他们为全球土遗址提供中国方案中国科学报

千年夯土，风雨侵蚀；万里长城，亟待守护。在中国西北广袤大地上，分布着大量战国秦长城、明长城等珍贵夯土遗址，它们是中华文明的重要标识，也是世界文化遗产的杰出代表。然而，长期以来，表层风化剥落、根部酥碱掏蚀、墙体裂隙发育甚至坍塌等病害，持续威胁着夯土长城的安全。

在传统化学加固技术遭遇瓶颈之际，中国科学院西北生态环境资源研究院干旱区生态安全与可持续发展全国重点实验室，联合敦煌研究院中国—吉尔吉斯斯坦文化遗产保护“一带一路”联合实验室，历经多年野外调查与室内实验，在土遗址生物保护领域取得重大突破。

研究成果系统揭示了生物结皮对夯土长城的保护机制与双重属性，提出了基于自然的绿色保护方案，为夯土长城及全球土遗址保护开辟了全新路径。相关论文发表于《创新》。

武发思研究员利用红外热成像仪拍摄明长城永昌段生物结皮。受访者供图。

千年长城遇“风化之殇”，传统保护遇瓶颈

夯土长城是中国古代建筑的杰出成就，以黄土为主要原料，经分层夯筑而成，历经数百年乃至上千年岁月洗礼，成为见证历史、传承文明的活化石。在全球范围内，土遗址分布广泛，但其材质特性决定了它们极易受自然营力破坏。风蚀、水蚀、冻融、盐害，是悬在夯土长城头顶的“四大威胁”。

研究团队在长期野外调查中发现，甘肃、宁夏、陕西等长城沿线的夯土墙体，普遍存在表层风化剥落现象，墙体表面不断“掉土”，厚度逐年减薄；墙体根部因雨水冲刷、盐分聚集，出现严重的酥碱掏蚀，如同被“啃噬”一般；部分墙体因干湿循环、冻融循环，产生大量裂隙，甚至发生局部坍塌。这些病害不仅破坏了长城的历史风貌，更威胁着其结构稳定性，部分段落已濒临消失。

“面对严峻的病害形势，传统保护技术发挥了重要作用，但也暴露出明显局限。”敦煌研究院研究员武发思表示，目前常用的化学加固材料，如有机硅、环氧树脂等，虽然能在短期内提高墙体强度、缓解风化问题，但存在与夯土本体兼容性差、成本高昂、有效期短、易产生二次破坏等问题。部分化学材料固化后会改变墙体透气性，导致内部水分无法排出，反而加剧冻融与盐害；还有的材料老化后会出现开裂、脱落，与原生夯土形成鲜明反差，破坏文物原貌。

近年来，“基于自然的解决方案”成为全球文化遗产保护的主流趋势。牛津大学利用植物软覆盖技术保护城墙遗址，敦煌研究院、中国科学院西北研究院团队尝试用生态手段保护三星堆、甘肃通渭战国秦长城等土遗址，绿色、环保、生态、可持续的保护理念，逐渐取代传统化学加固思路。正是在这样的背景下，研究团队将目光投向了一种长期被忽视的“天然材料”——生物结皮。

生物结皮，是由蓝藻、地衣等微生物，苔藓等低等植物，与土壤颗粒胶结形成的地表复合体，被誉为“生态系统工程师”。团队在野外调查中惊喜地发现，生物结皮是夯土长城本体上广泛存在的覆盖物，部分区域盖度高达60%以上。它们紧贴墙体表面，与夯土基质天然融合，形成一层薄薄的“皮肤”，默默发挥着固土防风、减蚀保墙的作用。

“在过去的保护修复中，生物结皮常被当作有害生物清除，这是对它功能的严重误读。”西北研究院副研究员段育龙介绍，生物结皮是能够自我维持、自我修复的生态系统，与夯土材质完全兼容，无化学污染，是理想的“绿色保护材料”。从“清除”到“守护”，研究团队开启了一场认知革命，决心揭开生物结皮保护长城的科学密码。

贾荣亮研究员在通渭战国秦长城采集监测数据。受访者供图。

一把“双刃剑”护长城，六大机制显威力

经过系统实验与分析，研究团队首次梳理出生物结皮保护夯土长城的六大核心机制：降低近地表吹蚀风速、缓冲夯土温度波动、削减雨滴击溅动能、降低径流冲刷速度、阻止雨水渗入墙体、提高夯土力学稳定性和抗蚀性。这些机制协同作用，为夯土长城构筑起一道全方位的生态防护屏障。

段育龙用通俗的比喻，解读了其中最关键的三大保护作用：第一，消减雨滴溅蚀，给墙体撑起“防护伞”。雨滴的冲击是水蚀起始，生物结皮的藻丝与微结构能缓冲动能，从源头阻止土体颗粒剥离；第二，限制雨水入渗，给墙体穿上“透气雨衣”。水是夯土“头号敌人”，结皮的菌丝与胶结物质可封堵表层孔隙，减少水分渗入，避免墙体软化、冻融及酥碱病害；第三，提升力学稳定性，给墙体加装“韧性外骨骼”。丝状蓝藻、菌丝与苔藓假根缠绕胶结土体，形成网状结构，显著提高夯土的抗压、抗剪及抗蚀能力，增强抵御风蚀水蚀的效果。然而，研究团队也清醒地认识到，生物结皮并非“完美保护层”，而是一把保护与损害并存的“双刃剑”，这也是本次研究最重要的结论之一。

“生物结皮的实际效果，取决于保护作用与损害风险的动态平衡，受气候环境、墙体材质、自身演替阶段三大因素共同制约。”西北研究院研究员贾荣亮指出，在干旱半干旱区，生物结皮的净保护作用占据主导：年降水量少、蒸发强烈，限制水分入渗的保护效应远大于水分滞留风险；风蚀强烈区域，结皮能显著提高起沙风速，增强墙体抗风蚀能力；墙体顶部、迎风面等侵蚀最严重部位，结皮的防护价值尤为突出。

但在半湿润区，如甘肃渭源秦长城段，风险开始显现。苔藓结皮吸水能力强、孔隙连通性好，会为雨水入渗提供优先通道，冬季水分滞留可能加剧冻融破坏；同时，生物结皮可能吸引蚂蚁、鼠类等小型动物筑巢觅食，间接造成墙体机械损伤与化学损伤。此外，藻结皮与藓结皮风险差异明显，藻结皮生物量小、吸水量低，损害风险远低于藓结皮，是夯土长城保护的首选材料。

研究团队通过对比分析证实，气候环境是影响保护效果的最显著因素。在干旱半干旱区，以蓝藻—地衣结皮为主，净保护效应突出；在半湿润区藓结皮比例上升，入渗速率提升，利弊效应需审慎评估。“生物结皮保护绝不能‘一刀切’，必须因地制宜、精准施策。”武发思强调，这一结论为后续靶向保护提供了核心依据。

研究团队在通渭战国秦长城附近进行生物结皮试验。受访者供图。

人工接种破“时间壁垒”，本土物种筑“保护框架”

自然状态下，生物结皮的形成与演替需要数年至数十年，漫长的周期无法满足长城抢救性保护的迫切需求。如何快速培育人工生物结皮，成为技术落地的核心难题。

团队目前正构建人工结皮繁育—接种技术体系，力争将自然形成周期缩短至1—5年。但贾荣亮研究员坦言，人工接种仍面临三大核心瓶颈：一是接种体存活率低，实验室培育的结皮生物移植到野外墙体，易受温度骤变、强紫外线、水分亏缺等胁迫死亡；二是垂直墙体附着难，夯土长城多为垂直墙面，接种体易脱落，难以稳定定殖；三是长期稳定性待验证，人工结皮能否持续发挥保护作用，仍需长期跟踪监测。

针对物种选择，团队指出：蓝藻结皮是人工接种的“先锋物种”。丝状蓝藻抗旱、抗寒、抗热能力极强，能在低水分条件下生存，可快速缠绕胶结土体，率先在贫瘠墙体表面定殖，为后续群落发育奠定基础；苔藓结皮对湿度要求高，更适合半湿润区、墙体阴面等湿润微环境；地衣结皮生长极慢、培育难度大，目前暂不适合野外接种。

研究团队在通渭战国秦长城附近进行生物结皮试验。受访者供图。

借助宏基因组学技术，团队已完成长城沿线生物结皮物种精准鉴定：在干旱半干旱区，优势物种为微鞘藻、细鞘丝藻、内果衣菌等；在半湿润区，优势种则为土生对齿藓。这些本土物种经过长期自然筛选，适配当地气候与土体环境，是人工接种的理想“种源”。

在野外工作中，团队始终坚守“保护优先” 原则，采用原位无损测定、微量取样分析，所有调查均在当地长城管理机构监督下完成。作为敦煌研究院文保研究人员武发思对技术应用前景有着清晰判断：“该技术暂不适合敦煌极端干旱区（年降水量仅 40mm），但在‘一带一路’沿线土遗址保护中，具备广阔跨区域应用潜力。” 生物结皮是全球陆地生态系统普遍存在的地被物，只要遵循 “因地制宜” 原则，筛选本土优势物种，定制化保护方案，就能为吉尔吉斯斯坦等沿线国家土遗址提供中国技术支撑。

与化学固沙剂、草方格等传统手段相比，生物结皮的生态兼容性优势无可替代：它是自我维持、自我修复的“活体保护层”，无需反复投入；100%天然材质，无化学污染、无材料冲突；兼具固碳、固氮、抑尘等生态效益，是真正的“绿色保护方案”。目前，团队已探索出“沙障+乔灌草+生物结皮”一体化修复模式，在三北风沙区成功应用，实现文物保护与生态修复协同增效。

关于技术落地时间表，段育龙表示，目前技术仍处于科学研究与试验示范阶段，大规模工程应用还需完成三大关键任务：一是优化人工繁育与接种技术，降低成本、提高效率；二是定量确定保护—损害临界阈值，为工程决策提供科学依据；三是联合文物保护管理部门，制定技术标准、施工规范与验收准则。