張金流,王海靜,董 立,趙德猛

1)中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州貴陽 550002;2)黃龍國家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)管理局,四川松潘 623300

黃龍風(fēng)景區(qū)由于其獨(dú)特的鈣華景觀(鈣華池、瀑布、鈣華灘流以及無與倫比的原始大森林)于 1992年被聯(lián)合國教科文組織列為世界自然遺產(chǎn)名錄以來,每年吸引數(shù)以百萬計(jì)的國內(nèi)外游客前來游覽,給國家和地方政府帶來數(shù)十億元人民幣的收入;然而,或許是自然原因亦或是過度的旅游活動(dòng)的影響(比如,游客人數(shù)自20世紀(jì)90年代初的年均約10萬人增加到現(xiàn)在的 100萬人以上,高峰時(shí)達(dá)到 300萬),近年來黃龍鈣華景觀出現(xiàn)了明顯的退化現(xiàn)象,主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面(劉再華,2008):

(1)地表溪流水量減少,使得某些鈣華彩池干枯或季節(jié)性干枯(圖 1-A),不但本身失去觀賞價(jià)值,還影響到景觀的總體觀感;

(2)可能由于過度旅游活動(dòng)造成對溪流水的污染(污染源主要是景區(qū)的飯店、快餐店、廁所、垃圾桶等),水生藻類加速繁殖,使得某些鈣華表面顏色由黃變黑(圖1-B),失去美感;

(3)鈣華沉積速率變慢,加上人為的踩踏(王海靜,2009),鈣華表面砂化現(xiàn)象嚴(yán)重,在水流沖刷作用下,使得某些鈣華彩池被逐漸填平(圖 1-C),失去觀賞價(jià)值。

上述鈣華景觀退化現(xiàn)象引起了科研人員的極大關(guān)注(楊俊義等,2004;郭建強(qiáng),2005;單莉莉等,2006;郭建強(qiáng)等,2009;王華等,2010),黃龍國家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)管理局和聯(lián)合國教科文組織世界遺產(chǎn)委員會(huì)對此也高度重視;為防止鈣華景觀繼續(xù)退化,并對退化景觀進(jìn)行修復(fù),以使黃龍世界自然遺產(chǎn)得以永續(xù)利用,我們做了如下研究,以期揭示黃龍鈣華景觀退化的真正原因,為黃龍鈣華景觀的保護(hù)以及退化景觀的修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

黃龍風(fēng)景區(qū)位于川西北高原,阿壩藏族羌族自治州松潘縣境內(nèi),位于成都市西北約350 km。黃龍風(fēng)景區(qū)鈣華景觀全長約 3.5 km,南起望鄉(xiāng)臺(tái)(海拔:3658 m),北到涪江河谷(海拔:3080 m),平均寬度約250 m;鈣華主要沉積在志留系板巖、砂巖之上 (圖2);源泉(黃龍泉群,圖2中的S1)補(bǔ)給區(qū)巖層以泥盆-石碳系灰?guī)r、白云巖為主,為黃龍鈣華景觀的形成提供了豐富的鈣源;溝內(nèi)年均氣溫 1.1℃,降雨量達(dá)759 mm/a(Liu et al.,1995);區(qū)內(nèi)最高峰為雪寶頂,海拔5588 m(盧國平等,1992),山頂終年積雪;采樣及監(jiān)測點(diǎn)位置見圖2。

1 研究方法

1.1 磷酸鹽水樣的采集和室內(nèi)分析

每隔 10 d左右,使用 60 mL的注射器加含有0.45 μm 玻璃纖維的過慮器采集監(jiān)測點(diǎn)水樣,盛于60 mL聚乙烯瓶中并定期送回中科院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用離子色譜儀(美國Dionex公司產(chǎn)的ICS-90型離子色譜儀)分析水中磷酸鹽含量,其檢測限是0.001×10-6;取樣時(shí)采樣瓶先用現(xiàn)場水潤洗 3次,之后將整個(gè)瓶子裝滿,使瓶中不留有氣泡;采樣瓶在采集樣品前在室內(nèi)用 1:10的硝酸浸泡 24 h,隨后用超純水沖洗之后再用超純水浸泡 48 h,之后放入烘箱中于 50℃條件下烘干24 h。

1.2 鈣華沉積樣采集

為了獲取各監(jiān)測點(diǎn)鈣華沉積速率的時(shí)間變化規(guī)律,按照Liu等(1995)的方法,于采樣點(diǎn)放置有機(jī)玻璃試片(規(guī)格是 5 cm×5 cm×0.5 cm,總表面積約60 cm2),每隔10 d左右更換一次,玻璃試片在放入水中之前及回收后,在 50℃條件下置于烘箱中烘干24 h,之后置于玻璃干燥器中冷卻至室溫,用分析天平稱重,其分辨率為 0.1 mg,然后按下式計(jì)算鈣華沉積速率(具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)Liu et al.,1995)

式中,Wts和 Ws分別是沉積后和沉積前玻璃試片的重量;A是玻璃試片的總表面積(60 cm2);T是玻璃試片在溪流水中停留時(shí)間(即兩次采樣的時(shí)間間隔,大約10 d左右,精確到分鐘)。

1.3 葉綠素和降雨量的自動(dòng)監(jiān)測

葉綠素濃度使用安裝于瀲滟湖邊上的德國產(chǎn)SEBA MP3 572型多參數(shù)水質(zhì)自動(dòng)記錄儀自動(dòng)測定(圖 1-D),該儀器葉綠素濃度的測試范圍為 0.03～500 μg/L,分辨率為 0.01 μg/L;降雨量使用同樣安裝于瀲滟湖邊上的美國產(chǎn)HOBO便攜式小型氣象站自動(dòng)記錄(圖 1-D),該儀器降雨量的測試范圍為 0～12.7 cm/hr,分辨率為0.2 mm;兩臺(tái)儀器數(shù)據(jù)采集器的掃描時(shí)間間隔皆設(shè)定為15 min。

1.4 水化學(xué)監(jiān)測

圖1 A-干枯變黑的鈣華池;B-黑化的鈣華彩池邊石壩;C-被沙化鈣華填滿一半的彩池;D-HOBO小氣象儀及SEBA多參數(shù)水質(zhì)記錄儀Fig.1 A-dry and darkened colorful pond;B-darkened colorful pond dam;C-half of colorful pond filled up with travertine sand;D-HOBO meteorological apparatus and SEBA multi-parameter water quality instrument

圖2 黃龍風(fēng)景區(qū)地質(zhì)平面及剖面圖以及泉、采樣點(diǎn)Fig.2 Plan and geological section of Huanglong Ravine with springs and sampling sites

用德國產(chǎn)WTW 350i型便攜式多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀每日監(jiān)測各監(jiān)測點(diǎn)水溫、pH值以及電導(dǎo)率,精度分別是0.1 ℃ ,0.01 pH 和 1 μs/cm;同時(shí),在現(xiàn)場用德國Merck公司產(chǎn)堿度計(jì)和硬度計(jì)滴定盒滴定水中的HCO3-和 Ca2+濃度,兩者的精度分別是 6 mg/L和2 mg/L,并據(jù)上述數(shù)據(jù)使用 WATSPEC軟件計(jì)算方解石飽和指數(shù)SIc(Wigley,1977)。

1.5 泉水流量監(jiān)測

使用水利部重慶水文儀器廠生產(chǎn)的LJD打印式流速流量儀定期監(jiān)測三個(gè)大泉(地表水、黃龍泉及龍泉眼)的泉水流量,用以分析各泉流量的時(shí)間變化規(guī)律,該儀器的測量范圍是0.1～4 m/s,測量誤差≤2%,并根據(jù)下式計(jì)算各泉的流量Q/(L/s):

式中:B 為矩形堰口寬度/cm;H 為平均水頭高度/cm;V為泉水平均流速/(m/s)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 上游地表水總流量與下游龍泉眼流量關(guān)系

由前文可知,黃龍景區(qū)部分地段由于地表水流量的減少使得鈣華彩池干枯,失去了觀賞價(jià)值;為了尋找地表水流量減少的真正原因,我們對近年來上游地表水總流量(后溝地表水及源泉流量之和)(李前銀等,2009;王海靜等,2011)、源泉(黃龍泉群,圖2中的S1)流量及下游龍眼泉(圖2中的S4)流量間的關(guān)系進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖3:

圖3 黃龍泉總流量、上游地表水總流量和下流龍眼泉流量多年變化趨勢(據(jù)劉再華等,2009)Fig.3 Multi-trend for the flow rates of source springs,upstream surface river and downstream Longyan spring in the Huanglong Ravine (after LIU Zai-hua et al.,2009)

由圖 3可知,源泉(黃龍泉群)總流量基本不變,反映了近年來大氣降水補(bǔ)給基本穩(wěn)定,上游地表水總流量和下游龍眼泉流量有逐年增加的趨勢,可能是氣溫逐年升高導(dǎo)致雪寶頂融雪水補(bǔ)給增加所致,這一推測我們從圖 4也得到了證實(shí);但下游龍眼泉流量增加較上游地表水總流量增加趨勢更加明顯,說明中、下游地表水向地下漏失后對龍眼泉的補(bǔ)給比以前有所增加。由此我們推測,黃龍景區(qū)部分地段由于地表流量的減少而出現(xiàn)的彩池干枯現(xiàn)象并不是近年來大氣降雨減少所致,而是起因于景區(qū)地表徑流下滲量的增加,這與相關(guān)的研究結(jié)果也是一致的(楊俊義等,2004;楊俊義,2004;石巖,2005)。

2.2 旅游等人為活動(dòng)對黃龍景區(qū)水質(zhì)的影響

近年來前往黃龍景區(qū)的游客人數(shù)逐年增加,從20世紀(jì)90年代初的年均約10萬人增加到近年來的100多萬(如 2010年游客人數(shù)超過 110萬,2008年5.12汶川地震前年游客人數(shù)高峰達(dá)到近300萬);為探討如此快速增長的旅游強(qiáng)度是否會(huì)對黃龍水體造成影響(如快速增長的旅游活動(dòng)所帶來的生活污染),我們從2010年4月下旬到11月中旬(即旅游旺季)對黃龍風(fēng)景區(qū)上游五彩池和下游迎賓池兩處景點(diǎn)溪流水中溶解磷酸鹽做了一個(gè)旅游周期的監(jiān)測,以分析其與人類活動(dòng)的關(guān)系,結(jié)果如圖 5所示;需要說明的是,在本研究中,我們選用磷酸鹽作為研究指標(biāo),是因?yàn)?一方面,作為營養(yǎng)鹽,它能夠促進(jìn)水藻的生長(Prairie et al.,1989;Mccauley et al.,1989;Seip et al.,1994;Klausmeier et al.,2004;劉春光等,2006;孫凌等,2006;羅固源等,2007;李建平等,2007;Kim et al.,2009;張金流等,2011);另一方面,作為碳酸鹽沉積的阻滯劑,它能有效地減緩鈣華的沉積(Simkiss,1964;Reddy et al.,1973;Wilken,1980;Ishikawa et al.,1981;House et al.,1986;House,1987;Giannimaras et al.,1987;Kleiner,1988;Burton et al.,1990;Dove et al.,1993;Goudie et al.,1993;Gratz et al.,1993;Heath et al.,1995;Heleen et al.,1995;Jonasson et al.,1996;Millero et al.,2001;Plant et al.,2002;Abdel-Aal et al.,2003;Lin et al.,2006;Rodriguez et al.,2008),從而降低退化鈣華景觀自我修復(fù)能力。

圖4 松潘縣歷年月平均降雨量及年平均氣溫(1951.1—2010.1)(數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),http://cdc.cma.gov.cn/index.jsp)Fig.4 Average monthly rainfall and annual air temperature in Songpan from 1951.1 to 2010.1 (data from China Meteorological Data Sharing Service System http://cdc.cma.gov.cn/index.jsp)

圖5 五彩池和迎賓池水中磷酸鹽濃度季節(jié)變化與同期游客人數(shù)及降雨量的關(guān)系(張金流等,2011)Fig.5 Seasonal variation of phosphate concentrations at Wucaichi sampling site and Yingbinchi sampling site and its relation with rainfall and number of tourists(after ZHANG Jin-liu et al.,2011)

從圖 5可知,五彩池和迎賓池兩處水中磷酸鹽濃度變化與游客人數(shù)變化呈現(xiàn)明顯的一致性,特別是在幾個(gè)游客高峰期,如 7月底到 8月底以及國慶節(jié)期間,隨著游客人數(shù)的增加,水中磷酸鹽濃度也明顯增加(見圖中單箭頭所示),說明旅游活動(dòng)對黃龍水體已產(chǎn)生了明顯影響;同時(shí),我們從圖中也可看出,水中磷酸鹽濃度的變化與游客人數(shù)的變化在時(shí)間上有時(shí)呈現(xiàn)出一定的滯后現(xiàn)象(見圖中斜向?qū)嵕€箭頭所示),如從7月底到8月底這段時(shí)間;這可能是因?yàn)檫@期間降雨量偏少,旅游活動(dòng)帶入景區(qū)的生活垃圾以及景區(qū)內(nèi)其它污染源產(chǎn)生的垃圾中所含可溶性磷酸鹽不能及時(shí)溶于水中,使得同期水中磷酸鹽濃度的升降不能與游客人數(shù)的變化保持很好的一致性,但隨著稍后降雨量的增加,在雨水沖刷作用下,前期垃圾中滯留的磷酸鹽又開始逐漸溶解,使得水中磷酸鹽濃度快速上升(即雨水對滯留垃圾中所含磷酸鹽的沖刷效應(yīng));另外,我們也注意到,五彩池和迎賓池水中磷酸鹽濃度變化也有不一致的地方,如7月28日,五彩池和迎賓池水中磷酸鹽濃度正好相反,這可能是因?yàn)橛慰驮诰皡^(qū)內(nèi)分布不均勻,從而導(dǎo)致對各景點(diǎn)水質(zhì)影響程度也不盡相同。據(jù)此,我們推測,旅游活動(dòng)等人為因素可能已成為黃龍水體磷酸鹽污染的重要來源。

2.3 水中磷酸鹽濃度與水生藻類生物量的關(guān)系

由2.2節(jié)分析可知,黃龍景區(qū)溪流水中磷酸鹽含量已明顯受到旅游等人類活動(dòng)的影響,為了研究這種影響是否會(huì)對景區(qū)內(nèi)水生藻類生長產(chǎn)生變化,我們在瀲滟湖邊安裝了德國產(chǎn)SEBA MP3 572型多參數(shù)水質(zhì)自動(dòng)記錄儀,用以監(jiān)測湖中水藻葉綠素濃度(作為水生藻類生物量指標(biāo))的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化,并把這種變化與同期水中磷酸鹽濃度變化做一對比分析,結(jié)果如圖6所示。

圖6 瀲滟湖水中葉綠素濃度季節(jié)性變化及其與同期磷酸鹽濃度間的關(guān)系(據(jù)張金流等,2011)Fig.6 Seasonal variation of chlorophyll concentrations at Lianyan pool sampling site and its relation with phosphate concentrations in water(after ZHANG Jin-liu et al.,2011)

由圖 6可知,隨著水中磷酸鹽濃度周期性波動(dòng)(見圖中四條粗虛線隔開的部分),水中葉綠素濃度也呈現(xiàn)出與之一致的變動(dòng)趨勢,比如從 9.8到 10.7,水中磷酸鹽濃度一直呈上升趨勢,與之對應(yīng)的葉綠素濃度也呈現(xiàn)出上升趨勢,之后,隨著磷酸鹽濃度的下降,葉綠素濃度也開始下降,說明磷酸鹽作為限制性營養(yǎng)鹽,在一定程度上可能促進(jìn)了水生藻類的生長;當(dāng)然,正如2.2節(jié)中出現(xiàn)的水中磷酸鹽濃度有時(shí)滯后于游客人數(shù)一樣,此處水中磷酸鹽也出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象,其原因與2.2節(jié)分析的一樣,在此不在贅述;同時(shí),葉綠素濃度變化也有滯后于磷酸鹽濃度變化的現(xiàn)象,這是因?yàn)?一方面,磷酸鹽濃度采樣方法是瞬時(shí)取樣法,不能像 SEBA儀器那樣自動(dòng)記錄相關(guān)參數(shù)連續(xù)變化趨勢;其二,葉綠素反映的是水生藻類的生物量,其濃度變化是一個(gè)生物過程,因此,也不可能像化學(xué)反應(yīng)那樣迅速地對相關(guān)影響因子做出反應(yīng),而是需要一定時(shí)間的響應(yīng)過程;因此,不能由于水藻葉綠素濃度變化與磷酸鹽濃度變化間呈現(xiàn)一定的滯后現(xiàn)象而否定磷酸鹽對其生長的促進(jìn)作用,恰恰相反,這種滯后現(xiàn)象正是磷酸鹽作為營養(yǎng)鹽限制水生藻類生長的表現(xiàn)。

2.4 水中磷酸鹽與鈣華沉積速率間的關(guān)系

由上述兩節(jié)分析可知,旅游等人類活動(dòng)可能是黃龍水體磷酸鹽的重要來源,那么這種來源的磷酸鹽對鈣華沉積速率有何影響,是否與黃龍景觀鈣華沉積速率變緩這一退化現(xiàn)象有關(guān)？為此,我們以黃龍風(fēng)景區(qū)上游五彩池和下游迎賓池兩處景點(diǎn)為例,來分析旅游活動(dòng)對黃龍鈣華沉積速率的影響。

從圖 7可以清楚地看出,在五彩池和迎賓池兩處景點(diǎn),鈣華沉積速率和水中磷酸鹽濃度變化間呈現(xiàn)明顯的負(fù)向變化趨勢,而與水溫、降雨量變化間的關(guān)系不甚明顯,說明水中溶解磷酸鹽可能已對黃龍鈣華沉積產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

為了定量分析水中磷酸鹽對鈣華沉積速率的阻滯影響,我們利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件 SPSS,對五彩池和迎賓池兩處鈣華沉積速率與相關(guān)影響因素間的關(guān)系進(jìn)行了回歸分析,逐步回歸方程見表1:

結(jié)合圖7及表1中兩采樣點(diǎn)鈣華沉積速率與相關(guān)影響因素間的回歸方程可以更清楚地看出,黃龍風(fēng)景區(qū)五彩池和迎賓池兩處景點(diǎn)鈣華沉積速率明顯受到水中磷酸鹽的阻滯作用(從兩處回歸方程中磷酸鹽濃度前的系數(shù)為負(fù)且與其它兩系數(shù)相比絕對值最大即可看出);同時(shí)我們也注意到,雖然迎賓池處回歸方程綜合F值僅為0.605,可信度不是太高,但從已有的理論即磷酸鹽是鈣華沉積的有效阻滯劑來看,我們認(rèn)為此回歸方程仍有一定的意義(即在一定程度上仍可以定量反映磷酸鹽對鈣華沉積的阻滯作用)。因此,我們可以推測,旅游等人類活動(dòng)對黃龍水體的污染可能已對黃龍鈣華沉積速率產(chǎn)生一定的影響,這很可能就是近年來黃龍鈣華沉積速率變慢這一退化現(xiàn)象的重要原因。

3 結(jié)論及保護(hù)對策

近年來黃龍鈣華景觀出現(xiàn)了明顯的退化現(xiàn)象,表現(xiàn)為:(1)地表水量減少,部分鈣華彩池干枯;(2)水生藻類加速生長,鈣華表面顏色由黃變黑;(3)鈣華沉積速率變慢,加上人為的踩踏,鈣華表面砂化現(xiàn)象嚴(yán)重;為了找出上述退化現(xiàn)象的科學(xué)機(jī)理,我們分析了近年來上游地表水、源泉和下流龍眼泉流量的變化趨勢,結(jié)果發(fā)現(xiàn),黃龍風(fēng)景區(qū)地表水流量的減少不是起因于人們推測的近年來降雨量的減少,而是地表水滲漏量增加所致;同時(shí),分析景區(qū)水質(zhì)在一個(gè)旅游季節(jié)期間的變化后,我們發(fā)現(xiàn),隨著旅游強(qiáng)度的增加,景區(qū)水質(zhì)已明顯受到人類活動(dòng)的影響,而水質(zhì)的變化又促進(jìn)了水藻的生長并減緩了鈣華的沉積;因此我們推測,旅游等人為活動(dòng)很可能在一定程度上加速了黃龍鈣華景觀的退化,是近年來黃龍鈣華景觀加速退化的真正原因。

根據(jù)上述景觀退化的起因,我們提出如下保護(hù)建議,以減緩景觀的退化速度:

1)嚴(yán)格控制景區(qū)及周邊不必要的工程活動(dòng)。我們知道,鈣華是疏松的碳酸鹽沉積物,對水的滲透性很強(qiáng),景區(qū)及周邊工程建設(shè)(如景區(qū)相關(guān)工程建設(shè)、景區(qū)周邊開礦爆破等)的影響,很可能導(dǎo)致原有鈣華的滲透性增強(qiáng),從而增加地表水的下滲量,減少地表徑流量。

表1 五彩池、迎賓池兩處鈣華沉積速率回歸方程Table 1 Regression equation of travertine deposition rates at Wucaichi and Yingbinchi sampling sites

圖7 五彩池(左)、迎賓池(右)鈣華沉積速率與磷酸鹽、降雨量以及水溫間的關(guān)系(2010)Fig.7 Relationship between travertine deposition rate and phosphate concentration,rainfall and water temperature at Wucaichi (left)and Yingbingchi (right)

2)科學(xué)規(guī)劃景區(qū)旅游路線,盡量使其遠(yuǎn)離鈣華彩池,同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)景區(qū)生活設(shè)施和生活垃圾的管理,降低因旅游等人類活動(dòng)對黃龍水體造成的污染。