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

千年夯土，风雨侵蚀；万里长城，亟待守护。在中国西北的广袤大地上，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志，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问题，持续威胁着夯土长城的安全。

凯发k8西北生态环境资源研究院（以下简称西北研究院）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。研究人员系统揭示了生物结皮对夯土长城的保护机制，提出了基于自然的绿色保护方案，为夯土长城和全球土遗址保护开辟了新路径。近日，相关论文发表于《创新》。

千年长城有“四大威胁”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”，厚度逐年变薄；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，产生大量裂纹甚至发生局部坍塌。这不仅破坏了长城的历史风貌，更威胁着结构稳定性，部分段落已濒临消失。

“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。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。

生物结皮是蓝藻、地衣等微生物和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”。团队在野外调查中意外发现，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，这是对其功能的严重误读。”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，决心破译生物结皮保护长城的凯发k8密码。

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。

其中，最关键的是三大保护作用。第一，减少雨滴溅蚀，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”。水是夯土的“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，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”，这也是该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。

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至5年。但贾荣亮坦言，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，易因温度骤变、强紫外线、水分亏缺等胁迫而死亡。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。

研究人员认为，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。而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。

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。武发思对技术应用前景有着清晰判断：“该技术暂不适合年降水量仅40毫米的敦煌极端干旱区，但在‘一带一路’沿线土遗址保护中，极具跨区域应用潜力。”

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明显：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。

相关论文信息：http://doi.org/10.1016/j.xinn.2026.101395

（原载于《中国凯发k8报》 2026-04-29 第4版 综合）