植物覆盖技术保护潮湿地区土遗址探讨

孙满利

(西北大学文化遗产学院，陕西西安 710069)

0 引 言

我国古代建筑以土木建筑为主，经过长期的人为与自然破坏，大量的木质结构缺失，保留下大量的土遗址。我国土遗址数量众多，全国重点文物保护单位中大约有土遗址1 000余项，全国各省区皆有分布，干旱区土遗址主要病害的保护技术和方法已逐步成熟，但对潮湿地区的土遗址保护还缺乏有效解决办法。对潮湿地区土遗址表面防风化主要有三种思路：建设保护性设施，添加覆盖层及提高遗址表面抗风化能力。建设保护性设施主要适用于重点部位，通过建设保护大厅等措施，将野外保存环境改变为室内保存，主要表现为遗址博物馆。覆盖层有软覆盖和硬覆盖，硬覆盖也有称牺牲层的概念，在国外也称作遮盖层，应用较多[1]，在国内已开展了研究[2]，在一些工程中已有实施，但对遗址外貌影响较大；软覆盖多采用植物保护，也实施了一些保护工程。对于提高遗址表面抗风化能力，多采用化学固结加固遗址表面，众多学者探讨了潮湿环境土遗址表面防风化的加固材料，如高模数硅酸钾(PS)[3]、硅酸乙酯类[4-5]、以硅酸乙酯为主剂改性如聚有机硅氧烷+硅酸乙酯[6]、有机硅改性丙烯酸树脂[7]、有机氟硅改性丙烯酸酯[8]、聚硅酸乙酯混合物以及主要成分为水玻璃和硅氧烷共聚物[9]、钙基液态水硬性材料[10]、丙烯酸-有机硅-环氧树脂三元体系[11]，这些材料的研究，都证明有一定的加固效果，但是由于潮湿环境一般降雨量较大，土遗址表面受降雨冲刷剧烈，保护效果欠佳。近年来，借鉴水土保护工程的经验，提出了采用植物覆盖技术保护潮湿地区土遗址的概念[12]。在欧洲和美国，采用植物覆盖遗址顶部的方法已被证明有效[13-15]，国内也开始了一些采用植物保护土遗址的基础研究[16-22]，重点研究了植物对土遗址的影响，提出了植物覆盖保护技术的一般要求。在工程实践中，也逐步实施了采用植物覆盖技术保护土遗址的案例，如汉魏洛阳城、汉长安城等，但是由于植物对土遗址的作用存在两个方面，既有保护作用，也有破坏作用，因此，对植物覆盖技术的应用还没有形成共识，仍在讨论探索阶段，通过对我国潮湿地区土遗址植被状态和已经实施植物覆盖技术的工程效果的调查与分析，探讨该技术的可行性。

1 潮湿地区植物病害的类型与作用

中国气候按降水量分为干旱、半干旱、半湿润、湿润四个类型，其中半湿润和湿润地区指年降水量超过400 mm的地区，潮湿地区指的是我国湿润和半湿润地区，即沿大兴安岭—张家口—兰州—拉萨—喜马拉雅山脉东端一线以东地区。在这个区域，保存有大量土遗址，由于降水量大，土遗址上长有较多的天然植物，植被覆盖度普遍较大，主要有乔木、灌木、草本植物、苔藓等。

降雨冲刷是该地区地面土遗址的主要病害之一，天然植被的存在可以有效缓解降雨冲刷问题。当然，植物对土遗址也有副作用，如根劈作用及使遗址土体风化疏松的土壤化(富含有机质形成土壤)等作用。

土遗址表面的乔木种类较多，一般和当地天然物种一致。对于墓葬封土而言，主要防止封土的水土流失，由于植物根系的固结作用，植被可以有效防止水土流失，减少了降雨对土遗址的冲刷，同时乔木具有深根锚固作用，也能有效防止封土的滑坡与坍塌，一般有利于封土的保存。我国许多潮湿地区墓葬封土上都种植或生长有茂盛的乔木，如陕西秦始皇陵、汉武帝陵、湖北纪南墓地等。但是对于近直立的许多城墙遗址、长城墙体，乔木的存在却加速了遗址表层的土壤化过程，而且乔木根系往往沿裂隙生长，由于植物的根劈作用(图1和图2)，大部对遗址稳定不利，也对墙体的风貌造成不利影响。

图1 陕西西安汉长安城城墙

图2 河北燕下都遗址城墙

土遗址上的灌木分布较多，在降雨量大的地区，常和乔木共生，灌木的根系一般固土能力高于乔木，防止降雨冲蚀的能力更强；但同时，灌木一般比较杂乱，遗址景观效果欠佳，而且现有灌木一般根系深，对遗址的土壤化作用深度大。墓葬类土遗址由于土的密度相对较小，一般遗址表面土壤化深度较大，因此，灌木的主要影响是景观效果(图3)；而墙体类遗址由于密度相对较大，遗址比较直立，遗址顶面残留风化层较薄，根系较深的灌木持续对遗址顶面土壤化，同时，杂乱的灌木景观效果不好(图4和图5)；尤其是当植物沿裂隙生长时对遗址的破坏作用更为明显(图6和图7)。

图3 汉阳陵帝陵封土天然植被(灌木与草本植物)

图4 湖北纪南城城墙天然植被(杂乱的灌木)

图5 陕西韩城魏长城(杂乱的灌木)

图6 河南洛阳汉魏洛阳故城城墙(沿裂隙生长的灌木)

图7 内蒙古辽上京遗址城墙(沿裂隙生长的灌木)

草本植物有较好的保护效果(图8、图9和图10)。草本植物一般根系浅而密，须根数量多，而且主要分布在遗址表层50 cm，潮湿地区土遗址表面土壤化深度一般都大于50 cm，因此，对土遗址的破坏程度相对较低而防止降雨冲刷能力较强。草本植物一般比较密集，覆盖度大，是较好的水土保持植物，同时，草本植物相对比较低矮，对遗址的景观影响也较小。值得讨论的是，植被的覆盖度对遗址保护作用的影响较大，当覆盖度较小时，植物对遗址的不利影响超过有利作用，这一点在实施时应该科学研究。

图8 陕西榆林明长城墙体(遗址顶部草本植物)

图9 内蒙古应昌路遗址(遗址顶部草本植物)

图10 内蒙古辽上京遗址城墙(遗址顶部草本植物)

对一些近直立或较陡立的遗址，立面一般乔木、灌木、草本植物难以生长，但往往陡立墙面生长有较多的苔藓类植物(图11)。苔藓类植物在遗址表面形成一个保护层，有效防止降雨冲刷，但是也存在整片掉落的问题，这一点应在未来使用时通过科学定量评估，确定其有利和不利两个方面的作用。

图11 陕西明长城款贡城城墙(黑色斑块为苔藓植物)

2 植物覆盖技术的应用分析

植物对遗址的作用有两方面——既有保护作用，也有破坏作用。采用植物覆盖技术保护遗址，关键是如何科学、合理评估植物的两方面作用，尽量保持和强化有利作用，减少不利影响。对干旱地区土遗址而言，由于一般植被覆盖度不够，难以起到有效保护作用，植物的破坏作用大于保护作用，不宜采用植物覆盖技术保护土遗址；但是对于潮湿地区土遗址，一般土遗址表面本身就生长有较多的天然植被，保护和破坏两方面的作用效果就需要根据遗址的保存状况合理评估。植物的保护作用主要从防止降水冲蚀的角度分析判断，而破坏作用主要从是否加大遗址风化角度分析。

对于潮湿地区墓葬封土遗址，主要问题是防止降雨对封土的冲刷、封土的滑坡和坍塌以及封土的景观效果。对于大型封土遗址，可采用乔木予以保护。乔木根粗而深，具有深根锚固作用，能提高土体稳定性，防止土遗址滑塌。在降雨量大的地区，土遗址表面的冲刷问题也不能忽视，因此，也可采用乔木结合低矮草本植物予以保护。草本植物根系一般较浅、根系细而密，根系在土壤表层形成网络结构，在地表20 mm深度范围形成加筋整体[23]，提高土壤表层的抗剪强度[24]，草本植物对土壤抗剪强度的提高值是树木的2～3倍[25]，草的根系增强了土体的抗冲刷性能[26-27]，土体的抗崩解性能也明显提高[28-29]，草本植物可以有效防止降雨对封土的冲刷作用。植被的景观效果也是采用植物覆盖技术需要考虑的问题，可选用天然植被的优势物种并经合理规整，避免杂乱无序的状态。封土遗址的乔木选择，应考虑文化风俗的影响，不宜选择和墓葬不匹配植物，也可以选用具有经济价值植物，如秦始皇帝陵封土上部种植有石榴树。采用乔木保护封土已有工程案例，汉武帝陵封土采用人工种植乔木予以保护，但是由于乔木一般间距比较大，降雨引起的地面流水仍然会对封土表面产生较大的冲刷，未来可以考虑地面配以草本植物。对小型墓葬封土，由于封土规模小，高度比较低，一般不应采用乔木进行保护，可直接采用草本植物保护封土，张骞墓封土和陕西勉县武侯祠武侯墓封土、湖南老司城遗址墓葬封土都采用该方法予以保护(图12)，目前来看，达到了保护效果。采用草本植物保护小型墓葬封土，物种的选择要考虑植物的季节变化，有些物种由于冬季枯萎，景观效果降低(图13)。草本植物的选择还要考虑后期养护条件，如灌溉、施肥等措施都可以加大对遗址的破坏，应尽量选择耐干旱、耐贫瘠的植物。

图12 陕西汉中张骞墓封土(草本植物覆盖)

图13 湖南老司城墓葬遗址封土(草本植物覆盖)

对于城墙遗址而言，潮湿地区城墙遗址大部分由于长期降雨冲刷断面已成圆弧状，墙体顶面坡度小，整体稳定性好，不易坍塌，墙体表面长有茂盛的植物，表面土壤化层厚度较薄，由于乔木根比较深，加大下部土遗址的风化，不宜采用乔木保护，而草本植物根系向下生长深度一般为0.75～1.5 m，90%的根数分布在0～30 cm的土层内[30-31]，可优先选择草本植物予以保护，如湖北纪南城部分城墙(图14)。草本植物应尽量选择当地优势植物，并且植物有耐旱、耐碱、耐贫瘠，不宜选择根茎经济价值高的植物，防止人为挖掘导致遗址破坏，也可选择部分有经济价值植物或花卉类植物，兼顾经济、观赏和景观效果。实践中，由于潮湿地区易生杂草，杂草往往长势优于所选草种，因此需要定期维护割草，保持植物高度在30 cm以内，景观效果较好。如果遗址表面土壤化层相对较厚，也可采用灌木保护，常用护坡灌木的根系主要也分布在表层70 cm以内[32-34]，山东鲁国故城城墙表面种植了金银花(图15)，已成为当地品牌景观。

图14 纪南城城墙(草本植物覆盖)

图15 山东鲁国故城城墙(金银花覆盖)

对于直立或较陡立的墙体立面，不应采用乔木、灌木和草本植物，主要是这几类植物不易生长，没有种植空间，可考虑采用藤类植物，这方面还没有工程实践，但在一些遗址的边坡工程中有应用(图16)，也取得较好的防护效果。采用苔藓类植物保护直立墙体立面，目前还没有工程尝试，也没有开展这方面研究，其应用类型还有待进一步研究。

图16 湖南里耶遗址边坡植物护坡(藤类植物覆盖)

从以往的工程实践来看，采用植物覆盖技术保护潮湿地区土遗址还有许多技术问题需要探索。植物覆盖技术适应性缺乏试验研究，部分已实施工程由于植物物种选择、养护问题等造成种植植物成活率不高，影响保护效果。植物物种选择首先要考虑遗址的保存状态和植被状态；其次考虑遗址风化程度、遗址表面土壤化深度；第三要考虑环境条件如降雨量大小；第四需要考虑土壤营养元素和景观效果。有几条原则应该坚持：1)遗址应该天然生长有较多植物；2)应充分考虑植被对遗址的不利作用；3)在没有其他更为有效方法基础上可以采用。

3 结 论

潮湿地区土遗址表面一般土壤化比较严重，遗址表面普遍生长有茂盛的植被，植物对土遗址有两方面作用：既有有利作用，也有不利作用。充分发挥植物对遗址的保护作用，减少不利影响，论证了乔木、灌木、草本植物、苔藓等对遗址的影响，认为植物覆盖技术保护遗址十分必要且可行。针对封土、墙体等不同遗址提出了植物类型的选择原则，充分考虑遗址风化程度和保存状态，选用适合植物物种实施植物覆盖技术，可以有效保护潮湿地区土遗址；植物物种选择应首选当地适宜优势物种，应充分评估植物对土遗址的不利影响。未来应加强土遗址表面植物的种植技术与方法研究，对植物的保护效果进行定量化评估，为该技术的应用提供科学依据。