研究團(tuán)隊(duì)在通渭戰(zhàn)國(guó)秦長(zhǎng)城附近進(jìn)行生物結(jié)皮試驗(yàn)。受訪者供圖

千年夯土，風(fēng)雨侵蝕；萬(wàn)里長(zhǎng)城，亟待守護(hù)。在中國(guó)西北的廣袤大地上，分布著大量戰(zhàn)國(guó)秦長(zhǎng)城、明長(zhǎng)城等珍貴夯土遺址，它們是中華文明的重要標(biāo)志，也是世界文化遺產(chǎn)的杰出代表。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，表層風(fēng)化剝落、根部酥堿掏蝕、墻體裂隙發(fā)育甚至坍塌等問(wèn)題，持續(xù)威脅著夯土長(zhǎng)城的安全。

中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院（以下簡(jiǎn)稱西北研究院）干旱區(qū)生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合敦煌研究院中國(guó)-吉爾吉斯斯坦文化遺產(chǎn)保護(hù)“一帶一路”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，歷經(jīng)多年野外調(diào)查與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在土遺址生物保護(hù)領(lǐng)域取得重大突破。研究人員系統(tǒng)揭示了生物結(jié)皮對(duì)夯土長(zhǎng)城的保護(hù)機(jī)制，提出了基于自然的綠色保護(hù)方案，為夯土長(zhǎng)城和全球土遺址保護(hù)開(kāi)辟了新路徑。近日，相關(guān)論文發(fā)表于《創(chuàng)新》。

千年長(zhǎng)城有“四大威脅”傳統(tǒng)保護(hù)遇瓶頸

夯土長(zhǎng)城是中國(guó)古代建筑的杰出成就，以黃土為主要原料，經(jīng)分層夯筑而成，歷經(jīng)數(shù)百年乃至上千年歲月洗禮，成為見(jiàn)證歷史、傳承文明的活化石。在全球范圍內(nèi)，土遺址分布廣泛，但材質(zhì)特性決定了它們極易受自然營(yíng)力破壞。風(fēng)蝕、水蝕、凍融、鹽害，是懸在夯土長(zhǎng)城頭頂?shù)摹八拇笸{”。

研究團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)期野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，甘肅、寧夏、陜西等長(zhǎng)城沿線的夯土墻體，普遍存在表層風(fēng)化剝落現(xiàn)象，墻體表面不斷“掉土”，厚度逐年變��；墻體根部因雨水沖刷、鹽分聚集，出現(xiàn)嚴(yán)重的酥堿掏蝕，如同被啃噬一般；部分墻體因干濕循環(huán)、凍融循環(huán)，產(chǎn)生大量裂紋甚至發(fā)生局部坍塌。這不僅破壞了長(zhǎng)城的歷史風(fēng)貌，更威脅著結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，部分段落已瀕臨消失。

“傳統(tǒng)保護(hù)技術(shù)發(fā)揮了重要作用，但也暴露出明顯局限。”敦煌研究院研究員武發(fā)思表示，目前常用的化學(xué)加固材料，如有機(jī)硅、環(huán)氧樹(shù)脂等，雖然能在短期內(nèi)提高墻體強(qiáng)度、緩解風(fēng)化問(wèn)題，但存在與夯土本體兼容性差、成本高昂、有效期短、易產(chǎn)生二次破壞等問(wèn)題。部分化學(xué)材料固化后會(huì)改變墻體透氣性，導(dǎo)致內(nèi)部水分無(wú)法排出，反而加劇凍融與鹽害；還有的材料老化后會(huì)開(kāi)裂、脫落，與原生夯土形成鮮明反差，破壞文物原貌。

近年來(lái)，“基于自然的解決方案”成為全球文化遺產(chǎn)保護(hù)的主流趨勢(shì)。綠色、環(huán)保、生態(tài)、可持續(xù)的保護(hù)理念，逐漸取代傳統(tǒng)化學(xué)加固思路。正是在這樣的背景下，研究團(tuán)隊(duì)將目光投向了一種長(zhǎng)期被忽視的“天然材料”——生物結(jié)皮。

生物結(jié)皮是藍(lán)藻、地衣等微生物和苔蘚等低等植物與土壤顆粒膠結(jié)形成的地表復(fù)合體，被譽(yù)為“生態(tài)系統(tǒng)工程師”。團(tuán)隊(duì)在野外調(diào)查中意外發(fā)現(xiàn)，生物結(jié)皮是夯土長(zhǎng)城本體上廣泛存在的覆蓋物，部分區(qū)域蓋度高達(dá)60%以上。它們緊貼墻體表面，與夯土基質(zhì)天然融合，形成一層薄薄的“皮膚”，默默發(fā)揮著固土防風(fēng)、減蝕保墻的作用。

“在過(guò)去的保護(hù)修復(fù)中，生物結(jié)皮常被當(dāng)作有害生物清除，這是對(duì)其功能的嚴(yán)重誤讀�！蔽鞅毖芯吭焊毖芯繂T段育龍介紹，生物結(jié)皮是能夠自我維持、自我修復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)，與夯土材質(zhì)完全兼容，無(wú)化學(xué)污染，是理想的“綠色保護(hù)材料”。從“清除”到“守護(hù)”，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了一場(chǎng)認(rèn)知革命，決心破譯生物結(jié)皮保護(hù)長(zhǎng)城的科學(xué)密碼。

一把“雙刃劍”護(hù)長(zhǎng)城六大機(jī)制顯威力

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析，研究團(tuán)隊(duì)首次梳理出生物結(jié)皮保護(hù)夯土長(zhǎng)城的六大核心機(jī)制——降低近地表吹蝕風(fēng)速、緩沖夯土溫度波動(dòng)、削減雨滴擊濺動(dòng)能、降低徑流沖刷速度、阻止雨水滲入墻體、提高夯土力學(xué)穩(wěn)定性和抗蝕性。這些機(jī)制協(xié)同作用，為夯土長(zhǎng)城構(gòu)筑起一道全方位的生態(tài)防護(hù)屏障。

其中，最關(guān)鍵的是三大保護(hù)作用。第一，減少雨滴濺蝕，給墻體撐起“防護(hù)傘”。雨滴的沖擊是水蝕起始，生物結(jié)皮的藻絲與微結(jié)構(gòu)能緩沖動(dòng)能，從源頭阻止土體顆粒剝離。第二，限制雨水入滲，給墻體穿上“透氣雨衣”。水是夯土的“頭號(hào)敵人”，結(jié)皮的菌絲與膠結(jié)物質(zhì)可封堵表層孔隙，減少水分滲入，避免墻體軟化、凍融及酥堿病害。第三，提升力學(xué)穩(wěn)定性，給墻體加裝“韌性外骨骼”。絲狀藍(lán)藻、菌絲與苔蘚假根纏繞膠結(jié)土體，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顯著提高夯土的抗壓、抗剪及抗蝕能力，增強(qiáng)抵御風(fēng)蝕水蝕的效果。

然而，生物結(jié)皮并非“完美保護(hù)層”，而是一把保護(hù)與損害并存的“雙刃劍”，這也是該研究最重要的結(jié)論之一。

“生物結(jié)皮的實(shí)際效果取決于保護(hù)作用與損害風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)平衡，受氣候環(huán)境、墻體材質(zhì)、自身演替階段三大因素共同制約。”西北研究院研究員賈榮亮指出，在干旱半干旱區(qū)，生物結(jié)皮的凈保護(hù)作用占據(jù)主導(dǎo)——年降水量少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，限制水分入滲的保護(hù)效應(yīng)遠(yuǎn)大于水分滯留風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)蝕強(qiáng)烈區(qū)域，結(jié)皮能顯著提高起沙風(fēng)速，增強(qiáng)墻體抗風(fēng)蝕能力；墻體頂部、迎風(fēng)面等侵蝕最嚴(yán)重部位，結(jié)皮的防護(hù)價(jià)值尤為突出。

但在半濕潤(rùn)區(qū)，如甘肅渭源秦長(zhǎng)城段，風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)始顯現(xiàn)。苔蘚結(jié)皮吸水能力強(qiáng)、孔隙連通性好，會(huì)為雨水入滲提供優(yōu)先通道，冬季水分滯留可能加劇凍融破壞；同時(shí)，生物結(jié)皮可能吸引螞蟻、鼠類等小型動(dòng)物筑巢覓食，間接造成墻體機(jī)械損傷與化學(xué)損傷。此外，藻結(jié)皮與蘚結(jié)皮風(fēng)險(xiǎn)差異明顯，藻結(jié)皮生物量小、吸水量低，損害風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)低于蘚結(jié)皮，是夯土長(zhǎng)城保護(hù)的首選材料。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)比分析證實(shí)，氣候環(huán)境是影響保護(hù)效果的最顯著因素。在干旱半干旱區(qū)，以藍(lán)藻-地衣結(jié)皮為主，凈保護(hù)效應(yīng)突出；在半濕潤(rùn)區(qū)蘚結(jié)皮比例上升，入滲速率提升，利弊效應(yīng)需審慎評(píng)估。

“生物結(jié)皮保護(hù)絕不能‘一刀切’，必須因地制宜、精準(zhǔn)施策�！蔽浒l(fā)思強(qiáng)調(diào)，這一結(jié)論為后續(xù)靶向保護(hù)提供了核心依據(jù)。

人工接種破“時(shí)間壁壘”本土物種筑“保護(hù)框架”

自然狀態(tài)下，生物結(jié)皮的形成與演替需要數(shù)年至數(shù)十年，漫長(zhǎng)的周期無(wú)法滿足長(zhǎng)城搶救性保護(hù)的迫切需求。如何快速培育人工生物結(jié)皮，成為技術(shù)落地的核心難題。

團(tuán)隊(duì)目前正構(gòu)建人工結(jié)皮繁育接種技術(shù)體系，力爭(zhēng)將自然形成周期縮短至1至5年。但賈榮亮坦言，人工接種仍面臨三大核心瓶頸。一是接種體存活率低，實(shí)驗(yàn)室培育的結(jié)皮生物移植到野外墻體，易因溫度驟變、強(qiáng)紫外線、水分虧缺等脅迫而死亡。二是垂直墻體附著難，夯土長(zhǎng)城多為垂直墻面，接種體易脫落，難以穩(wěn)定定殖。三是長(zhǎng)期穩(wěn)定性待驗(yàn)證，人工結(jié)皮能否持續(xù)發(fā)揮保護(hù)作用，仍需長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)。

研究人員認(rèn)為，藍(lán)藻結(jié)皮是人工接種的“先鋒物種”。絲狀藍(lán)藻抗旱、抗寒、抗熱能力極強(qiáng)，能在低水分條件下生存，可快速纏繞膠結(jié)土體，率先在貧瘠墻體表面定殖，為后續(xù)群落發(fā)育奠定基礎(chǔ)。而苔蘚結(jié)皮對(duì)濕度要求高，更適合半濕潤(rùn)區(qū)、墻體陰面等濕潤(rùn)微環(huán)境；地衣結(jié)皮生長(zhǎng)極慢、培育難度大，目前暫不適合野外接種。

借助宏基因組學(xué)技術(shù)，團(tuán)隊(duì)已完成長(zhǎng)城沿線生物結(jié)皮物種精準(zhǔn)鑒定：在干旱半干旱區(qū)，優(yōu)勢(shì)物種為微鞘藻、細(xì)鞘絲藻、內(nèi)果衣菌等；在半濕潤(rùn)區(qū)，優(yōu)勢(shì)種則為土生對(duì)齒蘚。這些本土物種經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期自然篩選，適配當(dāng)?shù)貧夂蚺c土體環(huán)境，是人工接種的理想“種源”。

在野外工作中，團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)守“保護(hù)優(yōu)先” 原則，采用原位無(wú)損測(cè)定、微量取樣分析，所有調(diào)查均在當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)城管理機(jī)構(gòu)監(jiān)督下完成。武發(fā)思對(duì)技術(shù)應(yīng)用前景有著清晰判斷：“該技術(shù)暫不適合年降水量?jī)H40毫米的敦煌極端干旱區(qū)，但在‘一帶一路’沿線土遺址保護(hù)中，極具跨區(qū)域應(yīng)用潛力�！�

與化學(xué)固沙劑、草方格等傳統(tǒng)手段相比，生物結(jié)皮的生態(tài)兼容性優(yōu)勢(shì)明顯：它是自我維持、自我修復(fù)的“活體保護(hù)層”，無(wú)需反復(fù)投入；100%天然材質(zhì)，無(wú)化學(xué)污染、無(wú)材料沖突；兼具固碳、固氮、抑塵等生態(tài)效益，是真正的“綠色保護(hù)方案”。目前，團(tuán)隊(duì)已探索出“沙障+喬灌草+生物結(jié)皮”一體化修復(fù)模式，在三北風(fēng)沙區(qū)成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)文物保護(hù)與生態(tài)修復(fù)協(xié)同增效。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)

聲明：版權(quán)原作者所有，如有侵犯您的權(quán)益請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系，我們將第一時(shí)間刪除。