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敦煌莫高窟风沙灾害预防性保护体系构建与示范

主要完成单位:敦煌研究院  中国科学院西北生态环境资源研究院  美国盖蒂保护所

主要完成人:汪万福  樊锦诗  张伟民  李红寿  武发思  内维尔·阿根纽  张国彬

获奖等级:二等奖

 

    项目团队经过20多年的潜心研究,厘清了莫高窟地区风沙运动规律和沙源供给;研发了戈壁风沙危害防治新技术-地表人工砾石铺压技术;构建了一个以固为主,固、阻、输、导相结合的风沙灾害综合防护体系,使进入窟区的积沙量减少了85%以上。明确了地下潜水是莫高窟戈壁与洞窟水分的重要来源;发明的干旱区荒漠化土地生态恢复的方法在莫高窟风沙治理中发挥了重要作用。运用高通量测序等技术手段,揭示了洞窟内外大气颗粒物PM10和PM2.5的微生物群落结构、质量浓度、易溶盐含量等组分特征及其影响因素。项目的实施,有效地减轻了风沙尘对石窟围岩及壁画彩塑的损害程度,改善了窟区旅游生态环境,为干旱区生态恢复、文化遗产地的预防性保护和旅游可持续发展提供了技术支撑。

 

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        随着全球气候变化加剧和环境污染问题加重,文化遗产地遭受到的自然灾害和人为破坏正在增加,如何根据遗产地保存现状开展预防性保护是亟需解决的难题。

       莫高窟地处我国八大沙漠之一的库姆塔格沙漠东南缘和鸣沙山东麓,风沙灾害一直是其保护面临的主要环境问题。回顾莫高窟风沙危害的治理与研究历程,按照各个阶段的主要特点及其存在的突出问题,可以归结为三个时期:

       第一个时期:20世纪70年代以前,这一阶段以清除窟内和窟区积沙为主,在窟顶崖面及窟区设置了以阻为主的零星试验工程。如1951年前后在100多个洞窟安装了木门,清理了300多个洞窟的积沙,并在窟顶修筑挡沙墙、开挖输沙沟、扎设防沙栅栏等。但由于种种原因,防沙效果不佳,甚至一些工程措施由于位置设置不当造成新的隐患,后来被迫拆除。

        第二个时期:从20世纪80年代初至90年代末,在窟顶安装了全自动气象站,开始对莫高窟区域环境要素特别是风况进行系统监测。1990年,敦煌研究院与中国科学院原兰州沙漠研究所合作,在美国盖蒂保护所的直接参与下,在窟顶戈壁区设置了“A”字型尼纶网栅栏进行阻沙。1992~1993年,引进滴灌技术,进行植物固沙试验。但由于规模小,造成林带内积沙严重,滴灌设备也被流沙掩埋。

       第三个时期:从20世纪初至今,对莫高窟风沙危害有了新的认识。针对第二个时期出现的戈壁区严重积沙、植物固沙规模过小等实际问题,开始探索扩大植物固沙范围,开展草方格沙障固沙、砾石压沙新技术研发等试验研究,取得突破性进展。

       近年来,随着国家重点基础研究发展规划“中国北方沙漠化过程及其防治研究”子课题“敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系研究”、国家发改委与国家文物局“敦煌莫高窟保护利用工程”子项目“风沙防护工程”等项目的实施,不仅在流沙固定、控制流沙进入窟区方面取得重要进展,而且在风沙流引起沙尘气溶胶中微生物与可溶盐离子组分解析、诱导壁画酥碱和微生物病害的洞窟水分来源研究等方面进行了深入探讨。

 

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       本项目就莫高窟戈壁风沙流、戈壁与洞窟水分来源、气溶胶组分等方面进行了系统研究,创新性主要体现在3个方面。

 

        创新之一

        研发了戈壁风沙流危害防治新技术—地表人工砾石铺压技术。该技术因势利导,实现了以自然之力还治自然之害,最大程度地减轻了风沙尘对壁画的危害。

       掌握莫高窟窟顶戈壁风沙流随风速、风向的变化情况,揭示不同风况条件下窟顶地表粗糙度与风积、风蚀速率间关系,研发莫高窟窟顶戈壁风沙流危害防治新技术,对于构建莫高窟风沙灾害综合防护体系意义重大。

      1.厘清了莫高窟地区风沙运动规律

       通过在窟顶建立全自动气象站,监测发现莫高窟地处多风地区,风沙危害的主导风向为偏西(NW)、偏南(SW)和偏东(NE)三组风向,依次占起沙风总频次的23.1%、43.9%和15.5%。窟顶鸣沙山沙丘向窟区方向运移速度极小,属慢速稳定型。

   2.明确了莫高窟风沙危害沙源供给

       通过在窟顶流沙区与戈壁区分别设置的全方位积沙仪等设备进行连续观测,确定鸣沙山前缘中小沙丘、平坦沙地以及窟顶戈壁“就地起沙”是造成莫高窟风沙危害的主要沙源地。

   3.研发了戈壁风沙流危害防治新技术

       通过风洞模拟和现场观测研究,从阻沙及输沙双重效应来讲,采用30%左右砾石覆盖度及粒径3~5厘米的人工砾石床面,是莫高窟窟顶偏西风、偏南风风沙流较理想的捕沙体和较强的偏东风风沙流的过沙体,解决了长期困扰风沙防治工程中普遍存在的问题。针对沙砾质戈壁不同的地表特征采取不同的砾石铺压方式,优化了戈壁砾石铺压的铺设技术工艺。

   4.建立了以固为主,固阻输导相结合的莫高窟风沙灾害综合防护体系,使进入窟区的积沙量减少了85%以上

       结合莫高窟地区风沙环境及风沙运动规律,在总结历史时期防沙治沙经验教训的基础上,重点应用近15年来在莫高窟风沙防治研究方面取得的最新成果,坚持因地制宜,因害设防;以固为主,固、阻、输、导相结合;以工程和生物措施为主,兼顾化学固沙;高新技术与常规治理相结合;重点治理,分阶段实施与长远目标相结合。在确保所有防治措施不给敦煌石窟的永久保存带来任何间接或潜在威胁的前提下,使莫高窟的风沙灾害得到了有效控制,改善了窟区的生态环境。

       高立式栅栏是通过将疏透度为20%~25%的尼纶网栅栏设置在鸣沙山前中小沙丘脊线和防风固沙林带前沿流沙地上,采用直径10~15厘米的木桩固定,间距4米,外露高度0.6~1.2米。截至目前,已建立长6000米的高立式栅栏“阻沙区”。

      麦草方格沙障沿高立式栅栏带平行延伸,长约2000米,宽从沙丘边缘的植物固沙带起延伸至沙丘内部400~600米,草方格规格以1米×1米为宜,根据不同地域风速调整,铺设总面积约115万平方米。草方格一方面抑制风蚀、固定流沙,同时改善下垫面沙地土壤性质,对促进沙漠生物结皮具有积极意义。

        窟顶植物固沙带主要有2条,分布在鸣沙山前沿流动沙地上,长1850米,宽分别为12米和14米,平均高度1.5米,盖度达80%~100%,走向为西南到东北。窟顶林带主要发挥着阻风挡沙的重要作用,而窟前透风结构防护林带的配置在有效减轻崖面风蚀、调节洞窟通风方面效应明显。

        砾石压沙带总体布局呈不规则倒梯形,靠近鸣沙山边缘长2000米,靠近窟缘长1500米,总面积165万平方米。砾石压沙带的实施解决了长期困扰戈壁风沙流防治工程中普遍存在的问题。

        “A”字型尼纶网设置在窟顶戈壁区,栅栏高1.8米,孔隙率为20%,阻力系数为1.5,A字形顶点指向主风向(W),其既能在次风向(SSW)上截断鸣沙山的沙源,又能在主风向(W)上使栅栏具有导沙功能。

        随着莫高窟保护利用工程子项目-风沙防护工程的全面实施,一个空间上由阻沙区、固沙区和输沙区组成,以工程、生物、化学措施组成的综合防护体系形成,该体系有效减轻了莫高窟受积沙、风蚀和风沙尘的危害,窟前栈道积沙量总体减少了85%以上,石窟文物赋存环境质量明显改善。

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        创新之二

        明确了地下潜水是莫高窟水分的重要来源,对干旱区生态环境恢复具有重要意义。

 

       针对莫高窟窟顶戈壁与洞窟水分来源及其时空变化不明、莫高窟保护区生态环境恢复对于水资源需求迫切等实际问题,项目组开展了一系列创新性研究和实践工作。

     1.确定了潜水是莫高窟戈壁水分的重要来源

       利用自主研发的拱棚-空调凝结系统,经过连续6年的监测,确定莫高窟窟顶地下潜水(200米)蒸发的年平均值为4.52毫米,呈正弦分布特征。3~11月温度和绝对湿度较高,土壤整体处于升温蒸发状态;11月至翌年3月,温度较低,土壤整体处于吸湿凝结状态,无潜水蒸发。

    2.明确了潜水是莫高窟洞窟蒸发水的主要来源,确定了其数量及时空变化特征

        水分活动是造成洞窟壁画酥碱、疱疹和霉变等病害的主要根源。项目组从2010年开始,选择莫高窟底层第72窟作为研究对象,采用研发的洞窟除湿-温湿度调控系统(CDTHC)对洞窟的蒸发水分来源与活动规律进行了系统研究。

       第72窟在4~12月的日均蒸发量为304.5g/d,按照洞窟表面积(包括地面)计算,日蒸发量为1.40g/dm2。洞窟水分的蒸发受围岩温度主导,随温度的变化而变化,围岩温度年波动变化和地热作用形成潜水蒸发的动力基础。温度年波动作用下的围岩内结合水分的分解-结合是形成潜水蒸发与运移的“泵源”。

   3.应用氢氧稳定同位素揭示了莫高窟蒸发水分的来源通道

       通过定期取样分析洞窟蒸发水分、莫高窟降水、潜水、大泉河水的δD和δ18O值。应用水同位素示踪原理揭示了洞窟蒸发水分的来源,排除了当地降水成为地下潜水的可能。表明野马山区降水是党河水的来源,而党河是莫高窟地下潜水和洞窟蒸发水的合理来源,存在清晰的来源渠道:野马山降水→党河→党河潜水→莫高窟地下潜水→洞窟围岩水分→洞窟蒸发水分。

    4.推进了深埋潜水资源的生态利用

       在对莫高窟潜水蒸发机理广泛研究的基础上,发明了一种干旱区荒漠化土地生态恢复的方法。在干旱缺水的荒漠化地区,通过对不同粒径土壤的分选整理、沙下覆膜、水分引导等综合技术,达到充分利用地下深埋潜水和降水,实现了荒漠化土地的生态恢复。

       无灌溉条件下荒漠化土地生态恢复技术已在莫高窟窟顶戈壁推广试验面积26000平方米,取得了较好的效果。这一技术体系从根本上解决了极干旱戈壁生态恢复的需水问题,具有极为广阔的应用前景。

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        创新之三

        运用高通量测序等技术,首次全面揭示了莫高窟洞窟内外PM10和PM2.5的微生物群落结构、质量浓度、易溶盐含量等组分特征及其影响因素。

       为研究莫高窟大气颗粒物(PM2.5,PM10-2.5)组分总体特征,监控在游客剧增状况下洞窟内环境要素的响应,评估大气颗粒物对石窟文物和游客健康的影响,主要开展了以下工作:

       1.基于高通量测序技术揭示了洞窟内、外大气颗粒物中微生物群落特征差异

       首次运用454高通量测序等技术分析了洞窟内外PM10-2.5(粗颗粒物,Coarse)与PM2.5(细颗粒物,Fine)中微生物群落组成与结构特点。空气细菌以乳球菌属占绝对优势,假单胞菌属次之;空气真菌以链格孢属、半乳糖霉菌属、枝孢属、曲霉属为主。空气中病害菌对壁画安全保存及访客健康均有潜在威胁。洞窟内特定的微生境以及大量游客参观对窟内环境的扰动是引起窟内PM2.5和PM10-2.5中微生物群落差异的关键因素。

      2.对洞窟内、外PM10与PM2.5浓度进行了连续监测和评估

      对莫高窟第16窟内外环境大气颗粒物PM10和PM2.5进行了长期监测,发现PM10、PM2.5浓度具有季节性变化特征。洞窟外环境PM10在64.9-780.7μg/m3之间变化,PM2.5在17.1-172.1μg/m3之间变化;洞窟内PM10在53.5-451.4μg/m3之间变化,PM2.5在16.7-221.9μg/m3之间变化。PM10与PM2.5质量浓度与沙尘天气紧密相关,春季最高,秋季最低;游客活动对窟内PM2.5升高有较大贡献。

      3.揭示了莫高窟气溶胶中盐离子也是壁画盐害的重要来源之一

       通过对莫高窟气溶胶PM2.5和PM10中水溶性离子的长期监测和分析发现,水溶性离子Ca2+、SO42-、NO3-、Na+和Cl-是沙尘气溶胶的重要组分;莫高窟大气环境呈碱性,阴离子相对亏损;沙尘天气和洞窟内游客参观扰动引起的二次浮沉对窟内可溶性离子含量有较大贡献。

        4.研究发现游客参观将成为影响壁画安全保存的重要因素之一

       以莫高窟第98窟为例,壁画表面白色污染物主要为埃希菌属、肠杆菌属,这两类微生物与人类活动关系密切,其发生和蔓延可能与过去大量游客涌入并长时间滞留于洞窟中存在一定关联。建议通过调节洞窟开放模式、加强空气交换、控制相对湿度等预防性保护措施抑制病害菌的进一步发展。

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       本项目共发表研究论文100多篇,申请发明专利9件(已授权8件),培养研究生和文化遗产保护专门技术人才近20名。研究论文共被SCI收录44篇、EI收录12篇,他引793次。针对莫高窟戈壁风沙危害防治的研究工作在美国《科学》杂志上进行了专题报道,引起了国际科技界的高度重视。对于莫高窟壁画微生物的研究在英国《自然》杂志旗下期刊《科学报告》上发表。莫高窟深埋潜水蒸发方面的研究论文被美国土壤学会下属期刊《渗流区杂志》作为期刊封面进行重点介绍。研发了便携式多路风向自动采集仪、无触点防沙风向标传感器、一种旱井取水装置、干旱区荒漠化土地生态恢复的方法、除湿-温湿度调控系统、自动监测记录物体重量变化仪等发明专利和实用新型专利,被应用到风沙与水环境研究治理、干旱区荒漠化土地生态恢复等领域。

       项目成果不仅在敦煌莫高窟保护中得到了全面应用,而且在天水麦积山石窟、张掖马蹄寺石窟、瓜州榆林窟以及新疆柏孜克里克千佛洞壁画保护及风沙环境治理中得到了广泛推广,取得了良好效果,社会效益显著。研究成果为我国西北地区文化遗产保护、风沙环境治理、旅游开发和遗产地科学管理提供科学依据和技术支撑,积极推动了文化遗产的传承与发展。

       风沙防治是在莫高窟收归国家保护管理以来始终没有停止过的工作,经过几代“莫高人”的不懈努力和与国内外相关机构的大力合作,在多年观测、研究、试验和实践的基础上,莫高窟风沙危害防治已取得了明显成效,沙害已降低到今天“力所能及”的水平。然而,风沙尘对莫高窟的直接危害和潜在威胁当前依然存在,要彻底解决莫高窟风沙灾害问题,就必须从敦煌地区、河西走廊乃至中国西部的大环境出发统筹考虑。相信随着科技的发展和生态文明建设的推进,莫高窟风沙灾害问题将得到更好的解决。

        致谢:本项目持续时间长,学科跨度大,可以说项目成果是几代莫高人以及关注莫高窟文物保护事业同仁共同努力的结果。在此,项目组对参与项目实施以及长期关心、支持项目开展的所有同仁以及相关单位表示衷心的感谢!