在人类文明史上，木材作为最早被广泛利用的天然材料之一，自新石器时代(约公元前10000—前2000年)起便被用于建筑、舟船、礼器及日用器物的制作，是人类从迁徙生活走向定居文明的重要物质基础。至青铜时代以后，尽管金属器具逐渐占据重要地位，木构建筑、漆木器、简牍、木俑及船舶等木质文物仍以其数量庞大、工艺精湛与信息丰富，成为研究古代社会生产技术、生活习俗与文化信仰的关键实物证据。湖北江陵战国木椁墓、四川成都船棺葬、江苏盱眙大云山汉墓漆木器，以及“南海Ⅰ号”宋代沉船等重大考古发现，均展示了中国古代木质文物在形制、装饰与工艺方面的卓越成就，也承载着古代生态环境、木材利用方式、髹漆技艺乃至文字记载的珍贵信息，具有不可替代的历史、艺术与科学价值[1]。
然而，与陶瓷、金属等无机质文物相比，木材作为一种多孔、各向异性且富含纤维素、半纤维素和木质素等有机成分的天然复合材料，对环境中的水分、温度、光照、微生物及化学污染物高度敏感，极易发生腐蚀降解[2]。根据2004年国家文物局“全国馆藏文物腐蚀损失调查”，在潮湿的南方地区，木质文物病害率高达41%，其中重度腐蚀(如腐朽、开裂、变形)远高于其他材质的文物。具体腐蚀类型包括：(1)微生物腐蚀——褐腐菌、白腐菌和软腐菌分别降解纤维素、半纤维素与木质素，导致木材密度下降，力学强度严重丧失；(2) 化学腐蚀——酸性或碱性环境中发生糖苷键断裂、自由基氧化及硫铁化合物反应，造成木材粉化、变黑；(3) 材料劣化老化——湿度波动引起干缩应力，造成微裂隙扩展与结构变形。尤其值得关注的是，我国大部分出土木质文物来自饱水环境，其在出土后若脱水或环境控制不当，极易发生急剧劣化。木质文物的腐蚀行为不仅取决于其化学组成、微观结构和含水状态，还与埋藏历史、环境条件及保护干预措施密切相关。
本文在广泛调研国内外最新研究成果的基础上，围绕“木质文物腐蚀行为与防护技术”这一主题，首先深入剖析木材在生物、化学及物理因素作用下的多层次腐蚀机理；其次从木材自身组分、微观结构及外部环境多角度解析腐蚀影响因子；再次总结当前的无损/微损检测手段；随后重点评述聚乙二醇(PEG)渗透加固法、有机硅改性、海藻糖法脱水干燥等关键保护技术的研究进展；最后展望该领域的未来研究方向，提出应加强多因子耦合腐蚀机制量化研究、发展早期原位诊断与智能预警技术、研发环保型保护材料、构建基于数字孪生与多传感器融合的智能监控平台，并促进传统工艺与现代科技的融合创新，以推动木质文物保护逐渐向智能化发展，为文物长效保存与永续传承提供系统性支撑。
1 木质文物腐蚀与防护研究的全球统计
1.1 发文量时间演变
本研究在Web of science核心合集数据库和中国知网CNKI数据库以“木质文物腐蚀与防护”相关的关键词进行精确检索，分别得到1987~2025年度国外和国内发表的992篇和198篇文献，如图1所示，国际文献中关于木质文物腐蚀与防护的相关研究最早可见于1987年。早年研究较少，整体研究数量呈现平缓波动趋势；2003年后，整体研究数量呈现上升趋势，并于2024年达到最多，2025年因时间问题未完全统计。关注到，2019年发文量出现大的提升，这可能与学者因特殊环境因素更加关注到传统腐蚀理论研究。而国内相关文献最早可见于1992年，整体研究数量呈现平缓上升趋势，并于2018年达到最多篇数，此后仍受到一定关注。
图1
图1
木质文物腐蚀与防护研究年度发文数量趋势图
Fig.1
Annual publication trends on corrosion and protection research of wooden cultural relics
1.2 国家/地区研究分布与合作
对木质文物腐蚀与防护研究文献的国家分布与机构分布进行了可视化分析。图2分别展示了发文数量不少于6篇的国家(地区)合作网络可视化图谱和发文数量不少于9篇的机构合作网络可视化图谱：圆圈面积与字体大小代表文献发表数量，圆圈颜色对应发表年份，连线代表合作关系。可见，意大利、中国、美国、罗马尼亚、德国、英格兰、法国、波兰、西班牙、挪威在木质文物腐蚀与防护研究领域发文量较多，这与其悠久历史文化有关。其中，意大利、美国、德国、法国、中国展现出频繁的国际科研合作，与多个国家或地区建立了密切的合作关系，这也和这些国家在腐蚀领域的研究有关。对研究机构分析，意大利国家研究委员会、佛罗伦萨大学、法国国家科学研究中心、罗马智慧大学、埃及知识库、开罗大学、北京科技大学，中国科学院等研究较多，这和腐蚀领域的研究机构活跃程度完全匹配。
图2
图2
木质文物腐蚀与防护研究国家和机构合作网络图
Fig.2
Collaboration networks of national and institutional cooperation on corrosion and protection research of wooden cultural relics: (a) country/region, (b) institution
1.3 关键词聚类与热点演进
图3展示了木质文物腐蚀与防护研究的关键词可视化分析图谱。国际文献中研究较多的关键词为文物、保护、木材、降解、考古木材、腐朽、纤维素、鉴定、多样性、行为，表明这些关键词的相关主题研究更受学术界关注。其中，保护、木材、文物、多样化、降解、考古木材、鉴定、腐朽、纤维素等关键词的中介中心性较强，表明这些关键词有较强的研究影响力，其相关主题研究的辐射范围更广。对比的，国内文献中研究较多的分别为木质文物、保护、文物保护、修复、脱水、加固、冷冻干燥、古建筑、脱水定型、防腐。其中，木质文物、保护、文物保护、加固等关键词有较强的研究影响力。以上关键词的差异反映了国际和国内研究者们对木质文物腐蚀与防护研究的方向性和区别。
图3
图3
木质文物腐蚀与防护研究关键词共现图
Fig.3
Co-occurrence of research keywords on corrosion and protection of wooden cultural relics: (a) international; (b) domestic
通过对关键词进行可视化聚类分析，可将木质文物腐蚀与防护研究关键词进行主题聚类(图4)。国际文献的研究关键词被划分为15个主题类别，其中第1类别为林业管理，涵盖保护、生物多样化、管理、林牧系统等79个关键词；第2类别为文物，涵盖文物、腐蚀、Raman光谱、博物馆等73个关键词；第3类别为考古木材，涵盖降解、考古木材、饱水木材、质谱分析等69个关键词；第4类别为木材保护，涵盖力学性能、保护、修复、纳米复合材料、木质文物等61个关键词。国内文献的研究关键词被划分为10个主题类别，其中第1类别为木质文物，涵盖文物修复、原址保护、受损原因、保护措施等49个关键词；第2类别为保护，涵盖古建筑、文物、保护修复、三维重建等32个关键词；第3类别为文物保护，涵盖古沉船、现场保护、防腐处理、霉菌防治等23个关键词；第4类别为脱水，涵盖脱盐、脱水加固、仿生、干燥等20个关键词。以上结果反映国内对木质文物研究更具有针对性，国际上则是从木材原材料角度更加系统全面地研究。
图4
图4
木质文物腐蚀与防护研究关键词聚类图
Fig.4
Keyword clustering diagrams of research on corrosion and protection of wooden cultural relics: (a) international, (b) domestic
2 木质文物腐蚀行为研究
2.1 木质文物的腐蚀机理
2.1.1 微生物腐蚀
图5
图5
“小白礁Ⅰ号”沉船部分受损严重木质文物的细胞结构[4]
Fig.5
Cellular structure of severely damaged wooden cultural relics from the “Xiaobaijiao No.1” shipwrecks: The cell wall is being degraded by bacteria (a), severe internal damage to cells (b), severely damaged and blackened cells (c), The entire cell layer is twisted and the ducts undergo deformation and rupture (d), S2 layer of the cell wall is separated from the middle layer of the gel layer (e), cells have tended to pulverize and fracture (f)[4]
2.1.2 化学腐蚀
木质文物的化学腐蚀主要涉及酸性水解、氧化降解、硫化物腐蚀及金属离子催化降解等非生物过程。酸性环境中纤维素和半纤维素的糖苷键易发生断裂，当pH低于5时，纤维素聚合度可在数月内从2000下降至500以下，导致木材强度损失。氧化降解过程中，自由基链式反应(如Fenton反应)在Fe2+、Cu⁺等金属离子催化下生成
图6
2.1.3 木质材料的劣化老化
木质文物的材料劣化老化主要涉及环境应力(如湿度波动、温度变化、盐结晶压力及沉积物载荷)导致的机械性破坏，其过程虽不伴随化学或生物反应，但会显著加剧微生物和化学腐蚀的损害程度。湿度波动是引发材料劣化老化的核心因素，当环境相对湿度变化超过±15%时，木材因各向异性会产生差异性的干缩应力，这种不协调收缩会导致细胞腔塌陷和微裂隙扩展，扫描电镜(SEM)观察显示裂隙主要沿细胞壁S2层微纤丝排列方向延伸[10]。盐结晶压力在埋藏环境中尤为突出，可溶盐(如Na2SO4、NaCl)在木材孔隙中反复结晶-潮解，结晶时体积膨胀率达300%~400%，产生的应力超过木材细胞壁抗拉强度，导致细胞壁断裂[11]。温度变化通过热膨胀系数差异诱发应力，木材轴向热膨胀系数((3-5) × 10-6 /℃)远低于纤维素(约60 × 10-6 /℃)，当昼夜温差大时，纤维素与木质素界面产生剪切应力，加速界面剥离[12]。材料劣化老化与其它腐蚀形式存在显著协同效应，微裂隙为微生物侵入和化学试剂扩散提供通道，而盐结晶过程吸附环境中的水分又为微生物繁殖创造局部高湿度环境。
2.2 木质文物腐蚀的影响因素
2.2.1 组成与结构因素
木材的微观结构特征，如细胞壁厚度、纹孔形态、浸提物含量及分布，直接影响腐蚀介质的侵入途径和速率。例如，阔叶材的导管为液体和微生物的纵向迁移提供了快速通道，而针叶材的腐蚀则主要依靠纹孔和细胞壁上的微孔洞进行，速度相对较慢[15]。此外，木材中的浸提物(如单宁、树脂、生物碱等)对一些微生物和昆虫有天然的毒害或抑制作用，从而增强了木材的天然耐久性。
2.2.2 环境因素
环境因素通过影响腐蚀反应的热力学和动力学过程，以及微生物的群落结构和活性，从而外因地驱动和调控木质文物的腐蚀进程。水分是其中最活跃、最核心的环境因子。它不仅直接参与水解反应，更是所有微生物生命活动和诸多化学反应的必要介质。木材的含水率直接决定了腐蚀能否发生及其类型。研究普遍认为，当木材含水率低于纤维饱和点时，微生物活动受到抑制，腐蚀速率极慢；当含水率高于此点，尤其是在饱水状态下，则为微生物的旺盛生长和水解反应提供了理想条件[16]。
温度、氧气和光照共同构成了影响腐蚀的重要环境条件[19]。温度通过影响微生物酶活性和化学反应速率来影响腐蚀过程。多数腐蚀微生物最适生长温度在20~30 ℃之间。氧气是需氧微生物和氧化降解反应的必要条件。缺氧环境(如深水或深埋)会抑制需氧微生物的活动，但可能促使硫酸盐还原菌等厌氧微生物滋生。光照，尤其是紫外线，能打断木材分子中的化学键，导致表面劣化、变色和强度下降，其伤害是累积且不可逆的。
生物因子是生物腐蚀的直接作用者。环境中存在的微生物和蛀木昆虫的种类、丰度及活性，直接决定了生物腐蚀的潜力。值得注意的是，这些生物因子与环境因素之间存在复杂的相互作用。例如，微生物与化学因素的协同效应尤为突出：微生物代谢产生的有机酸会降低局部微环境的pH值，加速酸水解；而其呼吸产生的CO2溶解后形成的碳酸，同样促进形成酸性环境[20]。另一方面，环境因素之间的交互作用也至关重要，通常高温高湿环境极大地促进了微生物的繁殖和酶促反应，会加速木材的腐蚀进程。
3 木质文物腐蚀检测技术与防护手段
木质文物的保护修复建立在对腐蚀程度的准确评估和科学防护基础上。随着科技发展，无损/微损检测技术得以广泛应用，能够在最大限度保留文物原貌的前提下获取其保存状态的关键信息；同时，多种保护技术也为延长文物寿命提供了可能，因此，综述针对木质文物的腐蚀检测技术至关重要。
3.1 无损/微损检测技术
无损/微损检测技术旨在最小干预甚至不干预文物本体的前提下，精准评估其腐蚀程度与力学性能，这对于脆弱且不可再生的木质文物至关重要。物理力学性能的微损评估是近年来的研究热点。针对饱水木质文物强度极低、难以取样的特点，研究人员开发了基于静态热机械分析仪(TMA)的微损检测方法。该技术使用毫米级尺寸的试样，凭借其极高的载荷分辨率(±1.8 N)和形变分辨率(0.01 μm)，能有效测出强度极低的脆弱饱水木质文物的力学数据。应用该技术对"南海Ⅰ号"沉船出水马尾松船板的测试表明，其平均抗弯强度仅为5.64 MPa，较健康马尾松(约30 MPa)大幅降低了80%以上，且断裂应变集中在0.5%~1.75%。TMA技术填补了现有木质文物力学测试在微观纳米尺度和宏观分米尺度之间的空白[21]。
化学成分与分析技术的无损评估则侧重于从分子层面揭示木材的降解机理，这种无损检测方式也如文献综述分析结果一致，是木质文物腐蚀检测的热点。中国林业科学研究院木材工业研究所采用实时直接分析—Fourier变换离子回旋共振质谱，首次实现了对饱水至绝干等多种含水率条件下非均匀降解木质文物不同部位腐朽程度的无损精准检测。该技术构建的评估模型揭示了木质素结构基元、二聚体、三聚体以及多糖寡聚物等是决定考古木材腐朽程度的关键特征化学成分，并有效避免了无机沉积物的干扰[22]。
图7
3.2 木质文物保护技术
基于检测技术对木质文物的腐蚀程度和腐蚀位置的精确判断，开展针对性的保护技术旨在通过物理或化学方法，增强木质文物的稳定性，防止其进一步劣化，并尽可能恢复其部分力学强度与外观形貌。根据保护阶段和目标的不同，主要分为临时加固与长期稳定化处理。
3.2.1 稳定化与加固技术
稳定化与加固技术是木质文物保护的基础环节，主要针对材质酥散、强度丧失等结构性病害。该技术体系包含现场临时性加固和实验室系统性加固两个层面。在现场保护阶段，采用环境控制法(如覆盖聚乙烯薄膜控制湿度)和物理支撑法(如使用可调节支撑架固定脆弱部位)来维持文物现有状态，为后续精密保护争取时间。在实验室加固阶段，主要采用材料渗透加固法，其中PEG系列材料应用最为广泛，根据不同分子量(PEG400-PEG4000)配比形成梯度浓度渗透方案，处理时间从数月至数年不等[24]。近年来，有机硅树脂材料因其优异的渗透性和耐老化性能，如前小节文献分析所述逐渐成为研究热点。例如，由碱性二氧化硅溶胶生成的Si-OH基团与聚乙烯醇/酸性二氧化硅溶胶复合聚合物及木材本身的残余-OH基团发生反应，该反应在光滑的复合聚合物表面引入了超疏水性微纳米粗糙结构，如图8所示[25]。同时，生物基材料如纳米纤维素悬浮液通过真空浸渍处理，可在木材细胞壁形成增强网络，使糟朽木材的压缩强度恢复至原来的60%~80%[26]。此外，针对表面粉化文物，采用低黏度丙烯酸树脂进行喷雾加固，可有效提高表面结合力[27]。
图8
3.2.2 脱水与干燥技术
脱水与干燥技术是处理饱水木质文物的核心环节，其技术选择取决于文物材质、降解程度和含水率等因素。对于轻度降解文物，可采用自然干燥法，通过控制环境温度(20 ± 2) ℃、相对湿度(65 ± 5)%的稳定条件，使木材缓慢干燥，干燥速率控制在每天0.5~1.0 mm。对于中度降解文物，冷冻干燥法应用较多，先将样品在-30 ℃下快速冷冻，然后在0.1~0.5 mbar真空条件下升华脱水，整个过程持续2~4周。针对严重降解的珍贵文物，超临界干燥法显示出独特优势，使用超临界CO2作为干燥介质，可完全避免液相表面张力造成的破坏，但设备投资较高[28]。在化学置换法方面，PEG法仍为主流技术，采用分阶段浓度递增的浸渍方案，处理时间6~36个月不等[29]。新兴的海藻糖法因其低吸湿性和良好的生物相容性，正在多个重要文物保护项目中得到验证性应用[30]。此外，传统的醇-醚-树脂法(乙醇-乙醚-乳香胶体系)仍在竹木简牍等小型文物保护中发挥重要作用[31]。
3.2.3 保存环境控制与维护技术
保存环境控制与维护技术是确保文物保护成果长期稳定的关键保障。在环境参数控制方面，建立了严格的标准体系：温度控制在(18 ± 2) ℃，相对湿度(35 ± 5)%，光照度限制在50~200 lx，紫外线含量< 75 μW/lm；空气质量要求(10 × 10-9~60 × 10-9)。为实现这些参数要求，现代文物保护机构普遍采用智能环境监控系统，通过分布式传感器网络实时采集环境数据，并结合主动式调控设备(如精密空调、除湿机、紫外线过滤系统等)实现环境参数的自动调节，控制精度可达温度±0.5 ℃，湿度±2%[32]。在虫霉防治方面，采用综合防治策略：首先通过环境控制创造不利于生物生长的条件；其次使用植物源杀虫剂(如桉叶油提取物)进行预防性处理；对已发生感染的文物，采用低氧气调技术处理2~4周，如图9所示[33]。此外，建立完善的监测维护制度，每季度进行一次全面检查，每年进行一次仪器检测(如X射线探伤、三维视频显微镜观察)，并建立完整的文物保护档案，记录环境参数、文物状态等数据，为长期保护提供科学依据。
图9
4 研究展望
尽管木质文物腐蚀研究与保护技术已取得显著成果，但仍存在诸多挑战，如目前尚不清楚在干湿循环条件下，微生物群落演替与化学降解的耦合动力学规律，对于纳米纤维素在糟朽木材中的长期界面稳定性与再处理性，仍缺乏系统评价，因此亟待深入探索的方向：
(1) 多因子耦合腐蚀机制的量化研究
当前研究多集中于单一腐蚀因素的作用，而实际环境中微生物、化学与物理等因素往往同时出现。因此，未来需开展多场耦合实验，如湿度-温度-微生物联合作用和模型构建，量化不同因子间的交互效应，揭示其协同或拮抗机制，为木制文物的预防性保护提供参考。
(2) 早期腐蚀的诊断与预警技术开发
现有检测技术多适用于中重度腐蚀的评估，而对早期腐蚀的敏感性不足。需进一步发展高灵敏度的原位无损检测方法，如基于分子标志物的荧光探针、太赫兹成像等，实现腐蚀初期的精准检出与风险预警。
(3) 新型环保型保护材料的研发与评价
传统材料虽广泛应用但仍存在局限性，如吸湿性、长期稳定性问题。应探索生物基材料、有机硅树脂及智能响应材料，在加固、脱水中的应用，并通过加速老化实验评价其长期兼容性与稳定性。针对微生物腐蚀，除传统杀菌剂外，可研究基于群体感应抑制的生物防控策略，或利用有益微生物群落竞争性抑制腐蚀菌群，实现生态友好型保护。
(4) 智能监测与数字化保护平台的构建
结合物联网技术、多传感器融合及人工智能算法，构建木质文物腐蚀过程的实时监测与智能诊断系统，实现环境参数-腐蚀状态-保护措施的动态联动与决策优化。同时，通过数字孪生技术建立文物腐蚀与保护过程的虚拟仿真模型，为预防性保护提供数字化支撑。
综上，未来木质文物腐蚀研究应注重跨学科融合，结合材料科学、微生物学、环境工程和信息技术等多领域手段，推动腐蚀机理从现象描述向机制量化发展，保护技术从经验性向精准化与智能化升级，最终实现木质文物的长效保存与价值传承。
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