織金洞二氧化碳的變化規(guī)律及其影響因素分析

羅時琴，呂文強，李安定， 李 坡

織金洞二氧化碳的變化規(guī)律及其影響因素分析

羅時琴，呂文強，李安定， 李 坡

（貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽550001）

中國貴州織金洞以美奇吸引全世界的游客。為了游客的健康，保護洞穴的空氣質(zhì)量顯得至關重要。二氧化碳是影響洞穴空氣質(zhì)量的一個重要影響因子，控制洞穴中二氧化碳體積分數(shù)對保護游客的健康十分必要。以織金洞3 a的定點監(jiān)測資料為基礎，結合歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析比較，探索這些數(shù)據(jù)在洞穴中的變化規(guī)律和影響因素。結果表明：洞穴中二氧化碳體積分數(shù)隨著游客數(shù)量、季節(jié)、海拔高度、距洞口深度、洞穴地表因素等的變化發(fā)生變化。游客數(shù)量的增加是織金洞內(nèi)二氧化碳大幅度增長的主要因素。圖3表4參14

旅游學；織金洞；二氧化碳體積分數(shù)；影響因素；變化規(guī)律

喀斯特洞穴是自然界賦予人類的遺產(chǎn)，也是一種獨特的自然景觀［1］。洞穴景觀經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代，在洞穴特定的環(huán)境條件下形成、積累和保存下來，具有非常高的科學價值和旅游價值［1］。一般來說，未開發(fā)的洞穴與外界較為隔絕，具有隱蔽、高濕、空氣穩(wěn)定的特點［2］。但是近年來隨著洞穴旅游的興起，越來越來多洞穴被開發(fā)，洞穴作為旅游風景區(qū)開發(fā)后，不合理的工程建設、大量的游客進入導致洞穴環(huán)境普遍發(fā)生變化，洞穴環(huán)境改變直接影響洞穴生態(tài)系統(tǒng)組成，威脅洞穴生物生長和多樣性，洞內(nèi)次生化學沉積物受到不同程度的破壞，洞穴氣候發(fā)生變化。因此，洞穴旅游的持續(xù)發(fā)展面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，已經(jīng)引起國際旅游洞穴協(xié)會和中國地質(zhì)學會的關注。旅游洞穴的保護和可持續(xù)發(fā)展已成為廣泛關注的課題，很多國家都對洞穴的環(huán)境因子（二氧化碳體積分數(shù)、溫度、濕度、灰塵、風速等）進行監(jiān)測，希望能更多地了解旅游開發(fā)對洞穴產(chǎn)生的影響程度，找出影響因子的變化規(guī)律，提出洞穴生態(tài)環(huán)境及景觀穩(wěn)定的安全性保護技術。

1 織金洞景區(qū)概況

1.1 地理位置

織金洞位于貴州省西部畢節(jié)地區(qū)的織金縣境內(nèi)，距貴陽市120 km，距織金縣城23 km，地理坐標為26°38′31″～26°52′35″N， 105°44′42″～106°11′38″E。中心景區(qū)處于織金縣城東北的官寨鄉(xiāng)，地處烏江上游支流六沖河與三岔河交匯處，總面積為307 km2，為國家AAAA級風景名勝區(qū)［3］。

1.2 地質(zhì)地貌

織金洞景區(qū)境內(nèi)地勢西南高，東北低，最高海拔鳳凰山1 837 m，最低海拔是六沖河河床940 m［4］。由于受新構造運動間歇性抬升的影響，區(qū)域地勢從河谷向兩岸呈階梯狀地形。景區(qū)內(nèi)地貌以喀斯特地貌為主，個體齊全，個體形態(tài)主要有包氣帶滲流水形成的漏斗、落水洞；有地表水形成的溶溝、石芽、干谷、峽谷、峰叢、溶丘；有潛流水形成的洞穴、天坑及天生橋等，其中以洞穴、天坑、峽谷規(guī)模宏大，形態(tài)優(yōu)美，具有較高的觀賞價值，是織金洞地質(zhì)公園內(nèi)的主要地質(zhì)遺跡景觀資源［4］。這些個體地貌大多不是單獨分布，而是相互配合，相互伴生，形成一些特殊的地貌組合類型，根據(jù)其成因，類型主要有：以溶蝕為主、溶蝕侵蝕和侵蝕剝蝕等三大類。

1.3 水文

織金洞景區(qū)處于非可溶巖發(fā)育的地表徑流吸收帶，具有較廣泛的補給區(qū)，水量豐沛。從景區(qū)及周邊其他洞穴遺留下的沙礫巖層和侵蝕痕跡，所以織金洞景區(qū)的區(qū)域除接受雨水給補外還接受非喀斯特地區(qū)集中水流的補水［1］。

在織金洞內(nèi)，目前僅有一些零星、分散的洞頂或洞壁滲滴（流）水匯集而成的洞池水。洞池水與伏流水的發(fā)育的作用要小很多，但是對洞穴碳酸鈣沉積物的發(fā)育具有強烈的作用。

在織金洞中心區(qū)內(nèi)主要有4條河流：六沖河、以結河、新寨河和苗寨河［4］。其中以新寨河和以結河對織金洞的形成作用最大。

1.4 氣候、土壤

織金洞景區(qū)氣候類型屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為14.7℃，最熱月平均氣溫22.5℃，年平均降水量1 436.0 mm，全年日照1 172.0 h，無霜期327.0 d，太陽總輻射量為351.7×103J·cm－2，冬無嚴寒，夏無酷暑，適宜喀斯特地貌發(fā)育，同時也適宜開展各種旅游活動［2］。

土壤以黃壤為主，呈酸性，pH 4.5～5.5，土層較薄且厚度變化大，多數(shù)不足50 cm。此外，在景區(qū)東部有部分石灰土分布［4］。

1.5 生物

景區(qū)植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，森林覆蓋率為39%，物種豐富，有各類林木65種以上，其中有國家一級保護植物銀杏Ginkgo biloba和水杉Metasequoia glyptostroboides等，二級保護植物厚樸Magnolia officinalis，杜仲Eucommia ulmoide和楠木Phoebe zhennan等［5］，具有很高的觀賞價值和經(jīng)濟價值。區(qū)域內(nèi)動物資源也十分豐富。有脊椎動物和昆蟲多種，有國家一級保護動物蟒蛇Python molurus，二級保護動物短尾猴Macaca arctoides，大鯢Andrias davidianus和紅腹錦雞Chrysolophus pictus等。此外，在洞穴中還棲息著很多洞穴生物，如蝙蝠Menispermum dauricum，馬陸Spirobolus bungii，蜘蛛Araneida和豪豬Hystrix hodgsoni等［5］。

1.6 社會經(jīng)濟

織金洞景區(qū)所處的官寨，是官寨鄉(xiāng)政府所在地，是織金縣八個少數(shù)民族鄉(xiāng)鎮(zhèn)之一，居住著漢、苗、彝、回、布依、仡佬等民族。少數(shù)民族人口占全鄉(xiāng)總人口的49.3%，是水西古彝重地，有 “天下第一洞鄉(xiāng)”的美稱［5］。全鄉(xiāng)總面積為6 260 hm2。傳統(tǒng)農(nóng)作物有水稻Oryza sativa，玉米Zea mays，小麥Triticum aestivum，香米，豆類等。其中，丫勒香米是該鄉(xiāng)土特產(chǎn)之一。鄉(xiāng)境內(nèi)已探明的礦物資源有煤、金、錳、銻、汞等，水利資源豐富。

作為國家AAAA級風景名勝區(qū)的織金洞自旅游開發(fā)以來，一直都呈現(xiàn)健康可持續(xù)的發(fā)展狀態(tài)，實現(xiàn)了一定的經(jīng)濟效益，大力推動了當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展。近年來，隨著景區(qū)管理的完善和旅游設施的不斷健全，景區(qū)的旅游接待人數(shù)不斷增長（圖1），從1985年的40 445人次上升到2012年的167 345人次，旅游收入從2002年的442.00萬元上升到2012年的1 871.00萬元。在2011年，全縣國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）總量達72.53億元，農(nóng)民人均純收入3 610.00元，官寨鄉(xiāng)的農(nóng)民人均純收入3 196.00元［1］。

2 調(diào)查方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 監(jiān)測點布設

在織金洞內(nèi)，篩選數(shù)據(jù)齊全的游客停留時間較長的10個監(jiān)測點（主要洞段），開展空氣中的二氧化碳體積分數(shù)的觀測。觀測儀器選用上海雙旭電子有限公司生產(chǎn)的C1100型二氧化碳便攜式檢測儀，測量精度為±0.02%。監(jiān)測點的具體布設位置見圖2。

2.2 數(shù)據(jù)處理

考慮到季節(jié)、人流等因素對洞內(nèi)二氧化碳體積分數(shù)的影響，監(jiān)測時選擇不同季節(jié)、旅游淡旺季，以及不同時段等。

圖2 監(jiān)測點平面分布示意圖Figure 2 Diagram of monitoring points plane distribution

二氧化碳監(jiān)測儀C1100記錄數(shù)據(jù)為體積分數(shù)，前期有部分監(jiān)測結果以10－6為單位，為方便比較，故統(tǒng)一換算為體積分數(shù)，二氧化碳分子量取44，空氣平均分子量取29。

3 結果與分析

3.1 洞穴開發(fā)游客數(shù)量的增長導致洞穴空氣中二氧化碳體積分數(shù)的增加

一般而言，未開發(fā)的地下洞穴與外界較為隔絕，具有隱蔽、高濕、空氣穩(wěn)定等小氣候特點［6］。它主要通過巖石縫隙、洞穴通道等同外界進行物質(zhì)與能量交換，洞穴環(huán)境變化很小［7］。

織金洞在1985年試開放對外接待游客已經(jīng)有29 a的時間。在旅游發(fā)展中隨著景區(qū)旅游設施的不斷完善，旅游人數(shù)不斷增加，游客人數(shù)從1985年的5 000人次不到發(fā)展到2012年的167 345人次。同時洞內(nèi)空氣中二氧化碳體積分數(shù)從0.017%增加到0.162%［8］。具體數(shù)據(jù)見圖3。和開發(fā)前相比，織金洞內(nèi)空氣中的二氧化碳體積分數(shù)已高出95.0%以上，而且已超出GB/T 17094-1997室內(nèi)空氣中二氧化碳衛(wèi)生標準值0.100%，室內(nèi)空氣中二氧化碳衛(wèi)生標準值≤0.100% （2 000 mg·m－3）［9］。

一個健康的成年人在靜態(tài)下，新陳代謝過程中釋放熱量82～116 J·s－1，呼出的二氧化碳氣體為20～30 L·h－1［9］。因而洞穴空氣二氧化碳體積分數(shù)的背景值就會受游客量的變化而波動。洞穴的開發(fā)導致游客的大量涌入，破壞了洞穴的小氣候特點， 使洞穴環(huán)境發(fā)生較大的變化，導致洞穴空氣中二氧化碳體積分數(shù)的增加。

3.2 在洞內(nèi)外空氣中二氧化碳體積分數(shù)區(qū)別較大

為了讓本項目的研究結果更趨于精確和科學，在對織金洞監(jiān)測的同時也對貴州省銅仁九龍洞進行相同因子的監(jiān)測。從表1可以得出：在喀斯特地區(qū)洞穴內(nèi)外二氧化碳體積分數(shù)明顯的不同，洞內(nèi)空氣中的二氧化碳體積分數(shù)要高于洞外空氣中二氧化碳體積分數(shù)50%以上。

圖3 織金洞1985－2012年旅游人數(shù)與二氧化碳體積分數(shù)（%）值對照Figure 3 Control statistical of tourist number and CO2concentration value in 1985－2012

表1 線織金洞、九龍洞二氧化碳體積分數(shù)監(jiān)測結果Table 1 Monitoring results of CO2concentration in Zhijin Cave and Jiulong Cave

3.3 洞穴空氣中二氧化碳體積分數(shù)在季節(jié)上和洞外有較大的區(qū)別

從表2得知：在洞內(nèi)，二氧化碳體積分數(shù)在季節(jié)上有很大的變化，夏季要高于冬季。這是因為夏季洞穴水豐富，洞底的通道以排水為主，洞頂通過節(jié)理、裂隙向洞內(nèi)輸水，阻礙二氧化碳向洞外流通，減小了洞穴內(nèi)外空氣的對流，同時夏季也是洞穴旅游的黃金季節(jié)，游客增多；而冬季洞穴水斷流或干涸，排水通道和洞穴節(jié)理裂隙成為重要排氣孔，與洞內(nèi)空氣交流增強［10］。

3.4 洞穴空氣中二氧化碳體積分數(shù)距離洞口的遠近發(fā)生變化

表3監(jiān)測對比結果顯示：距離洞近的監(jiān)測點二氧化碳體積分數(shù)都很低，而隨著監(jiān)測點的不斷深入，二氧化碳體積分數(shù)明顯增加。最高值發(fā)生在距離入口1 400 m的十萬大山和1 200 m的銀雨樹2個監(jiān)測點。銀雨樹是洞中奇觀，被譽為溶洞之魂，地球之寶；十萬大山則是整個游程中的最高點，垂直高度約為175 m，是洞中沉積物最多的洞廳。這2個監(jiān)測點位于整個洞穴旅游線路的中間段，距離兩邊洞口都遠，風向頻率較低，同時又都是主要洞廳之一，景點眾多，游客流量大，因而二氧化碳體積分數(shù)高。

表2 織金洞2012年監(jiān)測點全年二氧化碳體積分數(shù)變化Table 2 CO2concentration change of monitoring points in 2012 in Zhijin Cave

表3 距洞口不同深度洞段二氧化碳體積分數(shù)值的變化情況Table 3 Statistical table of CO2concentration value in the tunnels of different depth

3.5 洞穴空氣中二氧化碳體積分數(shù)在景點集中和封閉的洞段變化較大

從監(jiān)測結果中得出：此次二氧化碳體積分數(shù)最高值在靈霄殿。靈霄殿段景點密集，且洞廳空間相對較小，高僅為40 m，面積5 000 m2（織金洞的洞廳以高大寬聞名，一般高寬均為60～100 m，多數(shù)洞廳的面積均在10 000 m2以上），洞段相對封閉，所以空氣對流較慢。從數(shù)據(jù)監(jiān)測中可以看出，靈霄殿洞段二氧化碳體積分數(shù)值很高，平均值僅次于海拔最高點的十萬大山， 且洞內(nèi)單次監(jiān)測數(shù)據(jù)最高值產(chǎn)生在此監(jiān)測點，為2012年10月8日測量的0.250%。同時靈霄殿景觀以瑤池聞名，游客停留時間較長，也是二氧化碳體積分數(shù)高的原因之一。

3.6 地表因素對洞穴空氣中二氧化碳體積分數(shù)造成影響

喀斯特洞穴景觀的發(fā)育與形成，除了不可少的氣候、水的溶蝕力和水的流動等基本條件外，地表因素中的植被和土壤對喀斯特洞穴景觀的發(fā)育過程同樣有重要的影響［11］。植物的影響表現(xiàn)在植物根部的機械破壞作用及分解的植物殘余物、腐殖質(zhì)能產(chǎn)生大量的游離二氧化碳。同時植被的覆蓋能增加洞穴中空氣的濕度，也能減弱地表徑流的速度加強下滲作用，促使地下喀斯特的發(fā)育［12］。目前，在織金洞景區(qū)也加強對應地表的環(huán)境治理。如對地表的耕地進行退耕還林，在一些漏斗和天窗周圍修建攔沙墻，現(xiàn)在該區(qū)植被已得到很好恢復，景區(qū)中心森林覆蓋率為68%以上。由于植物根部的呼吸和雨水的沖刷加快了土壤二氧化碳的擴散，降雨后洞穴空氣中二氧化碳體積分數(shù)明顯要高于降雨前。另外土壤中的二氧化碳體積分數(shù)過高時，在水的壓力下部分土壤中的二氧化碳以氣體的形式直接從巖體的微小裂隙進入洞內(nèi)，從而改變洞穴空氣中二氧化碳體積分數(shù)值［13］。

3.7 洞穴空氣中二氧化碳體積分數(shù)與海拔高度的關系

從表4可以得出：位于同一廳中的銀雨樹和十萬大山，海拔相差73 m，但監(jiān)測中二氧化碳體積分數(shù)值卻是十萬大山稍高于銀雨樹，而且二氧化碳體積分數(shù)值隨著海拔的增加而增加。二氧化碳密度比空氣大 ，氣態(tài)為1.977 g·L－1，液態(tài)1.816 g·L－1， 這一現(xiàn)象與的二氧化碳性質(zhì)特征完全相悖。據(jù)貴州省洞穴協(xié)會李坡等洞穴專家分析，原因有以下幾點：①與洞穴中產(chǎn)生的腳風有關。在織金洞中，從塔林宮的沉積物開始，都存在一種特殊的景觀現(xiàn)象，沉積物葉片明顯呈旋轉狀，且厚薄不一致。如：塔林宮中著名的 “雪松”景觀，這就表明織金洞中存在一定風力的腳風。腳風把低處的二氧化碳吹向洞穴深處，到海拔相對較高的十萬大山，因十萬大山洞道突然變窄，二氧化碳流通速度放慢故而體積分數(shù)值高于海拔相對較低的銀雨樹。②隨著海拔的增加，游客在徒步游覽中消耗的休力越大，呼出的二氧化碳氣體要高于正常時的呼吸，同時游客需要時間稍作休息，故而停留時間相對較長。③洞穴滴水控制洞穴空氣中二氧化碳體積分數(shù)值。土壤中二氧化碳體積分數(shù)比洞穴空氣中二氧化碳體積分數(shù)要高，滴水在離開洞穴頂板時就開始發(fā)生脫氣，脫氣作用會帶來二氧化碳分壓的降低，故而滴水在下降過程中海拔高的地方二氧化碳體積分數(shù)相對要高，所以在海拔不同的地方產(chǎn)生濃度差［14］。④目前，十萬大山景點周邊沉積物較多，且滴水豐富，沉積物形成較快，洞頂?shù)嗡诙吹装l(fā)生濺擊作用，經(jīng)水的蒸發(fā)，二氧化碳逸出，故而二氧化碳體積分數(shù)要高于洞內(nèi)其他洞廳。

以上的分析還需要進一步的研究。

表4 20多年來織金洞銀水樹、十萬大山二氧化碳體積分數(shù)變化Table 4 Statistical table of CO2concentration change in the main section of Zhijin Cave over the past 20 years

4 結論

洞穴空氣中二氧化碳體積分數(shù)是旅游洞穴最重要的環(huán)境因子之一，對洞穴碳酸鈣沉積景觀和游客的舒適度有直接的影響。為了游客的健康，保護洞穴環(huán)境，洞穴中二氧化碳體積分數(shù)的控制十分必要。

本研究在織金洞3 a的定點監(jiān)測中，結合歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)分析比較研究，得出織金洞在29 a的旅游開發(fā)中，洞內(nèi)二氧化碳體積分數(shù)呈大幅度增長趨勢，二氧化碳體積分數(shù)從從1985年的0.017%增加到2012年的0.162%?；究偨Y出洞穴中二氧化碳體積分數(shù)變化的原因有以下幾點：洞穴中二氧化碳體積分數(shù)的變化會隨著洞穴開發(fā)游客的增加、海拔的高度、距洞口的深度、景點集中的程度、洞段的封閉程度和洞穴地表因素等。

研究對象前期缺乏監(jiān)測數(shù)據(jù)，不能完整反應洞穴環(huán)境的詳細過程。本研究雖然持續(xù)3 a的監(jiān)測，但是數(shù)據(jù)資料仍然有限，只能代表當前的狀況，結果也會存在一定的偏差，僅作參考。期望持續(xù)監(jiān)測能得到更具說服力和更為詳盡的研究，對保護洞穴環(huán)境和保證游客的健康均十分重要。

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Variation of CO2concentration and its controlling factors in Zhijin Cave,China

LUO Shiqin,Lü Wenqiang,LI Anding,LI Po
（Guizhou Research Institute of Mountain Resources,Guiyang 550001,Guizhou,China）

The Zhijin Cave is the first in the ten most beautiful China cave,which is famous of the beauty and vagar,and attract tourists from all over the world.For tourists health,it is necessary to protect the air quality in the cave.CO2is an important influencing factor of the cave air quality,and it may bring adverse effects on the human body as the content is gathered to a certain.Therefore,it is very important to keep certain levels. Compared with historical data,this study is based on the monitoring data of Zhijin Cave for three years,to explore the change and factors of the CO2in the cave.The result shows,the CO2in the cave changes with the change of the visitor’s quantity,season,altitude,and the depth to structural opening.［Ch,3 fig.4 tab.14 ref.］Key words:tourism;Zhijin Cave;CO2concentration;influencing factor;change regulation

P642.25；S731

A

2095-0756（2015）02-0291-07

浙 江 農(nóng) 林 大 學 學 報，2015，32（2）：291-297

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.02.018

2014-04-14；

2014-06-17

貴州省科學技術基金資助項目（黔科合J字［2011］2042號）

羅時琴，助理研究員，從事旅游資源開發(fā)與保護研究。E-mail：luoshiq@126.com。通信作者:呂文強，助理研究員，博士，從事環(huán)境與地球化學研究。E-mail：johnkymno.student@sina.com