Effects of slope position on soil microbial biomass carbon and nitrogen in natural Pinus sylvestris var. mongolia forest in the cold temperature zone
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摘要:目的研究我国寒温带天然樟子松林土壤微生物生物量碳、氮含量与坡位之间的关系，了解樟子松林对立地条件的响应，揭示天然樟子松林土壤微生物生物量变化特征及影响因素。方法以大兴安岭北部不同坡位天然樟子松林为研究对象，选择坡上、坡中和坡下3种立地条件，采用氯仿熏蒸浸提法测定了0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土层土壤微生物生物量碳、氮含量。对其季节动态变化规律及影响因素进行分析比较。结果在观测期内（5—9月），樟子松林土壤微生物生物量碳、氮含量均呈现出波动式下降趋势，其变化范围分别是74.33 ~ 515.33 mg/kg和15.33 ~ 240.57 mg/kg，土壤微生物生物量碳氮比在1.04 ~ 5.73之间。坡位对土壤微生物生物量碳、氮和碳氮比产生显著影响（P < 0.01），坡下和坡中樟子松林土壤微生物生物碳、氮含量均值显著高于坡上（P < 0.05）；不同土层间土壤微生物生物量碳、氮含量也存在显著差异，0 ~ 10 cm土层显著高于10 ~ 20 cm土层（P < 0.05）。土壤微生物生物量碳、氮与土壤总有机碳、全氮和土壤含水量呈显著正相关，但与土壤温度和pH 值相关性不显著。结论坡位对天然樟子松林土壤微生物生物量影响显著，其含量存在明显的立地分异规律性，土壤总有机碳、全氮和土壤含水量是导致土壤微生物生物量碳、氮差异的主要影响因子。Abstract:ObjectiveIn order to study the characteristics of soil microbial biomass carbon and nitrogen in natural Pinus sylvestris var. mongolia forest in the cold temperature zone, the dynamic variation rule of soil microbial biomass carbon and nitrogen and those influencing factors were analyzed to provide a theoretical basis for soil nutrient transport and flow characteristics in the natural Pinus sylvestris var. mongolia forest.MethodMeasurements were taken every month from May to September in 2017 at three sites, including the top, the middle, the lower regions of slope in the Pinus sylvestris var. mongolia forest. The microbial biomass carbon and nitrogen in the 0−10 cm and 10−20 cm were determined by chloroform fumigation and extraction method, with their seasonal dynamics and the relationships with soil physicochemical properties in three sites.ResultThe results showed that the soil microbial biomass carbon and nitrogen contents under different slope positions presented fluctuating downward trends from May to September, with the ranges of 74.33 to 515.33 mg/kg and 15.33 to 240.57 mg/kg, respectively. The microbial biomass carbon-nitrogen radio was between 1.04 and 5.73, which was significantly different among varied site conditions during the measuring periods. The mean values of soil microbial biological carbon and nitrogen in the lower and middle regions of slopes were significantly higher than those in the top regions of slope (P < 0.05). Site conditions had significant effects on soil microbial biomass carbon, nitrogen and soil microbial biomass carbon-nitrogen ratio (P < 0.01). The soil microbial biomass carbon and nitrogen contents in 0−10 cm soil layer were significantly larger than those in 10−20 cm soil layer. Soil microbial biomass carbon and nitrogen were significantly positively correlated with soil total organic carbon, total nitrogen and soil water content, but not correlated with soil temperature and pH.ConclusionThe study shows that slope position has significant influence on soil microbial biomass in the Pinus sylvestris var. mongolia forest in the cold temperature zone, and its content has obvious site-differentiation rule. Soil total organic carbon, total nitrogen and soil water content are the main influencing factors leading to soil microbial biomass carbon and nitrogen difference.
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金中都水关修建于公元1151—1153年，距今已有约870年的历史，是金代中都南城墙下供河水进出的水道建筑，是金中都现存最大的遗址[1]。水关建筑以木石结构为主，其中木结构作为水关遗址的基础和主体，在整个水关结构中起到了重要的作用。木结构从用材加工、连接工艺到木石结合构造，都充分体现了金代水关建筑结构的成就，具有宝贵的历史和文物价值[2-4]。
该水关遗址于1991年被发现、挖掘，木结构从开始发掘到2001年治理前已陆续发生了木构件腐朽和开裂等退化现象。2001年，由中国林业科学研究院木材工业研究所木材保护专家和技术人员对水关遗址的擗石桩类木构件进行了防腐处理，使擗石桩类木构件得到了保护。二十多年过去，随着时间的推移和防腐材料的功效减弱、消失，遗址各类木构件退化程度更为明显，严重的甚至造成遗址的部分变形、塌陷，一定程度上威胁到水关遗址的存续。金中都水关遗址木结构亟待采取有效的保护修缮措施，尤其是对各类木构件缺陷状况的无损检测与评估工作已迫在眉睫。
无损检测指借助现代化的仪器和技术，在不影响被测对象的使用性能前提下，对其表面和内部的理化性质以及缺陷状况进行检测的方法[5]。目前应用于古建筑木构件的无损检测方法主要有敲击检测、微钻阻力检测、应力波检测等[6-7]。
目前，对于一般地上古建筑木构件无损检测的方法已经日趋成熟，但对于地下或半地下古建筑木结构的无损检测方法鲜有报道。张厚江等[8]从缺陷无损检测和力学性能无损检测两个方面讨论了木质材料的无损检测方法，其中主要包括振动法、射线法、机械应力变形法、雷达波法、应力波法、微钻阻力法。沈钰等[9]通过文献查阅结合现场勘测的方法对偃师商城水关建筑结构进行了复原研究，一定程度上还原了早期城市水利设施结构。张玄微[10]针对“南海Ⅰ号”宋代沉船中八百多年的饱水古木，分析了3个时期的环境变化对木质缺陷发展的影响。陈华锋等[11]通过对天长、淮北等地出土饱水木质样品含水率进行测试，探究了一种检测饱水古木含水率的溶液密度法。赵西平等[12]采用切片法对洛阳偃师古沉船木进行木材解剖特征识别，鉴定了沉船主要树种。李蕊等[13]以泰州水关遗址为例探讨了水关遗址的保护工作要点。淳庆等[14]、Pan等[15]通过对泰州水关遗址各个部位的受损情况进行检测评估，并利用有限元软件对关键部位进行力学性能分析，对遗址的修缮工作提供了参考与建议。对埋藏在地下的木构件或古木的现行研究各有侧重，但并没有一种全面、合理的检测评估方法。
依据现场测绘结果，首先绘制金中都水关遗址木结构组成模型图。在此基础上，将各种无损检测方法应用于遗址木结构缺陷状况的检测，汇总现场检测和实验室分析所获得的信息，对被测木构件状况给予分等，并归纳木构件腐朽缺陷存在规律。本研究不仅可以为金中都水关遗址的后续保护修缮提供数据支持，还可以对我国现有的以及后续将发掘的地下或半地下木结构的无损检测和评估提供参考。
1. 检测对象
图1为金中都水关遗址基础部分照片和结构简图。从平面简图（图1a）可以看到：遗址基础部分呈“﹞﹝”形，南北全长43.40 m，过水涵洞长21.35 m、宽7.70 m。水关遗址主要由3部分组成：水道（过水地面）、涵洞部位两厢、进出水口两侧的四摆手[2]。其中，涵洞部位两厢可细分为东厢和西厢，进出水口两侧的四摆手可细分为东北摆手、西北摆手、西南摆手和东南摆手。水关以插入土层里的密布木桩作为基础，木桩之上通过榫卯结构连接并固定木质衬石枋，形成一个可以缓冲吸振的基础木结构，在木结构上铺设石板，形成水道、两厢和四摆手。
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图 1 金中都水关遗址结构简图和现场照片1. 擗石桩 Stone fixed timber pile；2.衬石枋 Stone tined square；3. 基础木桩 Foundation timber pileFigure 1. Structural diagram and photo of the Jinzhongdu Watergate Site水关遗址木构件根据其自身构造、功能特点和所处环境的不同（图1），可分为擗石桩、基础木桩和衬石枋。擗石桩指插于水道南北两侧、四摆手边缘等处，用于减缓水流对石板冲击作用的木柱，其特点是木柱约3/4长度插入地下，约1/4长度露出地面；基础木桩指插入土层内起加固地基和支承作用的木桩，其特点是木柱全长插入地下；衬石枋指置于基础木桩之上，形成用于铺设石板平面的木梁。
水关木结构在地下埋藏了八百多年的时间。据当年发掘资料介绍，遗址木结构刚被发掘时，保持了较好的形状、结构和木构件力学性能。但目前现场的木结构肉眼可见状况很差，各类木构件退化严重。为加强对水关遗址的保护，需要对不同位置和不同类型的木构件的缺陷现状进行无损检测与评估。
2. 工作方法
2.1 遗址木结构模型图绘制与木构件统计
针对金中都水关遗址缺少木结构详细组成图的现状，现场勘测并统计擗石桩、基础木桩、衬石枋等木构件的位置、数目、典型尺寸和相互关联等信息，结合宋代《营造法式》[16]，绘制遗址木结构组成模型图，对各类木构件进行统计。
2.2 树种鉴定
在遗址不同位置选择不同类型的木构件，取试样回实验室，进行树种分析鉴定，明确木结构的树种组成。树种鉴定采用传统的显微观察法，即对试样进行软化、切片后观察其显微构造，依据木材显微构造特征，对比图鉴[17]，确定树种。树种鉴定一般到属，若通过获取高倍数显微照片，辨识木材独特的显微构造特征，一些常见和特殊的木材可鉴定到种[18-19]。
2.3 木结构缺陷状况检测与评估
2.3.1 工作原则
金中都水关遗址木结构大部分处于土层中或石板下，其中所有基础木桩均完全插入地下，所有擗石桩的大部插入地下，大部分衬石枋处于地下，少量衬石枋半露出地面。现场检测和评估的基本原则如下。
（1） 挖开擗石桩和基础木桩各1根，露出其整体高度，进行抽检，获得其整体缺陷状况信息。
（2） 充分利用擗石桩和衬石枋露出地面的部分，对所有擗石桩和半露出地面的衬石枋进行检测。
（3） 对部分基础木桩，扒开上面石板或土层，从上方抽检。
（4） 根据前面检测和木构件分等结果，对其他完全处于土层中或石板下的木构件状况进行推测评估。
2.3.2 木构件检测步骤
2.3.2.1 典型木桩挖掘
对1根半埋在地下的擗石桩和1根全埋在地下的基础木桩，在紧邻木桩的位置进行挖掘，尽最大可能保持遗址的完整性，并打开一个观察坑，供检测人员进行木桩全长检测作业。图2为擗石桩挖掘后示意图。
2.3.2.2 外观检测
根据GB/T 50165—2020《古建筑木结构维护与加固技术标准》[20]、GB/T 13942.2—2009《木材耐久性能第 2 部分：天然耐久性野外试验方法》[21]、DB11/T 1190.1—2015《古建筑结构安全性鉴定技术规范第1部分：木结构》[22]，通过目测、敲击、尺寸测量等手段，对木构件外观缺陷状况进行初步判断。木构件绝大部分裂纹都是从构件表面开始的，利用探针、卷尺等工具，检测木构件表面裂纹位置、形状和尺寸。
一些木构件因局部极度腐朽有长度消失现象，对消失长度的检测方法如下：各类木构件的原始长度根据古籍记载和历年现场开掘测量所得的数据确定；垂直构件包括擗石桩和基础木桩，极度腐朽总是从上端向下发展，故消失长度从上方测量；衬石枋为水平构件，长度消失均发生在半露出地面的衬石枋两端，可直接测量其消失长度。
2.3.2.3 内部缺陷检测
首先根据外观敲击检测结果，判断被测木构件内部是否有腐朽、空洞、裂纹等缺陷以及缺陷的大致位置；对可能有内部缺陷存在的木构件，进行微钻检测，所使用阻力仪为德国Rinntech公司开发的Resistograph 650-SC型微钻阻力仪。根据微钻阻力曲线，确认内部缺陷的形式和尺寸大小（图3）。
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图 3 基于微钻阻力曲线的木构件内部缺陷推测示意图Figure 3. Schematic diagram of the inference of internal defects in wooden components based on micro-drilling resistance curves2.3.2.4 含水率检测
对被测木构件不同位置进行木材含水率检测，为综合判断木构件腐朽原因和状况提供辅助性数据支持。含水率检测以GB/T 1927.4—2021《无疵小试样木材物理力学性质试验方法第4部分：含水率测定》[23]中所述实验室烘干法检测为主，现场木材含水率测定仪所测数据为辅，其中所用到的仪器分别为WGL-125B型鼓风烘干箱、YM-50型木材含水率测定仪。
2.3.2.5 木构件分等原则
由于各个被测木构件的全部或大部分本体埋在土层中，而目前没有专门适于地下木构件的分等标准，故参照已有地上古建筑木构件及木材的分等标准GB/T 50165—2020《古建筑木结构维护与加固技术标准》[20]、GB/T 13942.2—2009《木材耐久性能第 2 部分：天然耐久性野外试验方法》[21]、DB11/T 1190.1—2015《古建筑结构安全性鉴定技术规范第1 部分：木结构》[22]，结合金中都水关遗址木构件的实际情况和文物性质，制定了如表1所示的木构件缺陷分等标准。与这3个相关标准相比，表1的变动主要有3点：将木构件截面上的内部腐朽（心腐）和外部腐朽合并考虑；增加了对木构件腐朽长度消失的考虑；忽略了木构件变形因素。木构件依检测结果分为A、B、C、D共4等，定义比例系数的计算方法如式1 ~ 式4。
k1=SdS (1) 式中：k1为腐朽面积比例系数，Sd为木构件内外部腐朽的横截面最大面积，S为木构件横截面面积。
k2=ldl+ld (2) 式中：k2为长度消失比例系数，ld为木构件腐朽消失长度，l为木构件现长度。
m=lcl (3) 式中：m为裂纹长度比例系数，lc为裂纹长度。
n=hch (4) 式中：n为裂纹深度比例系数，hc为裂纹最大深度，h为木构件直径或裂纹深度方向边长。
表1中腐朽缺陷、裂纹缺陷、力学性能3项指标分别评级，以其中的最低级作为被测木构件的评级。腐朽缺陷、裂纹缺陷两项指标中分别有两个子指标，以子指标的最低级别作为该项指标级别。
表 1 木构件分等标准Table 1. Grading criteria for wooden components缺陷类型
Defect typeA等 Grade A B等 Grade B C等 Grade C D等 Grade D 腐朽缺陷
Decay defectk1 ≤ 0.05, k2 = 0 0.05 < k1 ≤ 0.35, 0 < k2 ≤ 0.1 0.35 < k1 ≤ 0.80, 0.1 < k2 ≤ 0.6 k1 > 0.80, k2 > 0.6 裂纹缺陷
Cracking defectm ≤ 0.1, n ≤ 0.1 0.1 < m ≤ 0.8, 0.1 < n ≤ 0.8 m > 0.8, n > 0.8 力学性能
Mechanical property有良好的力学性能
Good mechanical property有基本的力学性能
Basic mechanical property有较差的力学性能
Poor mechanical property几乎无力学性能
Almost no mechanical property注：k1为腐朽面积比例系数；k2为长度消失比例系数；m为裂纹长度比例系数；n为裂纹深度比例系数。 Notes: k1 is the decay area proportionality factor; k2 is the length disappearance proportionality factor; m is the crack length proportionality factor; n is the crack depth proportionality factor. 概括地讲，A等木构件为状况良好或有微小缺陷的木构件，有良好的承载能力；B等木构件为存在一定缺陷的木构件，有基本的承载能力；C等木构件为存在较大缺陷的木构件，有较差的承载能力；D等木构件为缺陷巨大的木构件，完全丧失承载能力。
3. 结果与分析
3.1 遗址木结构模型图与木构件统计
图4为根据现场勘测结果和遗址结构简图绘制的金中都水关遗址木结构三维复原模型图，主要分为过水地面、两厢、四摆手和过水地面南外端几个部分。过水地面木结构由297根基础木桩和17根衬石枋组成。其中，基础木桩按照自东向西共9列，由北向南共33行的方式排列。17根衬石枋则由北向南与单数行的基础木桩榫卯相连，并与双数行的基础木桩上端面形成铺设石板的支承面。此外，过水地面衬石枋两端承托着两厢与过水地面相邻的衬石枋；过水地面南北两端有擗石桩用以限定石板的位置，数目分别为16、22根。
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图 4 金中都水关遗址木结构三维复原模型图Figure 4. Three-dimensional restoration model of wooden structure of the Jinzhongdu Watergate Site东厢和西厢木结构相近，以西厢为例，共计约有24根衬石枋和117根基础木桩。衬石枋有大小、位置不同的两类。较小的内侧衬石枋一类共计18根，其中15根分为5列3行紧邻过水地面并按照南北朝向放置，形成高于过水地面的河岸平面，剩余3根侧放在由内向外第5列的最外侧，承托部分外侧木枋。较大的外侧衬石枋共计6根，按照2列3行紧邻内侧木枋南北朝向放置，形成高于河岸平面的外侧平面（截面细节见图1c）。每根内侧较小衬石枋由其下的5根等间距排列的基础木桩支承，每根外侧较大衬石枋则由其下的7根等距排列的基础木桩支承，且两端与基础木桩榫卯连接，共计约117根基础木桩。
四摆手木结构相仿，以东北摆手为例，共计有7根衬石枋和60根基础木桩及其毗邻的32根擗石桩。布局与两厢类似，木枋分为外侧大木枋和内侧小木枋，每根木枋由其下10根基础木桩支承，形成内侧河岸平面和较高的外侧平面。擗石桩沿着河岸石壁紧密排布，共计32根。最后，在过水地面南侧外端分布着两行并排的擗石桩用以固定外围石壁，共计39根。
表2为依据木结构三维复原模型图统计出来的木构件分类和汇总表。组成遗址木结构的木构件共有擗石桩、基础木桩、衬石枋这3大类，其数量分别为204根、771根、92根。擗石桩和基础木桩的典型尺寸分别为Φ（18 ~ 20） cm × 200 cm、Φ（20 ~ 22） cm × 160 cm，衬石枋按照位置不同典型尺寸分别为过水地面衬石枋40 cm × 30 cm × 830 cm、两厢小衬石枋31 cm × 30 cm × 622 cm、两厢大衬石枋48 cm × 30 cm × （739 ~ 1017） cm、四摆手衬石枋48 cm × 30 cm × （719 ~ 726） cm。每一大类依据过水地面、东西厢、四摆手等区域不同，又分为若干小类，具体数量如表2所示。
表 2 木构件分类和汇总Table 2. Wooden component classification and summary大类
Major category小类 Minor category 数量
Number典型尺寸 Typical size 小计
Subtotal合计
Total擗石桩
Stone fixed timber pile东北摆手擗石桩
Stone fixed timber pile in the northeast waving hand32 204 Φ（18 ~ 20） cm × 200 cm 西北摆手擗石桩
Stone fixed timber pile of northwest waving hand31 过水地面北端擗石桩
Stone fixed timber pile in the north end of streamway surface22 西南摆手擗石桩
Stone fixed timber pile in the southwest waving hand32 东南摆手擗石桩
Stone fixed timber pile in the southeast waving hand31 过水地面南端擗石桩
Stone fixed timber pile in the south end of streamway surface16 过水地面南外端擗石桩
Outside stone fixed timber pile on the south side of
the streamway surface39 其他 Others 1 基础木桩
Foundation timber pile过水地面基础木桩
Foundation timber pile in the streamway surface297 771 Φ（20 ~ 22） cm × 160 cm 东厢基础木桩
Foundation timber pile in the east wing117 西厢基础木桩
Foundation timber pile in the west wing117 东北摆手基础木桩
Foundation timber pile in the northeast waving hand60 西北摆手基础木桩
Foundation timber pile in the northwest waving hand60 西南摆手基础木桩
Foundation timber pile in the southwest waving hand60 东南摆手基础木桩
Foundation timber pile in the southeast waving hand60 衬石枋
Stone lined square过水地面衬石枋
Stone lined square in the streamway surface17 92 40 cm × 30 cm × 830 cm 东厢衬石枋
Stone lined square in the east wing23 48 cm × 30 cm ×
（739 ~ 1017） cm
31 cm × 30 cm × 622 cm西厢衬石枋
Stone lined square in the west wing24 东北摆手衬石枋
Stone lined square in the northeast waving hand7 48 cm × 30 cm ×
（719 ~ 726） cm西北摆手衬石枋
Stone lined square in the northwest waving hand7 西南摆手衬石枋
Stone lined square in the southwest waving hand7 东南摆手衬石枋
Stone lined square in the southeast waving hand7 3.2 木构件树种鉴定结果
对所采集的52个木构件样品进行树种鉴定，其结果如表3所示。金中都水关遗址木构件树种主要为落叶松（Larix principis-rupprechtii ）和樟子松（Pinus sylvestris var. mongholica），两者均为古建筑木结构常用木材树种。其中以落叶松为主，樟子松为辅；前者共47根约占总数的90.4%，后者共5根约占9.6%。
表 3 金中都水关遗址部分木构件树种鉴定结果Table 3. Species identification results for some of the wooden elements at the Jinzhongdu Watergate Sitete木构件类型 Type of wood component 树种 Tree species 数量 Number 衬石枋 Stone lined square 落叶松 Larix principis-rupprechtii 16 樟子松 Pinus sylvestris var. mongholica 4 基础木桩 Foundation timber pile 落叶松 Larix principis-rupprechtii 6 樟子松 Pinus sylvestris var. mongholica 1 擗石桩 Stone fixed timber pile 落叶松 Larix principis-rupprechtii 25 樟子松 Pinus sylvestris var. mongholica 0 合计 Total 落叶松 Larix principis-rupprechtii 47 樟子松 Pinus sylvestris var. mongholica 5 3.3 木结构状况检测与评估结果
3.3.1 被测木构件分等结果
表4为金中都水关遗址被测木构件的分等结果。3类木构件中均无A等；B等木构件共计117根，占被测木构件总数的49.6%；C等木构件共计88根，约占被测木构件总数的37.3%；D等木构件共计31根，约占被测木构件总数的13.1%。在共计236根被检测木构件中，204根擗石桩分等结果为A等0根、B等114根、C等73根、D等17根；13根基础木桩全部为D等，均达到“一碰就碎”的程度；19根衬石枋分等结果为A等0根、B等3根、C等15根、D等1根。各类木构件中各等级数量百分比分布见图5所示，被测擗石桩中，B、C、D等各占60.0%、38.4%、1.6%；被测基础木桩中，抽查的13根全为D等，为100%；被测衬石枋中，B、C、D等各占15.8%、78.9%、5.3%。可见，擗石桩总体状况相对最好，基础木桩整体状况相对最差。各类被测木构件分等结果位置分布如图6所示。
表 4 金中都水关遗址被测木构件分等结果Table 4. Grading results of measured wooden components at the Jinzhongdu Watergate Site木构件类型
Type of wood componentA等
Grade AB等
Grade BC等
Grade CD等
Grade D小计 Subtotal 擗石桩 Stone fixed timber pile 0 114 73 17 204 基础木桩 Foundation timber pile 0 0 0 13 13 衬石枋 Stone lined square 0 3 15 1 19 合计 Total 0 117 88 31 236 比例 Proportion 0 49.6% 37.3% 13.1% 100.0% ![]()
图 5 各类木构件不同等级数量百分比分布Figure 5. Histogram of the distribution of the number of different grades of wooden components of each type![]()
图 6 金中都水关遗址被测木构件分等结果示意图Figure 6. Diagram of the grading results of the measured wooden elements at the Jinzhongdu Watergate Site3.3.2 木构件缺陷状况检测例示
（1） 东南摆手41号擗石桩
41号擗石桩位于东南摆手处（见图6）。如图7所示：检测时被完全挖开，直径约18 cm，总高约为195 cm，地面以上高45 cm，地面以下深150 cm。该木桩呈现黑褐色，地表以上有多处开裂，临近地表处截面腐朽缺失较为严重，地表以下不同深度处有深浅不一的腐朽缺失。用小锤对其关键位置进行敲击检测，发现其地表以上部分质地结实，地表以下部分质地松软。
沿擗石桩纵向选择4个截面，进行微钻阻力检测，微钻检测深度为18 ~ 25 cm，检测位置和结果如图8所示。经微钻阻力检测发现：在截面4，以中度和轻度腐朽为主，部分重度腐朽处于远离石壁处；在截面3，靠近石壁侧以中度和轻度腐朽为主，远离石壁处以重度腐朽为主；在截面2，以重度腐朽为主，中间区域存在部分中度腐朽，靠近石壁区域阻力值低于150 rel，腐朽严重；在截面1，以45°倾角斜向下检测，以重度腐朽为主，少量区域存在中度腐朽。
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图 8 41号擗石桩检测位置和结果Figure 8. Detection positions and results of stone fixed timber pile 41进行微钻阻力检测的同时，对4个截面取样并进行实验室烘干法检测，测得其平均含水率从上到下分别为17.78%、48.54%、69.23%、100.00%。可以看到，木桩地表以下部分含水率明显远高于地表以上部分。含水率较低处出现开裂缺陷，腐朽越严重区域含水率越高。
该擗石桩20年前经过防腐处理，腐朽状况整体从上往下趋于严重，远离石壁侧比靠近石壁侧腐朽状况严重。木桩主体保存较为完整，缺陷面积比在5% ~ 35%内，长度损失比例 < 10%，且具有基本的力学性能，综合检测结果将该擗石桩定为B等。
（2） 过水地面2-2基础木桩
该基础木桩位于过水地面北部区域，由北往南数第2根衬石枋，从左往右数第2个榫眼处（如图6中所示），编号为过水地面2-2基础木桩。该桩与其上的衬石枋通过榫卯结构相连接，最大直径约19 cm，长约1.8 m，埋入地表以下约1.5 m。从侧面掘开2-2基础木桩，对其进行勘测。如图9所示：该木桩整体为黄褐色，腐朽严重，已经完全丧失木材的基本力学性能，呈现“一碰就碎，一碎就塌”的状态，无法进行微钻检测。
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图 9 过水地面2-2基础木桩现场图Figure 9. Photos of 2-2 foundation timber pile in the streamway surface该基础木桩整体处入土层中，呈现海绵状的高度腐朽，已经没有力学性能，且破碎后容易引发关联土层的坍塌。2-2基础木桩缺陷面积比 > 80%，长度损失比例 > 60%，几乎无力学性能，定为D等。
（3）1号衬石枋
如图10所示：该衬石枋位于遗址西厢，半露出地面。博物馆编号为“枋1”（位置见图6）。其主体部分仍然存在，但表面存在一定程度的腐朽缺失，两端有长裂纹。木枋总长为719 cm，平均高度为25 cm，平均宽度为48 cm，对其进行敲击检测，空气暴露面质地结实，但不同截面敲击声音有闷响。木枋与空气接触的部分的含水率均在20%以下。
对木枋从北往南3个截面共进行6次微钻检测，检测位置和各点检测结果见图11。微钻检测结果显示：该枋暴露的上侧和东侧的近表面力学性能良好，而底部近地面处、西侧邻近另一枋处以及中部有不同程度的腐朽。其中，中间截面底部近地面处有部分中度腐朽，南北两端近地面处和中部都有较为严重的腐朽。
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图 11 1号衬石枋检测位置和结果Figure 11. Diagram of the inspection location and results of stone lined square No. 1该衬石枋主体保存较为完整，缺陷面积比在5% ~ 35%内，长度损失 < 10%，且有基本的力学性能，综合外观检测和微钻阻力检测结果，将该枋定为B等。
3.3.3 木结构腐朽规律总结与推测
检测结果发现，水关遗址木构件缺陷主要类型为腐朽及腐朽导致的材料缺失，次要形式为裂纹。所有被检测到的木构件均存在腐朽缺陷，其中以基础木桩类木构件腐朽状况最为严重。对被测木构件腐朽的存在规律总结如下：
（1） 对单根木构件来讲，地面上的部分腐朽程度低，而埋在土壤中的部分腐朽严重。例如，基础木桩全面处于土壤中，13根被测基础木桩腐朽极其严重，均处于一碰即碎或材料消失状态；所有擗石桩地面以上部分腐朽程度低，而地面以下部分腐朽程度高；所有半露出地面的衬石枋，地面以上部分腐朽程度低，而地面以下部分腐朽更严重。
（2） 对单根木构件来讲，地面以上的部分腐朽处于停滞发展状态，而地面以下的部分腐朽还在发展中。经现场木构件含水率检测发现，木构件地面以上部分，含水率普遍处于7% ~ 18%范围，低于腐朽发生的临界含水率值20%；而木构件地面以下部分的含水率普遍处于20% ~ 100%范围，仍然处于腐朽发生区。
（3） 20年前的防腐处理，对被处理过的木构件有一定保护作用。据文献记载，2001年曾将全部擗石桩挖出，做过防腐处理后又置回原位，检测结果发现目前绝大部分擗石桩保持了基本原形态，且有一定的承载能力。与之对比，基础木桩完全位于土中，当年因操作困难等原因没有给予防腐处理，现抽查发现所有被测基础木桩腐朽程度极其严重。
依据前面基于被测木构件总结的腐朽规律，可以推测出未测木构件腐朽状况：所有未测基础木桩腐朽状况应当极其严重，均处于一碰即碎或材料消失状态，应均处于D等；所有未测衬石枋均被整体埋在土中和石板下，含水率较基础木桩中下部为低，但仍处于较高含水率环境20% ~ 35%，故应当均处于C等或D等。
4. 结 论
金中都水关遗址木结构的木构件部分或全部埋没在土层或石板下，本研究采用敲击、尺寸测量、含水率测量、微钻阻力检测等手段，挖开擗石桩和基础木桩各1根，同时充分利用其他木构件的外露表面，对木构件的缺陷状况进行了无损检测与评估，得到如下结论。
（1） 金中都水关木结构原型约由204根擗石桩、771根基础木桩、92根衬石枋组成。
（2） 遗址木构件主要缺陷形式为腐朽及腐朽导致的材料缺失，次要形式为裂纹。
（3） 遗址木结构整体缺陷状况严重，无木构件处于A等。在被测的204根擗石桩中，B、C、D等各占55.9%、35.9%、8.2%；在被测的19根衬石枋中，B、C、D等各占15.9%、78.9%、5.2%；在被测的13根基础木桩中，全部为D等。
（4） 对比相同环境下擗石桩和基础木桩的缺陷状况，可以看出2001年对擗石桩的防腐处理，对其起到了保护作用。
（5） 金中都水关遗址木结构树种以落叶松为主，樟子松为辅；前者约占90.4%，后者约占9.6%。
（6） 从单根木构件来讲，地面以上部分腐朽程度相对较轻，腐朽处于停滞发展状态；而地面以下部分腐朽程度相对严重，腐朽仍处于发展中。
实践证明，对水关遗址木构件的缺陷状况，综合利用敲击、尺寸测量、含水率测量和微钻阻力检测等方法进行检测、评估是可行的。
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图 1 不同坡位樟子松林各土层土壤微生物量月变化特征
Figure 1. Monthly dynamics of soil microbial biomass in different soil layers of varied slope positions of P. sylvestris var. mongolia forest
表 1 樟子松林基本特征
Table 1 Basic situation of Pinus sylvestris var. mongolia forest
坡位
Slope position海拔
Altitude/m树种组成
Species composition平均树高 Mean tree height/m 平均胸径 Mean DBH/cm 郁闭度
Canopy density林下主要植物
Major understory species樟子松
P. sylvestris var. mongolica其他树种
Other species樟子松
P. sylvestris var. mongolica其他树种
Other species坡上
Upper slope556 6P 2L 1S 1B 16.58 ± 1.75 13.74 ± 1.30 22.05 ± 4.18 16.22 ± 2.01 0.8 兴安杜鹃Rhododendron dauricum、北国红豆Vaccinium macrocarpon、越桔Vaccinium vitis-idaea 坡中
Middle slope512 8P 2L 16.53 ± 2.35 12.53 ± 2.34 22.40 ± 2.95 13.60 ± 1.48 0.7 兴安刺玫Rosa davurica、兴安杜鹃Rhododendron dauricum、北国红豆Vaccinium macrocarpon、越桔Vaccinium vitis-idaea 坡下
Down slope465 9P 1L 18.88 ± 2.96 16.87 ± 1.97 24.98 ± 2.53 19.28 ± 3.14 0.6 兴安刺玫Rosa davurica、兴安杜鹃Rhododendron dauricum、羽节蕨Gymnocarpium jessoense、北国红豆Vaccinium macrocarpon、凤毛菊Saussurea amurensis、越桔Vaccinium vitis-idaea、杜香Ledum palustre 注：P为樟子松；L为兴安落叶松；S为山杨；B为白桦。
Notes: P, Pinus sylvestris var. mongolica; L, Larix gmelinii; S, Populus davidiana; B, Betula platyphylla.
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表 2 樟子松林样地土壤性质
Table 2 Soil characteristics in sample plots of Pinus sylvestris var. mongolia forest
坡位
Slope position土层
Soil layer /cm有机碳
Organic carbon /(g∙kg− 1)全氮
Total nitrogen/(g∙kg− 1)土壤含水量
Soil water content/%pH 坡上 Upper slope 0 ~ 10 11.91 ± 1.65Ca 1.20 ± 0.11Ca 33.36 ± 4.56Ba 5.46 ± 0.12Aa 10 ~ 20 7.15 ± 1.08Bb 0.72 ± 0.06Bb 23.11 ± 2.35Ab 5.61 ± 0.08Aa 坡中 Middle slope 0 ~ 10 18.35 ± 2.60Ba 1.67 ± 0.41Ba 38.26 ± 3.01Ba 5.33 ± 0.07Aa 10 ~ 20 8.47 ± 2.07Bb 0.96 ± 0.29Bb 25.05 ± 4.42Ab 5.54 ± 0.10Aa 坡下 Down slope 0 ~ 10 24.87 ± 2.40Aa 2.43 ± 0.46Aa 47.30 ± 2.06Aa 5.24 ± 0.11Aa 10 ~ 20 13.71 ± 2.21Ab 1.84 ± 0.20Ab 27.13 ± 3.21Ab 5.30 ± 0.12Aa 注：不同大写字母表示不同坡位之间差异显著（P < 0. 05），不同小写字母表示不同土层间差异显著（P < 0. 05）。下同。Notes: different capital letters mean significant differences among varied slope positions (P < 0. 05). Different lowercase letters mean significant differences among varied soil layers (P < 0. 05). The same below.
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表 3 樟子松林不同坡位各层土壤微生物生物量碳、氮含量
Table 3 Soil microbial biomass carbon and nitrogen in different soil layers among varied slope positions of P. sylvestris var. mongolia forest
坡位
Slope position土层
Soil layer /cm土壤微生物生物量碳
MBC/(mg·kg− 1)土壤微生物生物量氮
MBN/(mg·kg− 1)土壤微生物生物量碳氮比
MBC/MBN坡上 Upper slope 0 ~ 10 267.13 ± 78.73Ba 94.34 ± 40.19Ba 3.07 ± 0.85Aa 10 ~ 20 100.88 ± 23.69Bb 37.36 ± 16.35Bb 3.08 ± 1.19Aa 坡中 Middle slope 0 ~ 10 291.31 ± 124.94Aa 117.95 ± 67.19Aa 2.84 ± 1.48Aa 10 ~ 20 176.76 ± 57.73Aa 75.12 ± 6.84Aa 2.54 ± 1.02Aa 坡下 Down slope 0 ~ 10 338.76 ± 94.08Aa 130.71 ± 40.04Aa 2.95 ± 1.51Aa 10 ~ 20 188.94 ± 60.53Ab 86.55 ± 29.31Aa 2.57 ± 1.47Aa Notes: MBC, microbial biomass carbon; MBN, microbial biomass nitrogen.
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表 4 土壤微生物生物量碳氮及其比值的方差分析
Table 4 ANOVA of soil microbial biomass carbon (MBC) and nitrogen (MBN) as well as MBC/MBN
差异来源
Source of difference土壤微生物生物量碳
MBC土壤微生物生物量氮
MBN土壤微生物生物量碳氮比
MBC/MBNdf F P df F P df F P 月份 Month 4 427.61 < 0.001 4 94.55 < 0.001 4 131.60 < 0.001 坡位 Slope position 2 188.83 < 0.001 2 106.38 < 0.001 2 18.15 < 0.001 土层 Soil layer 1 2 499.52 < 0.001 1 408.75 < 0.001 1 16.76 < 0.001 月份 × 坡位 Month × slope position 8 57.97 < 0.001 8 40.44 < 0.001 8 124.15 < 0.001 月份 × 土层 Month × soil layer 4 99.91 < 0.001 4 60.99 < 0.001 4 70.00 < 0.001 坡位 × 土层 Slope position × soil layer 2 43.21 < 0.001 2 4.62 0.014 2 4.70 0.013 月份 × 坡位 × 土层 Month × slope position × soil layer 8 33.14 < 0.001 8 5.64 < 0.01 8 17.39 < 0.001
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表 5 土壤微生物生物量碳、氮含量之间及其与土壤养分含量的相关系数
Table 5 Correlation coefficients between soil microbial biomass (C, N) and soil nutrient contents
总有机碳
TOC全氮
TN微生物生物量氮
MBNpH 土壤含水量
Soil water content土壤温度
Soil temperature微生物生物量碳 MBC 0.58** 0.69** 0.73** 0.32 0.49** − 0.57 微生物生物量氮 MBN 0.44* 0.67** 1 0.14 0.37* − 0.29 注：*和**分别表示P < 0.05相关性显著和 P < 0.01相关性极显著。Notes: * and ** indicate significant correlations at P< 0.05 and P <0.01 level.
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