世界遗产——四川黄龙钙华景观退化现象、原因及保护对策分析

张金流,王海静,董 立,赵德猛

1)中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵州贵阳 550002;2)黄龙国家级风景名胜区管理局,四川松潘 623300

黄龙风景区由于其独特的钙华景观(钙华池、瀑布、钙华滩流以及无与伦比的原始大森林)于 1992年被联合国教科文组织列为世界自然遗产名录以来,每年吸引数以百万计的国内外游客前来游览,给国家和地方政府带来数十亿元人民币的收入;然而,或许是自然原因亦或是过度的旅游活动的影响(比如,游客人数自20世纪90年代初的年均约10万人增加到现在的 100万人以上,高峰时达到 300万),近年来黄龙钙华景观出现了明显的退化现象,主要表现在以下3个方面(刘再华,2008):

(1)地表溪流水量减少,使得某些钙华彩池干枯或季节性干枯(图 1-A),不但本身失去观赏价值,还影响到景观的总体观感;

(2)可能由于过度旅游活动造成对溪流水的污染(污染源主要是景区的饭店、快餐店、厕所、垃圾桶等),水生藻类加速繁殖,使得某些钙华表面颜色由黄变黑(图1-B),失去美感;

(3)钙华沉积速率变慢,加上人为的踩踏(王海静,2009),钙华表面砂化现象严重,在水流冲刷作用下,使得某些钙华彩池被逐渐填平(图 1-C),失去观赏价值。

上述钙华景观退化现象引起了科研人员的极大关注(杨俊义等,2004;郭建强,2005;单莉莉等,2006;郭建强等,2009;王华等,2010),黄龙国家级风景名胜区管理局和联合国教科文组织世界遗产委员会对此也高度重视;为防止钙华景观继续退化,并对退化景观进行修复,以使黄龙世界自然遗产得以永续利用,我们做了如下研究,以期揭示黄龙钙华景观退化的真正原因,为黄龙钙华景观的保护以及退化景观的修复提供科学依据。

黄龙风景区位于川西北高原,阿坝藏族羌族自治州松潘县境内,位于成都市西北约350 km。黄龙风景区钙华景观全长约 3.5 km,南起望乡台(海拔:3658 m),北到涪江河谷(海拔:3080 m),平均宽度约250 m;钙华主要沉积在志留系板岩、砂岩之上 (图2);源泉(黄龙泉群,图2中的S1)补给区岩层以泥盆-石碳系灰岩、白云岩为主,为黄龙钙华景观的形成提供了丰富的钙源;沟内年均气温 1.1℃,降雨量达759 mm/a(Liu et al.,1995);区内最高峰为雪宝顶,海拔5588 m(卢国平等,1992),山顶终年积雪;采样及监测点位置见图2。

1 研究方法

1.1 磷酸盐水样的采集和室内分析

每隔 10 d左右,使用 60 mL的注射器加含有0.45 μm 玻璃纤维的过虑器采集监测点水样,盛于60 mL聚乙烯瓶中并定期送回中科院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室用离子色谱仪(美国Dionex公司产的ICS-90型离子色谱仪)分析水中磷酸盐含量,其检测限是0.001×10-6;取样时采样瓶先用现场水润洗 3次,之后将整个瓶子装满,使瓶中不留有气泡;采样瓶在采集样品前在室内用 1:10的硝酸浸泡 24 h,随后用超纯水冲洗之后再用超纯水浸泡 48 h,之后放入烘箱中于 50℃条件下烘干24 h。

1.2 钙华沉积样采集

为了获取各监测点钙华沉积速率的时间变化规律,按照Liu等(1995)的方法,于采样点放置有机玻璃试片(规格是 5 cm×5 cm×0.5 cm,总表面积约60 cm2),每隔10 d左右更换一次,玻璃试片在放入水中之前及回收后,在 50℃条件下置于烘箱中烘干24 h,之后置于玻璃干燥器中冷却至室温,用分析天平称重,其分辨率为 0.1 mg,然后按下式计算钙华沉积速率(具体计算方法见文献Liu et al.,1995)

式中,Wts和 Ws分别是沉积后和沉积前玻璃试片的重量;A是玻璃试片的总表面积(60 cm2);T是玻璃试片在溪流水中停留时间(即两次采样的时间间隔,大约10 d左右,精确到分钟)。

1.3 叶绿素和降雨量的自动监测

叶绿素浓度使用安装于潋滟湖边上的德国产SEBA MP3 572型多参数水质自动记录仪自动测定(图 1-D),该仪器叶绿素浓度的测试范围为 0.03～500 μg/L,分辨率为 0.01 μg/L;降雨量使用同样安装于潋滟湖边上的美国产HOBO便携式小型气象站自动记录(图 1-D),该仪器降雨量的测试范围为 0～12.7 cm/hr,分辨率为0.2 mm;两台仪器数据采集器的扫描时间间隔皆设定为15 min。

1.4 水化学监测

图1 A-干枯变黑的钙华池;B-黑化的钙华彩池边石坝;C-被沙化钙华填满一半的彩池;D-HOBO小气象仪及SEBA多参数水质记录仪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

图2 黄龙风景区地质平面及剖面图以及泉、采样点Fig.2 Plan and geological section of Huanglong Ravine with springs and sampling sites

用德国产WTW 350i型便携式多参数水质监测仪每日监测各监测点水温、pH值以及电导率,精度分别是0.1 ℃ ,0.01 pH 和 1 μs/cm;同时,在现场用德国Merck公司产碱度计和硬度计滴定盒滴定水中的HCO3-和 Ca2+浓度,两者的精度分别是 6 mg/L和2 mg/L,并据上述数据使用 WATSPEC软件计算方解石饱和指数SIc(Wigley,1977)。

1.5 泉水流量监测

使用水利部重庆水文仪器厂生产的LJD打印式流速流量仪定期监测三个大泉(地表水、黄龙泉及龙泉眼)的泉水流量,用以分析各泉流量的时间变化规律,该仪器的测量范围是0.1～4 m/s,测量误差≤2%,并根据下式计算各泉的流量Q/(L/s):

式中:B 为矩形堰口宽度/cm;H 为平均水头高度/cm;V为泉水平均流速/(m/s)。

2 实验结果和讨论

2.1 上游地表水总流量与下游龙泉眼流量关系

由前文可知,黄龙景区部分地段由于地表水流量的减少使得钙华彩池干枯,失去了观赏价值;为了寻找地表水流量减少的真正原因,我们对近年来上游地表水总流量(后沟地表水及源泉流量之和)(李前银等,2009;王海静等,2011)、源泉(黄龙泉群,图2中的S1)流量及下游龙眼泉(图2中的S4)流量间的关系进行了分析,结果如图3:

图3 黄龙泉总流量、上游地表水总流量和下流龙眼泉流量多年变化趋势(据刘再华等,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)

由图 3可知,源泉(黄龙泉群)总流量基本不变,反映了近年来大气降水补给基本稳定,上游地表水总流量和下游龙眼泉流量有逐年增加的趋势,可能是气温逐年升高导致雪宝顶融雪水补给增加所致,这一推测我们从图 4也得到了证实;但下游龙眼泉流量增加较上游地表水总流量增加趋势更加明显,说明中、下游地表水向地下漏失后对龙眼泉的补给比以前有所增加。由此我们推测,黄龙景区部分地段由于地表流量的减少而出现的彩池干枯现象并不是近年来大气降雨减少所致,而是起因于景区地表径流下渗量的增加,这与相关的研究结果也是一致的(杨俊义等,2004;杨俊义,2004;石岩,2005)。

2.2 旅游等人为活动对黄龙景区水质的影响

近年来前往黄龙景区的游客人数逐年增加,从20世纪90年代初的年均约10万人增加到近年来的100多万(如 2010年游客人数超过 110万,2008年5.12汶川地震前年游客人数高峰达到近300万);为探讨如此快速增长的旅游强度是否会对黄龙水体造成影响(如快速增长的旅游活动所带来的生活污染),我们从2010年4月下旬到11月中旬(即旅游旺季)对黄龙风景区上游五彩池和下游迎宾池两处景点溪流水中溶解磷酸盐做了一个旅游周期的监测,以分析其与人类活动的关系,结果如图 5所示;需要说明的是,在本研究中,我们选用磷酸盐作为研究指标,是因为:一方面,作为营养盐,它能够促进水藻的生长(Prairie et al.,1989;Mccauley et al.,1989;Seip et al.,1994;Klausmeier et al.,2004;刘春光等,2006;孙凌等,2006;罗固源等,2007;李建平等,2007;Kim et al.,2009;张金流等,2011);另一方面,作为碳酸盐沉积的阻滞剂,它能有效地减缓钙华的沉积(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),从而降低退化钙华景观自我修复能力。

图4 松潘县历年月平均降雨量及年平均气温(1951.1—2010.1)(数据来自中国气象科学数据共享服务网,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)

图5 五彩池和迎宾池水中磷酸盐浓度季节变化与同期游客人数及降雨量的关系(张金流等,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)

从图 5可知,五彩池和迎宾池两处水中磷酸盐浓度变化与游客人数变化呈现明显的一致性,特别是在几个游客高峰期,如 7月底到 8月底以及国庆节期间,随着游客人数的增加,水中磷酸盐浓度也明显增加(见图中单箭头所示),说明旅游活动对黄龙水体已产生了明显影响;同时,我们从图中也可看出,水中磷酸盐浓度的变化与游客人数的变化在时间上有时呈现出一定的滞后现象(见图中斜向实线箭头所示),如从7月底到8月底这段时间;这可能是因为这期间降雨量偏少,旅游活动带入景区的生活垃圾以及景区内其它污染源产生的垃圾中所含可溶性磷酸盐不能及时溶于水中,使得同期水中磷酸盐浓度的升降不能与游客人数的变化保持很好的一致性,但随着稍后降雨量的增加,在雨水冲刷作用下,前期垃圾中滞留的磷酸盐又开始逐渐溶解,使得水中磷酸盐浓度快速上升(即雨水对滞留垃圾中所含磷酸盐的冲刷效应);另外,我们也注意到,五彩池和迎宾池水中磷酸盐浓度变化也有不一致的地方,如7月28日,五彩池和迎宾池水中磷酸盐浓度正好相反,这可能是因为游客在景区内分布不均匀,从而导致对各景点水质影响程度也不尽相同。据此,我们推测,旅游活动等人为因素可能已成为黄龙水体磷酸盐污染的重要来源。

2.3 水中磷酸盐浓度与水生藻类生物量的关系

由2.2节分析可知,黄龙景区溪流水中磷酸盐含量已明显受到旅游等人类活动的影响,为了研究这种影响是否会对景区内水生藻类生长产生变化,我们在潋滟湖边安装了德国产SEBA MP3 572型多参数水质自动记录仪,用以监测湖中水藻叶绿素浓度(作为水生藻类生物量指标)的时间动态变化,并把这种变化与同期水中磷酸盐浓度变化做一对比分析,结果如图6所示。

图6 潋滟湖水中叶绿素浓度季节性变化及其与同期磷酸盐浓度间的关系(据张金流等,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)

由图 6可知,随着水中磷酸盐浓度周期性波动(见图中四条粗虚线隔开的部分),水中叶绿素浓度也呈现出与之一致的变动趋势,比如从 9.8到 10.7,水中磷酸盐浓度一直呈上升趋势,与之对应的叶绿素浓度也呈现出上升趋势,之后,随着磷酸盐浓度的下降,叶绿素浓度也开始下降,说明磷酸盐作为限制性营养盐,在一定程度上可能促进了水生藻类的生长;当然,正如2.2节中出现的水中磷酸盐浓度有时滞后于游客人数一样,此处水中磷酸盐也出现了同样的现象,其原因与2.2节分析的一样,在此不在赘述;同时,叶绿素浓度变化也有滞后于磷酸盐浓度变化的现象,这是因为:一方面,磷酸盐浓度采样方法是瞬时取样法,不能像 SEBA仪器那样自动记录相关参数连续变化趋势;其二,叶绿素反映的是水生藻类的生物量,其浓度变化是一个生物过程,因此,也不可能像化学反应那样迅速地对相关影响因子做出反应,而是需要一定时间的响应过程;因此,不能由于水藻叶绿素浓度变化与磷酸盐浓度变化间呈现一定的滞后现象而否定磷酸盐对其生长的促进作用,恰恰相反,这种滞后现象正是磷酸盐作为营养盐限制水生藻类生长的表现。

2.4 水中磷酸盐与钙华沉积速率间的关系

由上述两节分析可知,旅游等人类活动可能是黄龙水体磷酸盐的重要来源,那么这种来源的磷酸盐对钙华沉积速率有何影响,是否与黄龙景观钙华沉积速率变缓这一退化现象有关？为此,我们以黄龙风景区上游五彩池和下游迎宾池两处景点为例,来分析旅游活动对黄龙钙华沉积速率的影响。

从图 7可以清楚地看出,在五彩池和迎宾池两处景点,钙华沉积速率和水中磷酸盐浓度变化间呈现明显的负向变化趋势,而与水温、降雨量变化间的关系不甚明显,说明水中溶解磷酸盐可能已对黄龙钙华沉积产生一定的负面影响。

为了定量分析水中磷酸盐对钙华沉积速率的阻滞影响,我们利用数据统计分析软件 SPSS,对五彩池和迎宾池两处钙华沉积速率与相关影响因素间的关系进行了回归分析,逐步回归方程见表1:

结合图7及表1中两采样点钙华沉积速率与相关影响因素间的回归方程可以更清楚地看出,黄龙风景区五彩池和迎宾池两处景点钙华沉积速率明显受到水中磷酸盐的阻滞作用(从两处回归方程中磷酸盐浓度前的系数为负且与其它两系数相比绝对值最大即可看出);同时我们也注意到,虽然迎宾池处回归方程综合F值仅为0.605,可信度不是太高,但从已有的理论即磷酸盐是钙华沉积的有效阻滞剂来看,我们认为此回归方程仍有一定的意义(即在一定程度上仍可以定量反映磷酸盐对钙华沉积的阻滞作用)。因此,我们可以推测,旅游等人类活动对黄龙水体的污染可能已对黄龙钙华沉积速率产生一定的影响,这很可能就是近年来黄龙钙华沉积速率变慢这一退化现象的重要原因。

3 结论及保护对策

近年来黄龙钙华景观出现了明显的退化现象,表现为:(1)地表水量减少,部分钙华彩池干枯;(2)水生藻类加速生长,钙华表面颜色由黄变黑;(3)钙华沉积速率变慢,加上人为的踩踏,钙华表面砂化现象严重;为了找出上述退化现象的科学机理,我们分析了近年来上游地表水、源泉和下流龙眼泉流量的变化趋势,结果发现,黄龙风景区地表水流量的减少不是起因于人们推测的近年来降雨量的减少,而是地表水渗漏量增加所致;同时,分析景区水质在一个旅游季节期间的变化后,我们发现,随着旅游强度的增加,景区水质已明显受到人类活动的影响,而水质的变化又促进了水藻的生长并减缓了钙华的沉积;因此我们推测,旅游等人为活动很可能在一定程度上加速了黄龙钙华景观的退化,是近年来黄龙钙华景观加速退化的真正原因。

根据上述景观退化的起因,我们提出如下保护建议,以减缓景观的退化速度:

1)严格控制景区及周边不必要的工程活动。我们知道,钙华是疏松的碳酸盐沉积物,对水的渗透性很强,景区及周边工程建设(如景区相关工程建设、景区周边开矿爆破等)的影响,很可能导致原有钙华的渗透性增强,从而增加地表水的下渗量,减少地表径流量。

表1 五彩池、迎宾池两处钙华沉积速率回归方程Table 1 Regression equation of travertine deposition rates at Wucaichi and Yingbinchi sampling sites

图7 五彩池(左)、迎宾池(右)钙华沉积速率与磷酸盐、降雨量以及水温间的关系(2010)Fig.7 Relationship between travertine deposition rate and phosphate concentration,rainfall and water temperature at Wucaichi (left)and Yingbingchi (right)

2)科学规划景区旅游路线,尽量使其远离钙华彩池,同时应加强景区生活设施和生活垃圾的管理,降低因旅游等人类活动对黄龙水体造成的污染。