馬星霞 王 麟 喬云飛 段恩澤 路 易方 旋 張 斌 王艷華 金琪軍
(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091; 2.寧波市文化遺產(chǎn)管理研究院 寧波 315000; 3.中國文化遺產(chǎn)研究院 北京 100029; 4.山西省古建筑與彩塑壁畫保護(hù)研究院 太原 030012; 5.中國文物保護(hù)基金會 北京 100007; 6.寧波市鄞州區(qū)文物保護(hù)管理中心 寧波 315000)
木蜂隸屬于膜翅目(Hymenoptera)蜜蜂總科(Apoidea)蜜蜂科(Apidae)木蜂亞科(Xylocopinae)木蜂族(Xylocopini)的唯一屬,即木蜂屬(Xylocopa)(賀春玲等, 2014),因大多數(shù)種類在木結(jié)構(gòu)中筑巢而得名,是蜜蜂總科中的大型種類。同其他蜜蜂一樣,木蜂筑巢也是為了保護(hù)、儲存食物和孵育下一代(Michener, 2007),但木蜂選擇在木結(jié)構(gòu)中筑巢,且尤其偏愛古建筑木結(jié)構(gòu),客觀上給建筑安全和文物保護(hù)工作帶來了隱患和難題(馬星霞等, 2021a)。在我國,木蜂被發(fā)現(xiàn)有14個亞屬近40種(吳燕如, 1982),不過有的喜歡在土中筑巢,有的喜歡在中空的莖稈[如蘆葦(Phragmitescommunis)]上筑巢,有的喜歡在竹桿中筑巢,有的則喜歡在木材中筑巢。選擇木材筑巢且對木結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害的木蜂主要有赤足木蜂(X.rufipes)、黃胸木蜂(X.appendiculata)、朱胸木蜂(X.ruficeps)、灰胸木蜂(X.phalothorax)和中華木蜂(X.sinensis)等,其中又以赤足木蜂和黃胸木蜂分布較廣和常見。馬星霞等(2021b)根據(jù)木蜂分布、種類、筑巢習(xí)性以及危害程度劃分全國木結(jié)構(gòu)古建筑木蜂危害風(fēng)險區(qū)域,除了黑龍江、內(nèi)蒙古、青海、新疆、寧夏和隴東以外的甘肅外,其他區(qū)域均存在木蜂危害風(fēng)險。
木蜂對建筑木構(gòu)件的危害和防治很早就有研究報道(陳慶源, 1966; 李參, 1984; 周嘉熹等, 1986; 吳建國等, 2002),但在古建筑維修和保護(hù)工程上一直未引起足夠重視,或許一是因為早些年木蜂對古建筑的影響不太突出,二是因為對木蜂的危害缺乏認(rèn)識和了解,且由于木蜂自身生活習(xí)性具有季節(jié)特點(diǎn),如果古建筑病害勘察時恰逢不是其活動期,則很難發(fā)現(xiàn)其蹤跡。古建筑木構(gòu)件材質(zhì)勘察中,陳允適(2007)根據(jù)目測的蟲孔數(shù)量將蟲蛀危害分為輕微蟲蛀、輕度蛀蝕、中度蛀蝕和嚴(yán)重蛀蝕4個等級: 觀察范圍內(nèi)可見蟲眼不超過3個,木材表層僅有不相連貫的簡短蛀道的記為“+”(輕微蟲蛀); 觀察范圍內(nèi)可見蟲眼不超過5個,木材內(nèi)蛀道相連,但蛀蝕深度不足2 cm的記為“++”(輕度蛀蝕); 表面蟲眼5~10個,木材蛀道交叉相連,蛀蝕深度超過5 cm的記為“+++”(中度蛀蝕); 表面蟲眼密布,木材內(nèi)蛀道交錯相連,整個木構(gòu)件成蜂窩狀,強(qiáng)度完全喪失的記為“++++”(嚴(yán)重蛀蝕)。該分級適用于對蠹蟲、天牛類幼蟲等鉆蝕性木材害蟲的危害調(diào)查。
在南方,往往木蜂危害嚴(yán)重的區(qū)域,其他害蟲如蠹蟲和白蟻危害也非常嚴(yán)重。白蟻危害評定和防治有嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可參照,如GB/T 51253—2017 《建設(shè)工程白蟻危害評定標(biāo)準(zhǔn)》、DB34/T 3326—2019 《古建筑白蟻防治技術(shù)規(guī)程》等,所以古建筑病蟲害防治工程常按照白蟻防治工程上報和設(shè)計。但實際上,木蜂對古建筑木構(gòu)件的危害機(jī)制不像白蟻和蠹蟲是降解木材成分,而是在木構(gòu)件上挖洞筑巢客觀上造成對木構(gòu)件的破壞,其危害特性、危害程度與蠹蟲和白蟻不同,需要根據(jù)其危害特性專門制定分級標(biāo)準(zhǔn)。
病害等級評定是古建筑維修設(shè)計和經(jīng)費(fèi)測算的重要依據(jù),對內(nèi)部腐朽和蟲蛀木材的危害等級評定往往借助于阻力儀、皮羅釘(pilodyn)和應(yīng)力波等無損檢測技術(shù)(段新芳等, 2007; 黃榮鳳等, 2007; 2010; 尚大軍等, 2007),在古建筑木結(jié)構(gòu)維修工程的專項勘察過程中,如何無需剖開構(gòu)件而根據(jù)外觀可見的孔洞判斷木構(gòu)件木蜂危害等級,是古建筑保護(hù)工程維修設(shè)計的重要和基礎(chǔ)性工作。
木蜂對木構(gòu)件的危害主要源于筑巢,故了解其筑巢習(xí)性有助于評定木蜂危害程度(馬星霞等, 2021b)。意大利、澳大利亞、巴西、泰國、北美和阿根廷等對本國分布各類木蜂的筑巢習(xí)性均有報道(Vicidomini,1996; Bernardinoetal., 2008;2013; Prageretal., 2011; Hongjamrassilpetal., 2014; Steenetal., 2000; Luciaetal., 2014),研究發(fā)現(xiàn),木蜂是一種社會性昆蟲,其生活存在分工和協(xié)作,可以有2~3只雌蜂在同一個巢內(nèi),但僅有1只雌蜂產(chǎn)卵和工作,另外的可能承擔(dān)著守衛(wèi)工作。木蜂在木材中的巢穴一般有分枝和不分枝2種情況,Gerling等(1978)采用X-射線法研究X.virginia的生活史,觀察到每個巢穴有1~4條分枝,每條分支隧道有1~8個巢室,隧道長3.9~47 cm,且每條隧道第二年會繼續(xù)增加0.8~9 cm。賀春玲等(2017)采集江西、四川和河南地區(qū)的赤足木蜂并進(jìn)行巢室解剖,分析其形態(tài)特征和筑巢行為發(fā)現(xiàn),赤足木蜂均會在巢口向內(nèi)挖掘一段主隧道,然后建巢室,有分枝型和不分枝型2種,分枝型數(shù)目2~10,分枝隧道長22.97~144.48 mm,每條分枝隧道有1~8個巢室,每個巢室長10.66~21.98 mm,巢室直徑9.79~14.4 mm,這預(yù)示著在木材表面雖然僅僅看到一個木蜂孔洞,但深入木材卻存在一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和精巧的巢穴供木蜂產(chǎn)卵和孵育后代,巢穴所建之處即木蜂啃咬木材之處,巢穴有多大損失木材體積就有多大,而不只是眼睛看到的一個孔洞而已。古建筑木構(gòu)件承載著重要的歷史文化信息,無法也不可能一一解剖構(gòu)件觀察了解木蜂對木構(gòu)件的影響; 但如果不清楚內(nèi)部危害程度,對危害不做處理和預(yù)警,萬一發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的坍塌事故則會給文物帶來損失,同時也存在安全隱患。
木蜂通常喜歡材質(zhì)松軟的木材(陳慶源,1966),故本研究擬選擇松軟的木材誘集木蜂筑巢,收集受木蜂危害的輕木構(gòu)件,采用內(nèi)窺鏡、CT掃描等方法探討無損檢測的可能性,通過巢穴解剖,基于木蜂巢穴構(gòu)造和危害程度,將表面勘察的木蜂孔洞情況與內(nèi)部損失建立聯(lián)系,劃分其危害等級,以期為古建筑保護(hù)工程勘察提供參考依據(jù)和評定標(biāo)準(zhǔn)。
誘集木蜂的木材樹種: 輕木(Ochromapyromidale)。
1.2.1 木構(gòu)件調(diào)查 實地勘察木結(jié)構(gòu)古建筑木構(gòu)件上的木蜂孔洞,拍照并記錄孔洞位置、孔洞數(shù)量、木構(gòu)件類型等。
1.2.2 木蜂誘集 將輕木鋸解為10 cm×10 cm×150 cm的試件若干,初春堆放于中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所實驗中心廠房,10月后觀察并收集帶有木蜂孔洞的輕木。
1.2.3 標(biāo)本收集和鑒定 捕捉孔洞中的木蜂,-20 ℃冰箱冷凍2~4 h至完全死亡后制作針插標(biāo)本,放大鏡觀察標(biāo)本特征,精確度0.01 mm的游標(biāo)卡尺測量其形態(tài)特征指標(biāo),并根據(jù)木蜂分類檢索表鑒定種類。
1.2.4 內(nèi)窺鏡檢查 將內(nèi)窺鏡(Teslong工業(yè)內(nèi)窺鏡,雙鏡頭,鏡頭直徑5.5 mm,像素100萬)深入木蜂孔洞,觀察內(nèi)部情況并拍照。
1.2.5 CT掃描 鋸解其中一個巢穴,按照CT儀器對試件的尺寸要求(長度方向不超過30 cm),制作試件尺寸為30 cm×8 cm×6 cm。將試件固定于工業(yè)CT機(jī)(工業(yè)CT/X-Ray,GEv/tomex/X S 240,測試環(huán)境溫度20 ℃、相對濕度50%)上,設(shè)置并調(diào)整參數(shù),調(diào)節(jié)測試對比度,經(jīng)3D掃描后分析試件,測試蟲蛀孔徑。
1.2.6 巢室內(nèi)部解剖觀察及容積計算 參照賀春玲等(2017)方法,首先用游標(biāo)卡尺測量巢口直徑,然后沿巢口小心解剖巢室,觀察巢穴構(gòu)造,記錄分枝數(shù),測量各隧道長度、直徑,記錄巢室數(shù)目。將每個主側(cè)分枝分成大小不等的多個圓柱體,計算圓柱體積后相加,得到每個巢穴隧道容積。測量每個巢穴在長度、寬度和深度3個方向上的跨度,按照立方體計算巢穴體積。
1.2.7 危害等級評定 基于木蜂隧道容積和巢穴體積估算木材內(nèi)部損失,劃分木構(gòu)件危害等級。
古建筑木蜂危害一般發(fā)生在建筑外廊,內(nèi)部構(gòu)件很少發(fā)生。依據(jù)觀察到的各木構(gòu)件木蜂危害發(fā)生數(shù)量,木蜂危害的木構(gòu)件種類依次為檐椽(圖1a、b)、斗栱(圖1c、d)、望板(圖1e)和柱(圖1f),嚴(yán)重的也危害門框(圖1g)、窗框(圖1h)和門板等; 表面往往僅留下不多的圓孔洞(圖1箭頭所指位置)。
勘察過程中發(fā)現(xiàn),有些木構(gòu)件因維修時刮開表面露出內(nèi)部巢穴,巢穴有多條隧道,延展面積很大(圖2a,木蜂危害的木枋); 有些木構(gòu)件木蜂舊孔洞擴(kuò)展成片,表面逐漸朽爛露出內(nèi)部,透過表面孔洞能觀察到木構(gòu)件內(nèi)部已大片損害(圖2b,木蜂危害的望板); 圓椽上的木蜂孔洞嚴(yán)重時常常表面爛掉,露出部分隧道(圖2c); 有些木蜂危害的斗栱已基本爛掉(圖2d、e)??筛Q見木蜂對木構(gòu)件的危害特性與蠹蟲和白蟻不同,有必要專門針對古建筑木構(gòu)件上的木蜂危害進(jìn)行等級評定。
圖1 古建筑木構(gòu)件上木蜂孔洞(箭頭位置指孔洞)Fig. 1 Carpenter bee holes on wooden components of ancient buildings(the arrow position refers to the entrance hole)
圖2 古建筑木構(gòu)件內(nèi)部被木蜂危害狀(箭頭所指位置為木蜂危害處)Fig. 2 The interior of wooden components of ancient buildings were damaged by carpenter bees(the arrow position refers to the damage hole)
從輕木木蜂巢穴中捕捉到20余只木蜂,依據(jù)外觀形態(tài)分為2種,通過檢索表查詢并與中科院動物所館藏標(biāo)本對照,鑒定為黃胸木蜂[Xylocopa(Koptortosoma)appendiculata]。黃胸木蜂雌雄異型,體長平均24~25 mm,胸部被黃色毛,腹部第1節(jié)背板黃毛,雄性第2~6節(jié)背板密被黃毛,復(fù)眼內(nèi)緣頂端稍內(nèi)傾,唇基黃色(圖3a); 雌性后足被黑色毛,胸側(cè)毛黃色,翅深褐色閃紫光(圖3b、c)。以往報道北京地區(qū)木蜂種類有中華木蜂和黃胸木蜂(吳燕如, 1982),本研究獲得的標(biāo)本鑒定結(jié)果與文獻(xiàn)報道一致。
綜合圖4(a)、(b)可知,當(dāng)能見度和傳輸距離均為1 km時,研究1.064 μm在平流霧中的傳輸應(yīng)該特別考慮接收屏大小對透過率的影響,10.6 μm在輻射霧中有很好的傳輸性.
圖3 黃胸木蜂Fig. 3 Xylocopa(Koptortosoma) appendiculata a.雄性面部Male face; b.雌性面部Female face; c.雌性背部Female back.
內(nèi)窺鏡深入各巢口探究巢穴內(nèi)部大致走向,結(jié)果只能伸入主隧道。主隧道很短,可直接觀察到底部(圖4a),通過側(cè)面鏡頭能大致觀察到次隧道洞口與主隧道幾乎垂直(圖4a箭頭指向2條次級隧道延伸方向,與主隧道垂直),其中一側(cè)能看到并列平行有2條次隧道,且2條分枝距離很近(圖4b)。檢查時內(nèi)窺鏡探頭能伸入的分枝隧道經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有活木蜂占據(jù)(圖4c)。
圖4 內(nèi)窺鏡觀察木蜂巢穴Fig. 4 Carpenter bee nest by endoscope a.巢口入口,箭頭方向為隧道分枝延伸方向The entrance of carpenter bee nest, the arrow direction is the extension direction of the branches; b. 2條平行的隧道分枝Two parallel tunnels; c. 其中1條分枝內(nèi)的木蜂One carpenter bee in the tunnel.
CT掃描隨掃描點(diǎn)顯示不同面的內(nèi)部巢穴情況(圖5),可以清晰了解每個點(diǎn)縱橫側(cè)(圖5中a、b、c面)3個方向的隧道以及巢穴構(gòu)造。圖5C中b面顯示巢口向內(nèi)主隧道很短,有2條分枝平行向兩側(cè)擴(kuò)展,2個平行方向的次級隧道距離很近(圖5B中c面),由于CT儀器對尺寸的要求,整個試件的巢穴并不完整,兩邊鋸切面均露出隧道口(圖5A)。一個分枝長度應(yīng)大于21.5 cm,另一個分枝長度應(yīng)大于8.5 cm,掃描圖顯示隧道貫穿整個試件(圖5B、C),隧道直徑平均1.4~1.5 cm。
共解剖觀察測量25個巢口,巢口一般呈圓形,偶爾稍橢圓,直徑最小9.9 mm,最大13.1 mm,平均巢口直徑10~13 mm。共解剖11個巢穴,均為分枝型(圖6),主隧道較短甚至不明顯,或在次隧道又顯示一條短的次主隧道(圖6f中綠色箭頭位置)。隧道分枝數(shù)一般3~5條,將11個巢穴分為A、B、C和D四型(圖7),其中A型構(gòu)造5個,入巢口后隧道分別向左右兩邊2條分枝共4條分枝(圖6a、b); B型構(gòu)造4個,入巢口后一側(cè)平行2條分枝,另一側(cè)只1條分枝共3條分枝(圖6c、d); 另外2個巢穴比較復(fù)雜,5條分枝的記為C型(圖6e); 主隧道后出現(xiàn)次主隧道,延伸多條分枝,分枝數(shù)多于5條以上的歸為D型(圖6f)。每條分枝隧道的巢室數(shù)最少僅1個,最多17個,平均6~7個,大多為6~8個。每和巢穴內(nèi)共有巢室數(shù)一般18~34個,平均27~28個。
表1顯示,巢室內(nèi)徑一般1.40~1.82 cm,平均1.55 cm,比巢口直徑大。經(jīng)測量,每條分枝長度7~30 cm,平均14.4 cm。巢穴隧道容積最小約95.37 cm3,最大約198.53 cm3,平均約133.67 cm3,可見外觀發(fā)現(xiàn)的一個木蜂巢孔在木構(gòu)件內(nèi)部的木材損失約133.67 cm3。每個巢穴在木材內(nèi)部的長向跨度25~47.8 cm,寬向跨度6~10.7 cm,平均跨度33.05 cm×6.88 cm。整個巢穴在木構(gòu)件中的體積最小1 033.20 cm3,最大2 007.60 cm3,平均1 436.58 cm3,說明一個木蜂巢孔對應(yīng)的一個巢穴在木構(gòu)件內(nèi)部的體積約1 500 cm3。不同分枝類型巢穴比較發(fā)現(xiàn),黃胸木蜂A型即4條分枝隧道的巢穴結(jié)構(gòu)最多,巢穴平均體積1 428.64 cm3,為4種巢穴體積的平均水平。
黃胸木蜂在我國分布范圍很廣,除了內(nèi)蒙古、甘肅、青海、新疆、寧夏和黑龍江外,其他各省均有分布,故黃胸木蜂對木構(gòu)件的危害研究在所有木蜂危害中具有代表性。古建筑木構(gòu)件上廣泛存在的另一類木蜂為赤足木蜂,其在浙江、四川、貴州、廣西、福建、湖南、江西、江蘇、安徽和陜西等地均有分布和危害(吳燕如, 1982)。據(jù)賀春玲等(2017)研究,赤足木蜂筑巢方式與黃胸木蜂非常相似: 筑巢大多為分枝型(73.91%),巢口形狀近圓形,直徑平均9.51 mm,比黃胸木蜂巢口直徑稍??; 赤足木蜂分枝型巢室分枝數(shù)為2~10條,每個巢室直徑9.79~14.4 mm,雖然比黃胸木蜂小,但分枝數(shù)較多(圖2a),估算每個巢穴的危害程度與黃胸木蜂相似。
圖5 CT掃描不同位置時各方向內(nèi)部巢穴Fig. 5 CT scanning picture of different positions紅色箭頭方向指向巢口位置; a、b、c分別代表不同面; +指掃描點(diǎn)位; A為測試樣品,B、C分別為掃描不同點(diǎn)位的3個面成像。The arrow position refers to the entrance hole; a, b and c represent different section in one position; + represent the position of scanning; A, the wood sample; B and C are CT scanning pictures of three sections in different positions.
圖6 木蜂巢室解剖Fig. 6 The structure of the carpenter bee nests紅色箭頭指向巢口; 綠色箭頭為次主隧道。The red arrow position refers to the entrance hole; the green arrow indicates the secondary main tunnel.
圖7 木蜂巢室結(jié)構(gòu)示意Fig. 7 The structure diagram of the carpenter bee nests箭頭指向巢口The arrow position refers to the entrance hole.
因巢穴結(jié)構(gòu)復(fù)雜,次隧道與主隧道夾角較大,內(nèi)窺鏡伸不到各分枝觀察; 而CT掃描受尺寸限制(長度不超過30 cm),巢穴結(jié)構(gòu)往往超出掃描范圍,且因不便攜,故采用目前無損檢測儀器不能實現(xiàn)木蜂對木構(gòu)件危害的判斷。基于木蜂巢穴結(jié)構(gòu)構(gòu)建特征、隧道容積和巢穴體積估算木材損失程度,劃分木蜂危害等級,結(jié)果見表2。當(dāng)木構(gòu)件有且僅有1個木蜂孔洞時,定為1級危害,估算內(nèi)部木材損失約130 cm3,巢穴在木構(gòu)件中的體積約1 400 cm3; 當(dāng)木構(gòu)件有2~3個木蜂孔洞時,估算內(nèi)部木材損失260~390 cm3,巢穴在木構(gòu)件中的體積2 800~4 200 cm3,定為2級危害; 當(dāng)木構(gòu)件有4~5個木蜂孔洞時,估算內(nèi)部木材損失500~650 cm3,巢穴在木構(gòu)件中的體積5 600~7 000 cm3,定為3級危害; 當(dāng)木構(gòu)件有6個及以上木蜂孔洞時,一般木構(gòu)件完全朽爛敗壞(圖2d、e),估算內(nèi)部木材損失大于650 cm3,巢穴在木構(gòu)件中的體積大于7 000 cm3,定為4級危害。
在安全評價上,需進(jìn)行綜合分析,無論單個木構(gòu)件的危害等級為哪一級,如果出現(xiàn)木蜂孔洞,就需管理者特別留意,一是留意次年活動季(一般為3—10月)木蜂還會不會到訪,如果有木蜂繼續(xù)到訪就說明木蜂危害會持續(xù)并加劇,對木構(gòu)件有破壞的風(fēng)險,需立即采取治理措施; 二是留意觀察孔洞是當(dāng)年還是前一年蛀蝕的,木蜂常常有利用老巢的特性,與老巢雖共用一個巢口,但會挖掘新的隧道,巢穴內(nèi)部容積會加大,對木構(gòu)件的損害也會加大,危害等級也會增大。需要說明的是,從木蜂危害古建筑木構(gòu)件的類型來看,容易發(fā)生木蜂危害的外檐椽、望板往往為非承重構(gòu)件,對斗栱的危害一般為局部構(gòu)件,對整個建筑安全要比白蟻危害風(fēng)險低,采取合理措施是可以減小損失的。
表1 木蜂巢穴隧道容積和巢穴體積Tab.1 Total volume of tunnels and the size of the nest
表2 古建筑木構(gòu)件木蜂危害分級劃分Tab.2 The carpenter bee damage grades for wooden structure of ancient buildings
1) 本研究收集到的輕木危害木蜂經(jīng)鑒定為黃胸木蜂,與文獻(xiàn)報道的北京地區(qū)木蜂種類一致。
2) 采用內(nèi)窺鏡輔助可觀察到木蜂危害木構(gòu)件的主隧道很短,次分枝2~3條,同一方向上2條分枝平行且大部分距離很近,分枝與主隧道夾角垂直,阻止內(nèi)窺鏡進(jìn)一步伸入; CT掃描有助于了解內(nèi)部巢穴構(gòu)造,但因不便攜,掃描需要特殊環(huán)境,且木蜂巢穴一般超出掃描范圍,在古建筑勘察中不便使用。
3) 基于巢穴構(gòu)建特征和隧道容積,從巢穴所占體積估算木材損失程度,古建筑木構(gòu)件木蜂危害可劃分為1~4級: 當(dāng)木構(gòu)件有且僅有1個木蜂孔洞時,為1級危害; 有2~3個木蜂孔洞時,為2級危害; 有4~5個木蜂孔洞時,為3級危害; 當(dāng)有6個及以上木蜂孔洞時,為4級危害。
4) 經(jīng)勘察,各地古建筑木蜂危害主要發(fā)生在建筑外廊,危害的木構(gòu)件主要是檐椽、望板、斗栱、廊柱,嚴(yán)重的也危害門窗框和門板等,一般為非承重或非獨(dú)立作用構(gòu)件,對整個古建筑的安全風(fēng)險較低,及時采取合理措施是可以減小損失的。