0 潮湿环境土遗址保护的困难

良渚古城遗址，位于浙江省杭州市余杭区，年代距今5300—4300年，持续发展约1000年，这里先后发现了高等级墓地、祭坛、玉礼器系统、大型宫殿基址300余处。良渚古城外围水利系统是迄今所知中国最早的大型水利工程，也是世界最早的水坝系统，控水范围超过100平方公里，已发现11条堤坝遗址，主要修筑于两山之间的谷口位置。根据初步考古认识，该水利系统兼有防洪、运输、用水、灌溉等功能，对当时良渚文化区域的经济和社会发展起到重要作用，2019年7月与良渚古城遗址一同列入世界遗产名录^[1-2]。

老虎岭水坝遗址是良渚古城外围水利系统的典型遗存，位于老虎岭与畚箕坞之间，长约50 m、上宽约16 m、下宽约65 m，坝身残高约15 m，于2015年开展考古工作。坝体剖面能清晰看到坝体堆筑结构、层次，以及草裹泥堆筑工艺的特点^[1]，是良渚时期人工修筑水坝的实物证据，具有重要文物价值。

从1999年开始，浙江大学文物保护材料实验室与敦煌研究院一道，先后在良渚水坝（塘山）遗址和良渚古城（北城墙）遗址进行过系列现场实验研究^[3-7]。二十多年的研究实践表明，在良渚地区湿热的气候环境条件下，土遗址考古剖面的长期保存和稳定展示面临着多方面的难题，例如：各种绿色植物繁茂生长，其根系破坏土遗址；多雨潮湿使土遗址渗水坍塌；建造保护棚后土遗址表面又收缩开裂；使用化学材料加固土遗址的结果往往是表层剥离；南方适宜的气候使苔藓和微生物在土遗址展示面上不断繁殖；因环境干湿变化和析盐造成考古剖面表层粉化，等等。

随着申遗成功，良渚古城遗址公园开始建设，土遗址考古剖面保护和展示的难题必须突破。本工作针对良渚地区温热、潮湿、多雨的环境，以清晰展示老虎岭水坝土遗址上“草裹泥”筑坝工艺的痕迹为目标，在总结吸取国内土遗址保护经验和前期工作经验教训的基础上，提出了一套避免使用化学材料加固，而以“黑屋+隔水+控湿”为主的小环境控制工程策略。目前相关保护工程已经完成并顺利进入展示阶段。

1 工程策略

1.1 “黑屋”策略

浙江地区气侯温热，四季分明，光照充足，雨量丰沛，适合大多数乔木、灌木、地被（含草本、苔藓、地衣等）的生长。据《浙江植物志（新编）》（2021），全省约有高等植物262科1 587属4 868种，其中木本植物1 400余种，孢子植物约有700余种（含苔类和藓类），蕨类植物500余种。因此土遗址上往往植物十分茂盛，其根系导致土遗址破坏，且很难根除。例如：老虎老虎岭水坝遗址上的植物（图1）。

绿色植物的生长离不开光合作用，利用太阳光能将水和二氧化碳合成为碳水化合物（如葡萄糖）同时释放出氧气，这里光能是必要条件。在光合作用中，植物对各波长的光都能吸收，但吸收最多的是红光和蓝紫。红光（640~660 nm）能促进分蘖，增加叶绿素、类胡萝卜素、可溶性糖等物质的积累；蓝光（430~450 nm）能促进植株的横向伸展和次生代谢产物的积累。紫外光的作用较为复杂，有抑制植物叶面积和胚轴伸长的作用，同时还与蓝光一道影响植物的定向生长。

在潮湿温暖的土体上，只要阳光能照射到，土遗址表面的绿色生物就生长茂盛。即使在保护建筑内，凡阳光可以照射到的区域绿色生物繁殖就比其他区域繁茂，例如杭州郊坛下官窑遗址（图2）。

使用玻璃罩阻挡紫外线后，植物也照样生长，甚至长得更高更快，例如杭州清行宫遗址的玻璃保护罩内（图3）。

根据植物学理论，需要一定强度的光才能引起植物的光合作用，因为叶绿素需要阳光才能将空气中的碳源（二氧化碳）转变为有机碳，从而为绿色植物提供养料。

一个特殊的案例是杭州萧山跨湖桥遗址博物馆^[8]，因为遗址处于水下6 m，防水围堰就是遗址馆的外墙，整个保护建筑无窗户，因此也遮蔽了阳光（图4）。除在开始建馆的一、二年内有霉菌繁殖外，以后十多年来遗址馆内的土遗址表面没有绿色植物生长。很显然，隔绝阳光，即“黑屋”是抑制绿色生物生长的有效方法。

在浙江，首先主动采用“黑屋”策略保护土遗址的是宁波望京门城墙遗址（图5），到目前已经有两年多了^[9]；接着主动采用“黑屋”策略的就是良渚老虎岭水坝遗址（图6）；再接着就是杭州南宋德寿宫遗址（图7）。总体看，“黑屋”策略抑制绿色植物生长的效果不错。

值得一提的是，德寿宫遗址展示设计团队利用“黑屋”环境，融合遗址现场，通过数字投影、动态长卷、AR增强现实等方式，展现不同时期德寿宫遗迹和皇家宫殿建筑的风貌，营造出原真性和沉浸式的观展效果（图8），使参观的人们几乎忘记了当时我们提出将自然采光改为“黑屋”的初衷，是预防绿色植物破坏遗址。

1.2 隔水策略

浙江地处亚热带中部，属季风性湿润气候，年均降水量在1 100~2 000 mm之间，年均蒸发量不到降雨量的一半。大气降雨多导致地下水位高、土壤潮湿松软、低洼处积水，土遗址边坡垮塌、泥土流失。在这样的自然环境下，野外土遗址很难长久保存。例如：工程前老虎岭水坝遗址断面的渗水掏蚀凹坑（图9）等。

避免土遗址受大气降水、地下水浸泡和边坡渗水的工程策略主要有：

1）建立遗址保护棚；

2）铺设防渗毯；

3）构建防渗墙（防水围堰）。

这些都是比较成熟的工程措施。但是，用于大型土遗址保护仍然面临许多问题，尤其是防渗墙问题较大：

1）遗址不可再生，为避免扰动遗址、破坏遗址的完整性和原真性，水文勘探和工程作业的范围受到很大限制；

2）大片土遗址区域地下情况往往非常复杂，而一般水文勘探的理论和技术难以满足文物保护需要；

3）文物保护工程项目经费有限。

尽管受勘测、技术、施工、资金等限制，一些重点文保工程已经开始了土遗址水害防治的探索。例如：2007年杭州跨湖桥遗址建立截水墙防洪挡墙；2020年宁波望京门城墙遗址采用微扰动水泥搅拌桩（IMS）方法构建防水围堰；2021年杭州南宋德寿宫遗址采用渠式切割装配式地下连续墙技术（TAD）建设防水帷幕^[10]；2021年良渚老虎岭水坝遗址铺设双层防渗毯隔水等。从隔水效果看，这些遗址已基本达到了防止大量渗水的目的。但是，部分遗址或多或少仍遗留某些遗憾，例如在大雨之后，需要通过集水井抽水维持现状，而长期抽水很可能产生土体溶蚀和遗址塌陷的隐患。

1.3 控湿策略

1）保护棚。为避免土遗址受雨水冲刷，最简单的办法是建立保护棚。在保护棚环境下，大气降水被隔断，但是遗址本体中水的蒸发仍然继续，水分不断从下向上单向迁移，导致遗址土体收缩开裂和表面析盐，可溶盐的反复结晶又造成土体表层粉化。

另外，南方的季节变化与早晚温差变化引起的环境干湿变化循环也很容易使土遗址表层粉化。例如工程前老虎岭水坝遗址表面的“草裹泥”痕迹，在自然环境中一个月以上就会逐渐模糊，要清楚地观看就需要不断地刮去表层。

2）化学加固。为防止遗址土体开裂和表层粉化，一般认为可采用各种化学材料进行渗透加固。但是，化学加固后的土体与未加固的土体在物理性能上很难相容，例如加固后土体的湿膨胀性、热膨胀性很难与原土体一致，这就导致在环境湿度和温度变化时这两部分之间会产生界面应力，使加固层剥离。例如，2003—2014年，浙江大学文物保护材料实验室与敦煌研究院联合，在良渚塘山使用过几十种不同类型和原理的化学材料，进行了土遗址加固的实验研究^[3-7]，结果在1~3年后，加固层都先后起甲剥离（图10）。在本次工程策略中，决定摒弃化学加固的方法。

3）玻璃罩封闭。考古人保护土遗址的简单办法是回填。埋在土中，土遗址就能够保存在比较稳定的湿度环境中，但也失去了展示的价值。一种替代方式是采用全封闭的玻璃保护罩。该方法可以保湿，防止灰尘和其他污染物袭扰。例如陕西汉阳陵俑坑遗址的玻璃罩，能使遗址区域的空气湿度保持在85%~99%^[11-14]，加热玻璃能避免玻璃上的冷凝水雾，不影响观众的视觉效果。但是，由于遗址水分的蒸发，局部仍有裂隙和析盐泛白的现象发生。

4）适时气相补水。保持土体含水率稳定是维持潮湿地区土遗址稳定的重要途径。若能适时适量补水，维持土体水分始终处于出土时的状态，盐分就难以迁移析出结晶，土体也不会干缩形成裂隙。

存在于自然界的水有固态、液态和气态三种状态。气态水在土壤表面和孔隙中凝结是均匀增加土壤湿度的最佳方式，它能不改变土体表面形貌而使遗址土体的含水率增加，使盐份溶解并渗透至深处。为了达到“气相补水”的目标，浙江大学文物保护材料实验室在杭州萧山跨湖桥遗址博物馆的土遗址上进行了一系列实验研究，发现高于土体温度10℃左右的蒸汽（高湿度气体），可以自动在较冷的土体表层和内部冷凝，形成液态水，可做到“补水于无形”，同时所补水量可以比较准确地预测和控制^[15]。这种采用气相补水使土体含水率稳定的方法简称为：“气相补水-湿法保护”方法。

目前，在宁波望京门城墙遗址和良渚老虎岭水坝遗址的加热玻离罩内均设置了气相补水系统，一旦玻离罩内湿度过低，加湿系统可以启动。

从设备雾化原理、成本和适应性看，望京门城墙遗址采用的是高压微雾系统，成本较低，加湿量大；本次老虎岭水坝遗址采用的是电极雾化系统，雾气温控性较好，对遗址剖面影响较小。

1.4 微生物/苔藓绿色防治策略

尽管隔绝了阳光，土遗址的展示仍然需要照明。即使是较弱的灯光，在我国南方温热地区土遗址表面，微生物/苔藓仍然会生长。例如，微生物/苔藓是破坏老虎岭水坝遗址表面“草裹泥”痕迹的主要危害之一。除冬季外，只要十多天时间，微生物/苔藓就能将“草裹泥”痕迹全部掩盖（图11）。

为此，本研究采用了一类以植物精油为主剂的绿色复方生物防治剂。在自然界中，植物能够制造次级代谢混合物来保护自己不受细菌和真菌的伤害，避开竞争性植物争抢生存空间。这些次级代谢物是经由几百万年的演化，在不断地筛选之下形成的最适合抑制周边生物的活性成分。在实施国家重点研发计划课题“石窟文物微生物/苔藓病害绿色防治技术研究（编号2019YFC1520503）”项目中，浙江大学文物保护材料实验室已经开发了系列植物精油生物防治剂，可以抑制地衣、藻类与微生物的繁殖破坏^[16-17]。实验已证明该生物防治剂对苔藓的三个生长阶段（孢子萌发、原丝体、叶片）和微生物群落均有灭活效果。这些提取的植物精油具有挥发性，最后能够可逆地从文物表面消失。

由于生物适应环境的能力极强，如何长久维持对微生物/苔藓的抑制效果仍然是艰巨的挑战。本研究团队还在继续开展两方面的研究工作：

1）通过控制生物防治剂挥发和缓释的速率，提高药剂的有效寿命；

2）降低光能，剔除照明光源中有利于微生物/苔藓生长的波段。

目前，实验室的研究表明，这两方面的工作都具有一定效果。

2 老虎岭水坝遗址保护的工程实践

在杭州良渚遗址管委会的组织下，2019年5月湖南省文物考古研究所完成了《良渚遗址老虎岭、南部城墙考古发掘剖面抢救性保护工程设计方案》；2019年7月浙江省文物局组织召开专家论证会，对设计方案提出了修编意见。2020年3月浙江南方建筑设计公司等完成了《老虎岭遗址保护棚及老虎岭遗址公园设计方案》初稿；2020年8月浙江省文物局组织召开专家论证会，对设计方案提出了修改意见。

方案设计者们充分吸取了研究人员和专家们对老虎岭水坝遗址保护策略的意见，其中包括采取：“黑屋”策略、“隔水-排水”策略、“加热玻璃罩”和“气相补水”策略等，完善了土遗址本体和保护棚建筑方案的设计。

20 20年11月《老虎岭、南城墙考古发掘剖面保护工程》完成招标，由敦煌研究院中标实施遗址保护施工任务。

敦煌研究院联合浙江大学，实施了一套避免使用化学材料加固，而以环境控制为主的工程措施，同时采用植物精油等绿色环保技术防治微生物和苔藓，使老虎岭水坝遗址表面的“草裹泥”痕迹能在较长的时间里得到稳定保存。

2022年7月6日，在良渚古城遗址申遗成功三周年之际，老虎岭遗址公园和水坝遗址正式对外开放，使游人们能够清晰见到水坝遗址表面的“草裹泥”痕迹，观赏古良渚人5 000年前的筑坝技艺（图12~13）。

为适时掌握遗址的保存状况，老虎岭水坝遗址保护棚内外已安装各种监测探头150余个，包括：降雨量、光照度、排水量、不同位置空气温湿度、不同深度遗址土体含水率、各区域遗址表面状况摄像头等，可为预防性保护和控制提拱基础数据。

经过一年多的连续监测，结果表明：遗址保护大棚内的温度在2~34℃之间，每日（24 h）的温差保持在10℃内；而玻璃罩内土遗址表面的温度在9~33℃之间，每日的温差保持在5℃以内（图14a）。遗址保护大棚内的相对湿度在50%~100%之间，每日的相对湿度差保持在RH20%内；而玻璃罩内遗址表面的相对湿度在95%~100%之间，每日的相对湿度差保持在5%以内（图14b）。

通过计算发现，以1年为周期，在玻璃罩密封良好的前提下，老虎岭水坝土遗址剖面水分的蒸发量与冷凝量总体上可以达到平衡^[18]。

实际上，除人员进入等原因，玻璃罩内遗址表面的空气湿度都接近99%；土体10~70 cm深处含水率稳定在20%~40%间，日波动小于0．1%；遗址展示面灯光光照强度小于450 lux（只在白天展示时开灯），由此使得遗址的保存情况与填埋环境接近。

当玻璃上有水雾时，可以通电使玻璃加热去雾；在空气湿度小于84%时，启动电化学加湿系统。这样既保证了展示效果，又可控制土遗址裂隙的发育，避免表层粉化。

从运行情况看，电热玻璃和加湿系统的调控是必要的，尽管日常启动的时间并不多。今后如何智能地调控玻璃罩内的小环境仍是值得深入研究的课题。

截止到2024年4月，未使用过任何化学加固的水坝遗址表面的“草裹泥”痕迹依旧清晰可见（图15），坝体剖面处于稳定状态，更长久的保存效果正在监测评估中。

3 结论

潮湿环境土遗址的保护仍然是世界性难题。为清晰持久地展示老虎岭水坝考古剖面上“草裹泥”筑坝工艺的痕迹，克服生物生长、多雨渗水、表面粉化和微生物繁殖等的影响，在良渚遗址管委会、方案设计和施工单位，以及相关专家们的共同努力下，提出和实施了一套新的以小环境控制为主的工程策略，包括：

1）在遗址上方构建遮光保护大棚，采用“黑屋”策略保护遗址并抑制绿色生物生长；

2）在坝体山坡上铺设防渗毯和排水系统，隔离降雨和渗水对坝体的影响；

3）安装电加热玻璃罩，封闭坝体展示面，防止灰尘污染和孢子附着，使遗址处于类似填埋的高湿环境中；

4）安装电化学加湿系统，气相补水，维持空气湿度和土体含水率稳定，预防遗址表面粉化和开裂，使考古剖面遗迹清晰；

5）使用植物精油等绿色环保防治技术，预防微生物和苔藓繁殖，防止它们遮蔽和破坏考古剖面。

总之，老虎岭水坝遗址的保护采用了一套避免使用化学材料加固，而以小环境控制为主的保护策略。这是潮湿环境土遗址保护理念和工程措施的一次新的尝试，尽管还存在许多不足，但无疑可为未来类似土遗址的保护提供借鉴。

参考文献