組調(diào)查發(fā)現(xiàn)(圖5),我國西北地區(qū)石窟寺、土遺址表面存在大量以藍(lán)藻、地衣和蘚類為主的隱花植物組合體,長期適應(yīng)極端逆境條件,與遺址表面土壤膠結(jié)形成BSC,成為遺址表面的顯著特征。尤其在降雨相對充足的甘肅北石窟寺、寧夏鹽池明長城、渭源戰(zhàn)國秦長城等遺址區(qū),蓋度達(dá)30%以上,已成為主要生物覆蓋物。同時(shí)發(fā)現(xiàn),形成BSC的土遺址保存狀況明顯好于未形成的。但也有報(bào)道指出在多風(fēng)環(huán)境中,BSC影響維管植物種子萌發(fā)和生長,并為微小動(dòng)物提供生境和食物[70],這些“生物入侵”有可能破壞土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此,BSC可能同時(shí)存在提升土遺址抗侵蝕能力[71]以及通過改變土遺址表層水、熱、結(jié)構(gòu)及生物組成促使夯土松散,更有利于動(dòng)、植物入侵而加速表層風(fēng)化的兩面性。因不同發(fā)育階段BSC功能差異大,導(dǎo)致其在土壤抗侵蝕方面存在較大的時(shí)空異質(zhì)性[49]。巖土文物歷經(jīng)千百年,已從單一的人工巖土結(jié)構(gòu)向復(fù)雜的人工—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變,這為BSC拓殖和繁衍提供了條件的同時(shí),也改變了其表面風(fēng)化病害特征。苔蘚對降水變化敏感,在極端干旱區(qū)激烈競爭水分,在潮濕環(huán)境中又促進(jìn)水分滲透和滯留,通過毛細(xì)作用逐漸利用。最新研究提出,氣候變化和人為干擾是導(dǎo)致苔蘚和地衣減少的主要因素,旱地生態(tài)系統(tǒng)正處于一個(gè)關(guān)鍵的臨界點(diǎn),而持續(xù)的全球變暖可能導(dǎo)致BSC退化[72],因此,在全球變化背景下,摸清BSC在不同生物氣候帶土遺址表面的形成與演替機(jī)制可能是回答生物結(jié)皮對土遺址作用機(jī)理的重要前提。

圖5 石窟寺、土遺址表面不同發(fā)育階段生物結(jié)皮(課題組2018—2022年調(diào)查監(jiān)測位點(diǎn))

2 植物影響巖土文物研究方法

由于文物病害研究中無損或微損的要求,極大地阻礙了文物與植物的關(guān)系研究,尤其是植物地下部分對巖土文物穩(wěn)定性的影響研究,在技術(shù)應(yīng)用方面長期受限。探地雷達(dá)(ground penetrating radar,GPR)已被證明是探測埋藏結(jié)構(gòu)和根系發(fā)育的有用工具,較早在考古和歷史遺址探測中應(yīng)用[73]。逐漸興起的根系成像技術(shù)、分形理論以及計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別系統(tǒng)等技術(shù)[74-76],為植物地下根系分布和走向判斷奠定了基礎(chǔ)。地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)、3D激光掃描(地面激光雷達(dá))、航空和衛(wèi)星圖片等非接觸式手段也常用于在較大時(shí)空尺度上監(jiān)測植物地上部分[41,77-78],結(jié)合微損取樣的植物根系形態(tài)學(xué)和解剖學(xué)識(shí)別、人造根系室內(nèi)理論模擬[79]、ViSTA-HD等數(shù)值模型[6],為植物影響巖土文物評估提供了理論數(shù)據(jù)。然而,現(xiàn)場調(diào)查在風(fēng)險(xiǎn)判斷中仍不可或缺。

本課題組采用GPR對長城等土遺址、石窟寺本體及周邊高大喬木、灌木等植物根徑大小和空間分布進(jìn)行了探測,發(fā)現(xiàn)莫高窟窟區(qū)銀白楊根徑在35～60 cm間,深度在-20～-150 cm內(nèi),直徑大于50 cm的根系向洞窟崖體方向延伸,對洞窟安全造成隱患[80];北庭故城遺址榆樹(Ulmuspumila)根徑在5～40 cm之間,直徑在10～20 cm根系對遺址造成了嚴(yán)重影響[81];高臺(tái)明長城河西楊根系在墻體深度約35～85 cm處,主根徑約10～12 cm,造成了遺址裂隙[82]。

3 植物損害防控技術(shù)

對遺址自生植被的管理較為復(fù)雜,必須綜合考慮遺址本體、環(huán)境和景觀?，F(xiàn)階段,針對遺址有害植物防控常用物理、化學(xué)、新型技術(shù)協(xié)同的方法。

3.1 物理方法

物理方法中最為直接有效的方法是機(jī)械清除,如人工除草可有效防止草本植物生長,但當(dāng)文物被茂密的木本植物覆蓋則難以去除。一些環(huán)保方法,如火焰除草和土壤日曬等對抑制一年生草本植物效果較好,其中火焰除草是將植物組織暴露在來自丙烷燃燒溫度至50℃導(dǎo)致植物細(xì)胞損傷和植物死亡[83],土壤日曬指用PVC材料覆蓋使土壤溫度升高,對殘留在土壤中的雜草種子造成傷害[84],但現(xiàn)場使用存在局限性。熱處理是在40～60℃下處理6 h,使地衣和苔蘚失去活性[85],其成本低,生態(tài)兼容性強(qiáng),但對蕨類和被子植物的去除效率不明[86],且非長期有效,不能取代化學(xué)類殺滅劑[87],尤其是熱處理石質(zhì)文物后,表面殘留的水分可能引發(fā)微生物大肆繁殖[88]。

3.2 化學(xué)及多種方式協(xié)同的方法

AgNO3、H2O2和苯扎氯銨等傳統(tǒng)殺菌劑,具有高效便捷、易滲透到巖石內(nèi)部的優(yōu)點(diǎn),但會(huì)對人體和生態(tài)環(huán)境造成危害,長期使用還會(huì)增強(qiáng)生物耐藥性,影響殺滅效果[85]。金屬氧化物納米粒子(NPs),廣泛用于建筑物表面生物膜防治[89]。用刀、鏟子等工具只能將苔蘚簡單剝離,難以徹底去除其孢子粉,但可以與其他方法聯(lián)合使用[90],激光+殺菌劑、超聲波+殺菌劑等方法協(xié)同使用可提高苔蘚去除效率,降低生態(tài)毒害[85]。

3.3 潛在新型技術(shù)

綠色、環(huán)保的處理措施當(dāng)前在文物保護(hù)中最為提倡。例如,利用臭椿酮等天然除草劑和納米材料作為殺菌劑減緩石質(zhì)建筑生物風(fēng)化[90]。地衣次生代謝物(LSM,松蘿酸、去甲酸、苦參素),可通過化感作用抑制其他生物生長,稱為潛在天然殺滅劑來源[91],LSM有超過800種化合物,部分由組成地衣的相關(guān)真菌合成[92],多數(shù)對苔蘚和維管植物有強(qiáng)烈的化感作用[93]?！堆诺湫迯?fù)歷史古跡憲章》規(guī)定,“從保留其古老特征的角度來看,還應(yīng)研究最適合某些古跡的觀賞植物”;因此在清除有害植物前,還應(yīng)從歷史景觀的美學(xué)、功能、教育和觀賞價(jià)值等多角度全面評估。

也有觀點(diǎn)認(rèn)為,處理生物退化是一種極端的保護(hù)手段,最好是減少干預(yù)。實(shí)踐證明,多數(shù)防治方法并不能徹底解決生物退化問題,反而會(huì)加劇退化。André等[31]發(fā)現(xiàn)在清除植被及相關(guān)的微生物后,石材表面開始劣化,因此應(yīng)謹(jǐn)慎評估植物與文物間的關(guān)系。如在去除了石質(zhì)文物表面生物后,反而加快了石材的風(fēng)化速度進(jìn)而為新物種的入侵創(chuàng)造條件[94]。事實(shí)上,當(dāng)去除石材表面植被覆蓋物后,微環(huán)境(溫度、濕度)已經(jīng)變化,如環(huán)境會(huì)變得更加干燥[95]。通過控制溫度、濕度、光照和水分等賦存環(huán)境控制對阻止植物的入侵及減緩巖土文物劣化是探索的新思路。

3.4 防治案例

針對有害植物,河南內(nèi)黃蘭楊莊遺址采用7%的丙烯酸鹽配合物溶膠(AMC)殺滅苔蘚,并用3%的過氧化氨對局部不宜去除的霉斑進(jìn)行清除[68];針對考古現(xiàn)場中常見的物種臭椿,單純的人工清除及化學(xué)除草劑等均無法將其徹底殺滅,必須采用固化等手段將其地下根系固定,避免二次生長,但固化可能為生物提供新的營養(yǎng),最終導(dǎo)致失效[96];在高句麗石質(zhì)文物保護(hù)中,采用手術(shù)刀去除苔鮮,如果石刻表面結(jié)構(gòu)密實(shí),用蒸餾水浸濕,再用毛刷清理,或用丙酮和水混合液浸泡后去除[97]。

4 植物保護(hù)應(yīng)用技術(shù)

4.1 軟覆蓋(soft capping)技術(shù)發(fā)展

針對露天城墻劣化,國際上常用砂漿和石頭加固的硬覆蓋(hard capping)以及軟覆蓋進(jìn)行防劣化[98]。軟覆蓋指使用植物(如草本植物、景天科植物等)及土壤(5～10 cm)對覆蓋遺址表面具有減小雨水沖刷、防風(fēng)蝕作用,是應(yīng)對露天石質(zhì)建筑墻體劣化和生物退化的一種有效策略[98-99]。此技術(shù)在20世紀(jì)初首次在蘇格蘭小規(guī)模使用,1980年初,英國團(tuán)隊(duì)嘗試采用軟覆蓋保護(hù)遺址頂部[100],至20世紀(jì)90年代中期,軟覆蓋封頂技術(shù)的應(yīng)用更加普遍[101],并在21世紀(jì)初對軟覆蓋開展了系統(tǒng)科學(xué)試驗(yàn)評估[98,100]。軟覆蓋技術(shù)目前在歐洲有50多個(gè)試驗(yàn)站點(diǎn),主要分布在英國和瑞典[101]。軟覆蓋成本低、易實(shí)施,是一種可逆的人工干預(yù),且有利于增加生物多樣性,降低維護(hù)成本,比硬覆蓋占更多優(yōu)勢[98]。目前,軟覆蓋研究主要集中在其對減緩遺址免受霜凍、減弱風(fēng)蝕雨蝕以及下墊面土壤厚度等方面。

4.2 石質(zhì)文物軟覆蓋

Hanssen和Viles[18]對比了溫帶氣候下硬覆蓋和軟覆蓋的保護(hù)效果,發(fā)現(xiàn)軟覆蓋可減少87%的墻體徑流,且能顯著降低蒸發(fā)速率;鐘燕等[102]對比了安徽宣城廣教寺遺址公園模擬墻體上硬覆蓋和軟覆蓋—景天科(Crassulaceae)、溝葉結(jié)縷草(Zoysiamatrella)、四季青(Ilexpurpurea)防護(hù)效果,發(fā)現(xiàn)軟覆蓋在夏季對墻體有除濕功效,在冬季沒有增加墻體含水量,但該室內(nèi)試驗(yàn)沒有考慮自然條件下其他環(huán)境脅迫因子;Lee等[103]在英國比蘭德修道院(Byland Abbey)研究中發(fā)現(xiàn),軟覆蓋比硬覆蓋有更好的“熱毯效應(yīng)”,可顯著減小墻體日均溫度波動(dòng)和凍害風(fēng)險(xiǎn),降低遺址熱脹冷縮損傷。而且在降水后,植物能夠通過蒸騰作用帶出墻體內(nèi)部的水分,維持墻體內(nèi)部穩(wěn)定的水文條件。軟覆蓋后墻體冬濕夏干,同時(shí)軟覆蓋可塑性強(qiáng),能適應(yīng)氣候環(huán)境變化。但軟覆蓋實(shí)施后外觀和生物多樣性將如何變化,隨時(shí)間的改變,軟蓋層防護(hù)效果是否會(huì)引入遺址新病害等方面還有待評估。Viles等[104]在人工控制環(huán)境下,模擬英格蘭西南部劇烈日溫差,發(fā)現(xiàn)軟覆蓋下層墻體溫度波動(dòng)降低了4.5～7℃,熱滯后時(shí)長約3 h,但以草本植物為主的軟覆蓋只適合于較濕潤氣候中古建筑遺址保護(hù)[103]。在降水較少的干旱環(huán)境,植物建植和防護(hù)效果均會(huì)受到限制。在遵循可逆性、最小干預(yù)原則的基礎(chǔ)上,可使用鄉(xiāng)土植物進(jìn)行軟覆蓋技術(shù)研發(fā),以便在更復(fù)雜的環(huán)境中應(yīng)用,但當(dāng)前還處于探索階段。

4.3 土遺址軟覆蓋

針對土遺址軟覆蓋,一般保留入侵性小、景觀協(xié)調(diào)、對人體健康無危害的本土植物。植物地上部分的防護(hù)作用,主要考慮其種類、覆蓋度[45],借鑒黃土高原人工植被覆蓋度為≥50%～60%[105],土遺址保護(hù)中植被覆蓋度應(yīng)>75%[13]。在面積較大的封土遺址中,可采用喬木、灌木和草本植物結(jié)合的方法,通過減弱雨水的沖刷保護(hù)地下遺址[106];對于漢陽陵陵園及封土,通過保持現(xiàn)有形態(tài),選擇適宜的草本植物固土[107];對城址、城墻類土遺址,應(yīng)以低矮的草本植物為主[45];在渤海上京遺址墻體建議種植草本植物,墻兩側(cè)種植高大喬木,防止水土流失[108];在三星堆遺址保護(hù)中,采用自然草皮保護(hù)坡面,在坡下種植蘆葦,對嚴(yán)重滑坡面采用掛網(wǎng)錨固植草[109];在南方潮濕環(huán)境土遺址原位保護(hù)中,應(yīng)選擇根系深度<70 cm、高度<50 cm多年生植物,即以淺根系、覆蓋度大、地上部分低矮及防雨水沖刷的植物為主,針對墻體立面,可選用苔蘚,但其適用性仍不明確[13];在干旱、半干旱的河西走廊,建議在距長城0.5 km外,采用灌叢和小喬木,在0.5 km～10 m范圍內(nèi),采用灌叢,小于10 m的長城本體及周邊,選擇本地草本植物和小灌木,但有待實(shí)踐驗(yàn)證[110];張博[111]測試了薄壁卷柏蘚(Racopilumcuspidigerum)對土遺址試塊的防護(hù)效果,發(fā)現(xiàn)其能夠降低徑流流速,改變土壤滲透性,提升抗雨水沖刷能力,但主要取決于苔蘚覆蓋度,并提出NDVI(歸一化植被指數(shù))年平均值為0.65是苔蘚覆蓋適用范圍的邊界條件,該研究的不足是只在室內(nèi)使用已養(yǎng)護(hù)好的成品整塊薄壁卷柏蘚,而忽略了自然環(huán)境下苔蘚破碎化分布等現(xiàn)狀。

5 問題與展望

植物的生長改變了巖土文物的穩(wěn)定性,重塑了景觀多樣性。在科學(xué)評估植物對巖土文物的物理破壞和化學(xué)腐蝕的同時(shí),也應(yīng)該深入挖掘植物調(diào)節(jié)微環(huán)境、阻滯污染物及遮蔽風(fēng)蝕和雨蝕等正面作用。對于植物根長、根密度或根直徑等幾何參數(shù)的量化,是研究植物生理生態(tài)功能的關(guān)鍵,文物的特殊性對傳統(tǒng)的挖掘和剖面等有損分析提出了挑戰(zhàn),先進(jìn)技術(shù)的引入和數(shù)值模擬結(jié)合的分析方法十分必要。針對遺址有害植物的清除,存在保護(hù)、景觀和生態(tài)效益難以平衡的問題,建議遵循真實(shí)性與完整性、最小干預(yù)、可持續(xù)的生態(tài)保護(hù)及功能多樣化原則。全球變化可通過影響生物群落和功能間接威脅文物,通過環(huán)境干預(yù)而遏制有害生物危害已是文物預(yù)防性保護(hù)趨勢。

植物軟覆蓋無疑是替代物理、化學(xué)手段保護(hù)巖土文物的新型技術(shù),引入新的物種前,要準(zhǔn)確評估外來物種入侵性及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。在潮濕地區(qū)巖土文物表面植物覆蓋技術(shù)具有可行性,但也面臨著如短根系植物篩選、土壤養(yǎng)分配比、固定方式、日常維護(hù)和效果監(jiān)測評估等難題,保護(hù)措施在不同氣候中適用性尚待研究。苔蘚結(jié)皮在促進(jìn)干旱區(qū)水文循環(huán)、改善土壤結(jié)構(gòu)和防止水土流失方面具有關(guān)鍵作用,BSC在寒旱區(qū)防風(fēng)固沙和改良土壤等方面具有快速、環(huán)保、資源消耗少和可持續(xù)性高等顯著優(yōu)勢,已成為國內(nèi)、外一項(xiàng)新興的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)[48]。可借鑒防風(fēng)固沙的成功經(jīng)驗(yàn),從不同生境巖土文物中分離、培養(yǎng)能夠增強(qiáng)文物表面抗風(fēng)蝕、雨蝕能力的物種資源,并利用BSC拓殖來減輕或抑制文物表面風(fēng)化,以及如何在符合文物保護(hù)準(zhǔn)則的前提下,形成完善的實(shí)施工藝和對生態(tài)系統(tǒng)健康影響的完整評價(jià)體系尚待進(jìn)一步探索。BSC極有可能成為破解當(dāng)前制約極端環(huán)境下巖土文物化學(xué)材料防風(fēng)化效果不佳的新思路和新途徑,而精準(zhǔn)掌握BSC多樣性、群落構(gòu)建、演變規(guī)律及其與巖土文物互饋機(jī)理是其推廣應(yīng)用的重要前提。

基于巖土文物與植物關(guān)系研究現(xiàn)狀,結(jié)合當(dāng)前研究熱點(diǎn)與亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題,展望如下:1)厘清植物對巖土文物的損害及保護(hù)作用機(jī)理;2)構(gòu)建不同環(huán)境下界定植物對巖土文物正負(fù)效應(yīng)的科學(xué)評估體系;3)明確植物種內(nèi)和種間的相互作用以及驅(qū)動(dòng)植物在巖土文物表面建植的關(guān)鍵因子;4)結(jié)合全球氣候變化,研發(fā)巖土文物有害植物的精準(zhǔn)防控技術(shù);5)篩選適宜的軟覆蓋植物種并對其防護(hù)效果進(jìn)行評估;6)研發(fā)基于BSC的軟覆蓋技術(shù),開展環(huán)境適應(yīng)性和保護(hù)效果評估。