貴州大風洞洞穴空氣CO2濃度及滴水水化學與洞穴通風的響應

安 丹, 周忠發, 范寶祥, 薛冰清, 朱粲粲, 石亮星

(1.貴州師范大學 地理與環境科學學院/喀斯特研究院, 貴陽 550001;2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地, 貴陽 550001)

洞穴水—氣作為巖溶動力系統最重要的組成部分，兩者的時空變化特征及其兩者的相互關系備受關注。相關學者通過對洞穴滴水的垂向運移展開研究，運用微氣候數學模型[1]，探索水—巖—氣耦合作用規律[2]，豐富了喀斯特洞穴垂直向的碳循環研究內容[3-5]。洞穴空氣CO2濃度是影響洞穴次生化學沉積物沉積和溶蝕的重要因素之一[6]，在洞穴空氣CO2的時空變化特征及變化影響因素方面，Whitaker[7]、Song[8]、張結[9]等的研究表明洞穴空氣CO2濃度具有明顯的季節變化和晝夜變化，洞穴空氣CO2的變化受到上覆土壤、植被生物活動的影響，且與洞穴滴水水化學具有顯著相關性。潘艷喜[10]、王歡[11]等通過對貴州織金洞、福建仙云洞空氣環境展開監測，研究發現影響洞穴微氣候要素的主要原因有游客數量、洞內外氣流交換及洞道結構等，當受到洞穴結構特征及裂隙水分布控制的影響時，洞穴空氣CO2濃度分布存在空間差異；張強[12]、杜金娥[13]等通過對旅游洞穴的空氣環境進行密集監測，發現洞穴旅游活動對洞穴空氣CO2濃度變化具有顯著影響作用。洞穴水作為碳酸鈣沉積物景觀形成的主要影響因素之一，其水化學性質影響著洞穴景觀的沉積。在洞穴滴水水化學研究中，Gonzalez等[14]在流體化學和流體流動對方解石形態影響的基礎上，通過滴水的化學組成來研究碳酸鹽巖的溶解和沉積；Tooth等[15]的研究發現受到活塞效應、方解石前期沉積效應等因素影響，洞穴滴水水化學特征在季節上表現出一定的變化規律性。曾澤[16]、王鳳康[7]、郭小嬌[18]、李淵[19]、龐征[20]等學者研究發現受到表層巖溶帶含水層的控制，洞穴滴水水文地球化學指標的變化與外部氣候環境變化具有較強的響應關系。洞穴滴水往往受到大氣降水的影響，降水通過表層巖溶帶進入洞穴內部，使洞穴水成為與外界相耦合的媒介，并為沉積物的形成機理及古氣候的反演提供重要依據[21-26]。在旅游洞穴，洞穴環境的變化亦通過影響洞穴滴水的水化學平衡來作用于洞穴景觀[21]。

在洞穴水氣研究中，Spotl等[27]在Obir洞穴的監測中發現冬季由洞內外氣溫差引起的通風效應導致滴水CO2脫氣加劇，使滴水中δ13CDIC，Mg/Ca，Sr/Ca顯著增大。Shindoh等[28]在Inazumi Cave進行高分別率的監測，發現季節性的洞穴空氣通風控制洞穴CO2濃度和滴水化學的變化；劉再華等[29]研究發現洞穴環境中CO2分壓及離子強度效應等對洞穴水化學具有重要影響作用；張結等[30]通過探究短時間高強度旅游活動下洞穴CO2的變化特征，總結出洞穴空氣CO2與洞穴滴水水文地球化學具有明顯的響應關系。目前，相關學者對洞穴空氣環境及水化學特征的研究較為豐富，洞穴碳循環研究已較為成熟。但關于洞穴通風對洞穴環境及洞穴景觀沉積的影響研究較少，短時間尺度上洞穴通風與洞穴滴水水化學的相關性分析尚未得到定量研究。本文以貴州省雙河洞洞穴系統的大風洞為例，通過分析短時間尺度下洞穴滴水的理化性質特征和洞穴空氣環境變化特征，分析洞穴通風與洞穴滴水水化學和CO2濃度的響應關系，探究水平方向上洞穴碳循環機理，為雙河洞穴系統的合理開發和保護提供科學依據，促進旅游業的可持續發展。

1 研究區概況

雙河洞洞穴系統位于貴州省綏陽縣西北部(107°02′30″—107°25′00″E，28°08′00″—28°20′00″N)，是目前世界第5長洞，并有世界最長的“白云巖”洞穴之稱，已探明長度超過257.4 km。在地質構造上，雙河洞洞穴系統處于黔北寬闊平緩箱狀背斜翼部，屬于揚子地層區黔北沉積區西部，該區受到不同方向的地質構造應力的作用而形成NE，NW及SN向的褶皺斷裂帶，該區龐大密集的溶洞群則發育于這三組斷裂構造圍成的一個三角斷塊中；研究區出露地層主要有中上寒武系婁山關組(∈2-3ls)和下奧陶桐梓組(O1t)的白云巖、灰質白云巖及夾燧石和泥質的白云巖。山脈屬于大婁山山系的東支部分，海拔為600～1 700 m，海拔差超過1 km，導致研究區地表切割較深，從而形成密集的峽谷地貌；研究區屬長江流域烏江水系的一級支流芙蓉江上游池武溪地下河系，地表河與地下河眾多，水系較為發育，形成復雜的地表—地下的二元水力聯系機制；該區氣候屬于亞熱帶季風氣候，年均溫15.5℃，降雨大多集中在4—10月，年平均降水量約為1 210 mm。植被以亞熱帶常綠闊葉林和闊葉落葉混交林為主，土壤垂直分帶明顯，低海拔地區主要以黃壤、石灰土為主，相對較高海拔地區主要以山地黃棕壤為主。

本文以雙河洞的支洞——大風洞為研究對象，該洞海拔為734 m，入洞口高4.5 m，寬7.6 m，主體洞道寬度為0.9～16.7 m，洞道高度為1.7～22.6 m，洞長約為696 m，總面積約為4 805 m2，總體積64 518 m3。大風洞洞道單一，洞道發育沿巖層發育，其走向與巖層傾向基本近水平，洞穴以溶蝕形態為主，洞道起伏較為平緩，洞內次生化學沉積物較為豐富。

2 數據來源與研究方法

在大風洞內設置兩個連續監測點(圖1)，分別為夜明珠(1#)和神泉玉露(2#)，監測時間為2018年9月30日17：00—10月6日24：00，監測點參數見表1。

圖1 監測點分布

表1 大風洞密集監測點參數

PCO2(A)、溫度、相對濕度的連續監測使用美國Telaire-7001型便攜式紅外CO2儀3臺同時外接美國ONSET公司HOBO自動記錄儀(U12-012)，時間間隔為2 min，其中溫度測量范圍在-20～70℃，精度為±0.35℃，濕度測量范圍5%～100%，CO2濃度范圍在0～10 000 mg/L，分辨率為1 mg/L，測量精度為±50 mg/L，試驗前用標準(380 mg/L)氣體進行校準，為了避免人為影響，在操作時放置在距操作者2 m以外進行監測。洞外氣象使用美國Kestrel-4500型便攜式氣象站對洞穴內外空氣中的風速、溫度、相對濕度等進行連續監測，時間間隔為10 min，儀器分辨率分別為0.1 m/s，0.1℃,0.1%，測量精度分別為±3%,±1.0℃,±3%。再通過洞穴空氣環境因子計算得出虛擬溫度(Tv)；虛擬溫度是通過綜合計算洞穴空氣溫度、相對濕度和空氣CO2，其中包括每個氣團的分子組成的變化對洞穴空氣浮力的影響，通過洞內外虛擬溫度差即可估計洞穴通風情況[31]。計算公式如下：

Tv=T(1+0.6079rv-0.3419rc)

(1)

式中：T為溫度(℃)；rv為水汽混合比；rc為二氧化碳混合比率。

(2)

(3)

3 結果與分析

3.1 洞穴滴水水化學變化特征

圖2 監測點滴水水文地球化學特征

3.2 洞穴空氣CO2濃度的時空變化特征

CO2作為洞穴空氣環境的主要氣體組成之一，研究其時空變化特征對洞穴環境、氣候特征及洞穴景觀保護具有重要意義。對大風洞兩個滴水點的CO2濃度進行為期7 d的連續自動監測，發現監測期間1#點和2#點的CO2濃度呈現明顯的晝夜變化(圖3)，兩個監測點的變化趨勢基本一致，且與游客數量的變化具有正向相關性。已有研究表明，游客呼出的CO2是旅游洞穴中CO2的重要來源，并得出洞穴CO2濃度變化與游客數量呈正相關關系[32-33]。大風洞為旅游洞穴，景區營業時間為8：00—18：00，隨著游客數量的不斷增加，洞內CO2濃度急劇增加。在14：00—16：00，游客數量達到最大值，16：00—17：00，CO2濃度達到峰值，在18：00之后CO2濃度逐漸降低，夜間由于沒有人類活動影響使得CO2濃度不斷下降，在次日早上7：00—8：00降低至最低值。由于兩個監測點所處位置、洞腔大小、洞道結構截然不同，兩個滴水點CO2濃度增加幅度以及變化幅度存在差異，由表1可知，1#滴水點位于主洞道，洞腔較大，洞道呈廳堂狀，2#滴水屬于支洞道，洞腔小，洞道呈廊道狀；如圖3所示，1#滴水點CO2濃度變化范圍為613.2～1 399.3 mg/L，增加幅度為1.28 mg/L，變化幅度為786.1 mg/L；2#滴水點的CO2濃度的變化范圍為606.8～1 971.9 mg/L，增加幅度為2.25 mg/L，變化幅度為1 365.1 mg/L，2#滴水點的增加幅度以及變化幅度明顯高于1#滴水點。

圖3 大風洞不同監測點CO2濃度變化

3.3 洞穴通風變化特征

通風效應是由洞內外溫度差造成氣壓差從而引起洞穴內外氣流交換的一種氣流運行模式[34-36]，洞穴通風可以由一系列過程驅動，包括壓力誘導流[37]、密度驅動氣流[38-39]，地下水的存在[40]，吹過洞穴入口的風[41]和外部風的直接流入[39]以及游客參觀走動所帶入的風[15]。在洞穴通風研究中發現至少有兩種機制被認為是同時作用的，在不同的時間尺度上影響洞穴的通風，而短時間尺度的洞穴通風過程主要受洞內外溫度差、洞道結構和氣壓等因素控制。目前對洞穴通風情況的判定比較精確的方法主要是通過計算虛擬溫度差(ΔTv=Tvcave-Tvoutside)來估算浮力差的變化，虛擬溫度的計算涉及洞穴溫度、氣壓、相對濕度和空氣CO2，填補了前期估算洞穴通風時對高濃度二氧化碳和相對濕度的忽略，使浮力測量結果更精準。以ΔTv表征洞穴通風情況，當ΔTv>0時，空氣浮力差為正值，洞內溫度高于洞外溫度，洞內外氣流交換屬于積極通風狀態，此時更多暖輕的洞穴空氣被洞外的冷重氣流擠壓而離開洞穴；當ΔTv<0時，洞內溫度低于洞外溫度，空氣浮力差為負值，表示洞穴空氣將滯留在洞內，洞內外氣流交換受到抑制；不同的通風模式下洞穴景觀將產生不同的發展方向。

如圖4所示，1#與2#的虛擬溫度差總體變化趨勢一致，表現出明顯的晝夜變化特征，受到天氣變化影響，洞穴通風模式隨之發生改變。9月30日17：00—10月2日夜間22：00，1#滴水點ΔTv<0，2#滴水點在9月30日17：00—10月1日夜間24：00，ΔTv<0，到10月2日出現白天ΔTv<0，夜間ΔTv>0；10月3日整天兩個滴水點均出現ΔTv>0月，10月4日—10月6日虛擬溫度差變化趨勢均為白天ΔTv<0，夜間ΔTv>0。白天洞內溫度低于洞外溫度，氣流交換受到抑制，ΔTv<0，導致洞內空氣滯留，從而引起空氣CO2濃度增加；白天CO2濃度的不斷增加，使洞穴空氣密度增加，而洞外空氣密度保持相對恒定，到了午后洞內外空氣密度差達到極值，洞內氣流不斷流向洞內，使得夜間ΔTv>0，經過一晚上的氣流交換使得洞內空氣CO2在早上達到最低值。在晴朗天氣條件下洞穴的限制性通風表現明顯，9月30日—10月1日，研究區天氣晴朗，限制性通風影響下在監測期間洞穴空氣CO2濃度出現峰值，1#和2#的峰值分別為1 399.3，1 971.9 mg/L。在10月3日研究區出現降雨天氣，洞內外氣流交換頻繁，ΔTv>0，因此在10月4日早上出現監測期間的CO2濃度最低值，分別為613.2，606.8 mg/L。由此可以得出洞穴通風對洞穴空氣CO2濃度的影響；晴朗天氣條件下，洞穴通風屬于抑制性通風，洞內外氣流交換受抑制，洞穴空氣CO2濃度增加；在降雨天氣條件下，屬于積極性通風，洞內外氣流交換頻繁，洞穴CO2濃度降低。

圖4 監測點虛擬溫度差

4 討 論

4.1 洞穴通風效應與洞穴滴水水化學

洞穴滴水水化學呈現明顯的晝夜變化特征，除受到游客活動及上覆基巖影響以外，洞穴通風也是影響洞穴滴水水化學的原因之一。如圖5所示，1#和2#滴水點的lgPCO2(w)與ΔTv呈顯著反相關，且相關性最高，而pH值，SIc和SId與ΔTv呈正相關關系，相關性較低；主要是由于ΔTv逐漸增加時，洞穴通風由抑制性通風狀態轉為積極性通風，洞內外氣流交換越加頻繁，洞內空氣密度降低，洞穴空氣CO2濃度的降低使得水氣CO2分壓差增大，促進水中的CO2脫氣，SIc和SId增加，碳酸鹽巖達到過飽和而發生沉積，水中CO2濃度降低，pH值增加，使得lgPCO2(w)逐漸降低；由以上分析得出洞內外虛擬溫度差與滴水水文地球化學存在一定相關性，且與不同指標相關性存在差異，而洞穴通風主要是通過影響洞穴空氣CO2濃度進而影響洞穴滴水水化學。

圖5 虛擬溫度差與洞穴滴水水文地球化學指標的關系

4.2 洞穴通風與洞穴水-氣CO2分壓差

短時間尺度內ΔTv對洞穴滴水水化學的影響體現在與CO2的交換過程，CO2交換過程表現出巖溶碳循環在水平垂直上產生的影響。張結等[30]研究發現高強度人為活動貢獻的CO2對洞穴滴水水文地球化學及洞穴沉積物的沉積有著顯著的影響，而在不同天氣條件下，洞穴通風將引起洞穴空氣CO2濃度的變化，將洞穴通風、空氣CO2和滴水水化學建立連通性，探究洞穴水氣CO2對洞穴通風的響應機制。在巖溶動力系統中，水—氣CO2轉化屬于洞穴水文地球化學轉化過程中重要的環節，洞穴水—氣CO2分壓差會引起水體與空氣中CO2濃度發生轉化，水氣CO2分壓差則是通過ΔPCO2值表征的，

ΔPCO2=PCO2(w)-PCO2(A)

(4)

式中：PCO2(w)為水中的CO2分壓；PCO2(A)為空氣CO2分壓；ΔPCO2為水—氣CO2分壓差。

若ΔPCO2<0，說明PCO2(A)小于PCO2(w)，水中的CO2產生脫氣，促進CaCO3沉積，若ΔPCO2=0，說明兩者達到平衡，水體中CaCO3達到平衡，但依舊很容易受其他因素的影響。若ΔPCO2>0，則PCO2(w)小于PCO2(A)，水體會吸收部分空氣中CO2，使水的溶蝕性進一步提升。

洞穴通風在短時間尺度下通過影響洞穴水氣CO2分壓差進而影響洞穴沉積環境。如圖6所示，當ΔTv>0時，洞內外氣流屬于積極通風狀態，洞穴空氣CO2濃度降低，當富含Ca2+的巖溶水通過裂隙進入洞穴時，洞穴內水氣產生分壓差，且ΔPCO2>0，滴水中的CO2在壓力差的驅動下不斷脫氣，水中碳酸鈣過飽和而沉積，形成各種沉積景觀；當ΔTv<0時，洞內外氣流交換受到抑制，洞穴空氣CO2不斷累積使得濃度增加，ΔPCO2<0，洞穴空氣CO2進入滴水中，形成額外的碳酸，洞穴沉積物產生溶蝕作用，洞穴景觀遭到破壞。當ΔTv=0時，洞穴通風處于通風模式交換的過渡階段，此時ΔPCO2=0時，水氣交換呈平衡狀態，洞穴滴水對碳酸鹽巖的溶解主要由周圍環境溫度決定。

圖6 大風洞通風效應模式

5 結 論

(1) 監測期間，洞穴空氣CO2濃度在時間上表現出明顯的晝夜變化，且與游客數量呈正向相關性；空間上，由于兩個監測點所處位置的洞腔大小、洞道結構截然不同，兩個滴水點CO2濃度增加幅度以及變化幅度存在差異，2#滴水點的增加幅度以及變化幅度明顯高于1#滴水點。

(3) 洞穴通風引起洞穴水氣CO2分壓差的變化，進而影響洞穴景觀的形成。ΔTv>0時，洞內外氣流屬于積極通風狀態，洞穴空氣CO2濃度降低，ΔPCO2>0，滴水中的CO2在壓力差的驅動下不斷脫氣，水中碳酸鈣過飽和而沉積，形成各種沉積景觀；ΔTv<0時，洞穴通風屬于抑制性通風，洞穴空氣CO2不斷累積使得濃度增加，ΔPCO2<0，洞穴空氣CO2進入滴水中，形成額外的碳酸，洞穴沉積物產生溶蝕作用，洞穴景觀遭到破壞。