重庆雪玉洞空气CO2浓度变化及水——气碳转换研究

摘要

岩溶洞穴是岩溶地貌的重要形态之一，是一种非常重要的旅游资源，以其幽深、虚幻、神秘和丰富的碳酸盐岩沉积、溶蚀等形态对旅游者有着极大的吸引力。相对于外部大气环境，洞穴环境是一个较为封闭和稳定的小环境。洞穴内部温度较为稳定，一般接近于当地的年平均气温;湿度一般较高，在一些有地下河发育或滴水较发育的洞穴内部，空气湿度接近饱和甚至处于过饱和状态;洞穴空气CO2浓度是洞穴环境最为重要的指标，它对洞内化学沉积平衡，岩石的溶解，游客的舒适感有直接的影响。由此展开对洞穴环境的研究，尤其是对洞穴空气CO2含量的研究，不仅对岩溶洞穴景观的保护具有重要意义，同时也对岩溶动力系统的碳转换研究具有借鉴意义。
　　 本研究以重庆雪玉洞为研究区，在前人研究的基础上对洞穴空气CO2浓度突降期进行了加密监测，也增添了新的监测指标（风速、气压等）。通过监测数据分析了突降期间洞穴空气CO2浓度在时间、空间上的分布特征;从旅游活动、气流因素、地下河影响三个方面对突降原因进行了分析;最后结合已有数据对旅游活动、地下河水-气碳转换量、洞穴CO2减少量进行了定量估算。研究发现:
　　 (1)雪玉洞空气CO2浓度在季节尺度上变化规律重复性好，夏高冬低，CO2浓度值相差可达1个数量级以上。在每年的11月份雪玉洞空气CO2浓度都存在一个突降过程。在洞穴空气CO2突降期间，旅游活动在小时时间尺度上对空气CO2降低有显著影响，但在较长时间尺度（天）上影响不大，并不能阻止洞穴空气CO2大幅度的降低。同时，洞穴空气CO2浓度空间展布受多重因素的影响，在雨季由于上覆土层微生物活动活跃，且洞穴气流由洞内流往洞外，致使洞穴空气CO2浓度较高且空间分布差异不大，旱季与之相反，空间分布差异较大。
　　 (2)旅游活动对雪玉洞空气CO2浓度并不起主要控制作用，当旅游人数较多时能够缓解空气CO2浓度下降的幅度，但不能阻止空气CO2浓度的下降。由洞穴内外气温的差异所引起的气压差异，进而引起洞穴内外气流的交换，这是雪玉洞空气CO2浓度下降的一个重要原因。由于洞穴结构的原因，洞内空气风速、气压的大小为:下层洞穴＞中层洞穴＞上层洞穴。
　　 (3)在季节尺度上，地下河水的CO2分压与洞穴空气的CO2分压趋势较为一致，地下河的脱气与吸气是造成洞穴空气CO2浓度季节变化的一个重要因素，这一点与前人研究结论一致。通过对雪玉洞上覆土层CO2含量的监测发现，土壤CO2浓度的季节变化与洞穴空气CO2浓度变化趋势一致。通过突变期间对地下河的监测发现，空气CO2分压大于地下河水中CO2分压，地下河中HCO3-的含量由洞内流往洞外的过程中不断增加。地下河水与洞穴空气的碳转换量是雪玉洞空气CO2突降的一个重要因素。
　　 (4)通过对突降期间雪玉洞客流量、地下河上下游HCO3-的连续监测，结合已有的洞穴数据（洞穴体积1.804×104m3），对影响洞穴空气CO2浓度的旅游因素、地下河因素进行了定量估算。通过计算发现，在监测期间游客对洞穴空气CO2的贡献量每日在55.02mol～207.74mol之间，即2.42kg～9.14kg，其大小由客流量决定。地下河与洞穴空气的水-气碳转换量每天在186.00mol～356mol之间，即8.18kg～15.66kg，日变化较大，可能与外界环境变化及地下河流量有关。监测期间每日洞穴空气CO2降低量在252.00mol～656.61mol之间，即11.09kg～28.89kg，变化较大，可能与外界大气环境变化有关。综合来看，虽然地下河吸收洞穴空气CO2量日变化与洞穴空气CO2突降量日变化都有较大差异，但地下河携带量对洞穴空气CO2每日的突降量贡献率变化较小，在监测期间，维持在40％～50％之间。在洞穴岩溶动力系统中，水-气之间的碳转换量是雪玉洞空气CO2下降的主要因素。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 洞穴环境的研究进展

1．2．2 岩溶动力系统的研究进展

1．2．3 前人对雪玉洞的研究

1．3 科学问题的提出和研究内容

1．4 主要研究内容及技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

第2章 研究区概况及研究方法

2．1 研究区概况

2．2 样品采集及实验方法

2．2．1 取样点的设定

2．2．2 野外分析方法

2．2．3 实验室分析方法

第3章 雪玉洞洞穴空气中的CO2变化特征

3．1 洞穴CO2的时间变化

3．1．1 季节变化特征

3．1．2 突变期变化特征

3．1．3 小时变化特征

3．2 洞穴CO2的空间变化特征

3．3 本章小结

第4章 洞穴CO2突变原因分析

4．1 旅游活动的影响

4．2 气流的影响

4．3 地下河因素的影响

4．4 本章小结

第5章 洞穴岩溶动力系统水-气碳转换量估算

5．1 旅游活动的定量估算

5．2 气流交换

5．3 洞穴岩溶动力系统水-气碳转换量估算

5．4 洞穴CO2减少量估算

5．5 本章小结

第6章 结论与不足

6．1 主要研究结论

6．2 创新点

6．3 不足及展望

参考文献

附表1

附表2

致谢

作者简介