生物对壁画的危害——昆虫对石窟壁画的危害与防治研究

 
　　在第五章讲到壁画病害时，已经提到了昆虫和霉菌对壁画的危害，我们称之为生物对壁画的危害。我国西北古丝绸之路上的各个石窟的壁画，几乎都不同程度地受到生物的侵蚀，有些已经到了非常严重的程度。寺院壁画也不例外，如青海的瞿坛寺、塔尔寺等，西藏的布达拉宫、大昭寺、罗布林卡和萨迦寺等。
　　近年来，国内外文物保护工作者就石窟自然环境中的水、温湿度变化、光、热、空气污染、风沙尘等，以及人的活动所造成的人文环境的变化对壁画的影响，已经做了大量的研究工作，提出了许多有效的对策，但就昆虫和霉菌对壁画的影响与危害，目前相关的研究报道不是很多，还没有引起学者们的足够重视。经过调查证明，昆虫和霉菌对露天壁画、石窟壁画、馆藏文物及木构古建筑等文物的损坏越来越明显，有些已造成对壁画等文物较严重的损坏。本研究以敦煌石窟(敦煌莫高窟、西千佛洞及安西榆林窟、东千佛洞等)为例，从石窟中昆虫和霉菌的种类、分离、鉴定、分布规律，影响和危害壁画的程度、方式及机理，以及综合防治试验等几个方面进行了初步探讨，旨在研究防治昆虫和霉菌对壁画文物损坏的对策。
　　一、昆虫对石窟壁画的危害与防治研究
　　(一)昆虫与壁画
　　昆虫是属于节肢动物门Arthropoda的一个纲，即昆虫纲(Insecta Hexapoda)。栖息在地球上的昆虫约有200万种，且全世界每年新记载的种类约在10000种以上。昆虫因种数之多，使其成为动物界最大的纲，我国目前记录的种类有6万余种。
　　昆虫由于适应能力强，分布范围广，从热带至两极，乃至高山之巅，地球上每个角落几乎都有昆虫栖息。昆虫不仅可以生活在地面上和土壤内，植物表面和植物体内，水中、冰雪上、洞穴、房屋和矿山、仓库，动植物尸体和排泄物上，而且还能寄生在人和动物体内。
　　1.昆虫的营养物质
　　(1)蛋白质
　　蛋白质是昆虫生长发育和生殖所需的主要营养物质。蛋白质的营养价值取决于组成蛋白质的各种氨基酸成分，氨基酸又可分为必需氨基酸和非必需氨基酸。必需氨基酸有精氨酸、组氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸等十种。非必需氨基酸是对正常营养必需氨基酸的一种补充物。
　　(2)糖类
　　糖类是昆虫食物的一种主要营养物质。葡萄糖、果糖和其他六碳糖都能被昆虫的幼虫和成虫很好地利用。
　　(3)脂肪
　　大多数昆虫能以食物中的糖类及蛋白质合成并积累脂肪，不必取食含有脂肪的物质。而有些昆虫不能合成脂肪，如一些蛾类，特别是亚油酸和亚麻酸，一旦缺少，昆虫生长受到抑制，成虫出现畸形翅。
　　(4)维生素
　　维生素在昆虫的代谢过程中起着重要作用，假若昆虫完全缺乏某种维生素或某种维生素供应不足，代谢作用就会失调，生长停顿，发育病态。维生素虽然需量甚微，但因不能在虫体内合成，所以必须由食物供给，且多数昆虫需要水溶性维生素。
　　(5)水分及无机盐类
　　水分和无机盐类是昆虫生长发育不可缺少的物质。昆虫所需的水分因昆虫种类而异，昆虫本身有调节水分的机能，如蜜蜂和蝇类取食含有多水分的食物，排出液状的粪便以除去多余的水分。黄粉甲幼虫和其他一些仓库害虫，其直肠能从食物杂渣中吸收水分，能利用代谢水，因此它们能以很干燥的食物来维持生命。昆虫对无机盐类的需要量甚微，但如Ca、Cl、Cu、Fe、Mg、Mn、P、K、Na、S、Zn等也是好多昆虫生命活动所必需的。
　　2.昆虫的食性
　　动物与其食物因素之间，存在着十分密切的关系。就昆虫取食的性质来说，可以分为肉食性——以活的动物为食；植食性——以活的植物为食；腐食性——以动植物的尸体或其他腐败物质、动物粪便等为食；杂食性——既可取食活的动植物，又可取腐食。昆虫食物专门化，按其程度可以分为单食性、复食性、多食性。食物的质和量对昆虫的生长、发育、繁殖有重大影响，即使是同种食料，由于质和量上的差异，对昆虫也会产生巨大影响。
　　敦煌壁画的地仗层一般由草泥层、麻、棉花泥层构成，棉、麻、草纤维类及其水解产物是昆虫的食料，壁画制作时，颜料中用以牛皮胶为主的动物皮胶作黏合剂，同时还有植物胶等。我们知道不论动物胶还是植物胶都是由不同的氨基酸组成的，这就为昆虫的生存提供了物质食料来源，同时石窟一般具有冬暖夏凉的特点，温差变化小，为昆虫的生长发育提供了适宜场所。
　　(二)敦煌石窟中的昆虫种类及其分布特点
　　1.昆虫种类
　　根据1996～2000年初步调查结果表明：危害敦煌石窟(包括敦煌莫高窟、西千佛洞、安西榆林窟)的昆虫大体包括2目、4科6种(表6-1)，且以鳞翅日夜蛾科的仿爱夜蛾为绝对优势种。
　　2.昆虫在石窟中的分布及其特征
　　对上述6种昆虫的分布情况进行多次调查，结果表明：莫高窟有壁画、彩塑的洞窟492个，有昆虫分布或受危害的洞窟75个，占总洞窟的15.2％，其中：下层洞窟48个，占64％；中层洞窟24个，占32％；上层洞窟3个，占4％。西千佛洞有洞窟21个，昆虫分布或受危害的洞窟4个，占总洞窟的19.0％。安西榆林窟有洞窟43个，有昆虫分布或受危害的洞窟18个，占总洞窟的41.7％，其中以西崖的几个洞窟危害最为严重，如2000年8月18日调查时第38窟主室西北披有350～450只蛾子(图6-1)。
　　昆虫在洞窟中的分布与其生活习性和洞窟环境有密切的关系。如仿爱夜蛾在莫高窟地区1年发生1代，成虫在洞窟内越夏越冬长达10个月之久，翌年4月中旬开始活动，4月下旬～5月中旬飞出洞窟，并在窟外完成从卵→幼虫→蛹→成虫的生活史，7月下旬成虫开始进入洞窟，8月中旬为入洞盛期(表6-2)。
　　进入洞窟的成虫活动于光线较强的洞口处，但随着温度的变化，可活动于较暗或无光处。到9月下旬成虫活动能力较弱，常常爬行于壁画表面或崖壁上准备越冬。翌年4月上旬当洞窟温度上升至10℃时成虫开始活动，并从光线较暗处向光线较强的洞窟口移动。4月下旬～5月上旬洞窟内温度达13℃，外界温度19℃，成虫从洞口陆续飞出洞窟。
　　(三)昆虫对壁画的危害分析
　　1.碰撞磨蚀壁画
　　成虫飞行时碰撞磨蚀壁画，使本来就很脆弱的壁画地仗及起甲严重的壁画颜料层脱落。
　　2.排泄物污染壁画
　　成虫的鳞粉及排泄物撒落在壁画表面，像蒙上一层污垢，影响壁画的清晰度。更为重要的是其排泄物中的水分、有机物质与壁画地仗成分、颜料等起化学反应，引起局部壁画颜料褪色、变色，甚至导致颜料层、白粉层翘起、脱落(图6-2)，加速了壁画病害的产生和发展。
　　3.昆虫对壁画危害机理分析
　　为了更进一步地搞清昆虫对壁画的危害机理，我们在敦煌莫高窟第85窟南坡选取被昆虫排泄物污染的颜料样品进行了偏光显微镜、红外光谱的分析。
　　(1)偏光显微镜剖面分析
　　选用OLYMPUS BH-2偏光显微镜。
　　1)样品1
　　在莫高窟第85窟南披距东南角307㎝处，用手术刀轻轻割取约1m㎡蛾类粪便污染的壁画样品，用热塑性树脂制成剖面，在偏光显微镜下观察其结构(图6-3)，层位如图6-4所示。
　　从图6-4可以看出，此样品剖面由三层组成，分别为均匀白色透明胶状层、黑色粪便层和棕黄色地仗层，层间结合紧密。蛾类粪便外层形成一层致密胶状物，将粪便紧紧包裹，使壁画表层局部张力增大，导致壁画开裂、脱落。
　　2)样品2
　　用同样的取样方法在莫高窟第85窟东披南侧取样，在偏光显微镜下观察其结构(图6-5)，层位如图6-6所示。
　　此样品由四层组成，即透明胶状物层、黑色粪便层、绿色颜料层和地仗层。由于昆虫粪便的作用，在壁画表面形成一层致密的胶状物，当粪便在干燥失水的过程中，致使壁画表面收缩龟裂，导致粪便下的颜料层开裂起甲。如上图6-6所示，莫高窟85窟蛾粪底下壁画的绿色颜料层呈现起甲状态，最后导致壁画颜料层，以及颜料层连同白粉层一起从地仗层上剥落。
　　在偏光显微镜下可以清楚地看到，上述两个试样的物性均表现为：棕黑色，松脂光泽，性脆，形态不定，透明或半透明。
　　(2)红外光谱分析
　　图6-7为莫高窟第85窟南披蛾类在壁画表面分泌残余物，经红外光谱(图6-8)分析，结果表明：在3500～3400㎝(-1)峰值时，虫害食物分解残余物主要为γ-CONH2(胺类、酰胺类)；在2360～2100㎝(-1)峰值时，残余物为γ-Si-H(有机硅类)；在1624㎝(-1)峰值时，残余物为γ-NH2(酰胺中之氨基)；在1321～1300cm(-1)峰值时，为γ-P＝O(磷酸盐)；并检测到碳酸酯。此外，还检测到1450～1410cm(-1)时壁画层中成分碳酸盐。
　　(3)颜色监测
　　使用Minolta CR-121色度计(标准C光源)，在莫高窟第85窟东披选择被蛾粪污染的5种颜色9个点和未被污染的5种颜色9个点进行颜色监测，对测得的色度进行比较(表6-3)。结果表明，蛾粪对不同颜料的颜色影响是不一样的，由于蛾粪本身为褐红色或褐黑色，所以对于褐色颜料或红色影响比较小，色差变化范围是由2～11个NBS不等。对于白粉层和蓝色影响比较大，由9～21个NBS不等。对于绿色颜料色差变化由3～13个NBS不等。对于同一种颜色来说，粪便的厚度对其色度影响也是不一样的，越厚的部位色差值越大，如4#和5#绿色，因厚度影响，其色差值相差10个NBS。由此可见，粪便对于壁画表面颜色影响较大，同时，增加了壁画修复除尘工作的难度。
　　(四)洞窟环境与窟内昆虫的关系
　　1.洞窟地形地势
　　分布在我国西北地区的石窟，绝大多数都开凿在悬崖断壁之上，窟前有大小不等的河流通过，与沙漠、干旱地区相比，具有湿度较高，温差较大，植被种类多，盖度大等特点，为许多昆虫提供了良好的生存条件。如莫高窟洞窟开凿在高度为30m左右的宕泉河西岸，海拔约1300m，东邻三危山，西接鸣沙山。由于鸣沙山与三危山较高，使莫高窟地区属浅山沟壑地带，具有温度高，湿度小，气候干燥少雨，大风日多等典型特点，加之宕泉河两岸的大量苦豆子植物，为仿爱夜蛾的生长发育提供了必要的食料来源。
　　2.洞窟温度
　　昆虫是变温动物，体温随着环境温度而变化，一般与环境温度相近。依一定温度下昆虫生命活动的特点可以划分为若干温区(图6-9)。在温带地区，昆虫正常生长发育的适宜温区一般在8～40℃。莫高窟窟内外温度均为昆虫生长发育的有效温区，且窟内温度变化平缓(图6-10)，为昆虫生长繁殖提供了适宜的场所。
　　6种昆虫在石窟中的分布以下层洞窟居多(占64％)，中层洞窟较少(占32％)，上层洞窟更少(占4％)，从图6-10可以看出，下层洞窟与上层洞窟的气温均属于适宜温区，且年平均温度仅差1℃，因此，温度不应是引起该昆虫分布不均的主要因素。研究其原因，可能与昆虫的生物学特性(习性、趋性等)以及窟内的温度、光照等有关，这些有待进一步观察与研究。
　　3.洞窟湿度
　　水是生物有机体的基本组成成分，是代谢过程中不可缺少的介质。昆虫体内的水分含量占体重的46％～92％。降水和湿度的不稳定性及多变性会对昆虫的各种生命活动造成巨大的影响。
　　由于湿度的变化及差异使得6种昆虫在莫高窟洞窟中的分布具有下层洞窟>中层洞窟>上层洞窟的特点，这与洞窟湿度的变化具有相似的规律(图6-10)。莫高窟第85窟作为下层洞窟的代表，第148窟作为中层洞窟的代表，从图6-10可以看出，第85窟年平均相对湿度30.2％，第148窟年平均相对湿度25.3％，这与洞窟昆虫的分布是一致的，从而也得出了莫高窟昆虫分布规律性的变化。
　　4.温、湿度综合影响
　　研究温、湿度对昆虫的综合影响，常常用气候图和温、湿度系数来表示。经过对莫高窟地区多年平均、1998和2000年的气候图比较，图6-11可以看出2000年的气候图变幅明显大于多年平均和1998年，而在三处石窟昆虫数量调查中发现，2000年应为仿爱夜蛾和清隘夜蛾的大发生年，据此可以通过类似的气候图来推断来年昆虫的发生情况，为昆虫预报和防治提供理论依据。
　　5.光、风对昆虫的影响
　　光对昆虫的影响主要决定于光的性质、强度和光周期等几个方面。大量实验证明，昆虫对紫外光的趋性远远高于白炽灯，也正是如此，人们往往利用这一特性来防治害虫，同时也使紫外光灯(黑光灯)在害虫的预报和防治中得到广泛应用。在一般可见光的范围内，光照强度对昆虫的生长发育并没有很大的关系，但在自然光和人工光源下均可以引起昆虫滞育。Standfus证实，一定剂量的γ射线或X射线，可以引起某些昆虫的不育效应，高剂量则可以杀死昆虫。昆虫的生物钟和年生活史与光周期有密切的关系，各种昆虫的临界光周期，不仅存在地理上的差别，而且食料、温湿度等的不同，也可导致临界光周期发生变化。
　　风对昆虫的迁移和地理分布有着直接的影响，如有些昆虫可以借助风力而远距离传播，而在我国南方，马尾松毛虫常在其上一代发生基地的下风方向继续危害。由于气流的流动可以改变空气的温度和湿度，也就改变了昆虫与环境间的热交换和水分交换，从而对昆虫的各种生命活动产生很大影响，表现了风对昆虫的间接影响。
　　6.土壤对昆虫的影响
　　土壤作为昆虫的栖境对昆虫的生命活动有很大的间接作用，其作用的大小取决于土壤三态(固态、液态、气态)构成的每一土类自身的温度、湿度、通气状况、机械组成、化学性质等一系列特性。
　　(五)防治试验
　　1.物理机械防治
　　一是在洞窟安装门窗、纱网等防护设施，阻止昆虫进入洞窟。1987年敦煌研究院在莫高窟、西千佛洞安装了铝合金窟门，1997年又在榆林窟安装了同样的窟门，大大减少了昆虫及麻雀、大雁等动物进入洞窟。根据昆虫的生活史，在成虫羽化的时期，在洞窟门上安装沙网等防护设施，阻止成虫进入洞窟。1997～2000年在三处石窟门上安装了纱窗，使进入洞窟的成虫比未安装前减少了85％，有效地减少了成虫进入洞窟，起到了较好的效果。二是集中捕杀。成虫一旦进入洞窟，在目前还没有成功的防治办法的情况下，组织专业技术人员进行集中抓捕，减少危害。但这种办法有可能对起甲、稣碱十分严重的病害壁画造成损坏，操作时一定要十分小心。1997年敦煌研究院西千佛洞文物保管所组织人员进行抓捕，使一时滞留在石窟中的昆虫减少了95％以上，效果十分明显。三是利用成虫趋光性的特点，在成虫羽化的盛期，在洞窟外用20W黑光灯诱杀成虫(图6-12)，效果显著。
　　2.生物化学防治
　　一是利用昆虫食性专一的特点，清除寄主植物，恶化生存条件，控制种群数量。二是培养天敌，控制有害昆虫，建立良好的生态环境系统。三是选择15％灭幼脲三号胶悬剂1：300倍液，或苏云金杆菌每克含胞量150亿，于6月上旬对仿爱夜蛾2龄幼虫喷药防治，防治效果分别为85.6％、61.5％。四是选择2.5％敌杀死乳油4500倍液，或20％杀灭菊酯乳油4000倍液，或25％氧乐菊酯乳油1500倍液，于6月上旬防治2～3龄幼虫，喷药后24h防治效果分别为97.6％、91.2％和85.5％。
　　(六)结果与讨论
　　昆虫对石窟壁画的侵蚀与危害已是文物保护工作面临的重要研究课题之一，其对石窟壁画的危害已逐渐被人们所认识，并必将得到越来越多的关注。通过本次研究工作，我们可以初步得出如下结论：
　　(1)危害敦煌石窟的昆虫包括2目、4科6种，且以鳞翅目夜蛾科的仿爱夜蛾为绝对优势种。昆虫成虫不仅飞行时对起甲、酥碱严重的壁画造成巨大的损坏，而且其排泄物与壁画地仗、颜料作用，是导致壁画起甲、颜料层脱落、画面污染的主要原因之一。
　　(2)石窟及石窟壁画为昆虫生长发育提供了适宜场所。从生态学、生物学角度入手，研究其发生发展规律，开展以营林、物理机械、生物、化学等为主的综合防治工作均能取得理想效果。对露天壁画、寺院壁画、馆藏文物及古木建筑的防虫工作有一定的借鉴。
　　(3)研制既有利于壁画保护，又可防治石窟有害昆虫的新型生物杀虫剂是目前急需解决的首要问题。
　　(4)进一步研究分析昆虫鳞粉、体表成分及排泄物对石窟寺壁画的危害机理，弄清其与壁画颜料、地仗发生的各种化学反应，揭示相互作用的规律，是防治害虫、保护壁画的关键所在。