他們給夯土長城穿上 “生物鎧甲”

研究團隊在通渭戰(zhàn)國秦長城附近進行生物結皮試驗。受訪者供圖

千年夯土，風雨侵蝕；萬里長城，亟待守護。在中國西北的廣袤大地上，分布著大量戰(zhàn)國秦長城、明長城等珍貴夯土遺址，它們是中華文明的重要標志，也是世界文化遺產的杰出代表。然而，長期以來，表層風化剝落、根部酥堿掏蝕、墻體裂隙發(fā)育甚至坍塌等問題，持續(xù)威脅著夯土長城的安全。

中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院（以下簡稱西北研究院）干旱區(qū)生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展全國重點實驗室聯(lián)合敦煌研究院中國-吉爾吉斯斯坦文化遺產保護“一帶一路”聯(lián)合實驗室，歷經多年野外調查與室內實驗，在土遺址生物保護領域取得重大突破。研究人員系統(tǒng)揭示了生物結皮對夯土長城的保護機制，提出了基于自然的綠色保護方案，為夯土長城和全球土遺址保護開辟了新路徑。近日，相關論文發(fā)表于《創(chuàng)新》。

千年長城有“四大威脅”傳統(tǒng)保護遇瓶頸

夯土長城是中國古代建筑的杰出成就，以黃土為主要原料，經分層夯筑而成，歷經數(shù)百年乃至上千年歲月洗禮，成為見證歷史、傳承文明的活化石。在全球范圍內，土遺址分布廣泛，但材質特性決定了它們極易受自然營力破壞。風蝕、水蝕、凍融、鹽害，是懸在夯土長城頭頂?shù)摹八拇笸{”。

研究團隊在長期野外調查中發(fā)現(xiàn)，甘肅、寧夏、陜西等長城沿線的夯土墻體，普遍存在表層風化剝落現(xiàn)象，墻體表面不斷“掉土”，厚度逐年變薄；墻體根部因雨水沖刷、鹽分聚集，出現(xiàn)嚴重的酥堿掏蝕，如同被啃噬一般；部分墻體因干濕循環(huán)、凍融循環(huán)，產生大量裂紋甚至發(fā)生局部坍塌。這不僅破壞了長城的歷史風貌，更威脅著結構穩(wěn)定性，部分段落已瀕臨消失。

“傳統(tǒng)保護技術發(fā)揮了重要作用，但也暴露出明顯局限。”敦煌研究院研究員武發(fā)思表示，目前常用的化學加固材料，如有機硅、環(huán)氧樹脂等，雖然能在短期內提高墻體強度、緩解風化問題，但存在與夯土本體兼容性差、成本高昂、有效期短、易產生二次破壞等問題。部分化學材料固化后會改變墻體透氣性，導致內部水分無法排出，反而加劇凍融與鹽害；還有的材料老化后會開裂、脫落，與原生夯土形成鮮明反差，破壞文物原貌。

近年來，“基于自然的解決方案”成為全球文化遺產保護的主流趨勢。綠色、環(huán)保、生態(tài)、可持續(xù)的保護理念，逐漸取代傳統(tǒng)化學加固思路。正是在這樣的背景下，研究團隊將目光投向了一種長期被忽視的“天然材料”——生物結皮。

生物結皮是藍藻、地衣等微生物和苔蘚等低等植物與土壤顆粒膠結形成的地表復合體，被譽為“生態(tài)系統(tǒng)工程師”。團隊在野外調查中意外發(fā)現(xiàn)，生物結皮是夯土長城本體上廣泛存在的覆蓋物，部分區(qū)域蓋度高達60%以上。它們緊貼墻體表面，與夯土基質天然融合，形成一層薄薄的“皮膚”，默默發(fā)揮著固土防風、減蝕保墻的作用。

“在過去的保護修復中，生物結皮常被當作有害生物清除，這是對其功能的嚴重誤讀。”西北研究院副研究員段育龍介紹，生物結皮是能夠自我維持、自我修復的生態(tài)系統(tǒng)，與夯土材質完全兼容，無化學污染，是理想的“綠色保護材料”。從“清除”到“守護”，研究團隊開啟了一場認知革命，決心破譯生物結皮保護長城的科學密碼。

一把“雙刃劍”護長城六大機制顯威力

經過系統(tǒng)實驗與分析，研究團隊首次梳理出生物結皮保護夯土長城的六大核心機制——降低近地表吹蝕風速、緩沖夯土溫度波動、削減雨滴擊濺動能、降低徑流沖刷速度、阻止雨水滲入墻體、提高夯土力學穩(wěn)定性和抗蝕性。這些機制協(xié)同作用，為夯土長城構筑起一道全方位的生態(tài)防護屏障。

其中，最關鍵的是三大保護作用。第一，減少雨滴濺蝕，給墻體撐起“防護傘”。雨滴的沖擊是水蝕起始，生物結皮的藻絲與微結構能緩沖動能，從源頭阻止土體顆粒剝離。第二，限制雨水入滲，給墻體穿上“透氣雨衣”。水是夯土的“頭號敵人”，結皮的菌絲與膠結物質可封堵表層孔隙，減少水分滲入，避免墻體軟化、凍融及酥堿病害。第三，提升力學穩(wěn)定性，給墻體加裝“韌性外骨骼”。絲狀藍藻、菌絲與苔蘚假根纏繞膠結土體，形成網狀結構，顯著提高夯土的抗壓、抗剪及抗蝕能力，增強抵御風蝕水蝕的效果。

然而，生物結皮并非“完美保護層”，而是一把保護與損害并存的“雙刃劍”，這也是該研究最重要的結論之一。

“生物結皮的實際效果取決于保護作用與損害風險的動態(tài)平衡，受氣候環(huán)境、墻體材質、自身演替階段三大因素共同制約。”西北研究院研究員賈榮亮指出，在干旱半干旱區(qū)，生物結皮的凈保護作用占據(jù)主導——年降水量少、蒸發(fā)強烈，限制水分入滲的保護效應遠大于水分滯留風險；風蝕強烈區(qū)域，結皮能顯著提高起沙風速，增強墻體抗風蝕能力；墻體頂部、迎風面等侵蝕最嚴重部位，結皮的防護價值尤為突出。

但在半濕潤區(qū)，如甘肅渭源秦長城段，風險開始顯現(xiàn)。苔蘚結皮吸水能力強、孔隙連通性好，會為雨水入滲提供優(yōu)先通道，冬季水分滯留可能加劇凍融破壞；同時，生物結皮可能吸引螞蟻、鼠類等小型動物筑巢覓食，間接造成墻體機械損傷與化學損傷。此外，藻結皮與蘚結皮風險差異明顯，藻結皮生物量小、吸水量低，損害風險遠低于蘚結皮，是夯土長城保護的首選材料。

研究團隊通過對比分析證實，氣候環(huán)境是影響保護效果的最顯著因素。在干旱半干旱區(qū)，以藍藻-地衣結皮為主，凈保護效應突出；在半濕潤區(qū)蘚結皮比例上升，入滲速率提升，利弊效應需審慎評估。

“生物結皮保護絕不能‘一刀切’，必須因地制宜、精準施策。”武發(fā)思強調，這一結論為后續(xù)靶向保護提供了核心依據(jù)。

人工接種破“時間壁壘”本土物種筑“保護框架”

自然狀態(tài)下，生物結皮的形成與演替需要數(shù)年至數(shù)十年，漫長的周期無法滿足長城搶救性保護的迫切需求。如何快速培育人工生物結皮，成為技術落地的核心難題。

團隊目前正構建人工結皮繁育接種技術體系，力爭將自然形成周期縮短至1至5年。但賈榮亮坦言，人工接種仍面臨三大核心瓶頸。一是接種體存活率低，實驗室培育的結皮生物移植到野外墻體，易因溫度驟變、強紫外線、水分虧缺等脅迫而死亡。二是垂直墻體附著難，夯土長城多為垂直墻面，接種體易脫落，難以穩(wěn)定定殖。三是長期穩(wěn)定性待驗證，人工結皮能否持續(xù)發(fā)揮保護作用，仍需長期跟蹤監(jiān)測。

研究人員認為，藍藻結皮是人工接種的“先鋒物種”。絲狀藍藻抗旱、抗寒、抗熱能力極強，能在低水分條件下生存，可快速纏繞膠結土體，率先在貧瘠墻體表面定殖，為后續(xù)群落發(fā)育奠定基礎。而苔蘚結皮對濕度要求高，更適合半濕潤區(qū)、墻體陰面等濕潤微環(huán)境；地衣結皮生長極慢、培育難度大，目前暫不適合野外接種。

借助宏基因組學技術，團隊已完成長城沿線生物結皮物種精準鑒定：在干旱半干旱區(qū)，優(yōu)勢物種為微鞘藻、細鞘絲藻、內果衣菌等；在半濕潤區(qū)，優(yōu)勢種則為土生對齒蘚。這些本土物種經過長期自然篩選，適配當?shù)貧夂蚺c土體環(huán)境，是人工接種的理想“種源”。

在野外工作中，團隊始終堅守“保護優(yōu)先” 原則，采用原位無損測定、微量取樣分析，所有調查均在當?shù)亻L城管理機構監(jiān)督下完成。武發(fā)思對技術應用前景有著清晰判斷：“該技術暫不適合年降水量僅40毫米的敦煌極端干旱區(qū)，但在‘一帶一路’沿線土遺址保護中，極具跨區(qū)域應用潛力。”

與化學固沙劑、草方格等傳統(tǒng)手段相比，生物結皮的生態(tài)兼容性優(yōu)勢明顯：它是自我維持、自我修復的“活體保護層”，無需反復投入；100%天然材質，無化學污染、無材料沖突；兼具固碳、固氮、抑塵等生態(tài)效益，是真正的“綠色保護方案”。目前，團隊已探索出“沙障+喬灌草+生物結皮”一體化修復模式，在三北風沙區(qū)成功應用，實現(xiàn)文物保護與生態(tài)修復協(xié)同增效。

來源：中國科學報

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