基于木蜂筑巢习性的古建筑木构件木蜂危害等级划分*

2022-06-15马星霞乔云飞段恩泽易方王艳华金琪军

林业科学 2022年3期

马星霞王麟乔云飞段恩泽路易方旋张斌王艳华金琪军

(1.中国林业科学研究院木材工业研究所北京 100091； 2.宁波市文化遗产管理研究院宁波 315000； 3.中国文化遗产研究院北京 100029； 4.山西省古建筑与彩塑壁画保护研究院太原 030012； 5.中国文物保护基金会北京 100007； 6.宁波市鄞州区文物保护管理中心宁波 315000)

木蜂隶属于膜翅目(Hymenoptera)蜜蜂总科(Apoidea)蜜蜂科(Apidae)木蜂亚科(Xylocopinae)木蜂族(Xylocopini)的唯一属，即木蜂属(Xylocopa)(贺春玲等， 2014)，因大多数种类在木结构中筑巢而得名，是蜜蜂总科中的大型种类。同其他蜜蜂一样，木蜂筑巢也是为了保护、储存食物和孵育下一代(Michener， 2007)，但木蜂选择在木结构中筑巢，且尤其偏爱古建筑木结构，客观上给建筑安全和文物保护工作带来了隐患和难题(马星霞等， 2021a)。在我国，木蜂被发现有14个亚属近40种(吴燕如， 1982)，不过有的喜欢在土中筑巢，有的喜欢在中空的茎秆[如芦苇(Phragmitescommunis)]上筑巢，有的喜欢在竹杆中筑巢，有的则喜欢在木材中筑巢。选择木材筑巢且对木结构产生危害的木蜂主要有赤足木蜂(X.rufipes)、黄胸木蜂(X.appendiculata)、朱胸木蜂(X.ruficeps)、灰胸木蜂(X.phalothorax)和中华木蜂(X.sinensis)等，其中又以赤足木蜂和黄胸木蜂分布较广和常见。马星霞等(2021b)根据木蜂分布、种类、筑巢习性以及危害程度划分全国木结构古建筑木蜂危害风险区域，除了黑龙江、内蒙古、青海、新疆、宁夏和陇东以外的甘肃外，其他区域均存在木蜂危害风险。

木蜂对建筑木构件的危害和防治很早就有研究报道(陈庆源， 1966；李参， 1984；周嘉熹等， 1986；吴建国等， 2002)，但在古建筑维修和保护工程上一直未引起足够重视，或许一是因为早些年木蜂对古建筑的影响不太突出，二是因为对木蜂的危害缺乏认识和了解，且由于木蜂自身生活习性具有季节特点，如果古建筑病害勘察时恰逢不是其活动期，则很难发现其踪迹。古建筑木构件材质勘察中，陈允适(2007)根据目测的虫孔数量将虫蛀危害分为轻微虫蛀、轻度蛀蚀、中度蛀蚀和严重蛀蚀4个等级：观察范围内可见虫眼不超过3个，木材表层仅有不相连贯的简短蛀道的记为“+”(轻微虫蛀)；观察范围内可见虫眼不超过5个，木材内蛀道相连，但蛀蚀深度不足2 cm的记为“++”(轻度蛀蚀)；表面虫眼5～10个，木材蛀道交叉相连，蛀蚀深度超过5 cm的记为“+++”(中度蛀蚀)；表面虫眼密布，木材内蛀道交错相连，整个木构件成蜂窝状，强度完全丧失的记为“++++”(严重蛀蚀)。该分级适用于对蠹虫、天牛类幼虫等钻蚀性木材害虫的危害调查。

在南方，往往木蜂危害严重的区域，其他害虫如蠹虫和白蚁危害也非常严重。白蚁危害评定和防治有严格的技术标准可参照，如GB/T 51253—2017 《建设工程白蚁危害评定标准》、DB34/T 3326—2019 《古建筑白蚁防治技术规程》等，所以古建筑病虫害防治工程常按照白蚁防治工程上报和设计。但实际上，木蜂对古建筑木构件的危害机制不像白蚁和蠹虫是降解木材成分，而是在木构件上挖洞筑巢客观上造成对木构件的破坏，其危害特性、危害程度与蠹虫和白蚁不同，需要根据其危害特性专门制定分级标准。

病害等级评定是古建筑维修设计和经费测算的重要依据，对内部腐朽和虫蛀木材的危害等级评定往往借助于阻力仪、皮罗钉(pilodyn)和应力波等无损检测技术(段新芳等， 2007；黄荣凤等， 2007； 2010；尚大军等， 2007)，在古建筑木结构维修工程的专项勘察过程中，如何无需剖开构件而根据外观可见的孔洞判断木构件木蜂危害等级，是古建筑保护工程维修设计的重要和基础性工作。

木蜂对木构件的危害主要源于筑巢，故了解其筑巢习性有助于评定木蜂危害程度(马星霞等， 2021b)。意大利、澳大利亚、巴西、泰国、北美和阿根廷等对本国分布各类木蜂的筑巢习性均有报道(Vicidomini，1996； Bernardinoetal.， 2008；2013； Prageretal.， 2011； Hongjamrassilpetal.， 2014； Steenetal.， 2000； Luciaetal.， 2014)，研究发现，木蜂是一种社会性昆虫，其生活存在分工和协作，可以有2～3只雌蜂在同一个巢内，但仅有1只雌蜂产卵和工作，另外的可能承担着守卫工作。木蜂在木材中的巢穴一般有分枝和不分枝2种情况，Gerling等(1978)采用X-射线法研究X.virginia的生活史，观察到每个巢穴有1～4条分枝，每条分支隧道有1～8个巢室，隧道长3.9～47 cm，且每条隧道第二年会继续增加0.8～9 cm。贺春玲等(2017)采集江西、四川和河南地区的赤足木蜂并进行巢室解剖，分析其形态特征和筑巢行为发现，赤足木蜂均会在巢口向内挖掘一段主隧道，然后建巢室，有分枝型和不分枝型2种，分枝型数目2～10，分枝隧道长22.97～144.48 mm，每条分枝隧道有1～8个巢室，每个巢室长10.66～21.98 mm，巢室直径9.79～14.4 mm，这预示着在木材表面虽然仅仅看到一个木蜂孔洞，但深入木材却存在一个复杂的结构和精巧的巢穴供木蜂产卵和孵育后代，巢穴所建之处即木蜂啃咬木材之处，巢穴有多大损失木材体积就有多大，而不只是眼睛看到的一个孔洞而已。古建筑木构件承载着重要的历史文化信息，无法也不可能一一解剖构件观察了解木蜂对木构件的影响；但如果不清楚内部危害程度，对危害不做处理和预警，万一发生不可逆转的坍塌事故则会给文物带来损失，同时也存在安全隐患。

木蜂通常喜欢材质松软的木材(陈庆源，1966)，故本研究拟选择松软的木材诱集木蜂筑巢，收集受木蜂危害的轻木构件，采用内窥镜、CT扫描等方法探讨无损检测的可能性，通过巢穴解剖，基于木蜂巢穴构造和危害程度，将表面勘察的木蜂孔洞情况与内部损失建立联系，划分其危害等级，以期为古建筑保护工程勘察提供参考依据和评定标准。

1 材料与方法

1.1 试验材料

诱集木蜂的木材树种：轻木(Ochromapyromidale)。

1.2 试验方法

1.2.1 木构件调查实地勘察木结构古建筑木构件上的木蜂孔洞，拍照并记录孔洞位置、孔洞数量、木构件类型等。

1.2.2 木蜂诱集将轻木锯解为10 cm×10 cm×150 cm的试件若干，初春堆放于中国林业科学研究院木材工业研究所实验中心厂房，10月后观察并收集带有木蜂孔洞的轻木。

1.2.3 标本收集和鉴定捕捉孔洞中的木蜂，-20 ℃冰箱冷冻2～4 h至完全死亡后制作针插标本，放大镜观察标本特征，精确度0.01 mm的游标卡尺测量其形态特征指标，并根据木蜂分类检索表鉴定种类。

1.2.4 内窥镜检查将内窥镜(Teslong工业内窥镜，双镜头，镜头直径5.5 mm，像素100万)深入木蜂孔洞，观察内部情况并拍照。

1.2.5 CT扫描锯解其中一个巢穴，按照CT仪器对试件的尺寸要求(长度方向不超过30 cm)，制作试件尺寸为30 cm×8 cm×6 cm。将试件固定于工业CT机(工业CT/X-Ray，GEv/tomex/X S 240，测试环境温度20 ℃、相对湿度50%)上，设置并调整参数，调节测试对比度，经3D扫描后分析试件，测试虫蛀孔径。

1.2.6 巢室内部解剖观察及容积计算参照贺春玲等(2017)方法，首先用游标卡尺测量巢口直径，然后沿巢口小心解剖巢室，观察巢穴构造，记录分枝数，测量各隧道长度、直径，记录巢室数目。将每个主侧分枝分成大小不等的多个圆柱体，计算圆柱体积后相加，得到每个巢穴隧道容积。测量每个巢穴在长度、宽度和深度3个方向上的跨度，按照立方体计算巢穴体积。

1.2.7 危害等级评定基于木蜂隧道容积和巢穴体积估算木材内部损失，划分木构件危害等级。

2 结果与分析

2.1 木蜂对古建筑木构件的危害

古建筑木蜂危害一般发生在建筑外廊，内部构件很少发生。依据观察到的各木构件木蜂危害发生数量，木蜂危害的木构件种类依次为檐椽(图1a、b)、斗栱(图1c、d)、望板(图1e)和柱(图1f)，严重的也危害门框(图1g)、窗框(图1h)和门板等；表面往往仅留下不多的圆孔洞(图1箭头所指位置)。

勘察过程中发现，有些木构件因维修时刮开表面露出内部巢穴，巢穴有多条隧道，延展面积很大(图2a，木蜂危害的木枋)；有些木构件木蜂旧孔洞扩展成片，表面逐渐朽烂露出内部，透过表面孔洞能观察到木构件内部已大片损害(图2b，木蜂危害的望板)；圆椽上的木蜂孔洞严重时常常表面烂掉，露出部分隧道(图2c)；有些木蜂危害的斗栱已基本烂掉(图2d、e)。可窥见木蜂对木构件的危害特性与蠹虫和白蚁不同，有必要专门针对古建筑木构件上的木蜂危害进行等级评定。

图1 古建筑木构件上木蜂孔洞(箭头位置指孔洞)Fig. 1 Carpenter bee holes on wooden components of ancient buildings(the arrow position refers to the entrance hole)

图2 古建筑木构件内部被木蜂危害状(箭头所指位置为木蜂危害处)Fig. 2 The interior of wooden components of ancient buildings were damaged by carpenter bees(the arrow position refers to the damage hole)

2.2 木蜂种类及形态特征

从轻木木蜂巢穴中捕捉到20余只木蜂，依据外观形态分为2种，通过检索表查询并与中科院动物所馆藏标本对照，鉴定为黄胸木蜂[Xylocopa(Koptortosoma)appendiculata]。黄胸木蜂雌雄异型，体长平均24～25 mm，胸部被黄色毛，腹部第1节背板黄毛，雄性第2～6节背板密被黄毛，复眼内缘顶端稍内倾，唇基黄色(图3a)；雌性后足被黑色毛，胸侧毛黄色，翅深褐色闪紫光(图3b、c)。以往报道北京地区木蜂种类有中华木蜂和黄胸木蜂(吴燕如， 1982)，本研究获得的标本鉴定结果与文献报道一致。

综合图4(a)、(b)可知，当能见度和传输距离均为1 km时，研究1.064 μm在平流雾中的传输应该特别考虑接收屏大小对透过率的影响，10.6 μm在辐射雾中有很好的传输性.

图3 黄胸木蜂Fig. 3 Xylocopa(Koptortosoma) appendiculata a.雄性面部Male face； b.雌性面部Female face； c.雌性背部Female back.

2.3 内窥镜检查

内窥镜深入各巢口探究巢穴内部大致走向，结果只能伸入主隧道。主隧道很短，可直接观察到底部(图4a)，通过侧面镜头能大致观察到次隧道洞口与主隧道几乎垂直(图4a箭头指向2条次级隧道延伸方向，与主隧道垂直)，其中一侧能看到并列平行有2条次隧道，且2条分枝距离很近(图4b)。检查时内窥镜探头能伸入的分枝隧道经常发现有活木蜂占据(图4c)。

图4 内窥镜观察木蜂巢穴Fig. 4 Carpenter bee nest by endoscope a.巢口入口，箭头方向为隧道分枝延伸方向The entrance of carpenter bee nest, the arrow direction is the extension direction of the branches； b. 2条平行的隧道分枝Two parallel tunnels； c. 其中1条分枝内的木蜂One carpenter bee in the tunnel.

2.4 CT扫描

CT扫描随扫描点显示不同面的内部巢穴情况(图5)，可以清晰了解每个点纵横侧(图5中a、b、c面)3个方向的隧道以及巢穴构造。图5C中b面显示巢口向内主隧道很短，有2条分枝平行向两侧扩展，2个平行方向的次级隧道距离很近(图5B中c面)，由于CT仪器对尺寸的要求，整个试件的巢穴并不完整，两边锯切面均露出隧道口(图5A)。一个分枝长度应大于21.5 cm，另一个分枝长度应大于8.5 cm，扫描图显示隧道贯穿整个试件(图5B、C)，隧道直径平均1.4～1.5 cm。

2.5 巢室内部解剖观察及容积计算

共解剖观察测量25个巢口，巢口一般呈圆形，偶尔稍椭圆，直径最小9.9 mm，最大13.1 mm，平均巢口直径10～13 mm。共解剖11个巢穴，均为分枝型(图6)，主隧道较短甚至不明显，或在次隧道又显示一条短的次主隧道(图6f中绿色箭头位置)。隧道分枝数一般3～5条，将11个巢穴分为A、B、C和D四型(图7)，其中A型构造5个，入巢口后隧道分别向左右两边2条分枝共4条分枝(图6a、b)； B型构造4个，入巢口后一侧平行2条分枝，另一侧只1条分枝共3条分枝(图6c、d)；另外2个巢穴比较复杂，5条分枝的记为C型(图6e)；主隧道后出现次主隧道，延伸多条分枝，分枝数多于5条以上的归为D型(图6f)。每条分枝隧道的巢室数最少仅1个，最多17个，平均6～7个，大多为6～8个。每和巢穴内共有巢室数一般18～34个，平均27～28个。

表1显示，巢室内径一般1.40～1.82 cm，平均1.55 cm，比巢口直径大。经测量，每条分枝长度7～30 cm，平均14.4 cm。巢穴隧道容积最小约95.37 cm3，最大约198.53 cm3，平均约133.67 cm3，可见外观发现的一个木蜂巢孔在木构件内部的木材损失约133.67 cm3。每个巢穴在木材内部的长向跨度25～47.8 cm，宽向跨度6～10.7 cm，平均跨度33.05 cm×6.88 cm。整个巢穴在木构件中的体积最小1 033.20 cm3，最大2 007.60 cm3，平均1 436.58 cm3，说明一个木蜂巢孔对应的一个巢穴在木构件内部的体积约1 500 cm3。不同分枝类型巢穴比较发现，黄胸木蜂A型即4条分枝隧道的巢穴结构最多，巢穴平均体积1 428.64 cm3，为4种巢穴体积的平均水平。

黄胸木蜂在我国分布范围很广，除了内蒙古、甘肃、青海、新疆、宁夏和黑龙江外，其他各省均有分布，故黄胸木蜂对木构件的危害研究在所有木蜂危害中具有代表性。古建筑木构件上广泛存在的另一类木蜂为赤足木蜂，其在浙江、四川、贵州、广西、福建、湖南、江西、江苏、安徽和陕西等地均有分布和危害(吴燕如， 1982)。据贺春玲等(2017)研究，赤足木蜂筑巢方式与黄胸木蜂非常相似：筑巢大多为分枝型(73.91%)，巢口形状近圆形，直径平均9.51 mm，比黄胸木蜂巢口直径稍小；赤足木蜂分枝型巢室分枝数为2～10条，每个巢室直径9.79～14.4 mm，虽然比黄胸木蜂小，但分枝数较多(图2a)，估算每个巢穴的危害程度与黄胸木蜂相似。

图5 CT扫描不同位置时各方向内部巢穴Fig. 5 CT scanning picture of different positions红色箭头方向指向巢口位置； a、b、c分别代表不同面； +指扫描点位； A为测试样品，B、C分别为扫描不同点位的3个面成像。The arrow position refers to the entrance hole; a, b and c represent different section in one position; + represent the position of scanning; A, the wood sample; B and C are CT scanning pictures of three sections in different positions.

图6 木蜂巢室解剖Fig. 6 The structure of the carpenter bee nests红色箭头指向巢口；绿色箭头为次主隧道。The red arrow position refers to the entrance hole; the green arrow indicates the secondary main tunnel.

图7 木蜂巢室结构示意Fig. 7 The structure diagram of the carpenter bee nests箭头指向巢口The arrow position refers to the entrance hole.

2.6 危害等级评定

因巢穴结构复杂，次隧道与主隧道夹角较大，内窥镜伸不到各分枝观察；而CT扫描受尺寸限制(长度不超过30 cm)，巢穴结构往往超出扫描范围，且因不便携，故采用目前无损检测仪器不能实现木蜂对木构件危害的判断。基于木蜂巢穴结构构建特征、隧道容积和巢穴体积估算木材损失程度，划分木蜂危害等级，结果见表2。当木构件有且仅有1个木蜂孔洞时，定为1级危害，估算内部木材损失约130 cm3，巢穴在木构件中的体积约1 400 cm3；当木构件有2～3个木蜂孔洞时，估算内部木材损失260～390 cm3，巢穴在木构件中的体积2 800～4 200 cm3，定为2级危害；当木构件有4～5个木蜂孔洞时，估算内部木材损失500～650 cm3，巢穴在木构件中的体积5 600～7 000 cm3，定为3级危害；当木构件有6个及以上木蜂孔洞时，一般木构件完全朽烂败坏(图2d、e)，估算内部木材损失大于650 cm3，巢穴在木构件中的体积大于7 000 cm3，定为4级危害。

在安全评价上，需进行综合分析，无论单个木构件的危害等级为哪一级，如果出现木蜂孔洞，就需管理者特别留意，一是留意次年活动季(一般为3—10月)木蜂还会不会到访，如果有木蜂继续到访就说明木蜂危害会持续并加剧，对木构件有破坏的风险，需立即采取治理措施；二是留意观察孔洞是当年还是前一年蛀蚀的，木蜂常常有利用老巢的特性，与老巢虽共用一个巢口，但会挖掘新的隧道，巢穴内部容积会加大，对木构件的损害也会加大，危害等级也会增大。需要说明的是，从木蜂危害古建筑木构件的类型来看，容易发生木蜂危害的外檐椽、望板往往为非承重构件，对斗栱的危害一般为局部构件，对整个建筑安全要比白蚁危害风险低，采取合理措施是可以减小损失的。