长沙铜官窑谭家坡遗迹馆微环境调查研究

侯文芳， 苏伯民， 顾海滨， 张兴国

(1. 敦煌研究院，甘肃敦煌 736200； 2. 国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心，甘肃敦煌 736200；3. 古代壁画保护国家文物重点科研基地，甘肃敦煌 736200； 4. 湖南省文物考古研究所，湖南长沙 410003)

0 引 言

遗址博物馆是建立在遗址之上或遗址区范围内的以保护遗址、研究遗址和展示遗址为其主要任务的博物馆[1]。早在1953年我国第一座建在考古遗址区范围内的展示建筑—“中国猿人陈列馆”(2002年更名为“周口店北京人遗址博物馆”)，就成功创造了考古遗址出土文物就地、就近展示的先例[2]。至今，在遗址上修建博物馆，已是国内较常采用的遗址保护展示方法。例如，目前国内规模最大的秦始皇兵马俑博物馆、我国第一座史前考古遗址西安半坡博物馆、全封闭式的汉阳陵博物馆。伴随考古遗址公园的建设，相继落成的四川金沙遗址博物馆、安阳殷墟遗址博物馆，还有近年发掘的湖南里耶古城遗址和浙江余姚田螺山遗址等等。这些博物馆的修建对外部环境如降水、风蚀及空气污染等直接造成遗址的破坏因素起到了很好的防治作用。但保护性建筑的修建，在改变遗址微环境的同时，随之也引发了一些新的保护问题。比如，容波[3]在对秦始皇兵马俑一号坑展厅内的环境分析中提到，展厅内高湿引起昆虫、微生物、霉菌的迅速繁殖，加速对文物的破坏。为此建议，对一号坑玻璃顶进行改造，增加过滤紫外线、隔热的防护设施等；王觅[4]以汉阳陵地下博物馆封闭保护区域屋顶内表面出现结露、土体表面干燥等问题作了理论分析，并对封闭保护区域结露问题提出了解决措施；赵明霞[5]对半坡遗址、秦兵马俑修建保护大厅后，土遗址仍受严重污染破坏的问题及病害和损害原因进行了分析等等。许多资料表明[6-11]，遗址博物馆修建后，通常会对考古遗址及其环境造成不同程度的干预，随之引发室内外空气交换、地下水活动、遗址表层环境受室内环境影响等诸多环境问题。如果处理不当，甚至会使考古遗址的价值受到损害。因此对现有遗址博物馆环境进行调查研究、分析环境变化规律，能够为保护遗址和评估遗址博物馆建筑保护功能提供科学依据。有必要对遗址博物馆修建后的环境变化规律进行深入研究，从而为遗址出现的各类保护问题提供环境数据支持，并通过研究工作的积累，也可为今后修建遗址博物馆提供遗址博物馆建筑环境评估手段。

本研究以“出土现场文物保护移动实验室”为研究平台，对长沙铜官窑遗址中的谭家坡1号龙窑遗迹馆的微环境变化和病害现状开展了调查，通过调查结果能够为进一步研究遗址博物馆劣化机理提供数据支持。

1 遗迹馆基本现状

长沙铜官窑遗址位于湖南省长沙市望城区，始于初唐，盛于中晚唐，衰于五代，前后经历了200多年，距今已有1000多年的历史。它与浙江越窑、河北邢窑齐名的中国唐代三大出口瓷窑之一，它是慕尼黑釉下彩瓷的发源地，被称为“汉文化向外扩张的里程碑”，在世界陶瓷发展史上具有划时代意义。1972年公布为省级重点文物保护单位，1988年国务院公布为第三批全国重点文物保护单位。

铜官窑遗址发现于上世纪五十年代，先后经历了四次考古挖掘，发现瓷窑遗存19处，出土大量文物。文物中大都为唐代的作品，其独特的釉下彩瓷工艺，绚丽多姿的色彩令世人震惊。它是研究中国古代陶瓷艺术、湖湘文化和对外交流等不可多得的实物资料，具有极高的历史文化价值、科学价值和艺术价值。2012年曾获“2009—2010年度国家文物局田野考古奖”二等奖。2014年1月国家文物局正式授予“长沙铜官窑国家考古遗址公园”牌匾，长沙铜官窑成为湖南省唯一国家考古遗址公园。

铜官窑核心保护区是谭家坡大窑包的南坡。随着考古遗址公园的开园，首次公开展示了世界上保存最完整的龙窑—谭家坡1号龙窑，它是迄今为止世界保存最完整的唐代龙窑遗址。谭家坡1号龙窑于1983年在考古发掘中被发现，窑址正南北向，通长41m，宽度2.8～3.5m不等，坡度陡处23°，平缓处9°。由窑头、窑床、窑尾三大部分构成。至今已考古发掘有关遗迹取泥洞、淘洗池、储泥池、陶车坑、工棚、烘烤炉、釉缸、装窑台面等28处，出土可修复文物上万件。为保护这一核心遗址，于2012年5月建成了外围保护建筑，建筑为美观新颖的玻璃幕墙建筑。依托考古挖掘现场，结合地形，依山而建。保护展示设施总建筑面积为2417.05m2，总高度为8.55m，以38.77～44.1m大跨度钢结构为主体。整体建筑绿色掩映，造型独特，称之为“谭家坡遗迹馆”(图1)。

图1 谭家坡遗迹馆外景、内景

该遗迹馆所处地理位置海拔高度在50m以下，属亚热带季风气候，夏季气温偏高，冬寒时间短。年平均温度16.9℃，极端最高气温为40.6℃，极端最低气温为-12℃。年降水量1500～1700mm，3～6月为全年降水集中期，占全年70%～80%，7～8月常有伏旱，一年中≥35℃有20天以上，也是长江流域夏季热中心之一。根据大环境潮湿系数、局部环境的相对湿度、含水率、所处地域气候特点等判据参数[7]，谭家坡遗迹所在区域属潮湿环境。

谭家坡遗迹馆内的展陈模式将遗迹保护区和参观游客隔离开，避免了游客与遗迹的直接接触。外围建筑的修建，很大程度上减缓了环境因素直接导致的遗迹破坏，但也随之引发了新的保护问题。外围建筑的修建使馆内微环境长期处于高温、高湿状态，微生物依赖这种环境得以肆意滋生和扩散，造成遗址土体表面大面积的污染。高温、高湿环境也促进了残留在土体内的根系的生长扩散[12]。伏旱季节，遗址表面和内部失水收缩造成土体表面出现龟裂缝(图2)。谭家坡遗迹馆内出现以上病害现象引起了相关文物保护部门的高度重视。

目前，学者们对谭家坡遗迹馆的微环境变化、病害成因、封闭环境下土遗址保护展览建筑的利弊等方面研究甚少。项目组对谭家坡1号龙窑遗迹馆内微环境的空气温度、相对湿度及遗址本体土壤温度、含水率进行了设点跟踪监测。温湿度是评估文物保护环境的重要指标[13-14]，在越来越多的博物馆对温湿度进行监测记录的情况下，需要基于“稳定、适宜”的准则，探索一种科学的评估方法，为文物保护环境温湿度的调控治理提供依据。本研究主要对谭家坡遗迹馆内微环境变化规律特征进行探究， 以期为遗迹馆内文物保护环境的合理保护提供科学依据。

a.真菌；b.白色污染物，拍摄于2012年7月；c.藻类，拍摄于2015年10月；d.裂隙，拍摄于2013年9月

2 监测点部署及监测要素

2012年7月，项目组首次对馆内微环境进行全面调查，结合遗迹现状，部署点位，确定监测要素。在遗址窑坡的窑头、窑床、窑尾，即上坡、中坡、下坡部署三组监测点(图3)。除此之外，遗迹馆大门外也部署一个监测点，主要用来对比馆内、馆外温度和相对湿度的变化。自2012年7月开始实施监测，至2015年10月结束，持续3年采集了大量数据，并对数据进行整理、筛选、制图、分析研究。

图3 谭家坡遗迹窑坡监测点部署

主要监测要素为馆内、外空气温度、相对湿度及遗址土壤温度与含水率。

3 数据处理及分析

综合所采集的环境数据，2013年具有典型的当地气候特征，一年气候变化幅度较大，即出现了高温、高湿时节，也出现了较长的伏旱时节，因此选定2013年整年度数据为参考进行分析讨论。

3.1 空气温度

空气温度数据传输时间间隔为30min，周期1年。分别选取窑上坡、中坡、下坡的监测点反映遗迹馆内的空气温度变化。传感器放置遗址土体表面。

馆内全年空气温度变化稳定、规律性强，受外界大环境的影响四季变化分明(图4)。全年最高气温为43.7℃，出现在8月，窑上坡监测点。最低气温为-0.7℃，出现在1月，窑上坡监测点。平均气温为18.5℃。馆外全年最高气温45℃，最低气温-3.8℃，平均气温18.6℃。遗迹馆内、外年平均气温差为0.1℃(表1)。

表1 2013年遗迹馆内与馆外气温月均值

图4 2013年谭家坡遗迹馆内与馆外空气温度年际曲线图

馆内温度以坡度的高低不同而存在差异，温度由高到低依次为窑上坡、中坡、下坡，平均值分别为19.6℃、 18.5℃、 17.3℃。列举3天数据(图5)， 窑上坡空间开阔，易受外来因素的干扰，对外界气温变化反应极快，几乎同步变化。空气快速交换，使气温变化波动加大，24h内温度在7～8℃之间波动。窑中坡温度变化略小，且有明显滞后现象，24h内基本在5～6℃之间波动。窑下坡温度变化最小，下坡为一探坑，地势低，上方有回廊遮挡，受外来因素干扰小，低洼处狭窄空间使得空气交换速率降低，气温差缩小，24h内在2～3℃之间波动。此外，以窑遗址最高点与最低点的气温对比，最大温差为5℃左右。馆内平均气温偏高于馆外的平均气温。

图5 24h馆内三个监测点及馆外空气温度变化对比

综上所述，遗址馆内空气温度季节性强，在7、8月达到最高，1月达最低温度，气温年较差为44℃。温度随坡度呈正比。馆内平均气温高于馆外气温。季节性温差也是导致遗址缓慢风化的原因之一[15]。

3.2 空气相对湿度

相对湿度数据间隔为30min，周期为1年。分别选取坡上、坡中、坡下的温度监测点反映遗址相对湿度的变化规律。传感器放置遗址土体表面。

综合数据来看，馆内相对湿度变化幅度较大，而且全年处于湿度极高的状态下，7～8月出现伏旱，引起相对湿度下滑，整体下降了30%。8月中旬相对湿度快速回升，馆内恢复高湿状态(图6)。馆内年平均相对湿度为85%，最高100%，最低30%。馆外年平均湿度81%，最高100%，最低23%。馆内整体相对湿度高于馆外。

窑上坡和中坡易受外界气候影响，尤其有降水时，窑上坡、中坡的相对湿度快速回应上升。伏旱时节，相对湿度会急骤下降。而窑下坡的相对湿度相对变化平缓，对外界的影响反应也极小，始终处于高湿状态。相对湿度与窑坡度呈反比，窑上、中、下坡平均值分别为80%、86%、98%，最低值分别为30%、49%、63%，最高值为100%。

窑上坡相对湿度的急骤下降，使得遗址土体失水，引起遗址土体表面出现细小龟裂，甚至较大的裂缝(图2(d))。如果裂缝发育变大，可贯彻整个土遗址对其结构造成影响。窑下坡处于低洼地势，对外来因素干扰较小，空气交换速率低，温度变化小且高，相对湿度大部分时间处于饱和状态，全年平均湿度98%以上。有降水时，馆外相对湿度还未达100%时，窑下坡监测点湿度依旧在100%。由此推断，窑下坡相对湿度之所以高，并不受外界降水的影响，而是来源于丰富的地表水或地下水。窑坡底是整个遗迹馆内最潮湿、温度最高的地方，即使伏旱时节，依然保持着高湿状态。同时也是最容易滋生藻、菌类病害的地方(图2(a)、(b))。馆内的相对湿度同温度一样，偏高于馆外相对湿度。

综上所述，遗迹馆内全年保持高湿度状态，降水和地表水是馆内相对湿度上升的主要原因。谭家坡遗迹之所以处于潮湿环境， 是因为它不但有一个潮湿多雨的气象环境，而且土壤也容易遭受地表水、地下水的侵蚀。潮湿环境对遗址产生破坏作用的主导因素就是水，它可以直接或间接引发土遗址病变，加速物理、生物的破坏作用[16]。

图6 2013年谭家坡遗迹馆内与馆外空气湿度年际曲线图

表2 2013年遗迹馆内与馆外相对湿度月均值

3.3 土壤温度、含水率及其相关性

土壤温度、含水率数据时间间隔为20min，土壤温度深入土体内15cm，土壤含水率深入土体内6cm。

通过数据分析，遗址本体土壤温度也呈正函数(图7)，有明显的季节变化，且规律性强。土壤温度年最低值为3.1℃，出现在1月，位置窑下坡。8月达到最高值，为33.9℃，位置窑上坡，年平均值为22℃。

窑上坡、中坡、下坡三个监测点位土壤温度之间的月变化在9℃左右，日变化则小于2℃。由于土的比热容大于空气比热容，因此，土壤温度变化幅度比空气温度变化幅度小，且土壤温度响应外界环境变化时出现滞后效应，滞后期为15～20d。

含水率上半年较高，7月之后，逐渐下降继而平缓稳定。窑上坡、中坡、下坡平均值分别为6.23%、7.67%、8.89%。遗址本体的含水率并不等同于土遗址所处环境的潮湿程度，而是与土遗址直接接触的周边物体的含水率紧密相关。所以要想更多掌握谭家坡遗址土壤的含水率和遗址潮湿程度，就得进一步对遗址周边环境做更详细的全面监测。

图7 三个监测点位土壤温度与含水率的年际变化曲线图

通过以上对土壤温度和含水率年际变化特征分析，二者有明显负相关关系。为了便于分析土壤温度和含水率的关系，采用线性回归分析，将土壤温度与含水率月均值进行线性拟合(图8)，同时，也得出二者的相关系数值R。其中上坡、中坡、下坡监测点位土壤温度与含水率相关系数分别为：R=-0.44、R=-0.35、R=-0.46。随着土壤温度的增加，土壤含水率呈下降的趋势，两个变量为一增一减，R值为低度相关。故此表明土壤温度与含水率呈负相关系数。土壤含水率越高，土壤温度上升速度越慢，进而对下层温度产生影响，同时较低的土壤温度可以在一定程度上减小土壤水分蒸发，增加土壤含水率[17]。

图8 土壤温度与含水率的拟合图

3.4 空气温度与土壤温度拟合关系

由于太阳辐射周期性日变化和年变化的影响，土壤温度也有相应的变化。土壤温度随着气温的变化而呈现出季节性起伏和昼夜变化。

气温监测点置于土体表面，土壤温度监测点深入土体内15cm，又同处一个位置。当气温随季节变暖，土温也随之升高，在7、8月达到全年温度的最大值。9月之后，季节转凉，气温下降，土温也随之下降，至来年1月，降至全年最低点。进入3月，气温回升，直至进入下一个循环。此外，同一位置，同一时段，气温与土温温差为2～3℃。

通过对气温与土温年际变化(图4、7)特征分析，土体表面气温与土壤温度表现出较强的相关性。采用线性回归分析，将气温与土温平均值进行线性拟合(图9)，并得出窑上坡、中坡、下坡的相关系数R分别是0.995、0.991、0.945。月回归得到的方程呈直线型，回归系数相近，表明土壤温度与空气温度呈正相关关系。

图9 窑上坡、中坡、下坡气温与土温线性拟合图

3.5 空气相对湿度与土壤含水率拟合关系

外围玻璃幕墙建筑阻挡了外界大环境带来的各种因素的直接破坏，如雨水的冲刷、风的吹蚀、太阳的直接辐射等。同时，也减缓了遗迹馆内微环境的变化。

空气相对湿度年际变化幅度大，规律性强。土壤含水率年际变化较平缓，7、8月伏旱时，土壤含水率也出现小幅下降的情况。

通过对空气相对湿度与土壤含水率年际变化特征的分析，寻找到二者之间的相关性。采用线性回归分析，将相对湿度与土壤含水率月均值进行线性拟合(图10)，同时得出二者相关系数R值。窑上坡、 中坡、 下坡相关系数R值分别是0.755、0.634、0.604。窑上坡与中坡，空气相对湿度上下浮动的同时，土壤含水率也会出现小幅上下浮动，R值也表明它们的拟合程度较高，土壤含水率与空气湿度有良好的相关性。而下坡土壤含水率变化稳定、平缓，与空气相对湿度拟合程度偏低，这表明空气湿度与土壤含水率的相关关系较弱。

图10 空气湿度与土壤含水率的拟合图

通过对空气相对湿度与土壤含水率线性拟合并得出的相关系数R值表明，符合3.2节中对空气相对湿度变化特征的分析。窑上坡、中坡土壤含水率变化受空气相对湿度的影响较大。而窑下坡空气相对湿度的变化几乎不受外来因素的干扰，升高原因应该就是地表水或地下水。

4 结 论

本研究通过对谭家坡遗迹馆内空气温度、相对湿度以及土壤温度、土壤含水率监测数据一个完整周期年的对比分析，对封闭式馆内的微环境变化有了一个初步的了解，并从监测结果中得知遗迹馆内空气温湿度与土壤温度、含水率的变化规律。

1) 遗迹馆内环境依然易受外界大环境的影响。伏旱时，导致空气湿度、遗址本土体内水分快速蒸发，使本土表面因干燥而出现龟裂或裂隙。降水时，湿气会快速进入馆内，不但造成馆内湿度升高，同时也使遗址土壤表面的湿气加重。降水、地下水或地表水的影响馆内环境保持高湿状态。遗迹馆内的含水率和土体持水能力，表现在遗迹表面已出现与水有关的病害，如真菌类、藻类、生物生长等。

2) 谭家坡遗址之所以处于潮湿环境，是因它不但处于一个潮湿多雨的气象环境，而且土壤也容易遭受地下水的侵蚀。潮湿环境对遗址会直接或间接引发病变，加速物理、化学的破坏作用，大量地下残留根系为病害菌提供了丰富的营养源，高温高湿使病害菌大肆扩散，土体大面积受到污染。因此遗址保护所需的环境问题仍需做进一步的监测研究。

3) 外围建筑虽然在阻挡遗址受外界因素直接破坏具有优势，但仍需进一步探讨研究，比如：遗址保护区微生物的滋生与土体开裂、馆内空间温/湿度控制等。另外，遗迹馆内空调设备只服务于参观浏览区，如何使用空调设备或改善围护结构对遗址保护区的热、湿环境进行调控，也是今后的研究重点。

4) 为了有效地保护遗址，要科学而恰当地控制遗址保存环境，使遗址得到一个健康而稳定的环境条件。建议在遗址馆内设立环境监测设备，馆外可设立小型气象站，对周边大区域环境进行长期监测。定期测量大气污染及TMP指标。在长期监测的基础上，建立起遗址区环境数据库，形成一整套室内预测和预警监控体系。

致谢： 感谢长沙考古研究所与铜官窑管理中心人员在数据收集过程中给予大力支持与帮助。

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