贵州大风洞洞穴空气CO2浓度及滴水水化学与洞穴通风的响应

安 丹, 周忠发, 范宝祥, 薛冰清, 朱粲粲, 石亮星

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院/喀斯特研究院, 贵阳 550001;2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地, 贵阳 550001)

洞穴水—气作为岩溶动力系统最重要的组成部分，两者的时空变化特征及其两者的相互关系备受关注。相关学者通过对洞穴滴水的垂向运移展开研究，运用微气候数学模型[1]，探索水—岩—气耦合作用规律[2]，丰富了喀斯特洞穴垂直向的碳循环研究内容[3-5]。洞穴空气CO2浓度是影响洞穴次生化学沉积物沉积和溶蚀的重要因素之一[6]，在洞穴空气CO2的时空变化特征及变化影响因素方面，Whitaker[7]、Song[8]、张结[9]等的研究表明洞穴空气CO2浓度具有明显的季节变化和昼夜变化，洞穴空气CO2的变化受到上覆土壤、植被生物活动的影响，且与洞穴滴水水化学具有显著相关性。潘艳喜[10]、王欢[11]等通过对贵州织金洞、福建仙云洞空气环境展开监测，研究发现影响洞穴微气候要素的主要原因有游客数量、洞内外气流交换及洞道结构等，当受到洞穴结构特征及裂隙水分布控制的影响时，洞穴空气CO2浓度分布存在空间差异；张强[12]、杜金娥[13]等通过对旅游洞穴的空气环境进行密集监测，发现洞穴旅游活动对洞穴空气CO2浓度变化具有显著影响作用。洞穴水作为碳酸钙沉积物景观形成的主要影响因素之一，其水化学性质影响着洞穴景观的沉积。在洞穴滴水水化学研究中，Gonzalez等[14]在流体化学和流体流动对方解石形态影响的基础上，通过滴水的化学组成来研究碳酸盐岩的溶解和沉积；Tooth等[15]的研究发现受到活塞效应、方解石前期沉积效应等因素影响，洞穴滴水水化学特征在季节上表现出一定的变化规律性。曾泽[16]、王凤康[7]、郭小娇[18]、李渊[19]、庞征[20]等学者研究发现受到表层岩溶带含水层的控制，洞穴滴水水文地球化学指标的变化与外部气候环境变化具有较强的响应关系。洞穴滴水往往受到大气降水的影响，降水通过表层岩溶带进入洞穴内部，使洞穴水成为与外界相耦合的媒介，并为沉积物的形成机理及古气候的反演提供重要依据[21-26]。在旅游洞穴，洞穴环境的变化亦通过影响洞穴滴水的水化学平衡来作用于洞穴景观[21]。

在洞穴水气研究中，Spotl等[27]在Obir洞穴的监测中发现冬季由洞内外气温差引起的通风效应导致滴水CO2脱气加剧，使滴水中δ13CDIC，Mg/Ca，Sr/Ca显著增大。Shindoh等[28]在Inazumi Cave进行高分别率的监测，发现季节性的洞穴空气通风控制洞穴CO2浓度和滴水化学的变化；刘再华等[29]研究发现洞穴环境中CO2分压及离子强度效应等对洞穴水化学具有重要影响作用；张结等[30]通过探究短时间高强度旅游活动下洞穴CO2的变化特征，总结出洞穴空气CO2与洞穴滴水水文地球化学具有明显的响应关系。目前，相关学者对洞穴空气环境及水化学特征的研究较为丰富，洞穴碳循环研究已较为成熟。但关于洞穴通风对洞穴环境及洞穴景观沉积的影响研究较少，短时间尺度上洞穴通风与洞穴滴水水化学的相关性分析尚未得到定量研究。本文以贵州省双河洞洞穴系统的大风洞为例，通过分析短时间尺度下洞穴滴水的理化性质特征和洞穴空气环境变化特征，分析洞穴通风与洞穴滴水水化学和CO2浓度的响应关系，探究水平方向上洞穴碳循环机理，为双河洞穴系统的合理开发和保护提供科学依据，促进旅游业的可持续发展。

1 研究区概况

双河洞洞穴系统位于贵州省绥阳县西北部(107°02′30″—107°25′00″E，28°08′00″—28°20′00″N)，是目前世界第5长洞，并有世界最长的“白云岩”洞穴之称，已探明长度超过257.4 km。在地质构造上，双河洞洞穴系统处于黔北宽阔平缓箱状背斜翼部，属于扬子地层区黔北沉积区西部，该区受到不同方向的地质构造应力的作用而形成NE，NW及SN向的褶皱断裂带，该区庞大密集的溶洞群则发育于这三组断裂构造围成的一个三角断块中；研究区出露地层主要有中上寒武系娄山关组(∈2-3ls)和下奥陶桐梓组(O1t)的白云岩、灰质白云岩及夹燧石和泥质的白云岩。山脉属于大娄山山系的东支部分，海拔为600～1 700 m，海拔差超过1 km，导致研究区地表切割较深，从而形成密集的峡谷地貌；研究区属长江流域乌江水系的一级支流芙蓉江上游池武溪地下河系，地表河与地下河众多，水系较为发育，形成复杂的地表—地下的二元水力联系机制；该区气候属于亚热带季风气候，年均温15.5℃，降雨大多集中在4—10月，年平均降水量约为1 210 mm。植被以亚热带常绿阔叶林和阔叶落叶混交林为主，土壤垂直分带明显，低海拔地区主要以黄壤、石灰土为主，相对较高海拔地区主要以山地黄棕壤为主。

本文以双河洞的支洞——大风洞为研究对象，该洞海拔为734 m，入洞口高4.5 m，宽7.6 m，主体洞道宽度为0.9～16.7 m，洞道高度为1.7～22.6 m，洞长约为696 m，总面积约为4 805 m2，总体积64 518 m3。大风洞洞道单一，洞道发育沿岩层发育，其走向与岩层倾向基本近水平，洞穴以溶蚀形态为主，洞道起伏较为平缓，洞内次生化学沉积物较为丰富。

2 数据来源与研究方法

在大风洞内设置两个连续监测点(图1)，分别为夜明珠(1#)和神泉玉露(2#)，监测时间为2018年9月30日17：00—10月6日24：00，监测点参数见表1。

图1 监测点分布

表1 大风洞密集监测点参数

PCO2(A)、温度、相对湿度的连续监测使用美国Telaire-7001型便携式红外CO2仪3台同时外接美国ONSET公司HOBO自动记录仪(U12-012)，时间间隔为2 min，其中温度测量范围在-20～70℃，精度为±0.35℃，湿度测量范围5%～100%，CO2浓度范围在0～10 000 mg/L，分辨率为1 mg/L，测量精度为±50 mg/L，试验前用标准(380 mg/L)气体进行校准，为了避免人为影响，在操作时放置在距操作者2 m以外进行监测。洞外气象使用美国Kestrel-4500型便携式气象站对洞穴内外空气中的风速、温度、相对湿度等进行连续监测，时间间隔为10 min，仪器分辨率分别为0.1 m/s，0.1℃,0.1%，测量精度分别为±3%,±1.0℃,±3%。再通过洞穴空气环境因子计算得出虚拟温度(Tv)；虚拟温度是通过综合计算洞穴空气温度、相对湿度和空气CO2，其中包括每个气团的分子组成的变化对洞穴空气浮力的影响，通过洞内外虚拟温度差即可估计洞穴通风情况[31]。计算公式如下：

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

(1)

式中：T为温度(℃)；rv为水汽混合比；rc为二氧化碳混合比率。

(2)

(3)

3 结果与分析

3.1 洞穴滴水水化学变化特征

图2 监测点滴水水文地球化学特征

3.2 洞穴空气CO2浓度的时空变化特征

CO2作为洞穴空气环境的主要气体组成之一，研究其时空变化特征对洞穴环境、气候特征及洞穴景观保护具有重要意义。对大风洞两个滴水点的CO2浓度进行为期7 d的连续自动监测，发现监测期间1#点和2#点的CO2浓度呈现明显的昼夜变化(图3)，两个监测点的变化趋势基本一致，且与游客数量的变化具有正向相关性。已有研究表明，游客呼出的CO2是旅游洞穴中CO2的重要来源，并得出洞穴CO2浓度变化与游客数量呈正相关关系[32-33]。大风洞为旅游洞穴，景区营业时间为8：00—18：00，随着游客数量的不断增加，洞内CO2浓度急剧增加。在14：00—16：00，游客数量达到最大值，16：00—17：00，CO2浓度达到峰值，在18：00之后CO2浓度逐渐降低，夜间由于没有人类活动影响使得CO2浓度不断下降，在次日早上7：00—8：00降低至最低值。由于两个监测点所处位置、洞腔大小、洞道结构截然不同，两个滴水点CO2浓度增加幅度以及变化幅度存在差异，由表1可知，1#滴水点位于主洞道，洞腔较大，洞道呈厅堂状，2#滴水属于支洞道，洞腔小，洞道呈廊道状；如图3所示，1#滴水点CO2浓度变化范围为613.2～1 399.3 mg/L，增加幅度为1.28 mg/L，变化幅度为786.1 mg/L；2#滴水点的CO2浓度的变化范围为606.8～1 971.9 mg/L，增加幅度为2.25 mg/L，变化幅度为1 365.1 mg/L，2#滴水点的增加幅度以及变化幅度明显高于1#滴水点。

图3 大风洞不同监测点CO2浓度变化

3.3 洞穴通风变化特征

通风效应是由洞内外温度差造成气压差从而引起洞穴内外气流交换的一种气流运行模式[34-36]，洞穴通风可以由一系列过程驱动，包括压力诱导流[37]、密度驱动气流[38-39]，地下水的存在[40]，吹过洞穴入口的风[41]和外部风的直接流入[39]以及游客参观走动所带入的风[15]。在洞穴通风研究中发现至少有两种机制被认为是同时作用的，在不同的时间尺度上影响洞穴的通风，而短时间尺度的洞穴通风过程主要受洞内外温度差、洞道结构和气压等因素控制。目前对洞穴通风情况的判定比较精确的方法主要是通过计算虚拟温度差(ΔTv=Tvcave-Tvoutside)来估算浮力差的变化，虚拟温度的计算涉及洞穴温度、气压、相对湿度和空气CO2，填补了前期估算洞穴通风时对高浓度二氧化碳和相对湿度的忽略，使浮力测量结果更精准。以ΔTv表征洞穴通风情况，当ΔTv>0时，空气浮力差为正值，洞内温度高于洞外温度，洞内外气流交换属于积极通风状态，此时更多暖轻的洞穴空气被洞外的冷重气流挤压而离开洞穴；当ΔTv<0时，洞内温度低于洞外温度，空气浮力差为负值，表示洞穴空气将滞留在洞内，洞内外气流交换受到抑制；不同的通风模式下洞穴景观将产生不同的发展方向。

如图4所示，1#与2#的虚拟温度差总体变化趋势一致，表现出明显的昼夜变化特征，受到天气变化影响，洞穴通风模式随之发生改变。9月30日17：00—10月2日夜间22：00，1#滴水点ΔTv<0，2#滴水点在9月30日17：00—10月1日夜间24：00，ΔTv<0，到10月2日出现白天ΔTv<0，夜间ΔTv>0；10月3日整天两个滴水点均出现ΔTv>0月，10月4日—10月6日虚拟温度差变化趋势均为白天ΔTv<0，夜间ΔTv>0。白天洞内温度低于洞外温度，气流交换受到抑制，ΔTv<0，导致洞内空气滞留，从而引起空气CO2浓度增加；白天CO2浓度的不断增加，使洞穴空气密度增加，而洞外空气密度保持相对恒定，到了午后洞内外空气密度差达到极值，洞内气流不断流向洞内，使得夜间ΔTv>0，经过一晚上的气流交换使得洞内空气CO2在早上达到最低值。在晴朗天气条件下洞穴的限制性通风表现明显，9月30日—10月1日，研究区天气晴朗，限制性通风影响下在监测期间洞穴空气CO2浓度出现峰值，1#和2#的峰值分别为1 399.3，1 971.9 mg/L。在10月3日研究区出现降雨天气，洞内外气流交换频繁，ΔTv>0，因此在10月4日早上出现监测期间的CO2浓度最低值，分别为613.2，606.8 mg/L。由此可以得出洞穴通风对洞穴空气CO2浓度的影响；晴朗天气条件下，洞穴通风属于抑制性通风，洞内外气流交换受抑制，洞穴空气CO2浓度增加；在降雨天气条件下，属于积极性通风，洞内外气流交换频繁，洞穴CO2浓度降低。

图4 监测点虚拟温度差

4 讨 论

4.1 洞穴通风效应与洞穴滴水水化学

洞穴滴水水化学呈现明显的昼夜变化特征，除受到游客活动及上覆基岩影响以外，洞穴通风也是影响洞穴滴水水化学的原因之一。如图5所示，1#和2#滴水点的lgPCO2(w)与ΔTv呈显著反相关，且相关性最高，而pH值，SIc和SId与ΔTv呈正相关关系，相关性较低；主要是由于ΔTv逐渐增加时，洞穴通风由抑制性通风状态转为积极性通风，洞内外气流交换越加频繁，洞内空气密度降低，洞穴空气CO2浓度的降低使得水气CO2分压差增大，促进水中的CO2脱气，SIc和SId增加，碳酸盐岩达到过饱和而发生沉积，水中CO2浓度降低，pH值增加，使得lgPCO2(w)逐渐降低；由以上分析得出洞内外虚拟温度差与滴水水文地球化学存在一定相关性，且与不同指标相关性存在差异，而洞穴通风主要是通过影响洞穴空气CO2浓度进而影响洞穴滴水水化学。

图5 虚拟温度差与洞穴滴水水文地球化学指标的关系

4.2 洞穴通风与洞穴水-气CO2分压差

短时间尺度内ΔTv对洞穴滴水水化学的影响体现在与CO2的交换过程，CO2交换过程表现出岩溶碳循环在水平垂直上产生的影响。张结等[30]研究发现高强度人为活动贡献的CO2对洞穴滴水水文地球化学及洞穴沉积物的沉积有着显著的影响，而在不同天气条件下，洞穴通风将引起洞穴空气CO2浓度的变化，将洞穴通风、空气CO2和滴水水化学建立连通性，探究洞穴水气CO2对洞穴通风的响应机制。在岩溶动力系统中，水—气CO2转化属于洞穴水文地球化学转化过程中重要的环节，洞穴水—气CO2分压差会引起水体与空气中CO2浓度发生转化，水气CO2分压差则是通过ΔPCO2值表征的，

ΔPCO2=PCO2(w)-PCO2(A)

(4)

式中：PCO2(w)为水中的CO2分压；PCO2(A)为空气CO2分压；ΔPCO2为水—气CO2分压差。

若ΔPCO2<0，说明PCO2(A)小于PCO2(w)，水中的CO2产生脱气，促进CaCO3沉积，若ΔPCO2=0，说明两者达到平衡，水体中CaCO3达到平衡，但依旧很容易受其他因素的影响。若ΔPCO2>0，则PCO2(w)小于PCO2(A)，水体会吸收部分空气中CO2，使水的溶蚀性进一步提升。

洞穴通风在短时间尺度下通过影响洞穴水气CO2分压差进而影响洞穴沉积环境。如图6所示，当ΔTv>0时，洞内外气流属于积极通风状态，洞穴空气CO2浓度降低，当富含Ca2+的岩溶水通过裂隙进入洞穴时，洞穴内水气产生分压差，且ΔPCO2>0，滴水中的CO2在压力差的驱动下不断脱气，水中碳酸钙过饱和而沉积，形成各种沉积景观；当ΔTv<0时，洞内外气流交换受到抑制，洞穴空气CO2不断累积使得浓度增加，ΔPCO2<0，洞穴空气CO2进入滴水中，形成额外的碳酸，洞穴沉积物产生溶蚀作用，洞穴景观遭到破坏。当ΔTv=0时，洞穴通风处于通风模式交换的过渡阶段，此时ΔPCO2=0时，水气交换呈平衡状态，洞穴滴水对碳酸盐岩的溶解主要由周围环境温度决定。

图6 大风洞通风效应模式

5 结 论

(1) 监测期间，洞穴空气CO2浓度在时间上表现出明显的昼夜变化，且与游客数量呈正向相关性；空间上，由于两个监测点所处位置的洞腔大小、洞道结构截然不同，两个滴水点CO2浓度增加幅度以及变化幅度存在差异，2#滴水点的增加幅度以及变化幅度明显高于1#滴水点。

(3) 洞穴通风引起洞穴水气CO2分压差的变化，进而影响洞穴景观的形成。ΔTv>0时，洞内外气流属于积极通风状态，洞穴空气CO2浓度降低，ΔPCO2>0，滴水中的CO2在压力差的驱动下不断脱气，水中碳酸钙过饱和而沉积，形成各种沉积景观；ΔTv<0时，洞穴通风属于抑制性通风，洞穴空气CO2不断累积使得浓度增加，ΔPCO2<0，洞穴空气CO2进入滴水中，形成额外的碳酸，洞穴沉积物产生溶蚀作用，洞穴景观遭到破坏。