“21·7”河南暴雨前后雞冠洞CO2變化的對比研究

葉枝茂， 楊琰， 李一冬，陳小敏， 段軍偉， 許彥智

1. 巖溶環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系統國家野外科學觀測研究站，重慶 400715；3. 河南省雞冠洞旅游發展有限公司，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的碳循環[1]． 2020年習近平總書記在第75屆聯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碳循環． 地球系統科學研究地球各個圈層之間物質能量的傳輸和轉化及其耦合關系, 對實現“雙碳”目標有很好的啟示作用[3]． 地球系統科學在巖溶學的重要表現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中的子系統之一, 與地表各個圈層之間存在大量的物質遷移和能量轉換, 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]． 就洞穴系統而言, 洞外水熱環境改變驅動洞穴上覆土壤CO2升高, 與入滲的雨水共同成為巖溶作用發生的條件, 使得巖溶水化學具有年際、 季節、 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, 或者通過地下河與不同水文單元區間的其他物質交換, 從而驅動陸地和水生生態系統中的生物地球化學過程[11]．

前人研究表明, 年際和季節尺度上雞冠洞洞穴空氣CO2受游客活動、 通風效應、 洞穴結構以及洞穴外部水熱環境的影響[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, 不利于區分旅游洞穴中人為活動和天然巖溶作用產生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在線自動監測儀, 每15 min記錄一組數據, 實時監測洞穴內部CO2變化狀況; 滴水點下方放置滴速儀, 每1 min記錄一個數據． 此外, 河南省2021年7月發生特大暴雨, 尤其鄭州市出現創紀錄的單日降水量(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, 雞冠洞景區于2021年7月22日停止營業, 7月26日恢復營業, 本次研究晝夜監測捕捉到旅游旺季關門停業前后洞穴環境變化的詳細過程, 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關閉并結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的影響機制, 對旅游洞穴資源開發保護和巖溶洞穴系統“碳源”和“碳匯”貢獻率的研究有一定的借鑒意義．

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

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(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的石籠溝鄉內(圖1c), 洞口海拔840 m左右, 是一處未經開發的天然洞穴, 與雞冠洞受同一堆覆斷層構造控制, 但兩洞彼此獨立, 且東石崖洞為單通風口洞穴, 洞道向下． 該地區的地形以山地為主, 處于秦嶺淮河一線北側, 是中國地理南北分界線, 濕潤區與半干旱區過渡地帶的邊界處, 長江和黃河流域分水嶺北麓． 巖石主要出露薊縣系大理巖, 青白系硅質白云石大理巖, 二疊系變質大理巖． 構造以三川-欒川復向斜為主體, 次級褶皺發育, 在次級褶皺構造的軸部, 因構造應力集中, 各種性質的裂隙以及低次級構造面發育, 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

雞冠洞的監測點設在LYXS, 東石崖的監測點設于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 研究區位置、 水氣輸送及洞穴監測點分布圖

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#)洞內溫濕度和洞穴空氣CO2以及滴水滴速分別進行連續的高分辨率(30 min,1 min)監測． 空氣CO2以及溫濕度高分辨率在線監測用英國Goodsellsystems公司生產的GSS1型監測儀記錄． 滴速數據用Stalagmate MK 3型滴速記錄儀(driptych公司, 英國)每隔1 min記錄滴水速率． 使用德國多參數水質分析儀(WTW3430)現場測定滴水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的美國Davis氣象觀測站記錄, 每15 min記錄一組數據． 雞冠洞洞內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境地球化學國家重點實驗室, 采用MAT 252氣體同位素質譜儀測得． 洞內滴水樣品用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． 滴水穩定碳同位素測定于國土資源部巖溶地質資源環境監督檢測中心, 采用MAT 253穩定同位素比質譜儀與Gas Bench II聯機測試． 碳同位素的測定結果均對標V-PDB(ViennaPee Dee Belemnite)標準, 分析結果精度比δ13C高0.2 ‰ (1σ)． 游客數據來源于雞冠洞旅游發展有限公司．

圖2 高分辨率在線監測設備

2 監測結果與分析

通過對雞冠洞和東石崖洞連續的溫濕度監測發現, 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溫濕度較為穩定, 變化幅度較小．

東石崖洞內的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． 7月26日至8月6日再次出現波動, 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各個指標變化趨勢

圖4 河南“21·7”暴雨前后東石崖洞洞內各個指標變化趨勢

雞冠洞內滴水點(LYXS)的滴速(圖3f)在2021年7月20日較為平穩, 平均78 滴/min, 在經過7月21日的降水之后, 加上洞內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． 東石崖洞內滴水點(DSY1#)的滴速(圖4d)在7月17日至21日18時較為平穩, 平均20 滴/min, 在經歷7月21日18時的降水后, 于20時開始上升并一直持續至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, 并在之后達到穩定, 直至7月24日． 而東石崖洞內滴水點的滴水在降水后的2 h內就已經出現了明顯的直線上升(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摩爾分數變化的影響

洞穴內外溫度差異所導致的氣壓差會使洞穴內外氣流相互流動, 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的CO2監測結果, 人類活動在短期內對雞冠洞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, 雞冠洞洞內空氣的CO2摩爾分數也達到了最高的4 072 μmol/mol, 7月18日缺少部分游客數據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． 在此階段, 雞冠洞內的CO2摩爾分數并沒有像7月17日至22日那樣出現較大波動, 而是一直處于相對平穩的狀態． 在7月26日之后, 雞冠洞恢復正常運營, 洞內CO2又重新出現起伏． 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, 雞冠洞洞內空氣CO2的碳同位素(δ13CairCO2)結果也表明(表1), 游客較多時洞內CO2的碳同位素與無游客時存在差異． 雞冠洞洞內空氣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], 人類呼吸產生的CO2碳同位素值約為-20.00‰～-21.00‰． 而據吳夏等[33]對桂林涼風洞(天然洞穴)的監測結果, 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碳同位素結果較為相似． 因此, 在短時間內, 游客呼出的CO2是雞冠洞內CO2的來源之一．

表1 “21·7”河南暴雨期間雞冠洞洞內空氣碳同位素變化

由于東石崖洞不受游客活動的影響, 洞內CO2摩爾分數的變化幅度并不如雞冠洞CO2摩爾分數變化幅度大, 但依然呈現出明顯的晝夜起伏, 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育, 一部分土壤CO2會沿裂隙進入洞穴[23], 從而使得洞內CO2摩爾分數發生變化． 此外, 2021年7月17日至8月6日期間, 東石崖洞內的CO2高值都出現在降水后, 而在沒有降水的時候, 洞內CO2相對較低． 研究區夏季氣溫較高, 隨著降雨事件發生, 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生脫氣, 增加洞內空氣的CO2摩爾分數． 以7月19日晚22: 30為節點, 在此之前, 東石崖洞內CO2摩爾分數呈下降趨勢, 而到了22: 30之后, 東石崖洞內CO2摩爾分數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CO2對脫氣作用的響應持續時間也較短． 與東石崖洞一致, 2021年7月19日晚強降水事件發生后, 即使在滴速快速上升時期, 雞冠洞的CO2摩爾分數也只發生了100 μmol/mol左右的變化, 之后就迅速下降． Frisia等[35]對Grotta di Ernesto洞的監測也表明, 當降水事件發生后, 洞穴CO2摩爾分數只是在幾個小時內發生了變化, 幅度大約為250 μmol/mol． 因此, 筆者認為, 只有當降水事件發生且持續較長時間時, 脫氣作用產生的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日下午結束, 總降水量為199.4 mm, 是研究區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日凌晨一直持續至30日凌晨． 8月31日, 隨著降水停滯, 東石崖洞內CO2摩爾分數下降至1 500 μmol/mol左右． 到了9月1日, 在第二輪降水之后, 洞內CO2摩爾分數又重新升高, 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, 洞內存在大量水體． 這說明脫氣作用產生的CO2只有在達到一定程度的情況下才會引起洞內CO2摩爾分數較為明顯的變化(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各個指標變化趨勢

此外, 另一個值得考慮的洞內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, 使得滴水也表現出相似的特征． 這與Li等[36]對芙蓉洞的研究結果較為一致． 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生, 東石崖洞內水體脫氣增強, 土壤CO2上升, 使得洞內CO2出現第一個峰值． 之后隨著降水的減少, 洞內CO2出現回落． 9月1日發生第二輪降水, 雖然沒有使DSY1#滴速發生明顯變化, 但由于前期洞內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CO2摩爾分數在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CO2的主要來源之一, 東石崖洞內CO2的主要來源為上覆土壤CO2． 但當降水量較大時, 脫氣作用產生的CO2也會成為東石崖洞內CO2的來源之一．

表2 東石崖洞內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循環的傳輸機制分析

巖溶動力系統以“碳—水—鈣”循環為核心, 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、 生物圈在內的多個圈層的物質轉換、 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(SIc)來確定實際情況． 當SIc>0時, 表明方解石已經超過飽和, 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; 當SIc<0時, 表明溶液尚未飽和, 可能發生更多溶解． 根據計算結果(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均大于0, 滴水的CO2分壓(pCO2)也始終大于洞內CO2． 這表明監測期間溶液處于過飽和狀態, 方解石一直處于沉積態． 即人類活動呼出的CO2并沒有使洞內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． 就雞冠洞而言, 本研究時段內, 當游客較多時, 洞內的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人為活動對旅游洞穴CO2及其循環過程造成的影響．

表3 “21·7”河南特大暴雨期間雞冠洞內滴水pCO2和方解石飽和指數

4 結論

通過對雞冠洞和東石崖洞短時間內的高分辨率在線觀測, 主要得到以下結論:

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

(2) 雞冠洞人為活動產生的CO2是沒有游客時(“21·7”河南特大暴雨造成景區關閉期間)的2～3倍． 雖然游客呼吸產生的CO2在短期內對雞冠洞內CO2摩爾分數變化貢獻較大, 但是雞冠洞洞內滴水的SIc始終大于0, 即游客對雞冠洞內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, 游客呼吸產生了約514.9 m3的CO2, 這些CO2會以各種途徑參與洞穴系統的碳循環過程． 考慮到巖溶洞穴生態環境的脆弱性, 之后的研究中要更加注重短時間內人類活動對巖溶洞穴CO2及其循環過程的影響．