環境控制方法在日本石質文物保護的應用研究

杜之巖 高妻洋成 王金華

摘? 要：日本石質文物科學保護起步較早，但隨著時間的推移，部分早期保護、修復、處理過的石質文物又出現了凝結水、可溶鹽析出嚴重等新的問題。對此，日本科研工作者提出了在闡明石質文物病害成因基礎上，通過控制其保存環境，以延緩、抑制病害發生，并取得了一定的成果與經驗。其中，文章所介紹的日田市Garandoya古墳保護設施設計與大分市元町石佛保護建筑改造，是具有代表性且取得良好效果的研究案例，其相關研究成果與經驗可為我國石質文物預防性保護研究工作提供有價值的參考。

關鍵詞： 石質文物；環境控制；劣化機理；預防性保護

中圖分類號：K85? ? ? ? ?文獻標志碼：A

DOI：10.19490/j.cnki.issn2096-698X.2023.05.042-048

Abstract： The scientific conservation of stone cultural heritage in Japan started relatively early. As time went on， some of the stone cultural heritage which have been conserved， repaired， and treated in the early stage developed new problems， such as condensation water and precipitation of soluble salts. To solve these problems， Japanese researchers proposed that based on determination of the deterioration mechanism of stone cultural heritage， the deterioration could be slowed down and inhibited by controlling their preservation environment， and have achieved certain progresses and experiences. Amongst which， the design of protection facility for the decorated ancient tombs in Hita City， and improvement of the shelter for the buddha statue carved onto a cliff at Motomachi in Oita City， as introduced in this article， are representative research cases that have achieved positive results. Such relevant research results and experiences can provide valuable references for preventive conservation research of stone cultural heritages in our country.

Keywords： stone cultural heritage；environment control；deterioration mechanism；preventive conservation

石質文物在我國文化遺產中占有十分重要的地位，具有極高的歷史與藝術價值。特別是以石窟寺為代表的不可移動石質文物，是我國燦爛文明的集中體現，也是中華文明同其他古代文明交流互鑒的歷史見證。近年來，國家高度重視文化遺產的保護與利用，我國的文化遺產保護事業迎來了前所未有的發展機遇。與此同時，我國文化遺產保護已經開始從“搶救性保護”向“搶救性”與“預防性”保護并重轉變。當前我國石質文物保護方法也需要進行相應革新。

迄今為止，石質文物保護方法主要以歐美國家為中心發展，但我國與歐美在石質文物的種類、材質等方面均有不同，一些在歐美行之有效的保護方法直接套用在我國遺產保護工作中常出現不適用的情況①。而東亞地區同屬漢字文化圈，各國在歷史、文化、環境的相似之處，使得我們在石質文物保護中存在許多共通問題亟待解決，特別是石窟寺等露天保存的石質文物保護的相關問題。

日本是東亞各國中最早開始文化遺產科學保護的國家，但隨著時間的推移，部分早期保護、修復、處理過的石質文物又面臨了新的問題。對此，日本科研工作者提出了新方法并取得了一定的效果與經驗。本文通過2處案例介紹環境控制方法在日本石質文物保護中的應用，其相關研究成果與經驗可為我國石質文物預防性保護研究工作提供有價值的參考。

1? ?日本石質文物保護研究工作發展簡述與目前面臨的問題

日本在文物科學保護領域起步較早，從20世紀60年代起，伴隨經濟發展與土地開發，日本全國范圍內遺址發掘調查數量激增，出土文物的保存處理工作成為當務之急。出土文物保護相關的保存科學處理方法從歐美引進后，經過短暫適應性研發便開始實際應用，主要包括伴隨平城京發掘調查出土的飽水木簡、金屬器的保護工作。借助出土文物保護的相關經驗，從20世紀60年代中后期起，日本開始對石質文物進行科學保護工作：1964年針對奈良縣般若寺十三重石塔②第一層軸石出現的表面剝落問題實施的防脫落加固處理，是日本首次采用合成樹脂類材料對石質文物進行的科學保護工程。此后至20世紀70年代中期，日本對奈良縣於美阿志神社石塔、木縣大谷寺石佛、群馬縣不動寺石佛、福井縣一乘谷朝倉氏遺跡礎石等一批露天石質文物開展了加固保護處理工作，并積累了大量石質文物本體保護與修復技術與經驗。有了上述保護技術與經驗支撐，從20世紀80年代中期開始，日本對國寶大分縣臼杵磨崖佛、國史跡大分縣元町石佛等摩崖造像類大型石質文物開展了本體修復、治水、排水等大型保護工程[1]。這一時期可以被認為是日本石質文物保護的“搶救性保護”時期。

進入2000年后，在原址保護的高松古墳壁畫由于雨水滲入與霉菌繁殖茂盛，導致壁畫出現顯著劣化的問題，引起社會廣泛關注。為了對壁畫進行保護，經過長時間討論與研究，專家們選擇對高松石室解體，分成16個大型石塊，將壁畫連同石塊一同搬遷至保護設施內進行保存[2]。高松石室解體工程從計劃到實施歷時數年，雖在多學科專家的幫助下順利完成，但大家也逐漸意識到：某些考慮不周的保護干預可能導致文物后期出現嚴重的次生病害。幾乎在同一時期，20世紀70年代進行過大型治水排水工程的大分縣臼杵磨崖佛、大分縣元町石佛均出現了不同程度的水溶鹽析出，即鹽害問題。如何解決早年石質文物保護修復后出現的次生問題成了日本專家面臨的難題。

為解決上述問題，日本石質文物保護工作者結合以往的保護經驗，開始重新重視石質文物劣化機理研究與保存環境研究，即在闡明石質文物出現病害成因的基礎上，通過控制其保存環境，以延緩、抑制病害發生，并做了大量探索性研究嘗試[3-8]。其中，日本日田市Garandoya古墳保護設施設計與大分市元町石佛保護建筑改造，是極具有代表性且取得良好效果的研究案例。

2? ?Garandoya古墳1號墳保護設施設計

Garandoya古墳1號墳位于日本九州島大分縣日田市，是一座建于6世紀的裝飾古墳③，如圖1（a）所示墓室后壁留有顏料繪制的紅色與綠色圖案。1993年古墳被指定為日本“國史跡”。據傳在1913年前后日田市至留久米市鐵道修建時，1號墳的封土被盜[9]11-13，此后構成古墳的石質墓室的大部分處于長期外露在地面、直接經受日曬雨淋、缺乏保護的狀態（圖1（b））。隨著20世紀中期九州多處裝飾古墳被指定為“國史跡”，Garandoya古墳也逐漸得到關注，為防止石質墓室被進一步破壞，自1985年起，當地采用防雨布覆蓋的方法對1號墳進行保護（圖1（c））。

Garandoya古墳被指定為“國史跡”后，1號墳的具體保護工作被提上日程。前文提到，2000年左右高松古墳由于調查與滲水，導致微生物大量繁殖使壁畫出現劣化問題，引發廣泛關注，所以1號墳在保護方案制訂之前首先進行了大量的現場調查。

調查結果顯示：防雨布的保護程度十分有限，構成墓室的巖石劣化狀態日益嚴重，墓室內墻壁經常有凝結水出現，且內壁多處出現表層剝落（圖2）。此外，墓室內墻壁多處出現白色析出物，某些直接析出在顏料圖案上，威脅著圖案的長期保存。通過進一步研究[10]49-61發現，構成墓室的巖石本身板狀節理發達，具有易生成層狀剝落的性質；同時，巖石內部還存在微小裂縫，凝結水頻繁出現，即干濕循環作用下助長了裂縫的發展，進而形成空鼓并最終剝落。墓室內壁析出的白色晶體經X射線衍射分析確認為二水合硫酸鈣，即石膏。而硫酸鈣只有在接近飽和的高濕度環境中才會在巖石表面析出，也就是說墓室內部的高濕環境會促進硫酸鈣的析出，甚至對石壁上的彩色圖案構成危害。

結合現場調查與研究結果，保護工作者提出了增設保護設施對1號墳進行整體保護的方案，并對保護設施進行了如下設計：①通過為1號墳增設保護設施，在擋雨的同時使周圍土壤的含水率降低，減緩水汽向墓室內蒸發；②讓石質墓室在保護設施內暴露出來，使得室外空氣、保護設施內空氣與墓室內空氣可以流通循環，有效控制并降低墓室內的空氣濕度；③保護設施的添加使得夜間散熱問題緩解，抑制冬季墓室上部巖石溫度下降，進而減少凝結水出現頻率。簡而言之，保護設施除了為1號墳遮風擋雨、減緩外露石質墓室風化速度外，還需滿足減緩墓室內壁結露頻率、降低墓室內空氣濕度的要求。

在提出保護方案后，保護工作者并未急于對保護設施進行施工，而是先利用數值模擬的方法對保護設施增加前后的墓室內環境進行了模擬研究[9]20-33。通過結合1號墳周邊環境、墓室內部環境、墓室壁溫的監測數據以及對1號墳周邊土壤水熱運移特性研究結果，首先對1號墳在僅有防雨布保護情況下，墓室內部溫濕度環境與結露情況進行數值模擬。結合現場監測調查數據對數值模型進行多次改良，使其計算結果與監測調查結果吻合。然后用改良后的數值模型，模擬保護設施建成后的墓室內部溫濕度環境與結露情況。模擬結果顯示，保護設施建成后會有效避免墓室內結露情況?；跀抵的M研究結果，保護工作者搭建了一座臨時保護棚（圖3），對保護效果進行驗證。臨時保護棚搭建后，調查監測數據表明：墓室壁面溫度全年基本維持在露點溫度以上，使凝結水得到了有效控制。

Garandoya古墳1號墳保護設施，在數值模擬研究結果有效、試用臨時保護棚驗證效果后，才開始進行修建。建成后的保護設施如圖4所示，其結構為混凝土拱形，結構外側有草皮覆蓋。設施內，石質墓室直接暴露出來，墓室周邊一定范圍內的土壤也沒有覆蓋，有助于減少地面以下土壤內水汽向墓室方向的移動。此外，保護工作者結合保護設施建造前后持續調查與監測研究結果，對建成后的保護設施提出了環境方案[11]：在春、秋、冬季外部環境濕度較低時，使保護設施與外部環境保持通風換氣，同時在墓室與甬道設置排風扇向外部進行排風換氣，以保持墓室內干燥；在夏季時，由于九州地區夏季高溫高濕，所以停止保護設施換氣，并通過除濕機進行設施內部除濕；到夏季后段，為避免墓室內壁結露，通過增設電熱油汀對墓室內壁進行加熱，使壁面溫度保持在露點以上。

持續調查與監測結果表明：保護設施建成后配合環境控制方案，Garandoya古墳1號墳石質墓室內濕度得到有效控制，再無結露情況發生。此外，1號墳得到有效保護的同時，在環境適宜時還會對一般公眾進行開放，使文物得到了有效利用[12]。

3? ?元町石佛保護建筑改造

元町石佛位于日本九州島大分縣大分市，建于11世紀，是雕刻在阿蘇凝灰巖體上的3尊摩崖造像，分別為中間主尊藥師如來造像（圖5）、右側多聞天王造像與左側不動明王造像，1934年元町石佛被指定為日本“國史跡”。自1931年起，元町石佛的保護建筑的大致形貌沒有發生改變[13]1-3。

前文提到，從20世紀80年代中期開始，日本對多處大型石質文物開展了本體修復、治水、排水等大型保護工程。其中，據記載元町石佛從1979年起便開始了治水工程，但當時施工位置目前已無法找到；1988年在石佛背部山體中的水源方向修建了排水管道（圖6）；1990年，在圖6所示石佛下方位置挖掘了一排集水鉆孔（圖中褐色斜線），使各鉆孔中流出的水可流入修建在保護建筑前方的集水井內[13]8-10。

治水工程前，在冬季石佛膝蓋附近會有白色可溶鹽析出物出現；治水工程后，冬季可溶鹽析出仍然嚴重。治水后的相關調查報告顯示，石佛周圍地下水中存在包括硫酸根陰離子的高濃度鹽離子，并檢測出了部分析出物為硫酸鈉[14]。隨著時間的推移，元町石佛水溶鹽析出即鹽害問題逐漸得到關注，并于2011年成立了“大分元町石佛調查委員會”，對石佛進行系統調查[13]84-101。調查結果顯示：針對鹽害問題，相關保護人員雖通過貼和紙的方法對石佛進行脫鹽處理，但大佛鹽害問題并未得到大幅度緩解，水溶鹽隨季節變化析出問題依然十分嚴重（圖7）。通過現場調查取樣，經X射線衍射分析發現：在石佛膝部附近的白色析出物為硫酸鈉[14]1169。大量前期研究表明，硫酸鈉對石質文物具有很強的破壞性[15-17]，其中，環境溫濕度的變化會導致硫酸鈉在溶解狀態、十水芒硝態、無水芒硝態之間反復變化，隨著不同狀態變化，其體積變化所產生的壓力變化對石質文物威脅極大。

元町石佛保護建筑內部環境監測數據顯示，在冬季保護建筑內的溫濕度環境會引發硫酸鈉出現相態變化：如圖8所示，圖中橫軸為氣溫、縱軸為相對濕度，圖中綠色實線把圖分為3塊溫濕度區域，在不同溫濕度區域內硫酸鈉的穩定相態會發生變化；以2015年

1月冬季監測數據（藍色點狀線）為例，無論是石佛保護建筑內上部（左側）或下部（右側），其溫濕度變化均會造成硫酸鈉出現十水芒硝態與無水芒硝態間的反復變化。對已經檢測出硫酸鈉存在的元町石佛來說，這樣的溫濕度保存條件是十分危險的。

結合現場調查與環境監測結果，石佛調查委員會建議：應改善石佛現有保存環境，并且提出改善環境的目的是希望減少硫酸鈉析出量，或即使有十水芒硝析出，也需要阻止其發生相變成為無水芒硝。換句話說，有必要對冬季保護建筑內部的氣溫與相對濕度進行控制。

在通過現場監測與數值模擬研究[18]證明提高建筑密封性可以有效控制冬季保護建筑內空氣溫濕度變化幅度后，保護工作者對元町石佛保護建筑進行了改造：包括采取保持建筑入口通常保持關閉并增加關門傳感器，將進門口后玻璃幕墻改成木板，改建筑四周的單層窗為雙層窗，并適當增設隔熱板材等措施。改造后的保護建筑密封性與保溫性顯著提升，從圖8中2017年1月的監測數據 （褐色點狀線）可以看出，改造后保護建筑內冬季上部與下部的空氣溫濕度較改造前均有明顯提升，且保持在十水芒硝安定區，即硫酸鈉不會在該環境中出現相變。此后持續監測數據也顯示，改造后保護建筑內的空氣溫濕度均保持在硫酸鈉不易產生相變的區域[19]20-30。

通過大量前期調查、監測與室內研究，經過數值模擬研究驗證，最后用比較簡單的方式對元町石佛保護建筑進行的改造工程，取得了良好的效果。

4? ?結束語

本文通過2個具體案例，介紹了日本石質文物保護工作者在面對早期干預與保護過的石質文物面臨結露、可溶鹽析出等新次生問題時，通過大量現場調查、環境監測、室內實驗與數值模擬研究等前期調查研究，在闡明石質文物劣化機理的前提下，利用環境控制方法對石質文物進行保護，并取得了良好的效果。我國石質文物保護在過往“搶救性保護”時期同樣實施了眾多大型保護工程，在保護原則轉變到“搶救性”與“預防性”保護并重的現在，日本的相關經驗與方法值得我國石質保護工作者參考。

當然，環境控制方法也有其局限性：例如元町石佛保存環境濕度升高會帶來微生物病害增加的危險；抑制可溶鹽析出時，如果不同時進行脫鹽，仍然無法避免鹽害的威脅等。如何抑制微生物出現等石質文物風化機理研究，如何選用有效脫鹽等保護材料研究，以及與其相關的基礎性研究是包括我國在內的國際石質文物科研工作者在未來需要探討的課題。

作者簡介：杜之巖（1987—），男，博士后，主要研究方向為土遺址與石質文物科學保護。Email：duzhiyan@fudan.edu.cn.

通信作者：王金華（1964—），男，二級教授，本科，主要研究方向為土遺址與石質文物科學保護。Email：jinhuawang@fudan.edu.cn.

基金項目：國家重點研發計劃項目（2021YFC1523400）；重慶市自然科學資金面上項目（cstc2021jcyj-msxmX0903）；山西省文物局文物保護科技項目（208141400237）

①? ?例如，歐美不可移動石質文物多以教堂等建筑為主，使用疏水材料對文物表面進行防水保護處理的效果良好；但相同方法卻不適用在我國石窟寺等大量與山體相接的石質文物上，甚至會引發表層脫落等嚴重后果。

②? ?般若寺十三重石塔建于13世紀，是日本重要文化財，石塔由我國石匠用產自寧波的梅園石雕刻而成，見證了古代中日文化交流。

③? ?與壁畫古墳不同，裝飾古墳中的“裝飾”不采用灰層而是由顏料直接繪制于墓室內壁，以圖騰形狀居多。

參考文獻

澤田正昭.石造文化財保存処理の現狀と課題[R].山形：東北蕓術工科大學文化財保存修復研究センター，2017：8-14.

肥塚隆保，高妻洋成，降幡順子.高松塚古墳石室解體[R].奈良：獨立行政法人國立文化財機構奈良文化財研究所，2008：32-33.

李永輝，小椋大輔，鉾井修一，等.高松塚古墳の発掘前後の石室內溫濕度環境変化と応急保存対策の効果の解析[J].日本建築學會環境系論文集，2010，75（658）：1041-1050.

森井順之.屋外石造文化財の環境計測および環境制御[J].マテリアルライフ學會誌，2011，23（2）：67-71.

小椋大輔，鉾井修一，高橋公一，等.闘鶏山古墳の石槨內部発掘調査時の空調制御方法に関する研究[J].保存科學，2011，50：23-33.

脇谷草一郎，高妻洋成.史跡ガランドヤ古墳の保存に関する研究-石室保護施設の設置による結露性狀変化の検討[R].奈良：獨立行政法人國立文化財機構奈良文化財研究所，2013：72-73.

高取伸光，小椋大輔，脇谷草一郎，等.覆屋內溫濕度変動が磨崖仏の塩類風化に及ぼす影響の數値解析-元町石仏の保存に関する研究 その1[J].日本建築學會環境系論文集，2017，82（733）：215-225.

KIRIYAMA K，WAKIYA S，TAKATORI N，et al.Environmental?control for mitigating salt deterioration by sodium sulfate on Motomachi Stone Buddha in Oita prefecture，Japan[C]//STEFFEN L.Proceedings of SWBSS 2017.Potsdam，Germany：Fachhochschule Potsdam：2017：118-124

日田市教育庁文化財保護課.史跡ガランドヤ古墳保存整備事業報告書：1號墳の保存整備報告[M].日田：日田市教育委員會，2017：1-33.

日田市教育庁文化財保護課.史跡ガランドヤ古墳 ： 史跡ガランドヤ古墳の保存整備に伴う調査報告書[M].日田：日田市教育委員會，2010：49-61.

脇谷草一郎，杜之巖.遺跡保存施設の環境設計[J].月刊考古學ジャーナル/考古學ジャーナル編集委員會編，2020（736）：10-14.

日田市政府網站.ガランドヤ古墳公園[EB/OL].（2022-11-01）[2023-03-09].https：//www.city.hita.oita.jp/soshiki/kyoikucho/bunkazaihogoka/maizobunkazai/garandoyakofun/13462.html.

大分市教育委員會.國指定史跡大分元町石仏：保存整備事業報告書[M].大分：大分市教育委員會，2016：1-25，84-101.

KIRIYAMA K，WAKIYA S，TAKATORI N，et al.The current state and factors of salt deterioration of the buddha statue carved onto a cliff at motomachi in oita prefecture of japan[C]//HUGHES J J. and Howind T.Proceeding of 13th International Congress on the Deterioration and Conservation of Stone.Paisley，Scotland：University of West Scotland，2016：1163-1170.

RODRIGUEZ‐NAVARRO C，DOEHNE E.Salt weathering：influence of evaporation rate， supersaturation and crystallization pattern[J].Earth Surface Processes and Landforms：The Journal of the British Geomorphological Research Group，1999，24（3）：191-209.

DOEHNE E.Salt weathering：a selective review[J].Geological Society，2002，205（1）：51-64.

FLATT R J.Salt damage in porous materials：how high supersaturations are generated[J].Journal of Crystal Growth，2002，242（3-4）：435-454.

高取伸光，小椋大輔，脇谷草一郎，等.覆屋の改修が石仏の塩類風化に與える影響の熱水分移動解析による評価-元町石仏の保存に関する研究 その2[J].日本建築學會環境系論文集，2020，85（768）：137-147.

大分市教育委員會.國指定史跡大分元町石仏：保存整備事業報告書Ⅱ[M].大分：大分市教育委員會，2019：20-30，84.