中国青海地区存在大量的土遗址，但是由于经历长时间的风化作用，许多土遗址表面都出现了不同程度的片状剥离病害，极大地危害了土遗址的长期保存。王旭东等^[1–5]采用PS（高浓度硅酸钾）和SH（高分子新材料）对土遗址片状剥离进行渗透加固，发现PS及SH对不同土遗址表面的抗风蚀、抗雨蚀及耐久性都有所改善。

近年来Li和徐杰等^[6–7]发现藓类有良好的固沙和生态保持作用；Xiao等^[8–10]发现苔藓有较好的水土保持功能；Marsh等^[11–12]发现苔藓有恢复边坡生态功能的作用。尽管有关苔藓的应用研究越来越广泛，但由于苔藓生长周期较长且对气候条件要求较高等原因导致有关苔藓在土遗址方面应用的研究仍鲜有报道，现有研究大多是基于对土遗址既有苔藓的调查以分析其保护作用的。

本文尝试利用苔藓加固土遗址片状剥离，苔藓生长一年后，通过对比苔藓生长前后的各种变化发现现阶段苔藓对增加土遗址的表面强度、改善颗粒级配和降低粉化层盐分富集都有良好效果，但苔藓多年生长后的加筋作用等则有待进一步研究。

位于青海省贵德县县城内的贵德古城是青海明长城的重要组成部分，其地理坐标为东经101°25′56″、北纬36°3′7″，海拔高度约2 108 m（图1）。该古城坐落于黄河之滨，呈方形分布，四周保存有较为完整的墙体，且该地区年平均降水300～400 mm，北墙外侧约1 km处有较大面积湿地公园，其所处气候及位置均较适宜苔藓生长。因此，选取贵德古城作为试验场地。

图1(Fig. 1)

图1 贵德古城位置 Fig. 1 Location of the ancient city of Guide

试验区划定在古城北墙，该墙体阴面片状剥离发育严重，表面有明显的龟裂，且在墙体表面发现零星存在较多高山毛氏藓。试验区大小为1 m×1 m，距墙底部约1.5 m，划定试验区内需包含少量苔藓。

野外试验时间选择在4—5月苔藓的繁殖季节，此时苔藓表面有大量孢子存在。首先，观察并记录试验开始前试验区内苔藓和片状剥离状态（图2）；然后，用微型贯入仪在试验区域内随机均匀地选取8个点测量无苔藓时初始表面贯入阻力。

图2(Fig. 2)

图2 试验前墙体原照 Fig. 2 Original wall before experiment

试验区初始状态观测结束后，在4—5月分别对试验区进行2组营养液喷洒灌溉，每组喷洒3次，后次喷洒待前次喷洒干透后进行；喷洒时，若墙体表面有明显汇流现象即停止。试验所用营养液为自制糯米浆液，不含无机盐。

喷洒营养液后让苔藓在自然状态下生长1年，并于翌年5月对苔藓的生长状态和片状剥离形态进行野外观察；再次在试验区域内随机均匀选取8个点测量有苔藓后的表面贯入阻力。

将无苔藓的墙面和生长苔藓后的墙面分别从外向内分为结皮层、粉土层、夯（母）土层3大土层，将结皮层从外向内分为结皮表层、结皮中层、结皮底层；在野外用小刀轻轻刮取足量各层土样进行编号（表1）；分别按不同土层进行以下各项室内试验。

表1(Tab. 1)

表1 试样来源及编号 Tab. 1 Sample source and numbers

表1 试样来源及编号 Tab. 1 Sample source and numbers 土样状态 结皮层 粉化层 夯(母)土层 结皮表层 结皮中层 结皮底层 无苔藓状态 wjb wjz wjd wf wf 有苔藓状态 yjb yjz yjd yf yh

先用玛瑙研钵制取各层土样粉末，然后将土样粉末放入载玻片毛化窗内利用荷兰PANalytical B.V公司生产的X′pertPro MPD进行X衍射分析。仪器所用阴极材料为铜，光管发生器功率40 mA、60 kV，衍射步长为0.017。

由于所取样品粒径均小于2 mm，因此采用英国Malvern Instruments Ltd公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪进行试验。测试前，先用10%的H₂O₂将土样煮沸18 h去除有机质，再用10%的盐酸去除碳酸盐，然后用（NaPO₃）₆配合声波仪震动使颗粒分散，最后放入仪器中测量颗粒分布。

土壤中盐分测定时，先在各土层取3组40 g土浸入200 g水中；然后，在24 ℃恒温振荡箱中振荡2 h；再用离心机分离出浸出液；最后采用美国DIONEX公司生产的DIONEX ICS-1500进行离子色谱分析，并取各土层的3组数据取平均值。

经过一年生长，原来零星的苔藓已经连成一片，覆盖了试验区内大部分墙体，原来3.0～6.0 mm的单根植株生长至24.0～29.0 mm。使用喷壶冲刷苔藓结皮的表面时没有出现浑浊的泥流，结皮层有一定的抗雨蚀能力，且苔藓生长过程中原有细小龟裂都被修复（图3）。苔藓在原片状剥离表面形成了一片连接在一起的生物结皮，原来只需徒手即能轻易剥落的片状剥离结皮层在形成苔藓根土复合物后已经很难再从表面剥落，这表明苔藓生长改善了墙体表面的整体性。

单独用环刀将结皮切割后，环刀内所保留的苔藓结皮较易剥落，且垂直切开土层发现，苔藓根系尚未完全进入夯（母）土层，大多根尖停留在粉化层中，这说明本阶段加固时的整体性是由于平行墙面的生物黏结和捆绑作用形成的，因此现阶段苔藓结皮平行于墙面方向的稳定性能远高于垂直墙面方向。杨凯等^[13]在其对黄土地区生物结皮的研究中也得到了相似的结论。

从表面贯入阻力来看（表2），有苔藓结皮的表面贯入阻力平均值为114.83 N，无苔藓结皮者均值仅为49.94 N；前者明显要比后者大很多，可见苔藓的生长加大了结皮层表面强度。余芹芹和Kirby等^[14–15]的研究也证明了植物根茎对土体强度的提高有着十分积极的作用。

综合野外观察和试验，可以发现苔藓生长能够在一定范围内加固片状剥离，改善其表面整体性、抗雨蚀性和强度，且苔藓的地表植株均较小，不会对土遗址外观有太大的影响。

图3(Fig. 3)

图3 苔藓生长后墙体 Fig. 3 After the growth of moss wall

表2(Tab. 2)

表2 苔藓生长前后表面贯入阻力变化 Tab. 2 Change of surface insertion resistance before and after the growth of moss

表2 苔藓生长前后表面贯入阻力变化 Tab. 2 Change of surface insertion resistance before and after the growth of moss N 状态 测点1 测点2 测点3 测点4 测点5 测点6 测点7 测点8 平均值 标准差 有苔藓时 117.2 94.5 161.2 92.6 145.0 99.5 120.3 88.3 114.83 24.855 27 无苔藓时 16.0 73.2 46.5 20.0 71.8 50.1 53.0 68.9 49.94 20.760 29

通过衍射分析发现，无论是无苔藓时的片状剥离层还是有苔藓时的结皮层，土层中的主要矿物成分为石英、钠长石和白云母；此外，还有少量的方解石、长石和斜绿泥石。各土层衍射波谱重合度非常高，以有苔藓时夯（母）土层衍射波谱为例（图4），其中衍射强度最高的为石英，达到51 797，且次高峰衍射强度为14 974，经分析也为石英波。土层中也许还含有少量其他矿物，但由于石英衍射波太强，那些含量太低衍射波波峰不明显的矿物没有分析出，而这些极低含量的矿物也基本不会对衍射结果造成明显影响。

结合半定量（表3）可知：苔藓生长前后两个时期各土层的矿物种类和含量都没有发生明显变化。因此，苔藓不会促进矿物成分的改变，也不会造成矿物在土层中的迁移。可认为苔藓生长过程中土体没有发生化学反应，无新物质生成。

图4(Fig. 4)

图4 有苔藓时夯（母）土层衍射波谱 Fig. 4 Diffraction spectrum of rammed earth layer after the growth of moss

表3(Tab. 3)

表3 X衍射半定量分析结果 Tab. 3 Results of semi-quantitative analysis of X-ray diffraction

表3 X衍射半定量分析结果 Tab. 3 Results of semi-quantitative analysis of X-ray diffraction 样号 状态 石英 钠长石 白云母 正长石 斜绿泥石 方解石 wjb 无苔藓 36 24 26 7 5 2 wjz 36 23 26 8 5 2 wjd 33 23 31 6 5 2 wf 36 19 29 6 6 4 wh 36 23 27 8 4 2 yjb 有苔藓 35 24 27 8 5 3 yjz 36 24 26 8 5 3 yjd 29 24 31 9 5 3 yf 37 20 29 7 4 3 yh 41 18 29 6 4 2

激光粒度仪测定不同粒组的含量及级配状态见表4。总体而言，苔藓生长前后各个土层土样级配良好，仅有粉化层级配不良，可见无论在片状剥离时期还是在苔藓生长后，粉化层都是工程性能最差的土层，但苔藓生长后粉化层的级配有所改善。

苔藓生长后各个土层砂粒含量明显降低，粉粒和黏粒含量明显增加，且各土层平均粒径都明显降低，这表明植物生长促进了颗粒的风化作用。许文强、罗格平等^[16–17]在对干旱区绿洲土地及天山北坡绿洲的研究中发现随着植物生长年限增加砂粒含量有降低，粉砂和黏粒含量有增加的趋势。可以推断，随着苔藓生长年限增加，土体平均粒径会进一步减小，最终粉粒含量下降，黏粒含量不断提升，这对改善各土层间连接性能，提高土体强度有积极的作用。

表4(Tab. 4)

表4 颗粒分析试验结果 Tab. 4 Particle analysis results

表4 颗粒分析试验结果 Tab. 4 Particle analysis results 试样号 状态 砂粒2～0.075 mm 含量/% 粉粒0.075～0.005 mm 含量/% 黏粒<0.005 mm 含量/% 不均匀 系数Cu 曲率 系数Cc 级配 平均 粒径/mm wjb 无苔藓 39.60 46.01 14.39 22.00 1.27 良好 0.045 wjz 38.47 46.47 15.06 22.98 1.28 良好 0.042 wjd 30.26 52.24 17.50 18.58 1.03 良好 0.031 wf 26.94 52.53 20.52 18.30 0.79 不良 0.029 wh 41.61 43.07 15.33 26.31 1.10 良好 0.046 yjb 有苔藓 24.09 55.66 20.25 18.72 1.10 良好 0.031 yjz 26.26 55.19 18.56 19.31 1.20 良好 0.016 yjd 23.94 58.67 17.39 16.12 1.12 良好 0.030 yf 17.01 58.87 24.12 12.85 0.92 不良 0.026 yh 25.67 58.55 15.78 16.76 1.59 良好 0.026

得到各土层阴阳离子含量如表5所示。苔藓生长前后，盐分在各层的分布产生了较大差异，特别是各土层盐分总含量差异尤为明显（图5）。粉化层在无苔藓时盐分含量为各土层最高，产生了盐分富集现象，有苔藓后该层盐分含量急剧减小，富集现象消失；其他土层无苔藓时盐分含量偏低，苔藓生长后盐分含量有较大提升。有苔藓后盐分含量最高的土层变为夯（母）土层，且自夯（母）土层向外各层盐分含量呈递减趋势。试验所采用营养液为糯米浆液，不会增加外层土体盐分含量，且现场观察发现苔藓根茎已经进入粉化层中，可见苔藓根茎能促进粉化层中盐分向内外两侧迁移。有苔藓时所有土层的盐分之和明显低于无苔藓时期，这是由部分盐分被苔藓植株吸收造成的。

就工程性而言，古城所处环境类型为Ⅱ类，无苔藓时粉化层中 ${\rm{SO}}_4^{2 - }$ 含量为6 151.80 mg·kg^–1>4 500 mg·kg^–1，粉化层的总矿化度达9 372.60 mg·kg^–1>9 000 mg·kg^–1，属于强腐蚀性土，其他各土层腐蚀性都很低。苔藓生长后，粉化层 ${\rm{SO}}_4^{2 - }$ 含量为263.66 mg·kg^–1<500 mg·kg^–1，总矿化度为1 584.64 mg·kg^–1<50 000 mg·kg^–1，腐蚀性明显降低，成为了弱腐蚀性土，土的工程性质大大提高。此外，粉化层与夯（母）土层和结皮层盐分含量的差异，将会导致3大土层之间土的各项性质出现较大差异，最终将加快土体风化速度。近年来，有不少学者认为粉层中盐分富集是导致片状剥离表面结皮容易脱落的主要原因之一^[18]，因此苔藓生长有效地降低了由于盐分含量不同造成的3大土层间各种性能差异，这也是苔藓生长后表面贯入阻力增加的原因之一。

表5(Tab. 5)

表5 土样易溶盐分析结果 Tab. 5 Analytical results of soil soluble salt

表5 土样易溶盐分析结果 Tab. 5 Analytical results of soil soluble salt 样品号 状态 阴离子含量/(mg·kg–1) 阳离子含量/(mg·kg–1) 易溶盐总量/(mg·kg–1) Cl– ${\rm{NO}}_3^ - $ ${\rm{SO}}_4^{2 - }$ Na+ K+ Mg2+ Ca2+ wjb 无苔藓 8.86 2.34 24.51 9.54 28.16 3.73 69.21 146.35 wjz 6.71 13.95 23.29 9.35 31.41 3.11 52.64 140.46 wjd 10.41 27.46 23.95 14.51 42.44 3.63 61.46 183.87 wf 61.11 310.16 6 151.80 206.58 181.96 62.04 2 398.94 9372.60 wh 115.42 845.70 186.95 142.89 32.71 36.70 292.71 1 653.08 yjb 有苔藓 18.70 4.51 24.27 17.91 27.67 5.10 86.98 185.14 yjz 78.04 143.23 85.78 53.00 99.98 12.29 187.18 659.48 yjd 143.80 403.21 95.77 57.28 79.44 12.78 168.54 960.82 yf 173.33 621.74 263.66 85.25 75.61 23.89 341.17 1 584.64 yh 252.38 1121.14 746.10 137.31 56.77 53.50 684.49 3 051.69

图5(Fig. 5)

图5 不同土层易溶盐总含量变化 Fig. 5 Changes of total soluble salt content in different soil layers

1）苔藓能够有效地加固片状剥离墙体，提高表面强度。

2）初期苔藓结皮在平行于墙面方向的稳定性能远高于垂直墙面方向，结皮整体性主要由水平向作用控制。

3）苔藓生长不会改变原土层中的矿物成分和含量。

4）苔藓生长过程中会使平均粒径减小，黏粒增加，对提高土体连接性及强度都有积极作用。

5）苔藓生长会吸收土层中部分盐分，加剧盐分在各土层间的运移，降低片状剥离粉化层盐分富集，使其腐蚀性大幅下降。

试验是基于原墙面零星存在苔藓情况下进行的。对于原本不存在苔藓的土遗址利用苔藓加固是否合适，以及如何根据土遗址所处环境选择合适的苔藓都有待进一步研究和探索。另外，苔藓生长周期较长，经过多年生长后是否会有更多根系长入夯（母）土层中，从而进一步起到加筋作用，以及土层中 ${\rm{NO}}_3^ - $ 在苔藓生长前后的各种变化也是今后研究的重点。