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四天，这也是伯希和在哈密停留的时间。1月28日，伯希和离开哈密，深入戈壁滩腹地，去迎接铺天盖地的寒冬。他必须经受严寒的考验，一行人马在冰冻的天气中遭受了一些损失。随后，天气变得晴朗起来，但气温仍在不断下降。伯希和考察队穿行在崇山峻岭之间，在海拔一千五百五十米的星星峡发现了此次东行途中最后一座穆斯林坟墓：
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穆斯林圣贤的墓上插满了木棍，朝圣者在上面系了很多布条。我们在那里测量到整个旅途中的最低温度（-36℃），尽管当时我们并没有太多感觉。[3]
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必须给牲口卸掉驮鞍，因为它们已经不堪重负。在缺少食物的情况下，只能拿斧子砍了它们吃肉。夜里，伯希和与同伴们挤在朝圣者歇脚的小屋里取暖。这段日子是最艰苦的时期，即使是穿越戈壁滩时的酷暑也不足以与之相提并论。考察队从喀什出发以来，经受了严寒的极端考验。无论付出怎样的代价，也要到达敦煌。
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伯希和一行沿着有水井的地点，一步一个脚印地前行。经过星星峡后，海拔已经上升到一千六百米。随后，他们再次走向飞沙走石的荒漠，一直走到疏勒河边。这条河宽二十多米，水量充沛。他们渡过河，对岸的景色迥然不同：
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再过几公里就是柽柳沙漠，然后是盐碱地和柽柳丛，有不少佛塔和房屋遗址。从石槽子开始，便进入了沙州（敦煌）绿洲，那里距离城市十七公里。[4]
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沙州绿洲方圆二十五公里，以贯穿南北的沙州河命名。它位于南山山脉北侧，与西藏隔山相望，占据了甘肃省最西端，是甘肃的一个行政地区。伯希和考察队在新疆考察了十五个月后走出那里，超越了最初设定的考察范围，来到敦煌。
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尽管在《大唐西域记》和《大慈恩寺三藏法师传》中玄奘没怎么提到敦煌，但他在西行往返途中都曾在敦煌停留。根据伯希和的说法，“在玄奘所处的时代，敦煌是中华文化向西方传播的前哨站，将亚洲古老文明与远东地区联系起来”。[5]
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敦煌的悬崖与河道。1908年2—3月。© Thierry Ollivier/Musée Guimet/RMN
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敦煌集市，1908年2月。© Thierry Ollivier/Musée Guimet/RMN
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伯希和传 20世纪初，敦煌有八十五个村庄、三万人口，全部是汉族人。敦煌行政首府沙州城人口三四千人，到处是商人和手工艺者开的店铺，另外也有一些农民：
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农民们精耕细作，尽管他们使用非常原始的农具，但小麦、大麦、玉米收成都不错。他们颇有耐心，顽强地对抗着周围的盐碱地，试图扩大自己的耕地面积——用沟里挖出的泥沼铺在盐碱地上，厚度不到一米。[6]
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尽管如此，他们的生存条件依然艰苦，毒品在当地很流行：
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尤其是在敦煌，吸食鸦片已成为痼习，无论男女都会沾染。孩子哭闹时，母亲甚至把鸦片烟吹到孩子脸上，好让他安静下来。[7]
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伯希和一行到达时即发现绿洲北部有一些村庄遗迹，大部分村庄都有类似堡垒的建筑。在漫长的历史中，敦煌经常成为来自哈密、于阗和南山游牧部落的侵袭目标。“农庄周围建有高墙，四角有高大的塔楼，守望着广阔的村落。居民和牲畜可以躲在里面，抵御外界侵袭。当地人和部分财产得到了保护，但最完善的灌溉系统却没有任何屏障，很多水渠遭到破坏，无法使用，导致盐碱地面积进一步扩大。”[8]在绿洲腹地，有一个形似月牙的湖，湖南岸陡峭的悬崖上雕刻着汉人口中提到的千佛洞，维吾尔人称之为明屋。2月25日，伯希和在千佛洞与努埃特及瓦扬会合，他们已在伯希和之前先行抵达。
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古河床已经干涸，岸边悬崖上雕凿着数百个佛窟，窟内绘有壁画，座台上刻有佛像，这就是千佛洞，距离敦煌城东南约十五公里。古时的僧侣不住在佛窟中，而是住在修建于干涸河床上的露天寺院里。大部分佛窟壁画都是5—11世纪的作品。壁画中数以千计的注释对壁画进行了解释，并注明了年代。我们借此可以研究佛教艺术在中国西部最辉煌的一段发展史。魏、唐时期的佛教艺术，在别处只能见到浮雕和造像，这里却有一系列体现其发展过程的板绘。[9]
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这里的洞窟完好无损，和丝绸之路上其他地方，例如乌什—买拉万和库车的洞窟不同。瓦扬记述道：“穆斯林从未到过这里，虔诚的佛教徒在这片四十多米高的山崖上开凿佛窟，窟内壁画未遭到破坏。”
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直到当时，还没有人对这些石窟进行过“认真”研究，包括先前来过的斯坦因。伯希和马上开始工作，瓦扬负责绘制地图，努埃特拍摄照片。伯希和给洞窟编了号，共有182个值得研究。随后，伯希和列出清单，对千佛洞进行系统性研究。洞窟中的造像、壁画、浮雕和装饰图案令人叹为观止，但这些并不是伯希和最关注的，最让他着迷的是阅读洞窟墙壁和石碑上的文字。
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