莫高窟關閉洞窟溫濕度變化分析研究

牟銳　李榮華　高文強　薛平

摘 要：為了解莫高窟不同層位關閉洞窟微環境變化規律，在巖體垂直立面上選擇形制、大小相似的關閉洞窟分析各層位溫濕度變化特征。結果表明，不同層位關閉洞窟受圍護結構阻隔作用，相比外界環境高頻率、大幅度波動變化，洞窟溫度年變化平穩，從下至上，溫度逐漸升高，波動幅度依次增大，相對濕度正好呈相反變化。各層位關閉洞窟溫度對降雨響應變化不明顯，相對濕度受降雨影響顯著，時間上均表現出滯后效應，降雨集中月份，濕度波動幅度最大。從空間上看，莫高窟中、上層關閉洞窟常年濕度集中，波動區間窄，底層洞窟濕度分散，在降水偏多年份，高濕度（>60%）出現頻次增多，存在激活鹽害的風險。該研究有助于豐富莫高窟微環境研究，為進一步完善莫高窟預防性保護監測體系提供基礎數據支撐。

關鍵詞：莫高窟；微環境；溫濕度；變化特征

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.03.007

0 前言

隨著文物保護理念的深入與科技的發展，世界文化遺產莫高窟已從20世紀40年代的看守階段進入21世紀的預防性保護。預防性保護的核心是通過環境控制來延緩文物本體的破壞速率①。引起文物退化的環境因素很多，包括溫度、相對濕度、顆粒污染物以及光照等。其中，溫濕度是最基本也是關注最多的兩項要素②。文物的老化與消亡雖然是不可逆轉的自然規律，但是通過監測結果改善文物的保存環境質量可以延緩文物的老化速率，延長文物的保存時間，而監測、評估文物保存環境中的溫濕度是預防性保護的一項重要工作③。

莫高窟現存石窟數量眾多，大小形制各異，位置、形制、有無窟門等不同造成洞窟微環境差異，導致壁畫彩塑病害類型也不盡相同。壁畫彩塑顏料層中的礦物顏料、有機膠結材料長時間受溫濕度、微生物等自然環境作用，很容易老化形成多種嚴重病害④。在莫高窟492個有壁畫的洞窟中，絕大多數都存在著壁畫酥堿、起甲、空鼓、裂隙、煙熏、霉變等多種病害⑤，造成大多數病害的主要因素是壁畫地仗內的可溶鹽和水分⑥。可溶性鹽廣泛存在于莫高窟圍巖與地仗層中，其含量與壁畫劣化程度密切相關⑦。洞窟空氣中的水分主要來自大氣環境，環境溫濕度的變化引起地仗內部水和鹽相互作用，造成地仗層可溶鹽反復溶解、結晶變化，長期作用導致壁畫產生酥堿、起甲等病害，對壁畫材料的劣化影響很大⑧。本文通過不同層位石窟環境的比較分析，為進一步豐富莫高窟微環境研究與完善莫高窟預防性保護監測體系提供基礎數據支撐。

1 監測洞窟概況

莫高窟開鑿在敦煌市東南25km的鳴沙山東麓砂礫巖崖體上，崖體高約40m，現存洞窟735個，壁畫45000m2，彩塑2000多身，洞窟呈蜂窩狀分布于崖面上，從下至上分布成四層，以一、二層分布最多。莫高窟地處沙漠戈壁腹地，海拔約1300m，年平均溫度約10℃，相對濕度約32%，年降雨量約23mm，多年蒸發量達4300mm，為降水量的180多倍，具有冬冷夏熱、晝夜溫差大、風沙活動頻繁、降水量稀少、蒸發量大的大陸性沙漠氣候特點⑨。

本文選擇莫高窟九層樓南側垂直立面上一層第97窟、二層第215窟、三層第207窟3個關閉洞窟為監測對象（圖1）。三個洞窟均開鑿于唐代，幾何形狀相似，為覆斗形頂，西壁開一佛龕，龕內塑有佛、菩薩像，東壁安裝鋁合金門，門上方有紗網可通風換氣。第97、215、207窟均屬莫高窟小型洞窟，大小接近，洞窟主室占地面積分別為8.7m2、8.9m2、8.4m2。采用美國Onset公司生產的HOBO溫濕度記錄儀，設定每15min采集一次數據，在西壁龕臺各布設一枚溫濕度記錄儀，監測2022年1月1日至2022年12月31日溫濕度，結合莫高窟72窟前全自動氣象站2022年區域氣候數據，對比分析不同層位關閉洞窟微環境變化特征。

2 結果與分析

2.1 不同層位關閉洞窟年變化規律

①溫度年變化。圖2為區域大環境和不同層位關閉洞窟逐日溫度變化曲線，從圖2中可以看出各層位洞窟年溫度變化趨勢一致，均隨外界環境季節性起伏波動。相比外界環境大幅度劇烈起伏變化，關閉洞窟由于受圍護結構阻隔作用，溫度年波動變化平穩。從層位上看，上層洞窟（第207窟）更容易受外界環境影響，波動幅度較大，具體表現為夏季升溫快、溫度最高，冬季降溫幅度大、溫度最低，其次是中層洞窟（第215窟），溫度變化幅度最小的是底層洞窟（第97窟）。從下到上，3個洞窟溫度年變化范圍依次為1.6～23.5℃、-1.4～23.5℃、-0.7～27.2℃，年溫差分別為21.9℃、24.9℃、27.9℃。大環境溫度波動范圍在-14.1～36.5℃，年溫差達50.6℃。

②相對濕度年變化。圖3和圖4為區域大環境和關閉洞窟相對濕度及年降雨變化曲線，從中可以看出各層位洞窟相對濕度變化主要受外界環境影響，變化趨勢與外環境一致。圖3顯示，外界環境濕度波動幅度劇烈，高濕度峰值主要出現在降雨和冬季低溫天氣。全年濕度波動在0.8%～99.4%，濕度差高達98.6%。由圖3和圖4可知，關閉洞窟相對濕度波動頻率和變化幅度遠小于外環境，高濕度峰值主要出現在降雨階段，由于洞窟門常年關閉，冬季低溫對濕度影響不明顯。從下到上，相對濕度變化與溫度變化呈相反規律，3個洞窟相對濕度年變化范圍依次為8.2%～60.2%、13.6%～53.6%、13.4%～46.4%，年濕度差分別為52%、40%、33%。可見，在洞窟大小、形制、開放狀態相似的情況下，溫度是影響不同層位洞窟相對濕度差異的主要因素。

2.2 不同層位關閉洞窟月均溫濕度統計

①月均溫度。對2022年外環境和各層位關閉洞窟溫度月均值和標準差進行統計分析（表1），結果顯示，外環境溫度7月最高27.5℃，12月最低-6.9℃，冬季（12～2月）溫度在0℃以下長達3個月，表明圍巖體發生凍融現象持續時間長。關閉洞窟最高和最低溫度均滯后窟外1個月，8月溫度最高，1月溫度最低，月均溫度均在0℃以上。從下到上，月均最高溫度呈遞增趨勢，最低溫度逐漸遞減，最高溫和最低溫依次為21.7℃、22.7℃、25.4℃和3.6℃、0.8℃、0.9℃。7～9月洞窟溫度最高，均在20℃以上，在此期間溫度分布明顯集中，波動小，溫度標準差為全年最小，在0.3～0.6℃。從整體來看，底層洞窟月溫度分布相對集中，越往上，溫度分布越分散。

②月均相對濕度。對2022年外環境和不同層位關閉洞窟相對濕度月均值和標準差進行統計分析（表2），結果顯示，氣溫最低的12月，外環境相對濕度月均值最高，為38.9%，氣溫回升多風沙的4月濕度最低，為17.9%。夏季洞窟內空氣溫度較巖體溫度高，溫度梯度的存在，使巖體緩慢向洞窟釋放水汽，由于窟門關閉，空氣交換率低，使得窟內濕度明顯高于窟外，溫度最高的8月，洞窟相對濕度月均值最大。2022年莫高窟地區降水量少，年降水量僅13.3mm，且主要集中在3月（8.8mm），受外界濕度影響，3月洞窟相對濕度明顯較高（>30%）。在集中降雨影響下，3月份窟內外濕度分布最分散，波動最大。與溫度分布規律相反，從上往下，洞窟濕度分布越分散。

2.3 不同層位關閉洞窟對降雨的響應

敦煌地區干旱少雨，年際間降水量差異大，月間分布不均勻。2022年莫高窟地區僅降水13.3mm，發生降雨只有12d。較大強度降雨主要出現在3月和7月。3月24、25日連續兩天出現降雨，累計降雨時長6h，共降雨8.5mm，最大降雨強度出現在25日，為2.8mm/h。7月20、21日連續兩天降雨累計時長2h，總降雨3mm，最大降雨強度出現在20日，為2.3mm/h。僅4天降雨占到全年總降水量的86.5%。

圖5為3月和7月降雨前后溫濕度變化曲線圖。從中可以看出發生降雨時，外界環境相對濕度迅速上升，氣溫也相應下降。較大降雨情況下，空氣相對濕度會很快升至90%以上。圖5（上）顯示，3月24、25日因發生連續降雨，降雨持續時間長，致使外界環境長時段維持高濕度水平，99%以上濕度長達10個多小時（2022年3月24日21：00至3月25日7：30）。相比3月份連續降雨，7月19、20日降雨時間短，為間歇性降雨，外環境濕度波動幅度大，降雨峰值出現在降雨時段，高濕度（>90%）持續時間短。

由圖5所示，各層位關閉洞窟溫度對降雨響應差異不明顯，降雨前后溫度基本保持平穩。降雨發生后，隨著外界環境相對濕度迅速升高，洞窟間濕度變化步調基本一致，較窟外延遲2h后均開始緩慢上升，上升幅度相差不大，最大增幅約10%。降雨結束后，外界濕度迅速下降，相對濕度恢復至降雨前初始水平時間短，各層位洞窟濕度變化均表現出滯后效應，時間滯后上差異變化不明顯，約12h后濕度均開始緩慢下降，恢復至初始水平所需時間長，相比之下，上層洞窟比下層洞窟下降幅度較大，恢復所需時間略短。

2.4 不同層位相對濕度日極大值分布特征

對垂直立面上3個洞窟的相對濕度日極大值統計分析發現（圖6～圖8），不同層位關閉洞窟相對濕度日極大值月頻次分布存在差異。降水偏少年份，底層洞窟（97窟）相對濕度超過60%頻次很少，2022年僅出現1次，中、上層洞窟相對濕度均在60%以下，且一年中約一半時間相對濕度基本穩定在20%～30%，相比之下底層洞窟相對濕度波動幅度相對較大，濕度區間分布較廣。

2019年莫高窟降水屬偏多年份，全年降水67mm，以6、7月降雨為主，降水占比66.7%。統計該立面3個洞窟相對濕度日極大值出現頻次后發現，相比降水偏少的2022年，下層洞窟相對濕度超過60%的頻次增多，即洞窟處于高濕度的時間變長，中、上層濕度均無超過60%現象。這表明在同一立面的關閉洞窟中，中、上層洞窟較底層洞窟高濕度出現頻率低，相對濕度小，更穩定，更有利于壁畫的保存。

3 結論

通過監測分析，莫高窟不同層位關閉洞窟溫濕變化存在一定差異，外界大氣環境溫濕度及降雨變化直接影響洞窟微環境。

①不同層位關閉洞窟受圍護結構阻隔作用，相比外界環境高頻率、大幅度波動變化，窟內溫度年變化平穩，從下至上，洞窟溫度逐漸升高，波動幅度依次增大，相對濕度正好呈相反變化規律，隨著層位增加，濕度降低，波動幅度逐漸減小。

②外界環境在冬季低溫天氣月均相對濕度最大，洞窟濕度則不同。由于夏季洞窟空氣和巖體間存在較大溫度差，在溫差驅動作用下巖體內部水汽向窟內蒸發遷移，使得窟內相對濕度在溫度最高的8月濕度也最高。

③各層位關閉洞窟溫度對降雨響應變化不明顯，相對濕度受降雨影響顯著，時間上均表現出滯后效應，洞窟間滯后特征差異不明顯，降雨后濕度恢復至初始水平比窟外時間長，且上層洞窟比下層洞窟恢復所需時間略短。

④整體來看，莫高窟中、上層關閉洞窟常年濕度集中，波動范圍窄，底層洞窟濕度分散，波動范圍寬，在降水偏多年份，高濕度（>60%）出現頻次增多，存在激活鹽害的風險。

注釋

①張亞旭，于宗仁，崔強，等.敦煌莫高窟第196窟內外環境溫濕度相關性研究[J].中國文物科學研究，2022（2）：19-25.

②徐方圓，解玉林，吳來明.文物保存環境中溫濕度研究[J].文物保護與考古科學，2009（S1）：69-75.

③徐方圓，吳來明，解玉林，等.文物保存環境中溫濕度評估方法研究[J].文物保護與考古科學，2012（S1）：6-12.

④文娟，牛賀強，吳春勇.武威西夏博物館壁畫彩塑文物庫房溫濕度監測及分析[J].天水師范學院學報，2020（5）：81-84.

⑤陳港泉，李燕飛，劉瑞，等.莫高窟壁畫皰疹病害調查研究[J].敦煌研究，2016（3）：110-116.

⑥陳港泉，蘇伯民，趙林毅，等.莫高窟第85窟壁畫地仗酥堿模擬試驗[J].敦煌研究，2005（4）：62-66.

⑦陳港泉，于宗仁.莫高窟第351窟壁畫皰疹和壁畫地仗可溶鹽分析[J].敦煌研究，2008（6）：39-45；郭青林，王旭東，薛平，等.敦煌莫高窟底層洞窟巖體內水汽與鹽分空間分布及其關系研究[J].巖石力學與工程學報，2009（S2）：3769-3775；王錦芳，嚴耿升，楊善龍.莫高窟崖體可溶鹽分布特征研究[J].水文地質工程地質，2010（6）：116-120.

⑧姜嘯，張虎元，嚴耿升，等.濕度對鹽溶液在壁畫地仗中的毛細遷移影響研究[J].巖土力學，2014（2）：459-465.

⑨汪萬福，王濤，張偉民，等.敦煌莫高窟風沙危害綜合防護體系設計研究[J].干旱區地理，2005（5）：614-620.