游客呼吸与九寨沟钙华景观退化的相关性探究

邱国玉1,† 向皎1 鄢春华1 秦龙君1 毛鹏1 熊博文1 李瑞利1 唐亚2 杜杰3 乔雪2 沈小雪1 石聪1 蒋先逞豪1 陈挚1 石喆1 黄樱1 丁俊杰1

1.北京大学深圳研究生院环境与能源学院, 深圳 518055; 2.四川大学建筑与环境学院环境系, 成都 610065; 3.九寨沟世界遗产管理局, 阿坝藏族羌族自治州 623402; †E-mail: qiugy@pkusz.edu.cn

摘要在全球 CO2 持续升高背景下, 游客的 CO2 排放导致热门景点周围的大气 CO2 升高速度远远大于全球平均 CO2 升高速度。针对这一问题, 基于涡度相关系统, 对九寨沟树正寨犀牛湖区域进行长期 CO2 浓度监测, 结合年均径流量和基于 CO2 浓度得到的钙华(CaCO3)损失速率, 估算九寨沟世界自然遗产地的钙华年损失量, 探究钙华退化的机理。结果表明, 游客呼吸可进一步升高 CO2, 升幅可达 250～300μL/L, 导致水体的 CaCO3损失率增加 18%～21%。全球和局地 CO2 升高的叠加效应是导致以钙华景观为主的九寨沟钙华消失和环境退化的关键要因, 游客的 CO2 排放的确在毁坏九寨沟世界自然遗产景观。

众所周知, 地球大气 CO2 的平均浓度已经超过400μL/L[1]。在全球 CO2 浓度持续升高的背景下, 持续不断的游客数量增加会进一步升高热门景点周围的CO2 浓度, 由此引起的对世界遗产环境的负面影响, 尤其是对其可持续性的不确定性影响, 引起广泛关注[2–3]。

世界自然遗产有漫长的历史(几万至几十万年), 是地球历史的宝贵产物[4]。钙华是含碳酸氢钙的地热水露出地表时, 因 CO2 大量逸出而形成的 CaCO3沉积物。以钙华为主要景观的世界自然遗产非常美丽, 如著名的九寨沟世界自然遗产(图 1)。最近 100年左右, 地球历史进入人类世(Anthropocene), 人类活动的影响空前绝后[5], 其对钙华景观带来的影响是非常值得探讨的问题。

与世界其他地方相同, 我国自然世界遗产地的游客数量一直在快速增加。社会发展和人们对旅游需求的增加固然是游客增加的主要原因, 地方经济对世界自然遗产的过渡依赖也是游客增加的重要驱动力。由于游客的 CO2 排放导致热门景点周围大气CO2 浓度升高速度远远大于全球平均速度, 以钙华为主的世界自然遗产能否长久保存值得高度关注, 但目前缺乏相关研究。

九寨沟世界自然遗产是世界上著名的钙华景观之一, 包括 118 个湖泊、17 个瀑布、5 个浅滩和47 个泉眼, 是包括大熊猫在内的许多珍稀物种的栖息地, 也是中国保护最好的世界自然遗产。由于中国的世界遗产数量位居全球第一[4], 九寨沟的情形可以在相当程度上代表在中国及其他国家在自然遗产“保护与利用”这对矛盾中的协调和博弈。

我们以九寨沟为例, 探讨游客增加导致大气 CO2浓度升高而引起的世界自然遗产保护和利用问题。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

九寨沟从 20 世纪 80 年代初期开始旅游开发, 不到 40 年的时间, 其美丽的水体在逐渐退化, 出现诸多环境问题。其中, 钙华的退化尤其引人注目, 表现为钙华减少和坍塌(图 2), 藻类植物生物量增加(图 3)。虽然有众多研究探讨环境退化和钙华退化问题, 并观测到很多钙华退化的现象, 但是对退化的原因一直难以定论[6–7]。我们认为, 大量游客呼出的 CO2 (每位游客每天约呼出 1kg CO2)是导致九寨沟钙华退化的主要原因。为了证明这个假设, 我们在九寨沟进行多年的观测。

实验站点位于树正寨犀牛湖区域, 海拔介于2000～2500m 之间, 土壤类型主要为暗棕色森林土。湖泊两侧V形山谷植被覆盖度较高, 属于针阔叶混交林带, 植被类型主要为松木和橡木[8]。由于流域内植被覆盖度大, 地下水补给充足, 研究区域地表径流较为稳定, 水流情况与之前相比无显著的变化。

1.2 研究方法

2013 年 9 月 30 日—10 月 17 日, 使用 CozIR®-A CO2 传感器 (Gas Sensing Solutions, Cumbernauld, 英国)连续观测九寨沟游客集中的树正寨(实验站点)和没有游客的森林区域(背景站点)的 CO2 浓度, 每5 分钟记录一次数据。正常情况下, 树正寨每天有近 5 万游客。同时, 利用涡动相关仪系统中的开放式红外气体分析仪(LI7500A, LI-COR, Lincoln, NE, USA), 测量九寨沟典型针叶混交林冠层上方的大气 CO2 浓度。为了进一步探讨旅游活动对区域 CO2浓度和钙华退化的影响, 我们于 2020 年 6 月 17—18日, 使用 HOBO®MX CO2 记录仪(MX1102A, Onset Computer Corporation, Bourne, 美国)观测九寨沟主要景观区域的大气 CO2 浓度。2017 年大地震后, 九寨沟对外关闭两年, 该时期游客极少, 多数情况下每天 2000 人以下。

1.2.2 藻类覆盖范围测定

将 2008, 2013 和 2020 年固定位置拍摄的五花海湖泊图像导入 ArcGIS, 若干块偏深褐色的即为硅藻区域, 偏浅蓝色的部分即为非硅藻区域。利用所圈区域作为训练样本, 进行最大似然分类, 根据分类后的像素比例计算硅藻盖度: 硅藻盖度=硅藻像素/ (硅藻像素+非硅藻像素)。然后, 利用大疆精灵 4 Pro 无人机(深圳大疆科技有限公司) 2020 年 6 月 24日获取的 RGB 正射图, 对结果进行评估校正。

气象数据来自典型湿地上方的波文比系统[9]和混交林上方的涡动相关仪系统[10]。从九寨沟管理局获取 1984—2019 年九寨沟游客人数和门票收入, 从九寨沟水文站获取九寨沟流域入口处径流。结合2003—2016 年的年均径流量和基于 CO2 浓度计算得到的钙华(CaCO3)损失速率, 计算得到九寨沟世界遗产地的钙华年损失量。

2 结果与讨论

2.1 九寨沟游客变化趋势

九寨沟游客人数及门票年收入的变化情况如图4 所示。1984 年, 九寨沟正式对旅游开放, 当年游客接待量为 2.75 万人次、门票收入为 5.5 万元。1997年, 景区游客接待量为 18.31 万人次、门票收入为1453.04 万元。1998 年九寨沟共接待游客 38.57 万人次, 与 1997 年同期相比增加 20.26 万人次、增长110.61%, 游客接待量首次实现 10 万数量级。2001年, 景区游客接待量首次突破 100 万人次。2005, 2012 和 2014 年, 分别突破 200 万、300 万和 400 万人次。2015—2016年, 景区游客接待量连续两年达到 500 万人次以上, 门票收入超 8 亿元[11]。从 20 世纪 80 年代中期到 2019 年, 九寨沟游客人数增加185 倍, 门票收入增加 15000 倍。

2.2 热门景点CO2浓度对比分析

长期观测研究结果显示, 在游客较多时期, 九寨沟热门景点区域大气 CO2 浓度显著升高[12]。因此, 在旅游旺季, 我们在对照区(森林区, 游客少)及热门景点树正寨同时进行大气 CO2 浓度的对比观测。与热门景点封闭期及对照区相比, 热门景点周围 CO2 浓度显著升高, 从 450～550μL/L 升至 700～ 850μL/L, 增加 250～300μL/L, 升幅达 55%左右(图5(a)和(b))。

可以发现, CO2 浓度剧烈升高的原因有3 个方面。1)游客人数多而且集中。例如, 10 月的第一周是中国旅游的黄金周, 每日进入景点的游客达 3～4万人, 且集中在热门景点周围(图 5(d))。2)九寨沟景区是高山峡谷地形, 在谷底形成封闭的湖盆, 空气不易扩散。3)水温低, 气温高, 在水面上形成稳定的逆温层, 比重较大的 CO2 聚集在湖盆底部, 不易扩散(图 5(c))。观测结果显示, 生长季(5—10 月)水体(浅滩)上方 2m 高度处平均气温为 13.48℃(13.14～13.78℃), 平均水温只有 11.6℃。在生长季, 水温–气温差基本上维持在 2℃, 稳定的水温–气温差导致形成稳定的逆温层。由于 CO2 比重大于空气, 容易在水面上层累积。

如上所述, 游客呼吸可以使九寨沟热门景点周围的 CO2 浓度升高 250～300μL/L 或更多。我们假定游客呼吸导致的大气 CO2 浓度升高促使广泛的钙华退化, 表现为水体中的 CaCO3 由沉积状态转变为溶解状态, 主要体现为瀑布坍塌, 湖底、浅滩和堤坝处的 CaCO3 沉积物减少, 硅藻大量增加。

2.3 CO2浓度升高引起钙华退化的机理分析

水溶液中钙华(CaCO3)与 CO2 发生的离子反应方程式[13]可表示为

该反应的平衡常数K表示为

其中, c表示浓度, K1 为碳酸的一级电离常数, K2 为碳酸的二级电离常数, Ksp 为 CaCO3 的浓度积。虽然在不同文献中, 这些常数会有差异, 但据此计算出的 K 值往往在一个固定范围内, 数量级为 10‒5。因此, 本文中平衡常数 K的取值为5×10‒5。

在不同的大气 CO2 浓度下, 水中 CO2 的浓度 c (CO2)会有所不同, 其溶解常数K3表示为

理论上, 水中

浓度为 Ca2+浓度的两倍, 因此, 式(2)中的钙华溶解平衡常数 K 可以进一步表示为

据此, 可以得出水中不同 CO2 浓度下钙离子浓度的计算公式:

根据亨利定律, 大气中 CO2 浓度为 400μL/L 时水面 CO2 浓度为

基于上述公式, 可分别计算得到大气 CO2 浓度为 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800 和850 μL/L 时景观水体中 Ca2+浓度。

本研究假定, 九寨沟水体 CaCO3 溶液在大气CO2 浓度为 400μL/L 时为饱和状态, 接近人类未干扰的平均水平(我们的实测数据)。据此, 采用其他大气 CO2 浓度下与 400μL/L 浓度下水中 Ca2+浓度差值, 可以表征不同大气 CO2 浓度情况下的钙华生产量或损失量, 差值为正表示钙华不断损失, 负值表示钙华不断增加。

图 6 显示, 当大气 CO2 浓度从 400μL/L 升高250～300μL/L时, 九寨沟水体的 CaCO3 损失率增加18%～21%, 九寨沟流域每年会损失 364000～425000 kg CaCO3。游客呼吸导致的 CO2 浓度升高使九寨沟每天有超过 1000kg 的钙华消失, 由此产生广泛的钙华退化现象。这个结果证明我们的假设是正确的, 也从机理上解释了九寨沟钙华退化的原因。

随着钙华退化, 九寨沟环境发生显著的变化。我们的研究结果表明, 五花海藻类盖度每年的增加速度达到 4%, 从 2008 年的 36.95%增加到 2013 年的58.70%。到 2020 年, 进一步增加到 85.99% (图 3)。

3 结论

本文基于涡度相关系统, 对九寨沟树正寨犀牛湖区域进行长期 CO2 浓度监测, 探究 CO2 浓度升高引起钙华退化的机理。结合年均径流量和基于 CO2浓度计算得到的钙华损失速率, 估算九寨沟世界遗产地的钙华(CaCO3)年损失量, 得到以下结论。

1)游客呼出的 CO2 增加是导致以钙华景观为主的世界自然遗产景观退化的主要原因。在全球CO2 浓度升高的背景下, 游客呼吸导致大气 CO2 浓度可升高 250～300μL/L, 升幅达 55%。大气中升高的 CO2 浓度改变了水中 CaCO3 的沉积和溶解平衡点, 水体的 CaCO3 损失率会增加 18%～21%, 使得以钙华景观为主的世界自然遗产景区中 CaCO3 的沉积环境变转为溶解环境, 这是造成钙华退化的主要原因。但是, 目前相关研究较少, 未来应在不同区域展开实验研究, 进一步分析其影响机理。

2)由于游客人数增加导致的 CO2 浓度升高速度远远大于全球 CO2 浓度的上升速度, 要保护以钙华为主要景观的世界自然遗产, 必须大幅度控制游客人数, 否则其景观将遭受不可逆转的损坏。现在, 已经到了重新考虑在我们所处的人类世阶段世界遗产保护战略的时候[14]。

3)作为缓解世界自然遗产旅游人数的对策, 建议世界各国, 尤其是中国, 多挖掘和开发有地方特色的多样化的旅游景点, 开展多种有特色的旅游。从规划、基础设施建设、宣传和管理的角度, 有意识地分散游客, 减少世界自然遗产面临的压力。

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[4] UNESCO World Heritage. 47th Anniversary of the World Heritage Convention [EB/OL]. (2019–11–16) [2020–11–16]. http://whc.unesco.org/en/news/2056

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Correlation Study of Tourist Respiration with Travertine Landscape Degradation in Jiuzhaigou

QIU Guoyu1,†, XIANG Jiao1, YAN Chunhua1, QIN Longjun1, MAO Peng1, XIONG Bowen1, LI Ruili1, TANG Ya2, DU Jie3, QIAO Xue2, SHEN Xiaoxue1, SHI Cong1, JIANG Xianchenghao1, CHEN Zhi1, SHI Zhe1, HUANG Ying1, DING Junjie1

1. School of Environment and Energy, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055; 2. Department of Environment, College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065; 3. Jiuzhaigou Administrative Bureau, Tibetan Qiang Autonomous Prefecture of Ngawa 623402; †E-mail: qiugy@pkusz.edu.cn

Abstract With the continuous increase of global CO2 emission, the CO2 emission of tourists leads to an increase rate of atmospheric CO2 around popular scenic spots which is much higher than global average. Based on the eddy covariance system, long-term monitoring of CO2 concentration was conducted in Rhino Lake, Shuzheng Village, Jiuzhaigou World Heritage. Combined with the annual runoff and the rate of travertine loss (CaCO3) based on CO2 concentration, the annual amount of travertine loss in Jiuzhaigou World Heritage Site was estimated to explore the mechanism of travertine degradation. The research finds that the breath of tourists can increase the local atmospheric CO2 concentration by 250–300 μL/L, which can increase travertine loss rate by 18%–21%. Increase in CO2 caused by the breath of tourists is the main reason leading to the degradation and disappearance of the world heritage travertine. CO2 emission of tourists is indeed destroying the world heritage.

四川省科技计划(2021YFH0082)和“九寨沟世界自然遗产地植被演替与景观生态环境保护”项目(5132202020000046)资助