葉枝茂， 楊琰， 李一冬，陳小敏， 段軍偉， 許彥智

1. 巖溶環(huán)境重慶市重點實驗室/西南大學 地理科學學院，重慶 400715；2. 重慶金佛山喀斯特生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，重慶 400715；3. 河南省雞冠洞旅游發(fā)展有限公司，河南 洛陽 471500

全球陸地碳酸鹽巖作為陸地上最大的碳庫, 其碳容量占全球總碳量的99.5%, 關系著整個地球系統(tǒng)的碳循環(huán)[1]． 2020年習近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會中提出我國在2030年達到“碳達峰”和2060年達到“碳中和”的目標[2], 越來越多的學者更加關注地球系統(tǒng)碳循環(huán)． 地球系統(tǒng)科學研究地球各個圈層之間物質(zhì)能量的傳輸和轉(zhuǎn)化及其耦合關系, 對實現(xiàn)“雙碳”目標有很好的啟示作用[3]． 地球系統(tǒng)科學在巖溶學的重要表現(xiàn)就是對巖溶關鍵帶的研究[4]． 巖溶洞穴作為巖溶關鍵帶地下系統(tǒng)中的子系統(tǒng)之一, 與地表各個圈層之間存在大量的物質(zhì)遷移和能量轉(zhuǎn)換, 是各圈層相互作用, 相互耦合的重要地帶, 有極其重要的研究意義[5]． 就洞穴系統(tǒng)而言, 洞外水熱環(huán)境改變驅(qū)動洞穴上覆土壤CO2升高, 與入滲的雨水共同成為巖溶作用發(fā)生的條件, 使得巖溶水化學具有年際、 季節(jié)、 晝夜等不同時間尺度的特征[6-8]． 除此之外, 土壤CO2還通過巖石裂隙或者雨水溶解滲入到達巖溶洞穴[9], 是洞穴CO2的主要來源之一[10]． 而這些CO2又會通過不同的路徑重新參與巖溶碳循環(huán), 或者通過地下河與不同水文單元區(qū)間的其他物質(zhì)交換, 從而驅(qū)動陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)中的生物地球化學過程[11]．

前人研究表明, 年際和季節(jié)尺度上雞冠洞洞穴空氣CO2受游客活動、 通風效應、 洞穴結(jié)構(gòu)以及洞穴外部水熱環(huán)境的影響[26-27], 而短時間晝夜尺度上洞穴CO2的變化特征和影響因素仍然不明確, 不利于區(qū)分旅游洞穴中人為活動和天然巖溶作用產(chǎn)生CO2的貢獻． 基于此, 在前期洞外在線觀測的基礎上, 筆者所在研究團隊于2021年6月在雞冠洞和東石崖洞對應滴水點附近分別安裝洞穴空氣CO2在線自動監(jiān)測儀, 每15 min記錄一組數(shù)據(jù), 實時監(jiān)測洞穴內(nèi)部CO2變化狀況; 滴水點下方放置滴速儀, 每1 min記錄一個數(shù)據(jù)． 此外, 河南省2021年7月發(fā)生特大暴雨, 尤其鄭州市出現(xiàn)創(chuàng)紀錄的單日降水量(624.1 mm)和單小時降水量(201.9 mm), 在6 h內(nèi)獲得了相當于其全年降水量一半的降水量[28]． 受“21·7”河南特大暴雨影響, 雞冠洞景區(qū)于2021年7月22日停止營業(yè), 7月26日恢復營業(yè), 本次研究晝夜監(jiān)測捕捉到旅游旺季關門停業(yè)前后洞穴環(huán)境變化的詳細過程, 為研究旅游活動對洞穴CO2變化的控制機理提供了一個難得的契機． 本研究主要通過“21·7”河南特大暴雨期間雞冠洞景區(qū)關閉并結(jié)合與之毗鄰的天然洞穴東石崖洞, 從不同時空尺度對比研究兩個洞穴之間CO2變化的差異性和影響因素, 以及短時間尺度高分辨率條件下人類活動對旅游洞穴碳循環(huán)的影響機制, 對旅游洞穴資源開發(fā)保護和巖溶洞穴系統(tǒng)“碳源”和“碳匯”貢獻率的研究有一定的借鑒意義．

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

雞冠洞和東石崖洞(111°34′E, 33°46′N)位于黃土高原東南緣, 河南省西部的欒川縣內(nèi)(圖1a)． 雞冠洞位于欒川縣城西4 km處的雞冠山上, 洞口海拔約900 m, 上下落差約138 m． 目前已開發(fā)洞長1 800 m, 觀賞面積23 000 m3, 屬于典型的雙通風口洞穴[26]． 洞道呈“V”字形, 先下后上． 東石崖洞位于雞冠洞東方向約3 km的石籠溝鄉(xiāng)內(nèi)(圖1c), 洞口海拔840 m左右, 是一處未經(jīng)開發(fā)的天然洞穴, 與雞冠洞受同一堆覆斷層構(gòu)造控制, 但兩洞彼此獨立, 且東石崖洞為單通風口洞穴, 洞道向下． 該地區(qū)的地形以山地為主, 處于秦嶺淮河一線北側(cè), 是中國地理南北分界線, 濕潤區(qū)與半干旱區(qū)過渡地帶的邊界處, 長江和黃河流域分水嶺北麓． 巖石主要出露薊縣系大理巖, 青白系硅質(zhì)白云石大理巖, 二疊系變質(zhì)大理巖． 構(gòu)造以三川-欒川復向斜為主體, 次級褶皺發(fā)育, 在次級褶皺構(gòu)造的軸部, 因構(gòu)造應力集中, 各種性質(zhì)的裂隙以及低次級構(gòu)造面發(fā)育, 特別是垂直于軸部走向的張裂呈羽毛狀排列, 碳酸鹽巖巖溶作用強烈[29]． 研究點所在區(qū)域多年均溫12.4 ℃, 多年平均降水量為 838 mm (1957-2019年)[30], 主要集中于夏秋季(6-9月)． 植被主要是次生落葉闊葉林, 松柏科喬木和低矮灌木[27]．

1.2 研究方法

雞冠洞的監(jiān)測點設在LYXS, 東石崖的監(jiān)測點設于DSY1#和DSY2#(圖1c)． 其中, DSY1#下方有一條寬約20 cm的小型河道, DSY2#所處的位置較為平坦, 降水較多時從DSY1#至DSY2#的步道會被淹沒． 目前, 這種情況只有在2021年8月底至9月初發(fā)生．

(a) 底圖審圖號: GS(2020)4619號; (b) 底圖來源于中國氣象局國家氣候中心; 圖中矢量為水汽輸送qv, 陰影區(qū)為水汽輸送大小, 單位為kg/(s·m2); (c) 底圖來源于Google Earth; 藍色部分代表2021年8月被水淹沒部分．圖1 研究區(qū)位置、 水氣輸送及洞穴監(jiān)測點分布圖

研究團隊在2021年7月17日至8月6日對雞冠洞滴水點(LYXS)和東石崖洞滴水點(DSY1#)洞內(nèi)溫濕度和洞穴空氣CO2以及滴水滴速分別進行連續(xù)的高分辨率(30 min,1 min)監(jiān)測． 空氣CO2以及溫濕度高分辨率在線監(jiān)測用英國Goodsellsystems公司生產(chǎn)的GSS1型監(jiān)測儀記錄． 滴速數(shù)據(jù)用Stalagmate MK 3型滴速記錄儀(driptych公司, 英國)每隔1 min記錄滴水速率． 使用德國多參數(shù)水質(zhì)分析儀(WTW3430)現(xiàn)場測定滴水pH值和水溫, 精度分別為0.1和0.1 ℃． 氣溫和降水量由放置于雞冠洞洞頂?shù)拿绹鳧avis氣象觀測站記錄, 每15 min記錄一組數(shù)據(jù)． 雞冠洞洞內(nèi)氣體的采集用自吸式氣泵, 抽取1 L之后封存于復合聚乙烯鋁箔采樣袋中． 為避免造成交叉污染, 采樣前先用氣泵抽取采樣袋內(nèi)殘留氣體． 氣體碳同位素測定于中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室, 采用MAT 252氣體同位素質(zhì)譜儀測得． 洞內(nèi)滴水樣品用25 mL聚乙烯瓶采集． 采樣前, 取樣瓶在實驗室清洗后用約15%硝酸浸泡48 h, 然后用去離子水清洗并烘干． 取樣時, 用0.22 μm的微孔硝基過濾器過濾水樣． 采樣之后, 樣品密封運至實驗室, 4 ℃封存冷藏直至分析． 滴水穩(wěn)定碳同位素測定于國土資源部巖溶地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)督檢測中心, 采用MAT 253穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀與Gas Bench II聯(lián)機測試． 碳同位素的測定結(jié)果均對標V-PDB(ViennaPee Dee Belemnite)標準, 分析結(jié)果精度比δ13C高0.2 ‰ (1σ)． 游客數(shù)據(jù)來源于雞冠洞旅游發(fā)展有限公司．

圖2 高分辨率在線監(jiān)測設備

2 監(jiān)測結(jié)果與分析

通過對雞冠洞和東石崖洞連續(xù)的溫濕度監(jiān)測發(fā)現(xiàn), 2021年7月17日至8月6日, 兩個洞穴的相對濕度均為100%(圖3a、 圖4a)． 雞冠洞的洞內(nèi)氣溫(圖3b)約為16 ℃, 東石崖洞的氣溫(圖4b)約為11 ℃． 總的來說, 雞冠洞和東石崖洞洞內(nèi)溫濕度較為穩(wěn)定, 變化幅度較?。?/p>

東石崖洞內(nèi)的CO2(圖4c)呈峰狀起伏的晝夜變化特點, 早上緩慢上升, 中午達到頂峰, 而后緩慢下降． 變化范圍為400～600 μmol/mol． 而在同時期, 雞冠洞內(nèi)的CO2值(圖3e)變化幅度大于東石崖洞, 范圍為1 000～4 100 μmol/mol． 其中, 2021年7月17日0: 00至7月19日0: 00變化最大, 范圍為2 000～4 100 μmol/mol, 7月19日0: 00至22日0: 00緩慢下降, 中間略有波動, 22日0: 00至26日0: 00較為平穩(wěn)． 7月26日至8月6日再次出現(xiàn)波動, 范圍為1 226～2 852 μmol/mol． 雞冠洞的土壤CO2與洞外氣溫變化相似, 呈峰狀起伏, 但稍滯后于溫度的變化(圖3c)． 2021年7月21日降水最多, 共35 mm, 主要集中于當天 18時至18時30分, 達27.7 mm．

圖3 河南“21·7”暴雨前后雞冠洞洞內(nèi)各個指標變化趨勢

圖4 河南“21·7”暴雨前后東石崖洞洞內(nèi)各個指標變化趨勢

雞冠洞內(nèi)滴水點(LYXS)的滴速(圖3f)在2021年7月20日較為平穩(wěn), 平均78 滴/min, 在經(jīng)過7月21日的降水之后, 加上洞內(nèi)滴水對降水響應的滯后, 滴水滴速于7月22日下午上升至平均130 滴/min, 在經(jīng)歷了7月24日第二輪降水的補充后, 于7月25日早上9點之后升高至平均167 滴/min． 東石崖洞內(nèi)滴水點(DSY1#)的滴速(圖4d)在7月17日至21日18時較為平穩(wěn), 平均20 滴/min, 在經(jīng)歷7月21日18時的降水后, 于20時開始上升并一直持續(xù)至7月25日19時30分, 平均50 滴/min, 在短暫的高峰期(平均70 滴/min)之后, DSY1#的滴速開始略有下降(平均45 滴/min), 并于7月31日開始了第二輪的下降, 直至8月6日(平均35 滴/min)． 總的來說, 兩個洞穴滴水的滴速對洞穴外部的降水都有明顯的滯后響應, 但東石崖洞對降水的響應要快于雞冠洞． 以7月21日18時的強降水事件為例, 盡管此時間段未能捕捉到雞冠洞滴水滴速的詳細變化過程, 但雞冠洞滴水的滴速在7月22日才有了上升的趨勢, 并在之后達到穩(wěn)定, 直至7月24日． 而東石崖洞內(nèi)滴水點的滴水在降水后的2 h內(nèi)就已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的直線上升(從7月21日18: 30至20: 30), 這說明東石崖洞上部管道裂隙較為發(fā)育, 對外部降水事件較為敏感．

3 討論

3.1 晝夜尺度旅游活動對洞穴CO2摩爾分數(shù)變化的影響

洞穴內(nèi)外溫度差異所導致的氣壓差會使洞穴內(nèi)外氣流相互流動, 本研究中, 2021年7月17日至8月6日雞冠洞和東石崖洞洞內(nèi)溫度均低于洞外溫度(圖3b,3g,4b,4f), 說明雞冠洞和東石崖洞的通風模式較為一致, 洞穴內(nèi)外氣流流動較慢, 洞穴通風較弱[30]．

基于2021年7月17日至8月6日對雞冠洞洞穴空氣連續(xù)的CO2監(jiān)測結(jié)果, 人類活動在短期內(nèi)對雞冠洞CO2的影響較大． 7月17日雞冠洞的游客量達到了3 841人次, 同一天, 雞冠洞洞內(nèi)空氣的CO2摩爾分數(shù)也達到了最高的4 072 μmol/mol, 7月18日缺少部分游客數(shù)據(jù)無法作出完整的分析, 但在游客量較少(546人次)的7月21日, 雞冠洞洞穴空氣的CO2摩爾分數(shù)最高只達到了1 469 μmol/mol． 7月22日至26日, 受鄭州暴雨的影響, 雞冠洞禁止游客入內(nèi)． 在此階段, 雞冠洞內(nèi)的CO2摩爾分數(shù)并沒有像7月17日至22日那樣出現(xiàn)較大波動, 而是一直處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)． 在7月26日之后, 雞冠洞恢復正常運營, 洞內(nèi)CO2又重新出現(xiàn)起伏． 從整個短時間尺度的過程來看, 雞冠洞游客量在不斷減少的過程中, 人類活動對雞冠洞CO2的影響也在不斷減少(圖4)．

此外, 雞冠洞洞內(nèi)空氣CO2的碳同位素(δ13CairCO2)結(jié)果也表明(表1), 游客較多時洞內(nèi)CO2的碳同位素與無游客時存在差異． 雞冠洞洞內(nèi)空氣CO2的碳同位素在游客較多的7月17日為-21.28‰, 而在沒有游客的23日和24日為-19.07‰和-18.76‰． 有研究表明[31-32], 人類呼吸產(chǎn)生的CO2碳同位素值約為-20.00‰～-21.00‰． 而據(jù)吳夏等[33]對桂林涼風洞(天然洞穴)的監(jiān)測結(jié)果, 涼風洞空氣CO2碳同位素值約為-10.00‰～-18.90‰, 其中夏季明顯偏負． 這與雞冠洞在不受游客影響時期的空氣CO2碳同位素結(jié)果較為相似． 因此, 在短時間內(nèi), 游客呼出的CO2是雞冠洞內(nèi)CO2的來源之一．

表1 “21·7”河南暴雨期間雞冠洞洞內(nèi)空氣碳同位素變化

由于東石崖洞不受游客活動的影響, 洞內(nèi)CO2摩爾分數(shù)的變化幅度并不如雞冠洞CO2摩爾分數(shù)變化幅度大, 但依然呈現(xiàn)出明顯的晝夜起伏, 這主要受氣溫和降水的共同影響． 白天氣溫高, 土壤微生物活動強于夜晚, 土壤CO2也因此晝高夜低[34], 由于東石崖上部管道裂隙較為發(fā)育, 一部分土壤CO2會沿裂隙進入洞穴[23], 從而使得洞內(nèi)CO2摩爾分數(shù)發(fā)生變化． 此外, 2021年7月17日至8月6日期間, 東石崖洞內(nèi)的CO2高值都出現(xiàn)在降水后, 而在沒有降水的時候, 洞內(nèi)CO2相對較低． 研究區(qū)夏季氣溫較高, 隨著降雨事件發(fā)生, 土壤微生物活動受到刺激, 土壤CO2增多[34], 溶解了大量土壤CO2的水體以滴水或者地下河的形式進入洞穴并發(fā)生脫氣, 增加洞內(nèi)空氣的CO2摩爾分數(shù)． 以7月19日晚22: 30為節(jié)點, 在此之前, 東石崖洞內(nèi)CO2摩爾分數(shù)呈下降趨勢, 而到了22: 30之后, 東石崖洞內(nèi)CO2摩爾分數(shù)有了上升趨勢但幅度較小(圖4c), 這是由于滴水的脫氣作用是瞬時的, 洞內(nèi)CO2對脫氣作用的響應持續(xù)時間也較短． 與東石崖洞一致, 2021年7月19日晚強降水事件發(fā)生后, 即使在滴速快速上升時期, 雞冠洞的CO2摩爾分數(shù)也只發(fā)生了100 μmol/mol左右的變化, 之后就迅速下降． Frisia等[35]對Grotta di Ernesto洞的監(jiān)測也表明, 當降水事件發(fā)生后, 洞穴CO2摩爾分數(shù)只是在幾個小時內(nèi)發(fā)生了變化, 幅度大約為250 μmol/mol． 因此, 筆者認為, 只有當降水事件發(fā)生且持續(xù)較長時間時, 脫氣作用產(chǎn)生的CO2才會引起洞穴CO2較為明顯地增加．

3.2 強降水事件對洞穴CO2摩爾分數(shù)變化的影響

在2021年8月28日至9月3日, 本研究團隊于東石崖洞捕捉到另外一次降水較強且持續(xù)時間較長的降水事件(圖5)． 氣象站記錄顯示, 本次降水從8月28日上午開始, 至9月1日下午結(jié)束, 總降水量為199.4 mm, 是研究區(qū)2021年最大的一次降水過程, 在此期間, 東石崖洞滴水(DSY1#)滴速從8月28日晚開始上升, 而在滴速上升后的6 h后, CO2摩爾分數(shù)從500 μmol/mol迅速上升至2 000 μmol/mol, 這次上升從8月29日凌晨一直持續(xù)至30日凌晨． 8月31日, 隨著降水停滯, 東石崖洞內(nèi)CO2摩爾分數(shù)下降至1 500 μmol/mol左右． 到了9月1日, 在第二輪降水之后, 洞內(nèi)CO2摩爾分數(shù)又重新升高, 并在9月2日達到頂峰． 在此期間, 由于洞穴上部裂隙較為連通, DSY2#被水淹沒, 洞內(nèi)存在大量水體． 這說明脫氣作用產(chǎn)生的CO2只有在達到一定程度的情況下才會引起洞內(nèi)CO2摩爾分數(shù)較為明顯的變化(圖5)．

圖5 2021年8月28日至9月3日強降水期間東石崖洞內(nèi)各個指標變化趨勢

此外, 另一個值得考慮的洞內(nèi)CO2來源為洞穴上覆土壤CO2． 而9月1日DSY1#滴水樣品δ13CDIC的測試結(jié)果表明(表2), 此時δ13CDIC的值相較于其他降水少的時期明顯偏負(-13.98‰), 這是由于降水的增加會溶解更多碳同位素較為偏負的土壤CO2, 使得滴水也表現(xiàn)出相似的特征． 這與Li等[36]對芙蓉洞的研究結(jié)果較為一致． 從整個過程來看, 由于8月28日至30日第一輪降水事件的發(fā)生, 東石崖洞內(nèi)水體脫氣增強, 土壤CO2上升, 使得洞內(nèi)CO2出現(xiàn)第一個峰值． 之后隨著降水的減少, 洞內(nèi)CO2出現(xiàn)回落． 9月1日發(fā)生第二輪降水, 雖然沒有使DSY1#滴速發(fā)生明顯變化, 但由于前期洞內(nèi)CO2的累積, 以及第二輪降水導致的土壤CO2上升, 使東石崖洞內(nèi)CO2摩爾分數(shù)在9月2日達到最高峰． 總的來講, 短時間尺度上, 游客活動呼出的CO2是雞冠洞內(nèi)CO2的主要來源之一, 東石崖洞內(nèi)CO2的主要來源為上覆土壤CO2． 但當降水量較大時, 脫氣作用產(chǎn)生的CO2也會成為東石崖洞內(nèi)CO2的來源之一．

表2 東石崖洞內(nèi)滴水溶解無機碳碳同位素(δ13CDIC water)變化

3.3 旅游洞穴雞冠洞水-土-氣-生CO2循環(huán)的傳輸機制分析

巖溶動力系統(tǒng)以“碳—水—鈣”循環(huán)為核心, 研究碳酸鹽巖的溶解、 沉積及其動力條件, 涉及大氣圈、 水圈、 巖石圈、 生物圈在內(nèi)的多個圈層的物質(zhì)轉(zhuǎn)換、 能量傳輸[37]． 河南雞冠洞是研究上述關鍵問題的較為理想的載體, 雞冠洞基底為花崗巖, 洞體為大理巖, 上覆蓋層薄, 對降水的響應較快(圖6)．

圖6 旅游洞穴雞冠洞CO2傳輸過程概念模型圖

為了判斷雞冠洞洞內(nèi)CO2是否會對洞穴沉積物的生長過程造成影響, 需要計算滴水的CO2分壓和方解石飽和指數(shù)(SIc)來確定實際情況． 當SIc>0時, 表明方解石已經(jīng)超過飽和, 可能沉淀方解石;SIc=0時, 表明溶液中的方解石已呈平衡狀態(tài); 當SIc<0時, 表明溶液尚未飽和, 可能發(fā)生更多溶解． 根據(jù)計算結(jié)果(表3), “21·7”河南特大暴雨觀測期間雞冠洞的方解石飽和指數(shù)均大于0, 滴水的CO2分壓(pCO2)也始終大于洞內(nèi)CO2． 這表明監(jiān)測期間溶液處于過飽和狀態(tài), 方解石一直處于沉積態(tài)． 即人類活動呼出的CO2并沒有使洞內(nèi)CO2達到可以抑制滴水脫氣進而影響洞穴沉積物的程度． 從整個過程來看, 在7月17日至8月6日期間, 雞冠洞游客總量為15 604人次, 按每人每小時呼出0.022 m3的CO2[26], 游覽時間為1.5 h, 則此期間游客一共呼出了約514.9 m3的CO2． 這些CO2會以不同方式參與碳循環(huán)． 就雞冠洞而言, 本研究時段內(nèi), 當游客較多時, 洞內(nèi)的CO2是沒有游客時的2～3倍, 考慮到巖溶洞穴景觀的脆弱性和不可再生性[39], 在之后的研究工作中應當更加注重短期內(nèi)人為活動對旅游洞穴CO2及其循環(huán)過程造成的影響．

表3 “21·7”河南特大暴雨期間雞冠洞內(nèi)滴水pCO2和方解石飽和指數(shù)

4 結(jié)論

通過對雞冠洞和東石崖洞短時間內(nèi)的高分辨率在線觀測, 主要得到以下結(jié)論:

(1) 在晝夜尺度上, 旅游活動人為產(chǎn)生的CO2是雞冠洞CO2的一個主要來源． 而東石崖洞內(nèi)CO2由天然巖溶作用產(chǎn)生, 主要受控于洞穴上覆土壤CO2的變化． 強降雨事件發(fā)生后, 東石崖洞內(nèi)CO2摩爾分數(shù)會受洞穴上覆土壤CO2和洞內(nèi)水體脫氣的共同影響．

(2) 雞冠洞人為活動產(chǎn)生的CO2是沒有游客時(“21·7”河南特大暴雨造成景區(qū)關閉期間)的2～3倍． 雖然游客呼吸產(chǎn)生的CO2在短期內(nèi)對雞冠洞內(nèi)CO2摩爾分數(shù)變化貢獻較大, 但是雞冠洞洞內(nèi)滴水的SIc始終大于0, 即游客對雞冠洞內(nèi)CO2的影響還沒有達到可以抑制滴水脫氣的程度, 不會抑制方解石沉積．

(3) 研究時段內(nèi), 游客呼吸產(chǎn)生了約514.9 m3的CO2, 這些CO2會以各種途徑參與洞穴系統(tǒng)的碳循環(huán)過程． 考慮到巖溶洞穴生態(tài)環(huán)境的脆弱性, 之后的研究中要更加注重短時間內(nèi)人類活動對巖溶洞穴CO2及其循環(huán)過程的影響．