2. 贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地, 贵州 贵阳 550001;
3. 国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心, 贵州 贵阳 550001
2. The State Key Laboratory Incubation Base for Karst Mountain Ecology Environment of Guizhou Province, Guiyang 550001, China;
3. State Engineering Technology Center of Karst Rock Desertification Rehabilitation, Guiyang 550001, China
洞穴CO2浓度作为洞穴环境的重要指标之一[1-3], 是岩溶动力系统中岩溶作用的重要驱动力, 对洞内滴水、池水和地下河水化学、沉积物的形成等均产生重要影响[4-7]。洞穴CO2浓度变化主要受旅游活动[8-12]、洞内外温差引起的气流交换[13-15], 洞穴上覆土壤CO2浓度[14, 16-17]和滴水[18]、池水和地下河的脱气作用[14]及洞内有机物质的分解[19]等因素的影响。DE FREITAS等[20]发现洞穴环境的变化主要取决于洞穴的结构和形态特征, 一般情况下, 距洞口越远, 其洞穴环境越稳定。SPÖTL等[3]通过监测Obir洞洞穴滴水水化学和洞穴空气CO2浓度, 发现洞穴空气CO2和滴水pH值具有明显的季节变化; 王翱宇等[21]对雪玉洞的系统研究发现, 在季节尺度上洞穴CO2浓度的变化反映气候的变化, 而游客呼吸作用贡献较弱。蔡炳贵等[22]对辽宁本溪洞洞穴空气中CO2浓度的空间分布研究表明, 洞穴空气CO2浓度受洞内外空气交换的影响, 其影响的深度与洞穴内外空气交换强度有关, 但该研究主要侧重于洞穴空气CO2浓度的昼夜变化和日际变化。张萍等[12]对河南鸡冠洞CO2浓度季节和昼夜变化特征及其影响因子进行比较, 显示在空间尺度上, 洞口通风效应、洞穴结构及外界环境变化及土壤CO2浓度对鸡冠洞空气CO2分压变化产生影响, 在时间尺度上, 则主要受旅游活动和岩溶作用控制; 童晓宁等[23]对广东宝晶宫空气CO2浓度进行监测, 结果显示空气CO2浓度存在明显的空间变化和季节变化, 并受洞穴通风效应和气候变化导致的植被呼吸作用和土壤微生物活动变化的影响。朱文孝等[24]对织金洞内的气候环境及其CO2浓度进行相关研究, 发现织金洞洞内呈现明显的气候分区, 同时CO2浓度具有明显的季节变化和空间变化特征; 张强等[25-26]对织金洞CO2浓度空间变化及成因进行分析, 得出CO2浓度变化受旅游活动、洞穴内外空气对流交换扩散及滴水脱气过程的多重影响; 罗时琴等[27]、王红等[28]对织金洞洞穴环境监测及其影响因素分析发现, 洞内CO2浓度随着游客数量、季节、海拔高度、距洞口深度、洞穴地表等因素的变化而变化。
织金洞是贵州著名的旅游洞穴, 具有极高的科学价值和观赏价值。作为多年开发的旅游洞穴, 织金洞洞内景观的保护与洞穴环境质量的评价不容忽视。因此通过对织金洞洞内36处监测点CO2浓度、温度、相对湿度、土壤CO2浓度和水化学等指标进行监测, 并结合2015年“十一”期间织金洞昼夜监测数据, 对织金洞洞穴CO2浓度的空间变化、季节变化、日际变化和昼夜变化及其控制因素进行系统研究, 以便更好地为织金洞的合理管理提供科学依据。
1 研究区简介织金洞地处贵州高原西部, 位于贵州省毕节织金县官寨乡东南部(26°38′31″~26°52′35″ N, 105°44′42″~106°11′38″ E), 是中国著名的旅游洞穴。洞穴整体主要发育于三叠系下统夜郎组黄椿坝段(T1y2)上部灰色鲕粒亮晶灰岩地层中[29]。洞道主要由2条主洞道和4条支洞组成, 洞道分为4层, 47个厅堂, 洞穴基本上顺岩层发育, 由洞口(Z01)至讲经堂(Z07)海拔逐渐降低, 而后逐渐上升至飞鸟觅食(Z29)为最高, 之后地势逐渐降低, 至出洞口略有上升。洞穴主体发育方向为北东向, 总体上明显受北东和北西向2组节理裂隙的控制, 平面呈菱形网格状。已探明长度为12.1 km, 总面积约78万km2, 洞道最宽处(十万大山)175 m, 最窄处(雷子洞)0.4 m, 一般为30~50 m; 最高处78 m(十万大山), 一般在40 m以上, 洞内碳酸钙沉积物形态类型众多, 其中发育有鹅管、石钟乳、石笋、石柱、石幔、流石坝、卷曲石等钟乳石, 尤其以盔状、丘状、塔状、菌状、塔松状、纺锤状、拐状等特型石笋最具特色[30]。
洞区气候为亚热带高原季风气候, 四季分明, 年均温为14.1 ℃, 热月平均气温22.5 ℃, 冷月平均气温4 ℃, 多年平均降水量约1 400~1 500 mm, 冬无严寒, 夏无酷暑。植被为亚热带常绿阔叶林, 植物种类较多, 以次生植被为主。
2 实验方法与数据处理从织金洞入口开始沿旅游线路对36个监测点依次进行每月1次的系统监测(图 1), 监测时间为2015年1月至2016年6月月末的14:00—18:00(表 1)。
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图 1 织金洞平面图及其监测点分布 Figure 1 Plane map of the Zhijin Cave and distribution of monitoring points |
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表 1 监测时间及洞外气象条件 Table 1 Monitoring intervals and meteorological conditions outside the cave |
选用美国Telaire-7001型便携式红外CO2仪实时监测洞穴空气CO2浓度, 仪器分辨率为1 mg·L-1, 范围为0~10 g·L-1, 测量精度±50 mg·L-1。实验前用标准(0 mg·L-1)气体进行校准, 操作时将仪器放置在距操作者2 m外以避免人为影响。洞穴空气CO2浓度的昼夜变化研究从9月30日08:00开始至10月4日24:00时为止进行采样, 监测间隔为4 h; 使用美国Kestrel-4500型便携式气象站对洞穴内外空气中的风速、温度、相对湿度等进行实时监测, 仪器分辨率分别为0.1 m·s-1、0.1 ℃和0.1%, 测量精度分别为±3%、±1.0 ℃和±3%。同时土壤CO2浓度监测选用LSBX系列便携式检测警报仪, 检测精度为≤300 mg·L-1, 线性误差为≤100 mg·L-1, 响应时间≤20 s。对洞穴上覆土壤监测点按不同深度进行监测。水样测定主要采用仪器现场测试、现场滴定和样品室内测试相结合的方法。野外现场使用德国WTW公司生产的Multi 3430便携式多参数水质分析仪(2FD470)现场测试各水样点pH值, 精度为0.001。采用德国Aquamerck公司生产的碱度计和硬度计测定水样HCO3-和Ca2+浓度, 分辨率分别为6和1 mg·L-1。水样在现场进行过滤(＜0.22 μm孔径Millipore滤膜)后再装入25 mL聚乙烯瓶中。用于阳离子测定的样品加入超纯硝酸密封保存, 阴离子样品直接密封保存。室内试验分析在中国科学院地球化学研究所测定完成。其中阴离子采用美国Dionex公司生产的ICS90型离子色谱仪测定[31], 阳离子采用美国Varian公司生产的VISTA MPX型电感耦合等离子体-发射光谱仪测定[32], 并运用Phreeqc程序计算水中CO2分压(pCO2)和方解石饱和指数(saturation indices calcite)[33]。每月和“十一”期间游客数据均来自织金洞售票处游客票数的精确统计。数据分析主要采用Origin 8.6和SPSS 19.0等软件进行。
3 结果与分析 3.1 织金洞CO2浓度变化 3.1.1 织金洞CO2浓度的空间变化通过对织金洞2015年1月—2016年6月连续18个月的洞穴环境监测发现洞内空气CO2浓度存在明显的空间变化特征。如图 2所示, 冬季织金洞入口外CO2浓度维持在437 mg·L-1左右, 与洞外CO2浓度相近, 从洞口外至灵霄殿(Z22)洞穴CO2浓度整体呈缓慢波动上升趋势, 由入口外437 mg·L-1上升至灵霄殿666 mg·L-1, 变幅为229 mg·L-1, 且在灵霄殿出现峰值。从灵霄殿至飞来石盾(Z34)CO2浓度整体上呈持续上升趋势, 至飞来石盾达最高(730 mg·L-1), 之后到洞口外直线下降至436 mg·L-1, 同时前半段(Z02~Z15)CO2浓度要低于后半段; 除洞口外, 夏季洞内各监测点CO2浓度总体比冬季高, 相对于冬季, 夏季CO2浓度的空间变化幅度更大, CO2浓度均值由入口外的485 mg·L-1至洞口内直接飙升至1 792 mg·L-1, 之后变化相对稳定, 至南天门(Z15)达最高值(2 304 mg·L-1), 之后略有下降, 但整体相对平稳, 基本在1 600~1 900 mg·L-1之间波动, 至雷子洞口(Z31)为转折点, CO2浓度迅速下降至420 mg·L-1。
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图 2 织金洞不同季节空气CO2浓度空间变化 Figure 2 Spatial variation of air CO2 concentration in the Zhijin Cave relative to season |
如图 3所示, 织金洞洞内CO2浓度季节变化总体上呈现雨季(5—10月)高旱季(12—翌年4月)低的特点, 但不同监测点CO2浓度季节变化存在差异。对织金洞洞内CO2浓度季节变化的分析主要通过2层洞道:第3层洞道是距入口较近的日月同辉(Z03)至水乡泽国(Z16), CO2浓度呈现夏高冬低的特点; 第4层洞道由灵霄殿(Z22)到掌上明珠(Z30), 夏季CO2浓度略低于第3层洞道, 冬季略高; 除8和10月变化幅度较大, 分别为573和554 mg·L-1外, 第3层洞道中各监测点CO2浓度季节变化趋势基本相似, 变化幅度较小, 且在2016年8月达到最高峰, 均值为2 647 mg·L-1, 最大值出现在塔林宫, 为2 784 mg·L-1, 其余各点最低值均出现在2017年1月, 平均值为494 mg·L-1。第4层洞道CO2浓度在8月之前呈2个阶梯状不连续上升趋势, 至2015年9月出现相对低值(860 mg·L-1), 10月达最高值(2 338 mg·L-1), 之后急速下降至1月，达最低值(573 mg·L-1); 最后至2016年6月持续上升，达1 696 mg·L-1。此外，织金洞CO2浓度还呈现明显的年际变化规律, 通过2015年和2016年1—6月对全洞道的监测, 发现曲线变化均呈现持续上升趋势。
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图 3 织金洞空气CO2浓度、降水量和游客数量随时间的变化 Figure 3 Variation of air CO2 concentration, precipitation and number of tourists in the Zhijin Cave |
图 4显示, 2015年9月30日—10月4日织金洞内CO2浓度空间变化与夏季变化曲线相似。入口外和出口外CO2浓度均较低, 与洞外基本一致。以中天门(Z17)和掌上明珠(Z30)为拐点, 洞内空气CO2浓度从Z02至Z17除在洞口附近几个监测点因受通风条件的影响而波动较大外, 其余均较稳定, 且最高值出现在塔林宫(2 452 mg·L-1); Z17至Z30处各时段CO2浓度在Z16~Z22段逐渐下降且波动较剧烈, Z22~Z30渐趋稳定, 基本稳定在1 700~1 800 mg·L-1之间, 主要是由于该洞段洞体明显增大, 导致CO2浓度稀释; Z30至洞口急速下降，主要是与洞外较近有关; CO2浓度昼夜变化幅度较小, 说明高强度的旅游活动产生的CO2在短时间尺度内难以自净。
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图 4 不同时间段织金洞空气CO2浓度空间分布 Figure 4 Spatio-temporal distribution of CO2 concentration in the Zhijin Cave |
通过对织金洞5个昼夜的连续监测(图 5), 以昼夜为尺度, 发现2015年9月30日至10月4日洞内中部和出口内CO2浓度昼夜变化均呈现单峰变化, 即白昼CO2浓度升高, 夜晚逐渐降低, 且在10月3日12:00—20:00达最高峰, 之后开始逐渐下降, 但随着时间的推进, CO2浓度日变化均呈上升趋势, 说明CO2在短时间内的排放量可能超过洞穴的自净能力而出现异常值[1]。但洞外和入口CO2浓度均保持在较低水平, 并随时间序列出现小幅波动。此外在昼夜变化上, 除9月30日CO2浓度变化幅度较小外, 其他均表现出白昼变化幅度比夜间大的特点。洞内温度、相对湿度变化相对稳定, 但昼夜变化不明显, 而洞外和出入口则呈现一定的昼夜变化规律。温度和湿度的变化与洞内CO2浓度变化不一致, 说明洞内温度和湿度对CO2浓度变化的影响较小。
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图 5 洞内外空气CO2浓度、温度和相对湿度的时间变化 Figure 5 Temporal variation of air CO2 concentration, temperature and relative humidity inside and outside the Zhijin Cave |
大气温度季节性波动与相对稳定的洞内温度的不同, 使洞内外之间产生气流运动[34-36]。距离洞口越近, 洞内外之间的气流交换越明显, 其通风效应越明显[22]。如夏季, 从掌上明珠至出洞口外, CO2浓度呈急速下降趋势, 最后基本接近洞外空气。而在入洞口处CO2浓度并未表现出明显的通风效应, 主要是由于织金洞洞口朝上, 即洞口向洞内海拔依次降低(图 6), 加之夏季洞内均为冷重空气, 洞外为热空气, CO2相对分子质量较大, 不能克服重力, 使大量CO2在洞口集聚, 因而通风效应不明显。
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图 6 织金洞各监测点洞道剖面图 Figure 6 Tunnel profiles of the monitoring site in the Zhijin Cave |
相对于夏季，冬季洞内外气流交换作用更加明显, 洞外冷空气直接沿洞体下坡进入洞内, 使洞内CO2浓度整体保持在较低水平, 尤其是洞口至中天门段(Z20)。由于织金洞是多洞口洞穴, 洞穴空气为双向流动, 使夏季洞内CO2浓度明显高于冬季, 这主要是由于夏季洞内温度低于洞外温度, 洞穴空气由洞内流向洞外；而冬季则相反, 可以稀释洞穴空气CO2, 且强度较夏季大, 同时由于洞口朝上, 使CO2在夏季被阻止流入洞外, 在冬季使其稀释效应更加明显, 甚至影响至洞内深处。此种空气流动模式强化了洞穴空气CO2浓度夏高冬低的季节性变化。
洞内外也存在昼夜尺度上明显的气流交换, 主要是洞内外温度和气压差异导致的。夏季白昼洞外温度高于洞内, 洞内空气冷而重, 洞外空气热而轻, 洞内空气向洞外流, 冬季则相反。如在2015年9月30日至2015年10月4日对织金洞进行连续5昼夜的监测发现, 洞内由于旅游活动白天CO2浓度较高, 同时白天洞内温度比洞外低, 洞外热气流不易进入洞内; 而夜间则由于洞外温度低于洞内, 洞外形成高压, 洞内形成低压, 同时洞口朝上, 使洞外低浓度CO2进入洞内, 稀释洞内高浓度CO2, 从而使洞内CO2浓度逐渐降低。这在雷子洞口处表现较为明显, 如在雷子洞口夜间平均风速近1 m·s-1, 风向由洞外流向洞内, 具有明显的稀释作用; 而在白昼风速仅为0.4 m·s-1, 气流方向由洞内流向洞外。故洞内、外气流交换作用是洞穴CO2浓度产生时空变化的主要因素之一。
3.2.2 洞道结构织金洞是双洞口洞穴, 洞体巨大, 洞穴结构复杂, 洞道横截面变化差异大, 最窄处仅0.4 m, 最大处高、宽可达100多m。因此不同的洞穴结构CO2的流通与扩散存在明显差异, 洞腔大、空气流通顺畅, 洞内热量和CO2能较快扩散; 反之, 空气流通受制使热量无法有效扩散, 导致温度和CO2浓度波动较大。其次洞内CO2较空气重, 在洞内发生沉降作用, 导致洞穴里不同地段CO2浓度不同。如讲经堂段(Z08)是各监测点中海拔最低的洞道(图 6), 且基本未向游客开放, 但CO2浓度仍然和其他监测点相近, 是CO2发生沉降所致。
同时织金洞洞口均朝上, 在夏季或白昼洞内温度低于洞外温度, 洞内冷重空气在洞口底部, 而洞外热空气较轻, 位于洞口上部, 很难进入洞内, 使洞内外气流交换较弱; 而冬季和夜间由于洞内温度高于洞外, 洞外冷空气顺地势进入洞内, 使洞内热空气抬升, 气流混合, 导致洞内CO2浓度降低。
3.2.3 旅游活动当其他条件一定时, 在短时间尺度上, 旅游活动是织金洞洞穴空气CO2浓度变化的主要影响因素之一。洞穴工作人员和游客的呼吸作用是洞内CO2的主要来源之一, 其CO2贡献主要取决于游客和工作人员的数量及其在洞内的滞留时间。即当游客数量增多, 且在洞内滞留时间越长, 游客产生的CO2浓度快速增高。
通过对织金洞18个月CO2浓度和游客量进行相关性分析(图 3), 发现两者间存在明显的正相关(R2=0.652), 亦说明游客呼出的CO2是洞内CO2的重要来源之一; 以每人每小时平均呼出22 L CO2[1, 9]计算, 织金洞2015年参观人数约为59.5万人·a-1, 每个人在洞内平均停留时间2.5 h, 织金洞将全年接受32 725 m3 CO2, 这是织金洞的重要碳源之一; 一般情况下经过一夜的净化, 基本不会对洞穴CO2浓度造成累积效应, 但当游客数量超过一定阈值时, 游客呼吸的CO2大大超过洞穴的自净能力, CO2在短时间尺度上会出现高值。如在日际变化和昼夜变化上, CO2浓度主要随着游客数量的变化而变化。如在“十一”期间, 织金洞洞内游客数从9月30日的825人增至10月4日的10 321人, 连续3 d超过万人, 昼夜CO2不断增加, 是短时间内游客数量过高导致的。
3.2.4 外界自然环境变化和岩溶作用洞外自然环境对织金洞CO2浓度变化主要表现在季节变化上, 而洞内温湿度昼夜变化幅度较小(图 5)。洞内外空气CO2浓度与温湿度变化关系并不明显, 表明其变化对洞内CO2浓度变化影响较小。织金洞洞穴CO2的一个主要来源是洞穴上覆土壤CO2, 土壤CO2浓度高低受土壤中气体组分、土壤水、土壤理化性质以及土壤生物活动的明显影响[37], 通过洞穴滴水以及裂隙渗流水的脱气而进入洞内, 其浓度变化与岩溶动力作用明显相关。受洞外气温和降水等的季节性变化影响, 岩溶作用具有明显的季节性差异。织金洞第3层洞道和第4层洞道CO2浓度与降水量呈现明显的正相关性(R2分别为0.558和0.423)。这主要是织金洞属亚热带季风气候区, 雨热同期, 夏季降水量明显高于冬季, 加之气温上升, 生物呼吸作用增强, 土壤CO2浓度急剧上升(图 7), 当土壤CO2浓度高时, 土壤水吸收的CO2量则相应增加, 在降水较大时, 含有较多CO2的土壤水未经土壤物质充分反应直接由洞顶基岩裂隙运移路径以滴水或裂隙水进入洞内，发生脱气沉积作用(图 7), 使CO2释放于洞内, 造成洞内CO2浓度升高, 这是夏季CO2浓度整体上要高于冬季的主要原因之一, 同时部分土壤CO2沿岩石裂隙以气相形式直接扩散至洞内, 由于织金洞洞内CO2来源较为复杂, 这种来源基本被洞穴游客呼吸、滴水脱气和洞内外气流交换作用等掩盖。
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图 7 织金洞洞内滴水、空气和上覆土壤CO2浓度及滴水方解石饱和指数(SIC)变化 Figure 7 Variation of dripping water, air, CO2 concentration in the overlaying soil layer and saturation indices calcite |
岩溶作用对洞穴中CO2浓度具有一定的调控作用, 主要表现在由洞顶上覆土壤至洞内的垂直补给作用。图 7中, 在季节尺度上, 织金洞上覆土壤CO2、滴水中CO2及滴水方解石饱和指数(saturation indices calcite, SIC)和滴水点处空气CO2浓度均存在明显对应关系。即当土壤CO2浓度上升(图 7), 洞穴滴水中pCO2分压相应增高, 范围在10-0.68~10-1.93(即1.18×104~2.09×105 mg·L-1)[38]之间, 相对于洞穴空气CO2浓度较高而使滴水中SIC升高, 产生脱气作用, 当SIC大于0时, 表示方解石相对水溶液处于过饱和状态, SIC越高说明沉积作用越明显, 反之则处于未饱和状态, 说明水溶液具有溶蚀-侵蚀性[39]。洞穴滴水中高浓度CO2释放进入洞内, 使洞内CO2浓度升高(图 7)。但较高的SIC也会抑制滴水和池水的脱气, 如在夏秋季, 洞内CO2浓度均达峰值, 滴水和池水中CO2与空气中CO2分压差减小, 水中CO2脱气作用受阻, 溶解的CO2增多, 导致滴水或池水具有侵蚀性, 冬春季则会沉积, 这是夏秋季SIC值较低的原因。
4 结论(1) 在空间尺度上, 织金洞CO2呈现明显的空间变化, 从洞口至洞内深处CO2浓度呈非线性上升, 至洞内愈深, CO2浓度变化愈稳定; 总体上夏季第3洞道CO2浓度高于第4洞道, 冬季反之。这主要是由于洞内外气流交换作用程度、洞道结构、洞内海拔差异等因素综合导致的。
(2) 季节变化上, 织金洞洞内空气CO2浓度总体上存在雨季高旱季低的变化特点, 但不同洞道CO2浓度季节变化存在一定差异, 这主要受旅游活动和岩溶作用吸收大量上覆土壤CO2的滴水、池水脱气作用等因素控制; 日际变化上, 由于“十一”期间随着进入洞内游客数量的增加, CO2浓度白天较夜间高。随着游客数量的不断攀升, CO2浓度总体上呈上升趋势; 昼夜变化上, 旅游淡季CO2浓度昼夜变化较稳定, 波动幅度较小, 总体上与夏季CO2浓度变化相似, 旅游旺季尤其是“十一”期间, CO2浓度昼夜变化较大; 在短时间尺度上(昼夜变化和日际变化), 织金洞洞穴空气CO2浓度变化主要受旅游活动的影响; 温湿度对洞内空气CO2浓度变化有一定的调控作用, 但相对较弱。
(3) 总体上CO2浓度变化主要是由洞内外气流交换作用(通风效应)、洞道结构、旅游活动以及洞外自然环境的变化和岩溶作用等要素相互耦合的结果。因此在洞穴环境保护方面需要综合考虑各方面的要素, 通过科学管理促进洞穴旅游的可持续发展。
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