張 結,周忠發(fā)①，潘艷喜,殷 超，汪炎林，田衷琿

(1.貴州師范大學喀斯特研究院,貴州 貴陽 550001；2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地，貴州 貴陽 550001；3.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001)

貴州織金洞CO2濃度不同時間尺度變化及其影響因子分析

張 結1,2,周忠發(fā)1,2①，潘艷喜1,3,殷 超1,2，汪炎林1,3，田衷琿1,2

(1.貴州師范大學喀斯特研究院,貴州 貴陽 550001；2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地，貴州 貴陽 550001；3.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001)

作為影響洞穴沉積物沉積的重要因素，洞穴空氣 CO2濃度對洞穴次生沉積物景觀的穩(wěn)定性以及旅游環(huán)境的舒適性具有重要影響。通過對貴州織金洞2015年1月至2016年6月連續(xù)18個月的洞內(nèi)外環(huán)境(CO2濃度和溫濕度)、水文地球化學指標、洞頂上覆土壤CO2濃度、降水量和游客數(shù)量等要素的監(jiān)測，并結合2015年“十一”期間洞穴空氣環(huán)境連續(xù)5晝夜的系統(tǒng)監(jiān)測，探討織金洞洞穴空氣CO2濃度時空變化特征及其控制因素，結果顯示：(1)在空間尺度上，織金洞CO2濃度呈現(xiàn)明顯的空間變化，從洞口至洞內(nèi)深處，CO2濃度呈非線性上升，至洞內(nèi)越深CO2濃度變化越穩(wěn)定。這主要是洞內(nèi)外氣流交換作用程度、洞道結構、洞內(nèi)海拔差異等因素綜合導致的；(2)季節(jié)變化上，織金洞洞內(nèi)空氣CO2濃度總體上存在明顯的雨季高旱季低的特點，這主要受旅游活動和巖溶作用吸收大量上覆土壤CO2、滴水、池水脫氣作用等因素控制；日際和晝夜變化上，“十一”期間隨著進入洞內(nèi)游客數(shù)量的增加，CO2濃度白天較夜間高，隨著游客數(shù)量不斷攀升，CO2濃度總體呈上升趨勢；溫濕度對洞內(nèi)空氣CO2濃度變化有一定的調(diào)控作用，但相對較弱。(3)總體上CO2濃度變化主要是由洞內(nèi)外氣流交換作用(通風效應)、洞道結構、旅游活動以及洞外自然環(huán)境的變化和巖溶作用等要素相互耦合的結果。因此在洞穴環(huán)境保護方面需要綜合考慮各方面要素，通過科學管理促進洞穴旅游的可持續(xù)發(fā)展。

洞穴CO2濃度；時間尺度；控制因子；織金洞

洞穴CO2濃度作為洞穴環(huán)境的重要指標之一[1-3],是巖溶動力系統(tǒng)中巖溶作用的重要驅動力,對洞內(nèi)滴水、池水和地下河水化學、沉積物的形成等均產(chǎn)生重要影響[4-7]。洞穴CO2濃度變化主要受旅游活動[8-12]、洞內(nèi)外溫差引起的氣流交換[13-15],洞穴上覆土壤CO2濃度[14,16-17]和滴水[18]、池水和地下河的脫氣作用[14]及洞內(nèi)有機物質(zhì)的分解[19]等因素的影響。DE FREITAS 等[20]發(fā)現(xiàn)洞穴環(huán)境的變化主要取決于洞穴的結構和形態(tài)特征,一般情況下,距洞口越遠,其洞穴環(huán)境越穩(wěn)定。SP?TL等[3]通過監(jiān)測Obir 洞洞穴滴水水化學和洞穴空氣 CO2濃度,發(fā)現(xiàn)洞穴空氣 CO2和滴水 pH 值具有明顯的季節(jié)變化;王翱宇等[21]對雪玉洞的系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),在季節(jié)尺度上洞穴 CO2濃度的變化反映氣候的變化,而游客呼吸作用貢獻較弱。蔡炳貴等[22]對遼寧本溪洞洞穴空氣中 CO2濃度的空間分布研究表明,洞穴空氣 CO2濃度受洞內(nèi)外空氣交換的影響,其影響的深度與洞穴內(nèi)外空氣交換強度有關,但該研究主要側重于洞穴空氣 CO2濃度的晝夜變化和日際變化。張萍等[12]對河南雞冠洞CO2濃度季節(jié)和晝夜變化特征及其影響因子進行比較,顯示在空間尺度上,洞口通風效應、洞穴結構及外界環(huán)境變化及土壤CO2濃度對雞冠洞空氣CO2分壓變化產(chǎn)生影響,在時間尺度上,則主要受旅游活動和巖溶作用控制;童曉寧等[23]對廣東寶晶宮空氣 CO2濃度進行監(jiān)測,結果顯示空氣CO2濃度存在明顯的空間變化和季節(jié)變化,并受洞穴通風效應和氣候變化導致的植被呼吸作用和土壤微生物活動變化的影響。朱文孝等[24]對織金洞內(nèi)的氣候環(huán)境及其CO2濃度進行相關研究,發(fā)現(xiàn)織金洞洞內(nèi)呈現(xiàn)明顯的氣候分區(qū),同時CO2濃度具有明顯的季節(jié)變化和空間變化特征;張強等[25-26]對織金洞CO2濃度空間變化及成因進行分析,得出CO2濃度變化受旅游活動、洞穴內(nèi)外空氣對流交換擴散及滴水脫氣過程的多重影響;羅時琴等[27]、王紅等[28]對織金洞洞穴環(huán)境監(jiān)測及其影響因素分析發(fā)現(xiàn),洞內(nèi)CO2濃度隨著游客數(shù)量、季節(jié)、海拔高度、距洞口深度、 洞穴地表等因素的變化而變化。

織金洞是貴州著名的旅游洞穴,具有極高的科學價值和觀賞價值。作為多年開發(fā)的旅游洞穴,織金洞洞內(nèi)景觀的保護與洞穴環(huán)境質(zhì)量的評價不容忽視。因此通過對織金洞洞內(nèi)36處監(jiān)測點CO2濃度、溫度、相對濕度、土壤CO2濃度和水化學等指標進行監(jiān)測,并結合2015年“十一”期間織金洞晝夜監(jiān)測數(shù)據(jù),對織金洞洞穴CO2濃度的空間變化、季節(jié)變化、日際變化和晝夜變化及其控制因素進行系統(tǒng)研究,以便更好地為織金洞的合理管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)簡介

織金洞地處貴州高原西部,位于貴州省畢節(jié)織金縣官寨鄉(xiāng)東南部(26°38′31″～26°52′35″ N,105°44′42″～106°11′38″ E),是中國著名的旅游洞穴。洞穴整體主要發(fā)育于三疊系下統(tǒng)夜郎組黃椿壩段(T1y2)上部灰色鮞粒亮晶灰?guī)r地層中[29]。洞道主要由2條主洞道和4條支洞組成,洞道分為4層,47個廳堂,洞穴基本上順巖層發(fā)育,由洞口(Z01)至講經(jīng)堂(Z07)海拔逐漸降低,而后逐漸上升至飛鳥覓食(Z29)為最高,之后地勢逐漸降低,至出洞口略有上升。洞穴主體發(fā)育方向為北東向,總體上明顯受北東和北西向 2組節(jié)理裂隙的控制,平面呈菱形網(wǎng)格狀。已探明長度為12.1 km,總面積約78萬km2,洞道最寬處(十萬大山)175 m,最窄處(雷子洞)0.4 m,一般為30～50 m;最高處78 m(十萬大山),一般在40 m以上,洞內(nèi)碳酸鈣沉積物形態(tài)類型眾多,其中發(fā)育有鵝管、石鐘乳、石筍、石柱、石幔、流石壩、卷曲石等鐘乳石,尤其以盔狀、丘狀、塔狀、菌狀、塔松狀、紡錘狀、拐狀等特型石筍最具特色[30]。

洞區(qū)氣候為亞熱帶高原季風氣候,四季分明,年均溫為14.1 ℃,熱月平均氣溫22.5 ℃,冷月平均氣溫4 ℃,多年平均降水量約1 400～1 500 mm,冬無嚴寒,夏無酷暑。植被為亞熱帶常綠闊葉林,植物種類較多,以次生植被為主。

2 實驗方法與數(shù)據(jù)處理

從織金洞入口開始沿旅游線路對36個監(jiān)測點依次進行每月1次的系統(tǒng)監(jiān)測(圖1),監(jiān)測時間為2015年1月至2016年6月月末的14:00—18:00(表1)。

圖1 織金洞平面圖及其監(jiān)測點分布Fig.1 Plane map of the Zhijin Cave and distribution of monitoring points

表1監(jiān)測時間及洞外氣象條件
Table1Monitoringintervalsandmeteorologicalconditionsoutsidethecave

入洞時間出洞時間洞外氣象條件濕度/%溫度/℃氣壓/kPa天氣情況2015-01-29T14：052015-01-29T17：4068 212 3865 7晴2015-02-27T14：012015-02-27T17：3484 913 0866 0陰2015-03-27T14：102015-03-27T17：4480 115 5861 7晴2015-04-29T14：202015-04-29T17：5072 318 9860 1晴2015-05-26T14：102015-05-26T17：4483 125 1861 3多云2015-06-29T14：102015-06-29T17：2364 531 8861 1晴2015-07-30T14：372015-07-30T18：0172 626 3865 8陰2015-08-28T14：002015-08-28T17：3092 919 6868 5陣雨2015-09-30T14：222015-09-30T17：5388 416 9868 2小雨2015-10-27T13：552015-10-27T17：0080 918 7870 9小雨2015-11-27T13：352015-11-27T17：5976 613 3868 8陰2015-12-27T14：052015-12-27T17：4990 712 8870 9陰2016-01-27T13：522016-01-27T17：1978 54 4872 6晴2016-02-27T14：122016-02-27T17：4820 721 3874 4晴2016-03-27T14：102016-03-27T17：4781 011 6877 3小雨2016-04-27T14：022016-04-27T17：3579 816 5867 5小雨2016-05-27T14：062016-05-27T17：4266 320 5863 1晴2016-06-26T14：012016-06-26T17：3262 529 0864 2多云

選用美國Telaire-7001型便攜式紅外CO2儀實時監(jiān)測洞穴空氣CO2濃度,儀器分辨率為1 mg·L-1,范圍為0～10 g·L-1,測量精度±50 mg·L-1。實驗前用標準(0 mg·L-1)氣體進行校準,操作時將儀器放置在距操作者2 m外以避免人為影響。洞穴空氣CO2濃度的晝夜變化研究從9月30日08:00 開始至10月4日24:00時為止進行采樣,監(jiān)測間隔為 4 h;使用美國Kestrel-4500型便攜式氣象站對洞穴內(nèi)外空氣中的風速、溫度、相對濕度等進行實時監(jiān)測,儀器分辨率分別為0.1 m·s-1、0.1 ℃ 和0.1%,測量精度分別為±3%、±1.0 ℃和±3%。同時土壤CO2濃度監(jiān)測選用LSBX系列便攜式檢測警報儀,檢測精度為≤300 mg·L-1,線性誤差為≤100 mg·L-1,響應時間≤20 s。對洞穴上覆土壤監(jiān)測點按不同深度進行監(jiān)測。水樣測定主要采用儀器現(xiàn)場測試、現(xiàn)場滴定和樣品室內(nèi)測試相結合的方法。野外現(xiàn)場使用德國WTW公司生產(chǎn)的 Multi 3430便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀(2FD470)現(xiàn)場測試各水樣點pH值,精度為 0.001。采用德國Aquamerck公司生產(chǎn)的堿度計和硬度計測定水樣HCO3-和Ca2+濃度,分辨率分別為6和1 mg·L-1。水樣在現(xiàn)場進行過濾(lt;0.22 μm 孔徑Millipore濾膜)后再裝入25 mL聚乙烯瓶中。用于陽離子測定的樣品加入超純硝酸密封保存,陰離子樣品直接密封保存。室內(nèi)試驗分析在中國科學院地球化學研究所測定完成。其中陰離子采用美國Dionex公司生產(chǎn)的ICS90型離子色譜儀測定[31],陽離子采用美國Varian公司生產(chǎn)的VISTA MPX型電感耦合等離子體-發(fā)射光譜儀測定[32],并運用Phreeqc程序計算水中CO2分壓(pCO2)和方解石飽和指數(shù)(saturation indices calcite)[33]。每月和“十一”期間游客數(shù)據(jù)均來自織金洞售票處游客票數(shù)的精確統(tǒng)計。數(shù)據(jù)分析主要采用Origin 8.6和SPSS 19.0等軟件進行。

3 結果與分析

3.1 織金洞CO2濃度變化

3.1.1織金洞CO2濃度的空間變化

通過對織金洞2015年1月—2016年6月連續(xù)18個月的洞穴環(huán)境監(jiān)測發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)空氣CO2濃度存在明顯的空間變化特征。如圖2所示,冬季織金洞入口外CO2濃度維持在437 mg·L-1左右,與洞外CO2濃度相近,從洞口外至靈霄殿(Z22)洞穴CO2濃度整體呈緩慢波動上升趨勢,由入口外437 mg·L-1上升至靈霄殿666 mg·L-1,變幅為229 mg·L-1,且在靈霄殿出現(xiàn)峰值。從靈霄殿至飛來石盾(Z34)CO2濃度整體上呈持續(xù)上升趨勢,至飛來石盾達最高(730 mg·L-1),之后到洞口外直線下降至436 mg·L-1,同時前半段(Z02～Z15)CO2濃度要低于后半段;除洞口外,夏季洞內(nèi)各監(jiān)測點CO2濃度總體比冬季高,相對于冬季,夏季CO2濃度的空間變化幅度更大,CO2濃度均值由入口外的485 mg·L-1至洞口內(nèi)直接飆升至1 792 mg·L-1,之后變化相對穩(wěn)定,至南天門(Z15)達最高值(2 304 mg·L-1),之后略有下降,但整體相對平穩(wěn),基本在1 600～1 900 mg·L-1之間波動,至雷子洞口(Z31)為轉折點,CO2濃度迅速下降至420 mg·L-1。

圖2 織金洞不同季節(jié)空氣CO2濃度空間變化 Fig.2 Spatial variation of air CO2 concentration in the Zhijin Cave relative to season

3.1.2織金洞CO2濃度的季節(jié)變化和年際變化

如圖3所示,織金洞洞內(nèi)CO2濃度季節(jié)變化總體上呈現(xiàn)雨季(5—10月)高旱季(12—翌年4月)低的特點,但不同監(jiān)測點CO2濃度季節(jié)變化存在差異。對織金洞洞內(nèi)CO2濃度季節(jié)變化的分析主要通過2層洞道:第3層洞道是距入口較近的日月同輝(Z03)至水鄉(xiāng)澤國(Z16),CO2濃度呈現(xiàn)夏高冬低的特點;第4層洞道由靈霄殿(Z22)到掌上明珠(Z30),夏季CO2濃度略低于第3層洞道,冬季略高;除8和10月變化幅度較大,分別為573和554 mg·L-1外,第3層洞道中各監(jiān)測點CO2濃度季節(jié)變化趨勢基本相似,變化幅度較小,且在2016年8月達到最高峰,均值為2 647 mg·L-1,最大值出現(xiàn)在塔林宮,為2 784 mg·L-1,其余各點最低值均出現(xiàn)在2017年1月,平均值為494 mg·L-1。第4層洞道CO2濃度在8月之前呈2個階梯狀不連續(xù)上升趨勢,至2015年9月出現(xiàn)相對低值(860 mg·L-1),10月達最高值(2 338 mg·L-1),之后急速下降至1月，達最低值(573 mg·L-1);最后至2016年6月持續(xù)上升，達1 696 mg·L-1。此外，織金洞CO2濃度還呈現(xiàn)明顯的年際變化規(guī)律,通過2015年和2016年1—6月對全洞道的監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)曲線變化均呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢。

3.1.3織金洞CO2日際變化和晝夜變化

圖4顯示,2015年9月30日—10月4日織金洞內(nèi)CO2濃度空間變化與夏季變化曲線相似。入口外和出口外CO2濃度均較低,與洞外基本一致。以中天門(Z17)和掌上明珠(Z30)為拐點,洞內(nèi)空氣CO2濃度從Z02至Z17除在洞口附近幾個監(jiān)測點因受通風條件的影響而波動較大外,其余均較穩(wěn)定,且最高值出現(xiàn)在塔林宮(2 452 mg·L-1);Z17至Z30處各時段CO2濃度在Z16～Z22段逐漸下降且波動較劇烈,Z22～Z30漸趨穩(wěn)定,基本穩(wěn)定在1 700～1 800 mg·L-1之間,主要是由于該洞段洞體明顯增大,導致CO2濃度稀釋;Z30至洞口急速下降，主要是與洞外較近有關; CO2濃度晝夜變化幅度較小,說明高強度的旅游活動產(chǎn)生的CO2在短時間尺度內(nèi)難以自凈。

通過對織金洞5個晝夜的連續(xù)監(jiān)測(圖5),以晝夜為尺度,發(fā)現(xiàn)2015年9月30日至10月4日洞內(nèi)中部和出口內(nèi)CO2濃度晝夜變化均呈現(xiàn)單峰變化,即白晝CO2濃度升高,夜晚逐漸降低,且在10月3日12:00—20:00達最高峰,之后開始逐漸下降,但隨著時間的推進,CO2濃度日變化均呈上升趨勢,說明CO2在短時間內(nèi)的排放量可能超過洞穴的自凈能力而出現(xiàn)異常值[1]。但洞外和入口CO2濃度均保持在較低水平,并隨時間序列出現(xiàn)小幅波動。此外在晝夜變化上,除9月30日CO2濃度變化幅度較小外,其他均表現(xiàn)出白晝變化幅度比夜間大的特點。洞內(nèi)溫度、相對濕度變化相對穩(wěn)定,但晝夜變化不明顯,而洞外和出入口則呈現(xiàn)一定的晝夜變化規(guī)律。溫度和濕度的變化與洞內(nèi)CO2濃度變化不一致,說明洞內(nèi)溫度和濕度對CO2濃度變化的影響較小。

3.2 織金洞CO2濃度變化的影響因子分析

3.2.1洞內(nèi)外氣流交換作用

大氣溫度季節(jié)性波動與相對穩(wěn)定的洞內(nèi)溫度的不同,使洞內(nèi)外之間產(chǎn)生氣流運動[34-36]。距離洞口越近,洞內(nèi)外之間的氣流交換越明顯,其通風效應越明顯[22]。如夏季,從掌上明珠至出洞口外,CO2濃度呈急速下降趨勢,最后基本接近洞外空氣。而在入洞口處CO2濃度并未表現(xiàn)出明顯的通風效應,主要是由于織金洞洞口朝上,即洞口向洞內(nèi)海拔依次降低(圖6),加之夏季洞內(nèi)均為冷重空氣,洞外為熱空氣,CO2相對分子質(zhì)量較大,不能克服重力,使大量CO2在洞口集聚,因而通風效應不明顯。

相對于夏季，冬季洞內(nèi)外氣流交換作用更加明顯,洞外冷空氣直接沿洞體下坡進入洞內(nèi),使洞內(nèi)CO2濃度整體保持在較低水平,尤其是洞口至中天門段(Z20)。由于織金洞是多洞口洞穴,洞穴空氣為雙向流動,使夏季洞內(nèi)CO2濃度明顯高于冬季,這主要是由于夏季洞內(nèi)溫度低于洞外溫度,洞穴空氣由洞內(nèi)流向洞外；而冬季則相反,可以稀釋洞穴空氣CO2,且強度較夏季大,同時由于洞口朝上,使CO2在夏季被阻止流入洞外,在冬季使其稀釋效應更加明顯,甚至影響至洞內(nèi)深處。此種空氣流動模式強化了洞穴空氣CO2濃度夏高冬低的季節(jié)性變化。

洞內(nèi)外也存在晝夜尺度上明顯的氣流交換,主要是洞內(nèi)外溫度和氣壓差異導致的。夏季白晝洞外溫度高于洞內(nèi),洞內(nèi)空氣冷而重,洞外空氣熱而輕,洞內(nèi)空氣向洞外流,冬季則相反。如在2015年9月30日至2015年10月4日對織金洞進行連續(xù)5晝夜的監(jiān)測發(fā)現(xiàn),洞內(nèi)由于旅游活動白天CO2濃度較高,同時白天洞內(nèi)溫度比洞外低,洞外熱氣流不易進入洞內(nèi);而夜間則由于洞外溫度低于洞內(nèi),洞外形成高壓,洞內(nèi)形成低壓,同時洞口朝上,使洞外低濃度CO2進入洞內(nèi),稀釋洞內(nèi)高濃度CO2,從而使洞內(nèi)CO2濃度逐漸降低。這在雷子洞口處表現(xiàn)較為明顯,如在雷子洞口夜間平均風速近1 m·s-1,風向由洞外流向洞內(nèi),具有明顯的稀釋作用;而在白晝風速僅為0.4 m·s-1,氣流方向由洞內(nèi)流向洞外。故洞內(nèi)、外氣流交換作用是洞穴CO2濃度產(chǎn)生時空變化的主要因素之一。

3.2.2洞道結構

織金洞是雙洞口洞穴,洞體巨大,洞穴結構復雜,洞道橫截面變化差異大,最窄處僅0.4 m,最大處高、寬可達100多m。因此不同的洞穴結構CO2的流通與擴散存在明顯差異,洞腔大、空氣流通順暢,洞內(nèi)熱量和CO2能較快擴散;反之,空氣流通受制使熱量無法有效擴散,導致溫度和CO2濃度波動較大。其次洞內(nèi)CO2較空氣重,在洞內(nèi)發(fā)生沉降作用,導致洞穴里不同地段 CO2濃度不同。如講經(jīng)堂段(Z08)是各監(jiān)測點中海拔最低的洞道(圖6),且基本未向游客開放,但CO2濃度仍然和其他監(jiān)測點相近,是CO2發(fā)生沉降所致。

圖3 織金洞空氣CO2濃度、降水量和游客數(shù)量隨時間的變化Fig.3 Variation of air CO2 concentration,precipitation and number of tourists in the Zhijin Cave

圖4 不同時間段織金洞空氣CO2 濃度空間分布Fig.4 Spatio-temporal distribution of CO2 concentration in the Zhijin Cave

同時織金洞洞口均朝上,在夏季或白晝洞內(nèi)溫度低于洞外溫度,洞內(nèi)冷重空氣在洞口底部,而洞外熱空氣較輕,位于洞口上部,很難進入洞內(nèi),使洞內(nèi)外氣流交換較弱;而冬季和夜間由于洞內(nèi)溫度高于洞外,洞外冷空氣順地勢進入洞內(nèi),使洞內(nèi)熱空氣抬升,氣流混合,導致洞內(nèi)CO2濃度降低。

3.2.3旅游活動

當其他條件一定時,在短時間尺度上,旅游活動是織金洞洞穴空氣CO2濃度變化的主要影響因素之一。洞穴工作人員和游客的呼吸作用是洞內(nèi) CO2的主要來源之一,其CO2貢獻主要取決于游客和工作人員的數(shù)量及其在洞內(nèi)的滯留時間。即當游客數(shù)量增多,且在洞內(nèi)滯留時間越長,游客產(chǎn)生的CO2濃度快速增高。

圖5 洞內(nèi)外空氣 CO2濃度、溫度和相對濕度的時間變化Fig.5 Temporal variation of air CO2 concentration,temperature and relative humidity inside and outside the Zhijin Cave

圖6 織金洞各監(jiān)測點洞道剖面圖Fig.6 Tunnel profiles of the monitoring site in the Zhijin Cave

通過對織金洞18個月CO2濃度和游客量進行相關性分析(圖3),發(fā)現(xiàn)兩者間存在明顯的正相關(R2=0.652),亦說明游客呼出的CO2是洞內(nèi)CO2的重要來源之一;以每人每小時平均呼出22 L CO2[1,9]計算,織金洞2015年參觀人數(shù)約為59.5萬人·a-1,每個人在洞內(nèi)平均停留時間2.5 h,織金洞將全年接受32 725 m3CO2,這是織金洞的重要碳源之一;一般情況下經(jīng)過一夜的凈化,基本不會對洞穴CO2濃度造成累積效應,但當游客數(shù)量超過一定閾值時,游客呼吸的CO2大大超過洞穴的自凈能力,CO2在短時間尺度上會出現(xiàn)高值。如在日際變化和晝夜變化上,CO2濃度主要隨著游客數(shù)量的變化而變化。如在“十一”期間,織金洞洞內(nèi)游客數(shù)從9月30日的825人增至10月4日的10 321人,連續(xù)3 d超過萬人,晝夜CO2不斷增加,是短時間內(nèi)游客數(shù)量過高導致的。

3.2.4外界自然環(huán)境變化和巖溶作用

洞外自然環(huán)境對織金洞CO2濃度變化主要表現(xiàn)在季節(jié)變化上,而洞內(nèi)溫濕度晝夜變化幅度較小(圖5)。洞內(nèi)外空氣CO2濃度與溫濕度變化關系并不明顯,表明其變化對洞內(nèi)CO2濃度變化影響較小?？椊鸲炊囱–O2的一個主要來源是洞穴上覆土壤CO2,土壤CO2濃度高低受土壤中氣體組分、土壤水、土壤理化性質(zhì)以及土壤生物活動的明顯影響[37],通過洞穴滴水以及裂隙滲流水的脫氣而進入洞內(nèi),其濃度變化與巖溶動力作用明顯相關。受洞外氣溫和降水等的季節(jié)性變化影響,巖溶作用具有明顯的季節(jié)性差異?？椊鸲吹?層洞道和第4層洞道CO2濃度與降水量呈現(xiàn)明顯的正相關性(R2分別為0.558和0.423)。這主要是織金洞屬亞熱帶季風氣候區(qū),雨熱同期,夏季降水量明顯高于冬季,加之氣溫上升,生物呼吸作用增強,土壤CO2濃度急劇上升(圖7),當土壤CO2濃度高時,土壤水吸收的CO2量則相應增加,在降水較大時,含有較多CO2的土壤水未經(jīng)土壤物質(zhì)充分反應直接由洞頂基巖裂隙運移路徑以滴水或裂隙水進入洞內(nèi)，發(fā)生脫氣沉積作用(圖7),使CO2釋放于洞內(nèi),造成洞內(nèi)CO2濃度升高,這是夏季CO2濃度整體上要高于冬季的主要原因之一,同時部分土壤CO2沿巖石裂隙以氣相形式直接擴散至洞內(nèi),由于織金洞洞內(nèi)CO2來源較為復雜,這種來源基本被洞穴游客呼吸、滴水脫氣和洞內(nèi)外氣流交換作用等掩蓋。

巖溶作用對洞穴中CO2濃度具有一定的調(diào)控作用,主要表現(xiàn)在由洞頂上覆土壤至洞內(nèi)的垂直補給作用。圖7中,在季節(jié)尺度上,織金洞上覆土壤CO2、滴水中CO2及滴水方解石飽和指數(shù)(saturation indices calcite,SIC)和滴水點處空氣CO2濃度均存在明顯對應關系。即當土壤CO2濃度上升(圖7),洞穴滴水中pCO2分壓相應增高,范圍在10-0.68～10-1.93(即1.18×104～2.09×105mg·L-1)[38]之間,相對于洞穴空氣CO2濃度較高而使滴水中SIC升高,產(chǎn)生脫氣作用,當SIC大于0時,表示方解石相對水溶液處于過飽和狀態(tài),SIC越高說明沉積作用越明顯,反之則處于未飽和狀態(tài),說明水溶液具有溶蝕-侵蝕性[39]。洞穴滴水中高濃度CO2釋放進入洞內(nèi),使洞內(nèi)CO2濃度升高(圖7)。但較高的SIC也會抑制滴水和池水的脫氣,如在夏秋季,洞內(nèi)CO2濃度均達峰值,滴水和池水中CO2與空氣中CO2分壓差減小,水中CO2脫氣作用受阻,溶解的CO2增多,導致滴水或池水具有侵蝕性,冬春季則會沉積,這是夏秋季SIC值較低的原因。

圖7 織金洞洞內(nèi)滴水、空氣和上覆土壤CO2濃度及滴水方解石飽和指數(shù)(SIC)變化Fig.7 Variation of dripping water,air,CO2 concentration in the overlaying soil layer and saturation indices calcite

4 結論

(1)在空間尺度上,織金洞CO2呈現(xiàn)明顯的空間變化,從洞口至洞內(nèi)深處CO2濃度呈非線性上升,至洞內(nèi)愈深,CO2濃度變化愈穩(wěn)定;總體上夏季第3洞道CO2濃度高于第4洞道,冬季反之。這主要是由于洞內(nèi)外氣流交換作用程度、洞道結構、洞內(nèi)海拔差異等因素綜合導致的。

(2)季節(jié)變化上,織金洞洞內(nèi)空氣CO2濃度總體上存在雨季高旱季低的變化特點,但不同洞道CO2濃度季節(jié)變化存在一定差異,這主要受旅游活動和巖溶作用吸收大量上覆土壤CO2的滴水、池水脫氣作用等因素控制;日際變化上,由于“十一”期間隨著進入洞內(nèi)游客數(shù)量的增加,CO2濃度白天較夜間高。隨著游客數(shù)量的不斷攀升,CO2濃度總體上呈上升趨勢;晝夜變化上,旅游淡季CO2濃度晝夜變化較穩(wěn)定,波動幅度較小,總體上與夏季CO2濃度變化相似,旅游旺季尤其是“十一”期間,CO2濃度晝夜變化較大;在短時間尺度上(晝夜變化和日際變化),織金洞洞穴空氣 CO2濃度變化主要受旅游活動的影響;溫濕度對洞內(nèi)空氣CO2濃度變化有一定的調(diào)控作用,但相對較弱。

(3)總體上CO2濃度變化主要是由洞內(nèi)外氣流交換作用(通風效應)、洞道結構、旅游活動以及洞外自然環(huán)境的變化和巖溶作用等要素相互耦合的結果。因此在洞穴環(huán)境保護方面需要綜合考慮各方面的要素,通過科學管理促進洞穴旅游的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 班鳳梅,蔡炳貴.北京石花洞空氣環(huán)境主要因子季節(jié)性變化特征研究[J].中國巖溶,2011,30(2):132-137.[BAN Feng-mei,CAI Bing-gui.Research on Seasonal Variations of the Air′s Main Environmental Factors in the Shihua Cave,Beijing[J].Carsologica Sinica,2011,30(2):132-137.]

[2] MILANOLO S,GABROVEREK F.Analysis of Carbon Dioxide Variations in the Atmosphere of Srednja Bijambarska Cave,Bosnia and Herzegovina[J].Boundary-Layer Meteorol,2009,131:479-493.

[3] SP?TL C,FAIRCHILD I J,TOOTH A F.Cave Air Control on Drip Water Geochemistry,Obir Caves (Austria):Implications for Speleothem Deposition in Dynamically Ventilated Caves[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2005,69(10):2451-2468.

[4] SHERWIN C M,BALDINI J U L.Cave Air and Hydrological Controls on Prior Calcite Precipitation and Stalagmite Growth Rates:Implications for Palaeoclimate Reconstructions Using Speleothems[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2011,75(14):3915-3929.

[5] BANNER J L,GUILFOYLE A,JAMES E W,etal.Seasonal Variations in Modern Speleothem Calcite Growth in Central Texas,USA[J].Journal of Sedimentary Research,2007,77(8):615-622.

[6] BALDINI J U L,MCDERMOTT F,HOFFMANN D L,etal.Very High-frequency and Seasonal Cave Atmosphere PCO2Variability:Implications for Stalagmite Growth and Oxygen Isotope-Based Paleoclimate Records[J].Earth and Planetary Science Letters,2008,272(1):118-129.

[7] MACPHERSON G L,ROBERTS J A,BLAIR J M,etal.Increasing Shaiiow Groundwater CO2and Limestone Weathering,Konza Prairie,USA[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2008,72(3):5581-5599.

[8] 張薔,趙淑艷,趙習方.北京石花洞內(nèi)CO2的監(jiān)測與評價[J].中國巖溶,1997,16(4):326-332.[ZHANG Qiang,ZHAO Shu-yan,ZHAO Xi-fang.CO2Monitoring and Assessment of Shihua Cave,Beijing[J].Carsologica Sinica,1997,16(4):326-332.]

[9] 宋林華,韋小寧,梁福源.河北臨城白云洞洞穴旅游對洞穴CO2濃度及溫度的影響[J].中國巖溶,2003,22(3):230-235.[SONG Lin-hua,WEI Xiao-ning,LIANG Fu-yuan.Effect of Speleo-Tourism on the CO2Content and Temperature in Baiyun Cave,Lincheng,Hebei[J].Carsologica Sinica,2003,22(3):230-235.]

[10] 徐尚全,殷建軍,楊平恒,等.旅游活動對洞穴環(huán)境的影響及洞穴的自凈能力研究：以重慶雪玉洞為例[J].熱帶地理,2012,32(3):286-292.[XU Shang-quan,YIN Jian-jun,YANG Ping-heng.Impacts of Tourism Activities on Cave Environments and Self-Purification Ability of the Cave:A Case Study of Xueyu Cave,Chongqing[J].Tropical Geography,2012,32(3):286-292.]

[11] 王翱宇,蒲俊兵,沈立成,等.重慶雪玉洞 CO2濃度變化的自然與人為因素探討[J].熱帶地理,2010,30(3):272-277.[WANG Xiang-yu,PU Jun-bing,SHEN Li-cheng,etal.Natural and Human Factors of CO2Concentration Variations in Xueyu Cave,Chongqing[J].Tropical Geography,2010,30(3):272-277.]

[12] 張萍,楊琰,孫喆,等.河南雞冠洞CO2季節(jié)和晝夜變化特征及影響因子比較[J].環(huán)境科學,2017,38(1):60-69.[ZHANG Ping,YANG Yan,SUN Zhe,etal.Comparisons Between Seasonal and Diurnal Patterns of Cave Air CO2and Control Factors in Jiguan Cave,Henan Province,China[J].Environmental Science,2017,38(1):60-69.]

[13] CUEZVA S,FERNANDEZ-CORTES A,BENAVENTE D,etal.Short-Term CO2(g)Exchange Between a Shallow Karstic Cavity and the External Atmosphere During Summer:Role of the Surface Soil Layer[J].Atmospheric Environment,2010,45(2011):1418-1427.

[14] 朱德浩,朱其光.洞穴自然環(huán)境系統(tǒng)的觀測及研究：以廣西柳州響水巖為例[J].中國巖溶,2005,24(4):318-325.[ZHU De-hao,ZHU Qi-guang.Observation and Research on the Natural Environment System in a Cave:A Case Study From Xiangshui Cave in Liuzhou City,Guangxi[J].Carsologica Sinica,2005,24(4):318-325.]

[15] 賀海波,湯靜,劉淑華,等.川東北樓房洞洞穴環(huán)境時空變化與影響因素[J].熱帶地理,2014,34(5):696-703.[HE Hai-bo,TANG Jing,LIU Shu-hua,etal.Spatial and Temporal Variation of Environments and Influencing Factors in Loufang Cave,Northeast of Sichuan Province[J].Tropical Geography,2014,34(5):696-703.]

[16] 王靜,宋林華,向昌國,等.不同植被類型覆蓋下土壤CO2濃度對洞穴景觀的影響[J].地理研究,2004,23(1):71-77.[WANG Jing,SONG Lin-hua,XIANG Chang-guo,etal.The Impact of the Soil CO2Concentration Under Different Types of Vegetation on Landscape in Caves[J].Geographical Research,2004,23(1):71-77.]

[17] 劉啟明,王世杰.洞穴體系對外界氣候與生態(tài)環(huán)境的響應[J].生態(tài)學雜志,2005,24(10):1172-1176.[LIU Qi-ming,WANG Shi-jie.Response of Cave System to Climate and Eco-Environment[J].Chinese Journal of Ecology,2005,24(10):1172-1176.]

[18] 張結,周忠發(fā),曹明達,等.CO2在洞穴空氣和滴水水文過程中的變化：以貴州織金洞為例[J].科學技術與工程,2016,16(30):32-38.[ZHANG Jie,ZHOU Zhong-fa,CAO Ming-da,etal.Variations of CO2in Dripwater Hydrological Process and Air in Zhijin Cave in Guizhou Province[J].Science Technology and Engineering,2016,16(30):32-38.]

[19] 楊曉霞,向旭,袁道先,等.喀斯特洞穴旅游研究綜述[J].中國巖溶,2007,26(4):369-377.[YANG Xiao-xia,XIANG Xu,YUAN Dao-xian,etal.Summary on Karst Cave Tourism Research[J].Carsologica Sinica,2007,26(4):369-377.]

[20] DE FREITAS C R,LITTLEJOHN R N,CLARKSON T S,etal.Cave Climate:Assessment of Airflow and Ventilation[J].Journal of Cliatology,1982,2:383-397.

[21] 王翱宇,蒲俊兵,沈立成,等.重慶雪玉洞 CO2濃度變化的自然與人為因素探討[J].熱帶地理,2010,30(3):272-276.[WANG Ao-yu,PU Jun-bing,SHEN Li-cheng,etal.Natural and Human Factors of CO2Concentration Variations in Xueyu Cave,Chongqing[J].Tropical Geography,2010,30(3):272-276.]

[22] 蔡炳貴,沈凜梅,鄭偉,等.本溪水洞洞穴空氣CO2濃度與溫、濕度的空間分布和晝夜變化特征[J].中國巖溶,2009,28(4):348-354.[CAI Bing-gui,SHEN Lin-mei,ZHENG Wei,etal.Spatial Distribution and Diurnal Variationin CO2Concentration,Temperature and Relative Humidity of the Cave Air:A Case Study From Water Cave,Benxi,Liaoning,China[J].Carsologica Sinica,2009,28(4):348-354.]

[23] 童曉寧,周厚云,黃穎,等.廣東英德寶CO2濃度的時空變化特征[J].熱帶地理,2013,33(4):439-443.[TONG Xiao-ning,ZHOU Hou-yun,HUANG Ying,etal.Spatio-Temporal Variation of Air CO2Concentration in Baojinggong Cave,Guangdong,China,[J].Tropical Geography,2013,33(4):439-443.]

[24] 朱文孝,李坡,潘高潮.織金洞的氣候環(huán)境及空氣中二氧化碳[J].中國巖溶,1993,12(4):118-126.[ZHU Wen-xiao,LI Po,PAN Gao-chao.Climate and CO2of Air in Zhijin Cave[J].Carsologica Sinica,1993,12(4):409-417.]

[25] 張強,周忠發(fā),陳全,等.織金洞CO2濃度空間分布與晝夜變化的規(guī)律及成因分析[J].科學技術與工程,2016,16(26):18-27.[ZHANG Qiang,ZHOU Zhong-fa,CHEN Quan,etal.Study on Spatial Distribution and Diurnal Variation and Causes of Carbon Dioxide Concentration in Zhijin Cave Environment[J].Science Technology and Engineering,2016,16(26):18-27.]

[26] 張強,周忠發(fā),張紹云,等.織金洞洞穴環(huán)境CO2濃度的空間變化分析[J].地球與環(huán)境,2016,44(6):654-662.[ZHANG Qiang,ZHOU Zhong-fa,ZHANG Shao-yun,etal.Analysis of CO2Concentration Changes Under Different Spectral Scales in Zhijin Cave Environment[J].Earth and Environment,2016,44(6):654-662.]

[27] 羅時琴,易武英,李坡.織金洞洞穴環(huán)境監(jiān)測及其影響因素分析[J].貴州科學,2014,32(6):92-96.[LUO Shi-qin,YI Wu-ying,LI Po.Environmental Monitoring and Affecting Factor Analysis of Zhijin Cave[J].Guizhou Science,2014,32(6):92-96.]

[28] 王紅,羅時琴,楊慶東,等.貴州織金洞20年CO2濃度變化規(guī)律及影響因素研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學,2014,53(6):1268-1270.[WANG Hong,LUO Shi-qin,YANG Qing-dong,etal.The Changing Rules and Factors of CO2Concentration in Zhijin Cave of Guizhou Province in Past 20 Years[J].Hubei Agricultural Sciences,2014,53(6):1268-1270.]

[29] 李景陽,安裕國,戎昆方.暗河型溶洞的形成和演化過程:以貴州織金洞等為例[J].貴州工學院學報,1991,20(3):1-9.[LI Jing-yang,An Yu-guo,RONG Kun-fang.Forming and Developing Proeess of Underground Stream Caves:Zhijin Cave as Examples[J].Journal of Guizhou Institute of Technology,1991,20(3):1-9.]

[30] 韋躍龍,陳偉海,羅劬侃,等.貴州織金洞世界地質(zhì)公園喀斯特景觀特征及其形成演化分析[J].地球學報,2016,37(3):368-378.[WEI Yue-long,CHEN Wei-hai,LUO Qu-kan,etal.Characteristics and Formation and Evolution Analysis of the Karst Landscape of Zhijindong Cave Global Geopark,Guizhou[J].Acta Geoscientica Sinica,2016,37(3):368-378.]

[31] 周斌,辜義文,賀小林,等.離子色譜法測定降水中陰離子影響因素的研究[J].廣州化工,2010,38(5):193-196.[ZHOU Bin,GU Yi-wen,HE Xiao-lin,etal.Influencing Factors of the Anions of Acid Precipitation in Ion Chromatograph Analysis[J].Guangzhou Chemical Industry,2010,38(5):193-196.]

[32] 高晶晶,劉季花,喬淑卿,等.電感耦合等離子體-發(fā)射光譜法測定海洋沉積物中的常、微量元素[J].光譜實驗室,2010,27(3):1050-1054.[GAO Jing-jing,LIU Ji-hua,QIAO Shu-qing,etal.Determination of Major and Minor Elements in Oceanic Sediments by ICP-OES[J].Chinese Journal of Spectroscopy Laboratory,2010,27(3):1050-1054.]

[33] 黨慧慧,董軍,岳寧,等.賀蘭山以北烏蘭布和沙漠地下水水化學特征演化規(guī)律研究[J].冰川凍土,2015,37(3):793-802.[DANG Hui-hui,DONG Jun,YUE Ning,etal.Study of the Evolution of Hydrochemical Properties of Groundwater in Ulan Buh Desert in the North of the Helan Mountains[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2015,37(3):793-802.]

[34] RUSSELL M J,MACLEAN V L.Management Issues in a Tasmanian Tourist Cave:Potential Microclimatic Impacts of Cave Modifications[J].Journal of Environmental Management,2008,87(3):474-483.

[35] FERNANDEZ-CORTES A,SANCHEZ-MORAL S,CUEZVA S,etal.Annual and Transient Signatures of Gas Exchange and Transport in the Castaar De Ibor Cave (Spain)[J].International Journal of Speleology,2009,38(2):153-162.

[37] 田地,馬欣,查良松,等.地質(zhì)封存 CO2泄漏對近地表陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響綜述[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報,2013,29(2):137-145.[TIAN Di,MA Xin,ZHA Liang-song,etal.Review of Impact of CO2Leakage From Geologic Storage on Near-Surface Terrestrial Ecological System[J].Journal of Ecology and Rural Environment,2013,29(2):137-145.]

[39] 王曉曉,殷建軍,徐尚全,等.雪玉洞上覆土壤 CO2變化及對表層巖溶泉水化學特征的影響[J].水土保持學報,2013,27(2):85-89.[WANG Xiao-xiao,YIN Jian-jun,XU Shang-quan,etal.The Variations of Soil CO2and Hydrochemistry of Epikarst Spring Above Xueyu Cave[J].Journal of Soil and Water Conservation,2013,27(2):85-89.]

張結(1988—),男,安徽安慶人,碩士生,主要從事喀斯特地貌與洞穴研究。E-mail：975479386@qq.com

(責任編輯：陳 昕)

VariationofCO2ConcentrationinZhijinCave,GuizhouProvinceRelativetoTimeScaleandItsAffectingFactors.

ZHANG Jie1,2,ZHOU Zhong-fa1,2,PAN Yan-xi1,3，YIN Chao1,2，WANG Yan-lin1,3，TIAN Zhong-hui1,2

(1.School of Karst Science,Guizhou Normal University,Guiyang 550001,China；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)

Being an important factor affecting deposition of sediments in a cave,CO2concentration in the air of the cave influences significantly stability of the secondary sediment landscape and amenity of the tourist environment. Monitoring of CO2concentration,temperature and relative humidity of the environments inside and outside the Zhijin Cave of Guizhou Province hydrogeochemical indices,CO2concentration in the overlying soil,precipitation and flow of tourists was carried out consecutively for 18 months from January,2015 to June,2016,in addition to the 5 consecutive days of round-the-clock monitoring of the air environment in the cave during the national holiday period,2015,to investigate spatio-temporal variation of CO2concentration in the air inside the cave and its controlling factors. Results show that spatial variation of CO2concentration from the entrance to the deep corner of the cave did exist in the Zhijin Cave at all temporal scales and CO2concentration rose nonlinearly and tended to level off with the cave going deeper,which might be the result of the joint effect of the airflow exchange in and out of the cave,tunnel structure,as well as variation of elevation inside the cave. Seasonally,CO2concentration in the air of the cave on the whole was significantly higher in rainy seasons than in dry seasons,which is attributed mainly to tourist activities,karstification that absorbs a large volume of CO2containing water drips from the overlaying soil layer,and degassing of the water inside the cave,while daily,CO2concentration varied sharply around the clock,especially during the National Holidays when the flow of tourists visiting the cave in day time increased drastically in volume,making CO2concentration much higher by day than by night and on the whole on a rising trend,with temperature and humidity being two factors affecting variation of air CO2concentration inside the cave,but relatively weak in effect. Generally speaking,variation of the CO2concentration in the air of the cave is regulated mainly by the joint effect of air exchange (ventilation effect),between in and out of the cave,tunnel structure,tourist activities changes in the natural environment and karstification. It is,therefore,essential to take into consideration all the aspects or factors listed above in protecting the cave environment,and adopt scientific management to promote sustainable development of cave tourism.

cave CO2; time scale; control factor; Zhijin Cave

2017-02-22

國家自然科學基金地區(qū)項目(41361081); 貴州省科技計劃(黔科合G字[2014]4004-2號); 貴州省重大應用基礎研究項目(黔科合JZ字[2014]200201)；貴州省高層次創(chuàng)新型人才培養(yǎng)計劃-“百”層次人才(黔科合平臺人才[2016]5674)

① 通信作者E-mail：fa6897@163.com

X83；P642.25

A

1673-4831(2017)11-1013-10

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.11.008