2017, Vol. 38
2. 国土资源部岩溶生态环境-重庆南川野外基地, 重庆 408435;
3. 西南大学岩溶环境开放实验室, 重庆 400715;
4. 河南省鸡冠洞风景名胜区管理处, 栾川 471500
, YANG Yan1,2,3
, SUN Zhe1,2,3 , LIANG Sha1,2,3 , ZHANG Na1,2,3 , TIAN Ning1,2,3 , LI Jian-cang4 , LING Xin-you4 , ZHANG Zhi-qin4
2. Field Scientific Observation & Research Base of Karst Eco-environments at Nanchuan in Chongqing, Ministry of Land and Resources of China, Chongqing 408435, China;
3. Opening Laboratory of Karst Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China;
4. Administrative Office of Luoyang Jiguan, Luanchuan 471500, China
洞穴气候环境及空气中CO2的研究，是开放洞穴必不可少的研究项目之一. 典型岩溶动力系统理论指出：岩溶作用发生于开放的CaCO3(固)-CO2(气)-H2O(液)三相不平衡系统，CO2气体在此系统中起着重要的驱动作用[1]. 除了对洞穴化学沉积平衡有直接支配作用外，洞穴CO2还关系到沉积物景观的稳定性以及旅游环境的舒适性[2]. 当洞穴空气pCO2较高时，溶液CO2吸收系数增大，不利于CO2逸出和碳酸盐岩沉积，甚至会使洞穴沉积物表面的滞留水酸性增强，从而可能导致碳酸钙和其他洞穴景观的溶蚀[3]. 因此，研究洞穴CO2气体对洞穴生态环境保护具有其实际意义.
国内外对于洞穴环境的研究多集中于洞穴CO2变化对沉积物的影响上，如张美良对广西盘龙洞[4]的研究认为土壤CO2是影响滴水饱和度，导致沉积速率雨季大于旱季的原因之一. 对武都万象洞[5]的研究认为，受洞穴CO2的制约，沉积速率表现为旱季大于雨季. Casteel等[6]在研究美国德州一处洞穴时发现，通风条件好的洞穴内CO2含量与外界接近，不存在对方解石沉积的抑制. Dreybrodt等[7]通过理论推导和实验设计证明了洞穴空气pCO2与石笋表层薄膜水中溶解的HCO3-之间存在明显的同位素平衡. 受全球环境变化思想驱使，近几年，旅游活动对洞穴内部环境、 物质能量交换的影响[8~11]以及洞穴保护研究也逐渐受到关注：极少数研究认为旅游活动对洞穴空气CO2的影响并不明显[12]，但大多数的研究均认为旅游活动增加了洞穴空气CO2. Lang等[13]认为在不存在游客影响的情况下，洞厅内空气CO2是受相邻洞厅的CO2水平流动控制的. Russell等[9]在对塔斯马尼亚一个旅游洞穴微气候的研究中，认为旅游活动及人为设计的洞穴装饰改变了洞穴内部温度、 湿度、 pCO2及洞穴自身艺术形式和动物群落结构. Fernandez-Cortes等[14]利用迭代残余克里格法对西班牙一洞穴内部环境指标空间变化进行研究，提出为减少游客呼吸产生的CO2累积效应，应该将旅游活动时间确定在洞穴内外空气对流较快的时间段内. 而对于洞穴空气CO2来源和其变化特征及影响因子较为系统的研究仍较少. 鸡冠洞是我国北方几大著名的旅游洞穴之一，目前对于此洞的已有研究都是集中于洞穴石笋古气候研究和洞穴水化学监测[15~19]，缺少对洞穴空气CO2的研究.
基于上述原因，笔者所在团队从2011年12月开始对鸡冠洞进行CO2、 温度、 湿度、 δ13CDIC等各项水化学指标的监测，选取鸡冠洞内18处监测点的洞内pCO2变化数据，并结合2015-05-19-2015-05-20鸡冠洞昼夜监测数据，对鸡冠洞洞穴CO2的时空变化特征及其影响因素进行了系统地分析研究.
1 材料与方法 1.1 鸡冠洞概况鸡冠洞位于黄土高原东南边缘河南省西部栾川县(图 1)，地理坐标大致集中在113°40′E，33°46′N左右，地处秦岭淮河一线北侧，中国地理南北分界线湿润区与半干旱区过渡地带的边界处，长江和黄河流域分水岭北麓[19]. 根据气象记录显示，研究区内历年平均气温12.1-15.1℃，最冷为1月，气温为-0.9-2℃之间； 最热为7月，气温最高24.3-27.4℃之间； 全年平均相对湿度为68%-69%，最低值出现在1月，为57%-61%,而8、 9月可高达75%-80%.
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图 1 研究区地理位置 Fig. 1 Location of Jiguan Cave |
鸡冠洞所在的鸡冠山，山体上覆土壤为棕壤，30%的基岩裸露，土层较薄(厚度<60 cm)，有枯枝落叶层. 土壤颜色为棕色，质地为壤土，结构为粒状. 山上乔木主要有栓皮栎(Quercus variabilis Bl.)、 麻栎(Quercus acutissima Carr.)、 油松(Pinus tabulaeformis Carr.)、 侧柏(Platycladus orientalis (Linn.) Franco)，森林属中幼龄林[20]. 林下和坡下的灌丛由小叶鼠李(Rhamnus parvifolia Bunge)、 牡荆(Vitex negundo L.)、 小果蔷薇(Rosa cymosa Tratt.)、 扁担杆(Grewia biloba G. Don)等组成.
根据中华人民共和国区域水文地质普查报告[21](图 2)，鸡冠洞发育于华北及昆仑秦岭地层区，碳酸盐岩类主要出露二叠系变质岩、 震旦系大理岩、 青白系硅质白云石大理岩、 蓟县系大理岩. 构造以三川-栾川复向斜为主体，次级褶皱发育，形态多样，紧密线状. 在次级褶皱的轴部，因构造应力比较集中，各种性质的裂隙以及次级构造面发育，特别是垂直于轴部走向的张裂往往呈羽毛状排列，碳酸盐岩岩溶化作用相对强烈. 受一推覆断层控制，岩性为震旦系绿泥大理岩.
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1.太古宇登封群; 2.太古宇太华群片麻岩、 闪长岩; 3.晚印支-燕山期花岗斑岩; 4.中元古界宽坪群片岩、 角闪岩; 5.中元古界熊耳群; 6.中元古界官道口群硅镁质碳酸盐岩; 7.新元古界栾川群板岩-大理岩、 夹岩浆岩; 8.震旦系绿泥大理岩; 9.第四系河湖相冲积松散层; 10.大安玄武岩; 11.性质不明断层; 12.平推、 走滑断层; 13.具地缝合线的岩石圈断裂; 14.岩石圈断裂; 15.推覆断层; 16.基底断层; 17.盖层、 表层断裂; 18.正断层; 19.逆断层； 资料来源于河南省栾川区域地质图 图 2 研究区区域地质 Fig. 2 Regional geological map of the study area |
鸡冠洞洞口海拔约900 m，入口距地面约50 m，上下分五层，落差约138 m. 该洞属于旅游洞穴，目前已开发洞长1 800 m，观赏面积23 000 m2，洞内最高点距地面49 m，与闻名中外的桂林芦笛岩、 辽宁本溪水洞、 杭州瑶林洞并称“我国四大岩溶洞穴”. 监测期间，洞内温度变化范围为14.5～19.5℃，平均温度15.7℃. 洞内常年恒温18℃左右，湿度常年保持在90%以上.
1.2 研究方法为了能从整体上对鸡冠洞内pCO2变化进行全面分析，在洞内依照游览路线依次选择了18个监控点 (图 3). 鸡冠洞是一个半封闭的洞穴，有两个出口，洞天河处是它的最深处，洞天福地较为狭窄，聚仙宫是距离两个洞口最远的监控点，而藏秀阁处于整个洞穴之中最为封闭之处也是高点，鸡冠洞以入口平台和出口平台与外界直接相通，整个洞穴中洞厅空间最为宽阔之处为鲤鱼戏水.
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图 3 鸡冠洞监测点分布示意 Fig. 3 Location of measuring points in Jiguan Cave |
空气中pCO2测试采用深圳市科尔诺电子科技有限公司生产的GT901系列便携式智能气体检测仪测定，仪器分辨率为1.0×10-6，量程为0～10 000×10-6，精确度为±50×10-6(或者读数的±5%)，重复性测试误差小于20×10-6，实验前使用标准气体校准，并用电子气压计实测大气压值进行气压校准. 气温与湿度的测定用台湾TES公司产1360型温湿度计(测量精度分别为0.1℃和0.1%相对湿度)测定. 测试时为了避免操作者呼吸对CO2测试的影响，将便携式智能气体检测仪和温湿度计置于距离操作者大约2～3 m处. 洞穴空气pCO2月变化和日变化研究中，采样点数据采集均是人工采集，采样时间基本固定于每月同一天或相邻日期内上午10:00-11:30左右，这个时间段内洞穴空气pCO2值较高且稳定； 昼夜变化研究的洞穴空气pCO2采样从早上07:00开始，采样间隔为90 min； 每月游客数据来自鸡冠洞工作人员对于游客购票数的精确统计，昼夜变化研究中游客数据通过安排工作人员采用现场统计法收集. 洞穴滴水、 池水点及地下河处的水样采集和DIC测试方法详见文献[22].
鸡冠洞洞穴基本监测开始于2011-12-10，但在对洞穴内空气pCO2空间变化分析时，为了数据的可靠性，本文只选取2011-12-10-2016-05-20这一时段内数据较连续的冬夏季数据进行了研究； 分析年内具体季节变化时，则选取数据较全面且连续的2015-01-22-2016-05-20这一时段数据进行了研究.
2 鸡冠洞内CO2浓度 2.1 鸡冠洞CO2空间变化鸡冠洞穴环境监测发现，洞内空气pCO2与国内已有监测洞穴相比整体相对偏低[2, 12, 23~25]，可能是由于不同洞穴通风条件不同所造成的，鸡冠洞pCO2也具有空间变化特征. 分析2011-12-10-2016-05-20连续多年夏季和冬季pCO2平均值空间变化趋势，发现冬季鸡冠洞入口平台至藏秀阁段洞穴pCO2整体呈上升趋势(图 4)，鸡冠洞入口平台处pCO2常年维持在300×10-6左右，与洞外pCO2相近； 入口平台至藏秀阁段pCO2上升较缓慢，从入口平台处300×10-6上升到藏秀阁处的520×10-6，变幅为220×10-6，pCO2变化较为稳定，藏秀阁处pCO2为整个冬季的最高值. 藏秀阁至出口平台处pCO2直线下降，最后降至330×10-6. 夏季，各监测点pCO2整体上高于冬季. 同时，相对于冬季pCO2变化曲线来讲，夏季pCO2的空间变化幅度更为剧烈. 入口平台至藏秀阁段呈缓慢连续上升趋势，而洞天福地至鲤鱼戏水段则表现出两个阶梯状不连续上升趋势，第一柱平台处出现了下降，藏秀阁处为整个夏季pCO2值的最高峰，达到1 250×10-6； 藏秀阁至出口平台处的变化趋势和冬季相似，pCO2都直线下降.
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图 4 不同季节鸡冠洞洞穴空气pCO2空间变化 Fig. 4 Spatial variation of cave air pCO2 in different seasons |
鸡冠洞内CO2季节变化规律分两段来讨论[图 5(a)]，第一段是距洞穴入口较近的玉柱潭至晶霜段，pCO2整体较低，第二段是洞穴中部洞天福地至鲤鱼戏水段，pCO2整体较第一段高. 在第一段中，海豚戏珠、 叠罗汉和晶霜这3个采样点的pCO2季节变化规律基本相同：在整个监测中，pCO2整体变化幅度不大，最大值740×10-6,最小值300×10-6，变化幅度较大； 洞天河处pCO2变化与其他三点有所不同，2015年7月变化幅度不如其它采样点明显，11月变化趋势与其他三点相反. 在第二段中：各点的pCO2都在2016年5月达到最高峰，最大值为鲤鱼戏水处1 090×10-6，除去2015年7月天宫冰灯和鲤鱼戏水两处出现最小值320×10-6，其余各点的最低值都出现在2016年1月，6处采样点pCO2平均值为400×10-6，最大值430×10-6，最小值370×10-6.
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图 5 鸡冠洞洞穴空气pCO2,游客数和降水量变化 Fig. 5 Inter-monthly variations of cave air pCO2,visitor flow and precipitation in Jiguan Cave |
2016-05-19-2016-05-20的昼夜观测显示，鸡冠洞内空气pCO2、 温度和湿度空间变化与多年季节变化曲线表现出相似的变化趋势(图 6). 由于入口平台和出口平台处的温湿度变化和pCO2变化与洞外基本一致，在此不做详细分析. 以晶霜为转折点，从入口平台至晶霜处，各个监测时间段内洞穴空气pCO2空间上均表现出缓慢增长的趋势，增幅较小； 洞穴空气湿度快速升高，在晶霜处均达到95%以上； 洞穴空气温度则快速下降，在晶霜处均降至16℃左右. 从晶霜至出口处，各个监测时间段洞穴空气pCO2在空间上出现剧烈波动，最小值为800×10-6，最大值达到2 000×10-6以上； 洞穴空气湿度稳定在98%±1%，温度稳定在17℃±1℃左右.
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图 6 洞穴空气pCO2和温湿度空间变化 Fig. 6 Spatial variations of cave air pCO2,temperature and relative humidity during the monitoring period |
在时间变化序列上，以日为尺度，鸡冠洞内pCO2呈现出单峰变化[图 7(a)]. 选择鸡冠洞内入口、 洞穴中段、 出口这几处与洞外作比较，2016-05-19 07:00-16:00洞内pCO2逐渐上升，下午16:00达到一天中的最高峰，16:00-23:00 pCO2逐渐下降，5月19日23:00至5月20日07:00 pCO2基本保持稳定. 而5月19日10:00-23:30这段时间内，与洞内空气pCO2变化相反，洞外则呈现出幅度很小的先降后升的变化.
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图 7 洞内外空气pCO2,温度和湿度随时间变化曲线 Fig. 7 Time series of pCO2,atmospheric temperature and relative humidity during the monitoring period |
通过研究鸡冠洞2011-12-10-2016-05-20的13个监测点空气pCO2长期监测结果，分析其时空变化特征，初步认为洞穴空气pCO2变化主要受以下几个因素的影响.
3.1 通风效应洞内外温度的不同会造成气压差，从而引起洞穴内外的气流流动[9, 26, 27]，易形成通风效应. Benevente 等[28, 29]认为通风效应对洞穴空气pCO2影响显著. 距离洞口越近，洞穴通风效应越明显[23]. 夏季，从藏秀阁至出口平台处，pCO2都表现出快速下降趋势,最后接近空气pCO2值(图 4)，这一过程同时被重力流加强[14]. 近洞口的几个监测点，由洞口向内海拔依次升高，CO2分子质量较大，在重力作用下，沿洞体下坡，加强了洞穴通风效应； 冬季相对于夏季来说，由于整体pCO2较低，变化幅度不大. 海豚戏珠、 叠罗汉和晶霜这几个采样点均处于洞穴前段[图 5(a)]，距入口较近，整体上讲，CO2浓度变化幅度很小，且与游客[图 5(b)]和降水[图 5(c)]相关性不明显，说明这几个监测点游客呼吸产生的CO2通过洞穴通风逐渐排出洞外，累积效应不明显. 由于洞穴空气的双向流动，鸡冠洞内pCO2出现夏季高于冬季的现象(图 4). 夏季时由于洞内温度低于洞外温度，洞穴空气由洞内流向洞外[30, 31]； 冬季时空气由洞外流入洞内，稀释洞穴空气pCO2，但强度较夏季大，因此这种空气流动模式强化了洞穴空气 pCO2夏高冬低的季节性变化，也造成了洞内空气pCO2最高值在夏季出现. 在昼夜变化中同样存在空气流动方向改变的现象，较靠近洞口的监测点洞穴空气pCO2白天明显高于夜间(图 6). 2016-05-19下午16:00之后，游客量减少，洞内游客呼吸产生的CO2通过洞穴自净及通风效应的作用，逐渐降低，在夜间23:00最终达到稳定. 由此推断洞穴通风作用是洞穴pCO2空间变化和昼夜变化的主要影响因素之一.
3.2 洞穴结构及外界自然环境变化鸡冠洞是一个典型的双出口洞穴，洞穴结构复杂，洞道横截面变化差异大. 不同的洞穴结构对CO2的流通和扩散都有着的不同的影响，洞体宽敞，空气流通畅通，热量和CO2可及时扩散； 洞体狭窄，游客滞留，空气流通不畅致使热量无法有效扩散，这是导致监测点pCO2较大幅度波动的主要原因. 此外，CO2的密度相对较大，在洞内发生沉降作用，这些导致了洞穴里不同地段pCO2变化的差异性. 出口平台处pCO2都较出口高，出现这一现象的原因可能就是由于出口平台处海拔高度比入口平台处低8 m，CO2发生沉降所致. 洞天福地是一处十分狭窄的走道，藏秀阁是整个洞穴中最为封闭的地段，空气流通十分缓慢，当客流量较大时，CO2不能扩散出去，后源CO2在前源CO2基础上的积累，导致pCO2增高，从而形成了累积效应. 而中华第一柱后平面是一处十分宽阔的平地，CO2扩散较快，不容易形成积累，所以此处pCO2较其相邻监测点来说会出现下降(图 4).
在季节变化上，鸡冠洞pCO2变化受洞外自然环境影响较大. 洞内昼夜温湿度基本保持稳定[图 7(b)和图 7(c)]，说明洞内昼夜温湿度变化对洞内pCO2季节变化影响很小. 而对比洞穴内外pCO2和温湿度昼夜变化(图 7)，发现洞内外空气CO2变化与当天洞外温湿度变化有较好的对应关系. 形成洞外地表空气pCO2变化的作用主要有大气CO2本底值(30 000×10-6-35 000×10-6)、 土层中CO2向大气释放，此外还有植被层白天的光合作用消耗和植被层夜间呼吸作用排出CO2[32]. 5月19日夜间23:00之后，洞外pCO2出现了小幅度的上升，洞内pCO2变化虽整体偏小，但仍出现了一定的波动，推测就是由于上述原因所致. 洞穴上覆土壤中高浓度CO2是鸡冠洞洞穴CO2的主要来源之一，土壤空气pCO2高低与岩溶作用强度密切相关. 受温度、 湿度和降水等的季节性变化影响，
岩溶作用具有明显的季节性差异. 2015年洞天福地、 中华第一柱、 聚仙宫、 瑶池宫、 天宫冰灯、 鲤鱼戏水这几个通风效应较弱的监测点，pCO2与降水量变化呈现出很好的对应[图 5(a)和图 5(b)]. 栾川地区雨热同期，降水量夏季明显高于冬季[图 5(c)]，鸡冠洞洞穴空气pCO2整体上也是夏季高于冬季(图 4). 夏季时，受季风影响，气温上升，降水增加，植被呼吸作用加强，微生物数量增多，活动旺盛，土壤空气pCO2上升，通常可达大气pCO2的几十倍至几百倍[24, 33]，洞穴上覆土层的CO2含量高，土壤水溶解的CO2量相应也会增加，在降雨量较大时，土壤水pCO2较高，由于没有与土壤物质进行充分反应，直接经由岩溶裂隙以滴水、 池水形式或通过地下河进入洞穴发生脱气作用，释放CO2到洞穴空气中[34, 31]，造成洞内pCO2上升. 此外，土壤CO2还可能通过连通洞穴和土壤的裂隙以气相的形式直接向洞穴扩散[8]，但由于这种扩散较为微弱，基本上会被洞穴通风效应等掩盖[28].
3.3 旅游活动在短时间尺度上，当洞外气象条件、 洞穴本身的展布情况和通风条件一定时，旅游活动是鸡冠洞洞穴空气pCO2变化的主要影响因素(表 1、 图 6、 图 7). 洞穴工作人员和游客的呼吸作用是鸡冠洞内CO2的主要来源之一，这部分的CO2贡献与游客和工作人员数量及其在洞穴中的滞留时间和地点有关. 一般空气pCO2<1 800×10-6时，旅游活动对洞穴景观的影响主要体现在pCO2的累积效应上[35]. 如果游客在洞内停留时间足够长，那么游客产生的CO2水平将会是自然释放的CO2的二倍多[12](表 1)，根据景区进洞门票统计(表 1、 图 5、 图 6)，发现2016-05-19 08:30-16:00，进洞游客数较多，呼吸出的CO2量也必定增加，16:00之后，进洞游客数减少. 下午16:00为一天中pCO2最大的时刻，而下午16:00之后游客也不再进洞，说明16:00时的CO2水平应为一天中的累积值. 据医学资料，一个普通成年人每天24 h需要吸入0.5～8 m3 O2，同时呼出等量的CO2[36]. 若按每人每小时平均呼出CO2 0.022 m3 计算，鸡冠洞多年平均参观人数为500 629人·a-1，每个人在洞内平均停留时间2 h，那么鸡冠洞全年将接受22 027.654 m3的CO2，这对于鸡冠洞来说是个很大的数字. 有研究认为，相对于客流量变化来说，pCO2变化还具有滞后现象[25, 37]. 2015年10月，游客量开始出现下降趋势，至2015年11月游客量已接近于谷值，这一时段为栾川的旱季时期，降水减少，相对应的监测点pCO2却在2015年11月出现了一个小高峰. 笔者认为此处是由于缺失10月的CO2所以才会出现一个小高峰的假象，实际由于十一长假的影响，10月的pCO2值可能明显高于11月，所以对于洞穴空气pCO2变化对游客流量变化的滞后性在鸡冠洞中并未体现.
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表 1 鸡冠洞2016-05-19日进洞游客量 Table 1 Visitor flow of Jiguan Cave on May 19th,2016 |
3.4 岩溶作用的季节调控
CO2气体对开放的CaCO3(固)-CO2(气)-H2O(液)三相不平衡系统起着重要的支配作用，同时，岩溶作用又对此系统中的CO2气体具有一定的调控作用.
在日际尺度上，岩溶洞穴中较高的空气pCO2与较低的河流和滴水pH及 δ13CDIC同时出现，但在季节尺度上，河流的流动能促进夏季洞穴pCO2的增加[30]. 地下河-洞天河DTH位于洞穴最低处，受控因素比较复杂. 夏季，外界温度较高，溶解有较多CO2的河流流经空气温度较低的洞穴时，发生脱气作用，从而使地下河附近pCO2升高，地下河水的δ13CDIC也表现出夏季相对较偏正，冬季较为偏负的变化(表 2)，这与李丽等[38]在对广西柳州以地下河为补给的地表河进行研究中发现河流pCO2沿程递减，且河流脱气雨季大于旱季的研究相一致. 此外，当洞内空气CO2浓度高时，地下河流经洞穴，对洞穴空气也具有拖拽作用[39]，洞天福地和晶霜距离洞天河处较近，且空间均较小、 较封闭，理应出现CO2沉降效应[11]，但实际上三者的pCO2却在冬季和夏季均表现出较低水平. 可能就是由于地下河对洞穴环境的调节作用所致. 对于上述现象还可能是受洞段的空气流通情况、 封闭条件以及洞穴水量差异和人为活动共同影响，使得比空气重1.51倍的CO2沉淀作用不明显，出现低处pCO2小于高处的情况出现[40].
较高的洞穴pCO2也会抑制滴水和地下河的脱气，使δ13CDIC较为偏负. 空气pCO2是河流和滴水水化学特征的一个重要影响因素. 分析滴水、 池水及洞天河2009年12月至2013年12月完整4个水文年的冬夏季pCO2和δ13CDIC平均值发现，两处池水点YZT、 YCG的夏季pCO2平均值分别为：3 000×10-6和3 300×10-6，冬季为：2 200×10-6和1 900×10-6，表现为夏季高，冬季低(表 2)； 滴水点LYXS夏季pCO2多年平均值分别为： 4 000×10-6和2 700×10-6，冬季为：6 300×10-6和3 400×10-6，表现为夏季低，冬季高，季节变化明显. 由于TGBD处常年断流，所以此点的数据不进行分析. 分析滴水点和池水点冬夏季pCO2平均值变化规律，可以看出滴水pCO2均大于池水pCO2，可能是由于滴水在下落过程中，脱气时间较短，导致其对空气pCO2贡献量不如池水大. 鸡冠洞两处池水YZT、 YCG的 δ13CDIC多年夏季平均值分别为-10.91‰、 -10.44‰，冬季平均值分别为-6.28‰、 -6.60‰，夏季值偏轻，冬季偏重，季节变幅大； 滴水点LYXS、 TGBD的δ13CDIC多年夏季平均值分别为-13.72‰、 12.40‰，冬季平均值分别为-12.86‰、 -11.24‰，同池水点变化一致，但是变化幅度不大； 对比冬夏季δ13CDIC平均值变化规律，滴水点δ13CDIC明显普遍比池水偏轻. 而两处池水(YZT、 YCG) δ13CDIC值是2个月累积池水的数据信息，代表 2个月的平均数据信息. 由于滴水的脱气时间远小于池水的脱气时间，池水面积相对较大，长时间暴露在洞穴环境中，脱气时间远远大于滴水点，导致了滴水点δ13CDIC普遍比池水的偏轻[41]. 此外，池水的pCO2夏季大于冬季，δ13CDIC夏季值小于冬季值，认为是由于夏季温度高，降水充沛，地表生物活动强，土壤空气的pCO2高，下渗水中溶解的CO2多，导致滴水δ13CDIC值均偏轻，池水的δ13C 值也相应偏轻或偏负[22, 42]. 而冬季δ13CDIC偏重，一方面是由于下渗水与围岩反应时间长，另一方面池水可能存在缓慢脱气，导致池水pCO2也会随之降低，洞穴空气pCO2必然升高. 进一步证明岩溶作用的季节调控对洞穴空气pCO2变化具有影响，不过，对于此影响的定量分析还需在后续研究中进一步探讨.
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表 2 鸡冠洞洞穴水物化特征 Table 2 Physical and chemical characteristics of water in Jiguan Cave |
4 结论
(1) 在空间上，越靠近洞口通风效应越强，洞穴空气pCO2越低，越接近洞外大气pCO2； 洞穴结构及外界环境变化尤其是气候变化导致的土壤空气pCO2变化也会对鸡冠洞洞穴空气pCO2变化产生影响.
(2) 在长时间尺度，鸡冠洞洞穴空气pCO2夏季明显高于冬季，对比分析发现旅游活动和岩溶作用的季节调控如洞穴内滴水、 池水和地下河的脱气作用等是其主要的影响因子.
(3) 在短时间尺度上(昼夜变化)，鸡冠洞洞穴空气pCO2变化主要受旅游活动的影响； 地下河对其虽有调控作用，但相对较微弱. 从洞穴环境保护方面，建议景区在进行旅游开发时要充分考虑高峰期游客人数对洞穴空气CO2及岩溶景观的影响.
致谢: 感谢河南省栾川县鸡冠洞景区管理处工作人员在采样中的帮助.| [1] | 袁道先, 刘再华. 碳循环与岩溶地质环境[M]. 北京: 科学出版社, 2003: 95-177. |
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