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0 引言
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南越国木构水闸遗址位于广州市越秀区西湖路光明广场负一层，为西汉南越国时期沟通广州城内外水系的一处水闸遗址，也是国内目前已知最早的木构水闸遗址，对广州古代城市发展、珠江水系变迁以及中国古代水利设施构造等研究有珍贵的价值[1]，水闸遗址已于2006年增补为第四批全国重点文物保护单位。在水闸遗址的保护范围内还有1处东汉建筑基址及3座不同时代的砖井等其他遗迹。水闸遗址的主体可分为引水渠道、闸室、出水渠道等3个遗迹部分，东汉建筑基址位于水闸遗址南侧并且打破出水渠道（图1），两者均为纯木质结构，所用木材的体型、纹理、材质等均相同。自发掘出土后，水闸遗址并未进行系统性的保护，仅2007年在保护范围的上部修建“玻璃房”，使其与周边商场相隔绝，但下部仍可与地下水相连通。在各种不利因素长时间的影响下，水闸遗址中的木构文物产生了裂隙、糟朽、盐结晶等多种病害，严重威胁文物的长期保存。为充分了解水闸遗址木构文物的保存现状，2019年对水闸遗址（包括东汉建筑基址）开展了全面的现状勘察，重点对木构文物的病害类型、分布及主要的环境影响因素进行研究。
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图1 遗址平面示意图
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Fig.1 Ichnograph of the wooden cultural relics
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1 样品和方法
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1.1 实验材料
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实验木材样品采集自水闸遗址及东汉建筑基址的不同位置，盐结晶样品采集自出水渠道木构文物和闸室附近土体的表面，水样采集自引水渠道和东汉建筑基址的积水处（表1）。
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1.2 实验及测试方法
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1.2.1 显微观察
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将木材样品浸泡于PEG2000溶液，待内部水分置换为聚乙二醇后，使用木材切片机制取切片，溶剂洗脱聚乙二醇后干燥。用1%番红对切片染色，酒精洗净多余番红，二甲苯溶液浸泡切片至透明，再将切片用中性树脂封片，使用LEICA DM4500P型偏光显微镜进行显微观察。
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1.2.2 傅里叶变换红外光谱
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将样品在110℃烘干并研成粉末，使用Thermo Fisher Scientific：Nicolet IS50 Spectrometer型傅里叶变换红外光谱仪测定样品粉末的傅里叶变换红外光谱，试范围为4 000 cm-1至400 cm-1，温度20℃，湿度15%。
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1.2.3 离子色谱
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称取0.100 g可溶盐样品并溶解于1 000 mL去离子水，积水样品用去离子水稀释100倍，使用Dionex ICS 2000型离子色谱仪分析。分析离子包括K+、Mg2+、Na+、Ca2+、Cl-、NO-3、SO2-4等；阳离子分析柱为CS12A，保护柱为CG12A，淋洗液为20 mmol·L-1的甲基磺酸溶液；阴离子分析柱为AS11—HC，保护柱为AG11—HC，淋洗液为30 mmol·L-1的KOH溶液；柱温30℃，阳离子流速1.0 mL/min，阴离子1.2 mL/min。阴阳离子均使用8个标准梯度浓度做标准曲线，实验标准曲线的相关性均大于0．999。
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1.2.4 X射线衍射
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使用德国Bruker AXS D8-Focus X射线衍射仪测定盐结晶样品，测定条件为Cu Kα 射线，Ni滤波，40 kV，40 mA，LynxEye192位阵列探测器，扫描步长0.01°2θ，扫描步速0.05 s/步。
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1.2.5 pH值
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使用PHSJ—4F型pH计测量pH，依次使用磷酸盐标准缓冲液、邻苯二甲酸氯钾标准缓冲液、硼酸盐缓冲液对电极进行校准，再将电极放入水样中测量pH值。
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1.2.6 病害调查
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参考WW/T 0060—2014《可移动文物病害评估技术规程——竹木漆器类文物》、WW/T 0003—2007《馆藏出土竹木漆器类文物病害分类与图示》中关于木质文物病害的分类及判定标准，对木构文物的病害进行调查。
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1.2.7 环境监测
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在水闸遗址闸室西侧（下文以“西部”表示）和东汉建筑基址（下文以“南部”表示）安装两处环境监测测量终端。每处测量终端包含：SIN-P260S型水位计1台，监测地下水位（以光明广场负二层为参考海拔）； JK—W801型温湿度传感器1台，监测空气温湿度；FDS—100型土壤水分传感器1台，记录土体遗存的土壤含水率；WM700A手持非接触式水分测定仪2台，分别安装在同一木构文物的上、下两个不同位置，记录木构文物的木材含水率。以2018年1月1日至8月5日监测项数据为研究对象，使用SPSS软件进行相关性分析和多元回归分析。
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2 结果和讨论
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2.1 木构文物
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2.1.1 材种鉴定
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木材样品具有高度相似的显微特征。样品早晚材细胞急变（图2），晚材细胞壁甚厚，薄壁组织星散状，木射线多2至10个或以上（图3），早材具缘纹孔2至3列，交叉场纹孔式为杉木型，无射线管胞，可判定木质文物的材种为水松[2]。
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2.1.2 腐蚀特征及现状
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所有样品均观察到细菌腐蚀现象，腐蚀程度从个别管胞腐蚀到全部管胞腐蚀都有发现（表2）。多数样品腐蚀程度较轻，外观无明显变化，细胞形状保持完好，细胞壁次生层未发生萎缩，但可观察到侵蚀细菌腐蚀细胞壁后形成的孔洞、变形、沟槽等的特征[3-4]，少数细胞的细胞壁降解严重，胞间层消失，有少量纹孔被细菌腐蚀而形成孔洞（图4）。部分样品早材皱缩，晚材降解严重，存在细菌腐蚀所产生的微小孔洞（图5）。个别样品腐蚀情况严重，外观呈片状剥离状，颜色呈深棕色，质地疏松，早材完全降解，可见真菌孢子，菌丝不明显（图6），晚材发生降解但仍保留细胞壁的基本结构，次生壁有细菌腐蚀的细小孔洞，部分管胞发生降解，双折射消失。以细菌腐蚀为主的微生物腐蚀的应该是造成木构文物细胞壁降解的主要原因。
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图2 样品显微照片（横切面）
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Fig.2 Micrograph of the Glyptostrobus pensilis sample （transection）
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图3 样品显微照片（径切面）
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Fig.3 Micrograph of the Glyptostrobus pensilis sample （radial section）
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图4 局部腐蚀特征
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Fig.4 Scattered corrosive characteristics
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图5 样品腐蚀特征（横切面）
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Fig.5 Corrosive characteristics of the Glyptostrobus pensilis sample （transection）
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图6 真菌孢子
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Fig.6 Fungal spores
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木材的红外光谱主要特征吸收峰都位于1 800 cm-1至800 cm-1之间[5]，部分特征峰的强弱能够表征木材组分的相对含量变化，一般以1 732 cm-1等峰附近表征半纤维素的含量，以1 369 cm-1、897 cm-1等峰附近表征纤维素含量，以1 600 cm-1、1 510 cm-1、1 317 cm-1、1 265 cm-1等峰附近表征木质素结构的变化。以现代水松为对照样品，将对照样品和11个木材样品的傅里叶红外光谱图制得图7。所有样品位于1 732 cm-1附近的半纤维素吸收峰的非共轭C=O伸缩振动吸收峰均基本消失，表明半纤维素组分大量降解。无论样品中是否观察到细菌或真菌的侵害，半纤维素均发生降解，其降解可能与微生物腐蚀无关，而仅为自然的化学降解所导致。1 369 cm-1、897 cm-1附近的纤维素吸收峰明显下降的有4号、5号、9号和11号样品，样品中的纤维素组分发生大量的降解，略有下降的有7号和10号样品，样品中的纤维素组分也发生了明显的降解。通常只有白腐真菌能够完全分解木质素[6]，其他木腐真菌和细菌对木质素的分解有限，木质素为高度交联的网状结构，通常不会发生明显的含量变化，但分子结构中的官能团会发生变化。根据与木质素相关的1 600 cm-1、1 510 cm-1、1 317 cm-1、1 265 cm-1等吸收峰的相对强弱变化可知，5号和11号样品中木质素结构发生了明显的变化，主要发生了脱甲氧基反应和氧化导致的共轭羰基含量上升，其余样品变化不明显，表明样品未发生白腐真菌腐蚀。木质素为细胞壁的结壳物质，其红外特征峰仍保持保留一定的强度，表明木构文物的微观结构虽然腐蚀严重，但仍能维持宏观形状的相对完整。纤维素、半纤维素和木质素等结构的傅里叶红外光谱特征峰的减少或改变，表明木构文物出现严重腐蚀，纤维结构已开始出现降解，宏观表现为木构文物出现普遍的龟裂状裂缝及糟朽等病害。
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图7 木构文物样品傅里叶变换红外光谱图
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Fig.7 FT-IR spectra of the wooden cultural relic samples
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2.2 盐结晶
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根据离子色谱分析结果（表3），木构文物和土体表面的盐结晶样品（12号、13号样品），主要阳离子为Ca2+，主要阴离子为SO2-4，其化学计量比分别为0．967 4和0．988 9，与CaSO4相符。盐结晶样品中的其他阴阳离子相对含量均极低，因此遗址内析出的盐分主要成分为CaSO4。样品的傅里叶红外光谱图（图8）中，1 200~400 cm-1的吸收峰为典型的硫酸盐（SO2-4）特征峰，其中1 102 cm-1为反对称伸缩振动，668 cm-1、596 cm-1为不对称弯曲振动，452 cm-1、418 cm-1为对称弯曲振动，3 520 cm-1、3 399 cm-1、1 682 cm-1、1 619 cm-1均为结晶水的吸收峰。由于晶格中阳离子的不同、结晶水结合的差异，尽管不同硫酸盐的红外光谱吸收峰归属相同，但部分出峰位置存在着明显区别，盐结晶的红外光谱吸收峰符合生石膏（CaSO4·2H2O）[7] 的特征峰。盐结晶样品的衍射谱图（图9）中，样品的2θ在11.64°、20.66°、23.44°、29.21°、31.22°附近有明显衍射峰，符合生石膏（CaSO4·2H2O）的衍射特征峰[8]，样品为生石膏。
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图8 盐结晶傅里叶变换红外光谱图
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Fig.8 FT-IR spectra of salts
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图9 盐结晶X射线衍射图谱
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Fig.9 XRD patterns of salts
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2.3 积水
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积水中主要离子为Ca2+和SO2-4（表3），含量符合CaSO4的级数配比，由于积水是地下水渗入遗址而形成的，这一结果表明地下水与木构文物、土体遗存之间存在联系。积水除Ca2+和SO2-4外，Na+、Cl-等离子也含量较高，但因地下渗水总体离子含量并不高，仅有Ca2+和SO2-4随水分迁移至木材表面时，形成溶解度较低的CaSO4并大量析出。引水渠道处水样（15号样品）中的Ca2+和SO2-4浓度分别为3.019 2 mg/L和8.803 9 mg/L，均高于东汉建筑基址处水样（14号样品）中的Ca2+和SO2-4浓度，表明引水渠道处积水的流通性较差，水体较为封闭，而东汉建筑基址处的积水同外界有一定的流通循环能力。
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引水渠道和东汉建筑基址的水样的pH值分别为3.77（强酸性）和7.79（弱碱性），也说明引水渠道积水流通性差，导致其中酸性物质富集。在常温下，酸性物质对木材有较强的腐蚀性而碱性物质的腐蚀不明显，引水渠道处水样虽然为强酸性，但该处积水与木构文物有一定距离，文物未直接浸泡在积水中，因而酸性物质对该处木构文物的腐蚀有限。遗址其他位置的积水范围较小且距木构文物都有一定距离，可忽略积水中酸碱性物质对文物的影响。
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2.4 病害分析
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经调查，木构文物主要存在饱水、微生物损害、盐结晶、糟朽、裂隙和残缺等病害（表4）。引水渠道、东汉建筑基址等积水处附近的木构文物的微生物损害、盐结晶、糟朽等病害多分布在饱水病害的临近区域（图10~11），呈现出“共生”的状态。木构文物上部相对干燥的位置，多有细小而密集的龟裂状裂缝，与饱水、微生物损害、盐碱结晶等病害的富集区域较远。木构文物的部分饱水病处和上部的顶端有残缺病害。多种病害相叠加的现象，表明木构文物保存状态较差，已危害到木构文物的安全保存，多种病害的发展最终会造成木构文物的残缺。
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图10 盐结晶、糟朽和残缺病害
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Fig.10 Salt crystallization, decay and incompleteness
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图11 饱水、微生物损害和盐结晶病害
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Fig.11 Water saturation, microbial damage and salt crystallization
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2.5 环境因素监测与分析
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空气温湿度和水患是影响遗址类文物的主要环境因素[9-10]，水闸遗址中与之相关的监测项有空气温度、空气湿度、地下水位、场地的土壤含水率、木构文物的木材含水率等，上述监测项的变化和相互影响规律是研究的重要内容。
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2.5.1 空气温湿度
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以1月、7月分别代表冬季和夏季，水闸遗址空气温湿度在两季均为每日不停地波动。1月西部空气湿度波动幅度较大，部分单日在60%~80%之间变动，南部则始终保持在80%以上的高湿状态小幅度波动。两地空气温度每日波动较小且同步、数值相近，温度曲线总体呈波浪状并在20~24℃间变化（图12）。7月两处空气温湿度曲线都较为平稳，每日有小幅波动，南部空气波动幅度湿度虽比西部略大，但两地均始终保持在80%以上的高湿状态。两地温度波动仍然同步、数值相近，温度曲线上升至27℃左右（图13）。上述变化原因是广州夏季湿热且地下水位较高，使水闸遗址空气始终保持高热、高湿状态。闸室西侧离出入口较近，空气湿度受冬季干燥的气候影响较大；而东汉建筑基址离出入口较远，水汽不易排出，在冬季也处于高湿状态。玻璃隔热性能较差，玻璃房内空气温度受外部影响较大，导致两处温度相近、变化趋势也相同。夏季高温气候使空气温度保持较高水平，而冬季气候变化使部分单日空气温度出现明显波动。空气温湿度总体维持在较为稳定的状态，尤其是湿度始终保持在80%的高湿状态，表明空气温湿度对木构文物的影响不大。
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图12 1月空气温湿度曲线
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Fig.12 January temperature and humidity curves
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图13 7月空气温湿度曲线
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Fig.13 July temperature and humidity curves
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2.5.2 水
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水是造成木质文物破坏的另一个重要因素。东汉建筑基址上部和闸室木构文物含水率在10%~25%之间变化（图14），低于30%的木材的平均纤维饱和点，木构文物会随含水率的变化不断湿涨干缩[11]并造成开裂、糟朽等病害，最终造成残缺病害。木材含水率在夏季的升高会导致木构文物处于饱水状态，不但为微生物的滋生提供条件，也会促进地下水中的Ca2+和SO2-4迁移至木构文物的表面，当木材含水率变化时，木构文物表面析出CaSO4·2H2O结晶，改变文物表面的应力，加速裂缝、糟朽的发育速度。
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水闸遗址中与水有关的监测项有地下水位、土壤含水率、空气湿度及木材含水率等，将这4项数据取周平均值并进行相关性分析。西部与南部地下水位相关性系数为0.785，关联性较强，表明两处的地下水位相互连通，但受场地条件影响，水位略有差异。根据表5、6，西部木材含水率（上）和（下）与地下水位的相关性系数分别为0.862和0.932，表明木构文物含水率受地下水位的强烈影响，越靠近地面受到的影响越大；与土壤含水率的相关性系数分别为0.159、0.352，土壤含水率对木构文物的影响有限；与空气湿度的相关性系数分别为0.766和0.751，可能是空气湿度受地下水位季节变化的影响也随之产生了相应的变化。南部木材含水率（上）和（下）与地下水位的相关性系数分别为0.839和0.393，地下水位与木材含水率（上）相关性较强，与木材含水率（下）的关联性较弱；与南部的土壤含水率的相关性系数分别为0.755、0.970，土壤含水率与木材含水率高度相关；与空气湿度相关性较弱，表明基本不受其影响。南部木材含水率（下）与土壤含水率关联性较强而与地下水位关联性较弱，可能是这一区域有大面积的积水，木构文物的下半部和土体遗存常年浸泡在积水中，导致两个含水率始终都处于高位并且不受地下水等环境因素的影响；木构文物的上部则较为干燥，含水率受到地下水位变化的影响较大。地下水位与木材含水率、土壤含水率存在相关性，结合积水样品中高浓度的Ca2+和SO2-4、土体和木构文物表面析出的CaSO4·2H2O结晶，表明土体内部的Ca2+和SO2-4随地下水渗入遗址，形成积水并进一步渗入土体和木构文物中，因蒸发和毛细作用，Ca2+和SO2-4迁移至土体和木构文物表面并形成结晶，地下水是盐结晶病害形成的重要因素。
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图14 木材含水率周平均值曲线
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Fig.14 Weekly average curves of wood moisture contents
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注：**表示在0.01水平（双尾）上显著相关。
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注：**表示在0.01水平（双尾）上显著相关；*在0.05级别（双尾），相关性显著。
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以木材含水率为因变量（Y），地下水位（X1）、土壤含水率（X2）、空气湿度（X3）为自变量，构建多元回归模型。西部木材含水率（下）为Y=0．047X1-72．667，R2=0．871；西部木材含水率（上）为Y=0.046X1-67.772，R2=0.752；南部木材含水率（下）为Y=6.005X2-416.534，R2=0.941；南部木材含水率（上）为Y=0.080X1+1.627X2-307.570，R2=0.860；4组模型R2均为极显著水平（P＜0.01）。根据回归模型，西部木材含水率仅受地下水位的影响，南部木材含水率主要受土壤含水率的显著影响，南部上侧木材含水率也受地下水位的影响。回归系数均为正值，地下水位和土壤含水率越高则木材含水率也越高。
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综合病害调查、相关性分析与多元回归分析结果，表明遗址的地下水通过影响木材含水率，促使木构文物出现多种病害。地下水位是影响木构文物的主要环境因素，木材含水率变化造成的物理作用是木构文物破坏的重要原因。
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3 结论
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通过对南越国木构水闸遗址中木构文物的勘察分析与研究，得到以下结论。
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1）木构文物材质的劣变主要由细菌腐蚀和物理破坏所造成。木材含水率过高时所滋生的细菌会腐蚀木构文物的细胞壁形成大量的孔洞、变形和沟槽，破坏掉木构文物的细胞壁结构。木材含水率在30%之下变化时会造成纤维的湿涨干缩，使木构文物出现裂隙，半水合硫酸钙结晶的形成会加速裂隙的发育。大部分木材含水率与地下水位呈极显著正相关（P＜0.01），地下水是对木构文物影响最大的环境因素。木构文物材质经长期劣变后，纤维素和半纤维素发生降解，木质素结构发生变化，饱水、盐结晶、微生物损害和裂隙等病害持续发育并导致木构文物完全损坏。
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2）应从不同方面开展木构文物的保护工作。加强木构文物的疏水保护，在遗址地表下铺设排水暗管并在遗址非核心部位增设渗水井，使地下水能够通过暗管汇入渗水井，再最终抽排出遗址。研究脆弱木构文物的脱盐、加固等保护方法，尤其是遴选适合的加固材料，并总结最优的加固施工工艺。使用物理方法清理结晶盐、微生物等表面污染物，对大量微生物滋生的区域进行生物消杀，抑制细菌等微生物的繁殖。利用彩色三维模型、近景摄影测量等技术记录木构文物病害的图形信息，对比不同时间段所记录的病害图形信息，从而达到对文构文物保存状态的监测，并可对疏水等环境治理或保护方法的效果做出评估。
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此研究结论揭示了南越国木构水闸遗址中木构文物的病害成因，并对未来遗址保护提供了理论支撑。
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摘要
南越国木构水闸遗址及其附属东汉建筑基址中的木构文物出现了多种病害。为探讨病害成因，采用偏光显微观察、傅里叶变换红外光谱分析、离子色谱分析和X射线衍射分析等技术方法对木构文物、积水和盐结晶等样品等进行检测，勘察文物病害种类与分布范围，并对环境监测数据进行多元回归分析。偏光显微镜观察到木构文物具有水松的显微特征，细胞壁多有细菌腐蚀；红外光谱分析发现半纤维素的特征峰消失，纤维素、木质素的特征峰锐减或改变；盐结晶的红外光谱、X射线衍射图谱均呈现二水合硫酸钙的特征峰，而离子色谱检测证实Ca2+和SO2-4是积水的主要离子，表明两种离子随地下渗水迁移至文物表面并形成盐结晶；西部木材含水率（上）、西部木材含水率（下）和南部木材含水率（上）与地下水位均呈极显著正相关（P＜0.01），木材含水率大多低于30%并不断变化。以上结果表明，地下水不但渗入文物造成饱水病害，同时也影响木材含水率的变化。当木材含水率低于30%时，文物纤维出现湿涨干缩并导致裂隙病害，过高时又促使细菌滋生而形成微生物损害。此外地下水带来的盐结晶也进一步加剧裂隙病害的发育。在多种病害的共同破坏下，木构文物最终形成残缺。该结果为文物后续的保护研究及保护工程的开展提供了重要的科学依据。
Abstract
Wooden cultural relics from the Archaeological Site of the Wooden Watergate of Nanyue Kingdom and the Eastern Han Dynasty foundation site thereon have suffered from a variety of diseases. To investigate the contributing factors of these diseases, different methods (polarized light microscopy, Fourier transform infrared spectrometry, ion chromatography and X-ray diffraction) were employed to test and analyze the relics, stagnant water and salts. Disease surveying and environmental monitoring were implemented as well. The microscopic characteristics of the relics indicated that the wood was from Glyptostrobus pensilis (Chinese swamp cypress) and that the cell walls had been corroded by bacteria. The FT-IR spectra show that the characteristic peak of hemicellulose had disappeared and those of cellulose and lignin had diminished or become degenerative. The salt crystals were raw plaster demonstrated by the FT-IR and XRD results, and Ca2+ and SO2-4 were the dominant ions in the stagnant water as confirmed by ion chromatography, which illustrated that the ions had migrated to the relic surface with seepage and turned to salts. There was a significant positive correlation (P＜0.01) between the groundwater and the level wood moisture content in the western region (top), western region (bottom) and south region (top). The wood moisture contents were mostly lower than 30% and kept changing. All the above results indicate that groundwater had not only infiltrated into the relics to cause wetting, but also affected the change of wood moisture content. When the wood moisture content was lower than 30%, the wooden fibers would swell and shrink leading to fissures, but being excessively high would promote the breeding of bacteria, leading to microbial damage. Salts brought by groundwater further exacerbated the development of fissures. Eventually, affected by all the above diseases, the relics rotted away in part. This study provides a theoretical support for the subsequent conservation and restoration of the relics.
Keywords
Watergate ； Wooden cultural relics ； State of preservation ； Disease ； Environmental monitoring
