重慶豐都雪玉洞群洞穴現(xiàn)代監(jiān)測(cè)與古環(huán)境研究回顧和展望

曹 敏 ，蔣勇軍 ，賀秋芳 ，殷建軍 ，楊 琰 ，李廷勇

（1. 云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 云南 昆明 650500；2. 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 巖溶環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715；3. 自然資源部、廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 廣西 桂林541004；4. 云南師范大學(xué)地理學(xué)部, 云南省高原地理過(guò)程與環(huán)境變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650500）

0 引 言

巖溶洞穴是特殊的自然條件下，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期逐漸演化而成，因此，洞穴形態(tài)、結(jié)構(gòu)及沉積堆積物都保存了大量的環(huán)境信息。洞穴石筍因具有分布廣泛、定年準(zhǔn)確、分辨率高和代用指標(biāo)豐富等優(yōu)點(diǎn)而成為晚第四紀(jì)以來(lái)高分辨率氣候環(huán)境變化研究的理想載體[1]。對(duì)洞穴滴水、洞穴空氣環(huán)境和洞穴次生碳酸鹽進(jìn)行監(jiān)測(cè)，涉及滴水速率、沉積速率、洞穴溫濕度、元素比值、穩(wěn)定同位素等代用指標(biāo)[2-4]。結(jié)合多指標(biāo)的洞穴監(jiān)測(cè)手段研究洞穴石筍的沉積機(jī)理，有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)洞穴石筍對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，也有助于石筍代用指標(biāo)的解釋。然而，某些石筍的代用指標(biāo)存在不確定性或者多解性，對(duì)現(xiàn)代洞穴環(huán)境指標(biāo)的綜合研究，也有利于加深對(duì)洞穴形成環(huán)境的認(rèn)識(shí)。

洞穴環(huán)境獨(dú)特，次生化學(xué)沉積物形態(tài)各異，具有較大的旅游價(jià)值。雪玉洞是重慶著名的旅游洞穴，隨著洞穴旅游發(fā)展，洞穴環(huán)境也有所變化，洞內(nèi)次生化學(xué)沉積物景觀也面臨變色、老化等問(wèn)題[5-6]。對(duì)旅游洞穴環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期、在線的現(xiàn)代觀測(cè)研究，可為洞穴保護(hù)和可持續(xù)利用提供依據(jù)。

中國(guó)是巖溶大國(guó), 巖溶洞穴遍布，尤其是在南方地區(qū)。對(duì)洞穴碳酸鹽的研究雖可上溯到17 世紀(jì)旅行地理學(xué)家徐霞客的相關(guān)描述[7]，然而現(xiàn)代科學(xué)研究起步較晚[8]，朱學(xué)穩(wěn)[9]于1988 年對(duì)桂林的巖溶地貌和洞穴進(jìn)行了研究；袁道先[10]基于巖溶作用對(duì)環(huán)境變化的敏感性，明確提出巖溶記錄可以提供高分辨率的環(huán)境變化信息，一些學(xué)者對(duì)桂林[11]、福建[12]、北京[13]等地區(qū)的石筍進(jìn)行了石筍與古氣候的相關(guān)研究，并將其研究成果相繼在國(guó)內(nèi)刊物發(fā)表。Wang 等[14]在《Science》上發(fā)表末次冰期75～11 ka BP 時(shí)段南京葫蘆洞有準(zhǔn)確定年的石筍δ18O 記錄, 顯示了東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度變化與北半球夏季太陽(yáng)輻射變化的一致性并且精確標(biāo)定了多個(gè)氣候變化事件，而貴州董哥洞的δ18O 記錄重建了160 ka BP 以來(lái)的東亞季風(fēng)變化，精確揭示了冰期終止期的突變特征和時(shí)間[15]。隨后的研究成果不僅揭示了南方地區(qū)千年尺度季風(fēng)氣候變化規(guī)律[16-17]，也將石筍δ18O 記錄的年齡拓展到640 ka BP 的U-Th 測(cè)年上限[18]。全新世石筍的高分辨率記錄則更豐富，展示了δ18O 記錄的空間的一致性[19]和早-中全新世的季風(fēng)強(qiáng)弱變化[20]。Tan 等[21]系統(tǒng)了闡述了利用石筍年紋層來(lái)定量重建氣候變化的方法，短時(shí)間尺度上石筍的穩(wěn)定同位素、紋層和微量元素記錄等被用來(lái)反映區(qū)域水文氣候事件[22]和人類(lèi)活動(dòng)的影響[23]。

水文氣候?qū)W指標(biāo)的建立離不開(kāi)對(duì)洞穴的現(xiàn)代監(jiān)測(cè)。目前，在這一領(lǐng)域的成果包括在廣西盤(pán)龍洞[24]、湖北和尚洞[25]、北京石花洞[26]、南京葫蘆洞[14]、重慶芙蓉洞[27]和雪玉洞[28]等許多洞穴的現(xiàn)代監(jiān)測(cè)研究。綜合上述研究成果可以發(fā)現(xiàn)，中國(guó)從南到北的石筍古氣候研究對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)和反饋占據(jù)了重要位置。雖然研究成果顯著，但是仍有許多重要的科學(xué)問(wèn)題還有待解決。如石筍δ18O 記錄到底反映的是季風(fēng)強(qiáng)度、氣溫還是降水？如何區(qū)分和定量化，石筍的年代學(xué)問(wèn)題等。為了解開(kāi)這些問(wèn)題，在重慶地區(qū)豐都雪玉洞群、金佛山羊口洞和武隆芙蓉洞等成為石筍古氣候的理想研究基地（圖1）。羊口洞的石筍重建了重慶地區(qū)206-24 ka BP 時(shí)段的夏季風(fēng)降水變化[29]。研究人員較早地對(duì)雪玉洞群開(kāi)展了連續(xù)的洞穴監(jiān)測(cè)研究，并在石筍的高分辨率古氣候研究領(lǐng)域發(fā)表了一系列成果。經(jīng)過(guò)十來(lái)年的發(fā)展，有必要對(duì)雪玉洞群的石筍古氣候研究以及現(xiàn)代監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行梳理，旨在加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域氣候環(huán)境變化的認(rèn)識(shí)，并對(duì)未來(lái)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供借鑒和參考。

過(guò)去10 年的研究成果表明，在雪玉洞群進(jìn)行現(xiàn)代觀測(cè)、并開(kāi)展對(duì)古氣候和古環(huán)境研究的優(yōu)勢(shì)非常明顯：(1)因所處的地理位置優(yōu)越，氣候和環(huán)境對(duì)全球變化的響應(yīng)非常敏感；(2)同一地區(qū)，相似的氣候背景下發(fā)育著不同水平高度的洞穴，其觀測(cè)數(shù)據(jù)可以相互應(yīng)證和補(bǔ)充；(3)廣泛發(fā)育的洞穴石筍所含的指標(biāo)具有一致性，雪玉洞群洞穴內(nèi)石筍生長(zhǎng)連續(xù)、年層清晰，可以構(gòu)建逐年高分辨率δ18O、δ13C 記錄，為古氣候和古環(huán)境重建提供合適的代用指標(biāo)。這些研究主要回答的科學(xué)問(wèn)題是：雪玉洞內(nèi)的CO2濃度高且變化迅速的原因？雪玉洞群內(nèi)的沉積物顏色非常白且沉積速率快的原因是什么？雪玉洞群區(qū)域的石筍是否適合高精度古氣候重建？

1 基本概況

重慶市國(guó)土面積約8.24×104km2，其中碳酸鹽巖分布區(qū)占總面積的35%[29]，為巖溶洞穴的發(fā)育提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。雪玉洞群位于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為17.5 ℃，多年平均降水1 072 mm，70%的降水集中在5-10 月，其中8 月受副熱帶高壓控制時(shí)降水偏少[30]。洞穴上覆植被以常綠闊葉林和灌叢為主。在區(qū)域地殼抬升、河流快速下切過(guò)程中，為多層溶洞的形成、發(fā)育和豐富的次生化學(xué)沉積創(chuàng)造了良好條件。對(duì)雪玉洞的研究工作起源于朱學(xué)穩(wěn)等[31]對(duì)雪玉洞群的洞穴沉積物和洞穴特征的闡述，他首次提出了“雪玉洞群”的概念，該洞穴群內(nèi)發(fā)育碳酸鹽類(lèi)方解石、文石和硫酸鹽類(lèi)石膏等次生沉積物（圖2）。雪玉洞是旅游洞穴，洞內(nèi)的次生沉積物 “潔白如雪，純凈如玉”，被《國(guó)家地理雜志》評(píng)為“中國(guó)最美洞穴”之一。目前，雪玉洞是國(guó)家4A級(jí)旅游景區(qū)，游客量較大，疫情前平均每月約5 500人入洞參觀[32]。從2004 年開(kāi)始，在雪玉洞內(nèi)開(kāi)始了初步的現(xiàn)代洞穴學(xué)研究，積累了一些游客數(shù)據(jù)和洞內(nèi)空氣CO2變化等記錄數(shù)據(jù)[33]。2008 年以來(lái)，西南大學(xué)在雪玉洞建立了巖溶研究基地，對(duì)雪玉洞群開(kāi)展了系統(tǒng)的現(xiàn)代巖溶學(xué)研究：包括對(duì)洞穴發(fā)育基礎(chǔ)水文地質(zhì)調(diào)查、洞穴上覆植被-土壤監(jiān)測(cè)，洞穴內(nèi)環(huán)境要素的監(jiān)測(cè)和石筍定年以及同位素分析等。

雪玉洞群位于重慶市豐都縣，由羊子洞、雪玉洞和水鳴洞共同構(gòu)成，位于長(zhǎng)江的支流龍河下游左岸（經(jīng) 緯 度29°46′30″～29°47′20″N; 107°47′00″～107°48′30″E），距離豐都新縣城18 km，洞穴群發(fā)育于川東平行嶺谷方斗山背斜的翼部，下三疊統(tǒng)灰?guī)r中[31]（圖3），是重慶重要的巖溶研究基地。三個(gè)洞穴的分布情況、巖性特征、地層產(chǎn)狀等基礎(chǔ)資料見(jiàn)表1[31]。

表1 雪玉洞群各洞穴位置與特征比較[31]Table 1 Locations and strata of Xueyu caves[31]

2 雪玉洞群洞穴現(xiàn)代環(huán)境過(guò)程監(jiān)測(cè)

2.1 雪玉洞環(huán)境特征與碳遷移

對(duì)雪玉洞內(nèi)氣溫的同步監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：受燈光和游客的影響，雪玉洞內(nèi)不同洞穴層位氣溫略有差異：上層17.7～18.3 ℃，中層17.4～18.1 ℃，下層16.6～17.6 ℃[35]。這種上暖下冷的三層溫度結(jié)構(gòu)，使得洞內(nèi)空氣層相對(duì)穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生氣流運(yùn)動(dòng)。雪玉洞地下河水溫變幅較小，為16. 3～16. 7 ℃[36]。

重慶雪玉洞內(nèi)年均氣溫與豐都地區(qū)的年均氣溫幾乎一致。旅游開(kāi)發(fā)兩三年后，洞內(nèi)年均溫并沒(méi)有顯著變化[33]。許多洞穴在旅游開(kāi)發(fā)后有增溫的現(xiàn)象，如意大利的Castellana 洞穴，燈光和游客呼吸使洞內(nèi)溫度升高3.0 ℃[37]；貴州織金洞內(nèi)氣溫自1985 年以來(lái)升高了2～3.5 ℃[38]。河北臨城白云洞，在2000 年“五一”期間，洞穴內(nèi)某些狹窄處溫度日增幅達(dá)到2.0～2.4 ℃[39]。長(zhǎng)期來(lái)看，雪玉洞地區(qū)的降雨量、氣溫和地下河PCO2呈上升趨勢(shì)，地下河水溫變化則呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì)（圖4）。

洞穴空氣CO2濃度是影響洞穴次生化學(xué)沉積過(guò)程的重要因素之一，也是衡量旅游洞穴環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[40]。一些洞穴在開(kāi)放幾年后，隨著游客量逐年增加，洞內(nèi)CO2濃度也會(huì)升高[17]。自2009年以來(lái)，雪玉洞的CO2濃度也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，不過(guò)王翱宇等[36]認(rèn)為旅游活動(dòng)對(duì)洞穴CO2變化的影響較弱；徐尚全等[32]發(fā)現(xiàn)只有在旅游旺季且游客容量超過(guò)一定閾值時(shí)才會(huì)帶來(lái)明顯的CO2累積，而這種累積很容易在洞穴自身的凈化作用下消除，回歸到自然狀態(tài)。由于地下河水體對(duì)洞內(nèi)CO2的調(diào)節(jié)，雪玉洞旅游開(kāi)發(fā)帶來(lái)的CO2累積效應(yīng)并不明顯。研究表明，當(dāng)游客量為50～200 人/每天時(shí)，游客的呼吸對(duì)洞穴空氣的貢獻(xiàn)量為55.02～207.74 mol，即 2.4～9.14 kg，占比較小[32]。此外，雪玉洞在管理上一直是采取控制人數(shù)和分批次進(jìn)入的方式，可以防止洞穴CO2過(guò)度增加。但是在月尺度上，洞穴CO2的變化與降雨（月降雨小于250 mm）的關(guān)系更密切（R2=0.41，p＜0.01）。

CO2和水是巖溶碳循環(huán)中最活躍、最關(guān)鍵的因素。CO2進(jìn)入水中，形成碳酸，溶解碳酸鹽巖；CO2從水中逸出，引起碳酸鹽的沉淀[41]。諸多學(xué)者都對(duì)雪玉洞CO2的季節(jié)變化進(jìn)行過(guò)闡述，王翱宇等[36]最先監(jiān)測(cè)到雪玉洞的空氣CO2和地下河PCO2存在明顯的季節(jié)效應(yīng)（2 000～10 000 ppmv），且二者具有良好的協(xié)同變化規(guī)律（R2=0.97，p＜0.01）。在時(shí)間序列上，地下河的PCO2高值和低值要早于洞穴空氣[42]，地下河通過(guò)脫氣和吸氣過(guò)程，主導(dǎo)了洞穴內(nèi)CO2的變化。

Faimon 等[43]對(duì) 捷 克Punkevní jeskyně和Sloup-?o??vka 兩個(gè)洞穴上覆土壤CO2和洞內(nèi)CO2進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，認(rèn)為不同植被下的土壤中CO2含量差異較大，且都影響洞穴中CO2濃度。王曉曉等[44]通過(guò)上覆土壤和洞穴水化學(xué)的月監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤CO2濃度的變化和地下河水化學(xué)、電導(dǎo)率變化具有一致性。進(jìn)一步對(duì)地下河PCO2和土壤CO2的同步監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，日時(shí)間尺度上或暴雨時(shí)，地下河PCO2對(duì)土壤CO2變化的響應(yīng)非常迅速[45]，也證明了土壤CO2會(huì)直接或者間接地影響地下河PCO2和洞穴空氣CO2[46]。土壤CO2通過(guò)巖石裂隙可以直接進(jìn)入洞穴系統(tǒng)，土壤與基巖共同組成了一個(gè)雙層膜介質(zhì)。干旱時(shí)，土壤水分蒸發(fā)，其孔隙構(gòu)成了洞內(nèi)外氣體連接的管道；而濕潤(rùn)時(shí)，土壤水充填，無(wú)法形成通道，導(dǎo)致CO2在洞內(nèi)累積，這是地中海區(qū)域的洞穴冬季CO2濃度高的重要原因[47]。不過(guò)雪玉洞的情況剛好相反，夏季是雨季，土壤水飽和，而洞穴頂部又構(gòu)成了比較封閉的空間，因此有利于洞穴內(nèi)部空間維持高濃度CO2。在高溫多雨的季節(jié)，有更多土壤CO2進(jìn)入雪玉洞；低溫少雨的季節(jié)，進(jìn)入洞穴內(nèi)的土壤CO2減少，洞穴CO2濃度也較低；氡濃度的季節(jié)變化也佐證了這一點(diǎn)[48]。降雨可以溶解土壤CO2滲入地下洞穴，也可以通過(guò)活塞效應(yīng)將土壤和裂隙中的CO2直接壓入洞穴，使得洞穴CO2的碳同位素較好地繼承了土壤CO2的同位素特征（圖5），并且能夠通過(guò)端元模型計(jì)算出來(lái)源于土壤CO2部分的比例介于47%～76%之間[49]。通過(guò)對(duì)暴雨期間雪玉洞地下河的流量以及DIC 等的分析發(fā)現(xiàn)，降雨期間雪玉洞地下河的碳通量顯著增加，主要受流量增大的影響[50]。利用DIC 計(jì)算碳通量表明，2009-2015 年碳通量呈上升趨勢(shì)，從3.46 t C·a-1·km-2上升到5.64 t C·a-1km-2，7 年間巖溶地下水碳通量增加38%，與該時(shí)期降水增加有較大的關(guān)系。

2.2 雪玉洞群水文地球化學(xué)特征與控制因素

石筍領(lǐng)域研究的兩個(gè)主要方向是：（1）沉積速率及其控制機(jī)理、元素運(yùn)移等；（2）高分辨率古氣候重建。其中滴水和沉積物元素變化能夠很好地響應(yīng)外界環(huán)境變化[51]。雪玉洞和水鳴洞的滴水水化學(xué)類(lèi)型都為HCO3-Ca 型，主要受到水巖作用控制[52]。蒲俊兵等[53]對(duì)雪玉洞進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)滴水的主要水化學(xué)指標(biāo)在一個(gè)水文年內(nèi)具有明顯的季節(jié)變化趨勢(shì)：洞穴上層滴水的Ca2+和Mg2+濃度高于下層滴水，Mg/Ca 表現(xiàn)為雨季低、旱季高的特征，可以用來(lái)指示降水條件的變化。

水巖相互作用和滯留時(shí)間對(duì)元素比值的變化有著顯著的影響。滯留時(shí)間可以反映在滴水中，在雪玉洞按照滴量變幅可分成“敏感”滴水點(diǎn)（滴率1～63 mL/min）和“穩(wěn)定”滴水點(diǎn)（0.9～5.0 mL/min），前者可以很好地反映當(dāng)月降雨量，后者對(duì)降雨的響應(yīng)具有顯著的滯后性[28]。雪玉洞的基巖Mg/Ca 為0.59%～3.53%，屬于低鎂方解石[34]。雨水和滴水的Mg/Ca 范圍分別為4.96%～35.94%和2.39%～11.95%。大氣降水本身以及其對(duì)土壤和基巖的淋濾作用，會(huì)使得滴水和石筍中Mg 元素增加[54]。Mg2+含量不僅和水巖作用時(shí)間長(zhǎng)短、母巖性質(zhì)以及水土流失等有關(guān)，而且還可能與溫度和地下水運(yùn)移路徑有關(guān)[55]，如在水流到達(dá)洞穴前CaCO3優(yōu)先沉積（PCP），將導(dǎo)致滴水中的Mg/Ca 比升高[56]。在外界氣候干旱條件下，降水減少，進(jìn)入含水層中的補(bǔ)給水量減少且流速緩慢，巖溶水在含水層的滯留時(shí)間增加，水巖相互作用增強(qiáng)。在Wombeyan 洞的監(jiān)測(cè)也印證了滴水Mg/Ca 的增大與厄爾尼諾（2002-2003 年）帶來(lái)的干旱和PCP 作用增強(qiáng)有關(guān)[57]。2006 年長(zhǎng)江流域發(fā)生嚴(yán)重干旱事件，和尚洞所在區(qū)域夏季降水減少30%，洞穴滴水速率對(duì)降水的響應(yīng)沒(méi)有出現(xiàn)往年的峰值[58]。與此同時(shí)，干旱時(shí)期較慢滴水速率會(huì)引起滴水中更多的CO2脫氣，發(fā)生PCP 作用，Ca 離子濃度相對(duì)降低，Mg/Ca、Sr/Ca 偏高。因此，雪玉洞滴水Mg/Ca、Sr/Ca 的變化在某種程度上可以反映干濕變化。

洞穴滴水中的Ca2+和Mg2+濃度對(duì)區(qū)域特大降水事件有明顯的響應(yīng)，但不同滴水點(diǎn)由于其運(yùn)移路徑不同，響應(yīng)機(jī)制和表現(xiàn)也不同，在雪玉洞只有“穩(wěn)定”滴水點(diǎn)中的Mg/Ca 可以反映外界的干濕變化[32]。這種短時(shí)間尺度的變化可能隨沉積作用被記錄在洞穴沉積物中，如石筍中，從而為高分辨率古氣候的重建提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

3 沉積速率與年代數(shù)據(jù)

洞穴石筍的沉積速率是反映外界氣候環(huán)境變化及洞穴內(nèi)部地質(zhì)背景條件變化的綜合指標(biāo)，也是氣候演變、冷/暖氣候事件以及降水強(qiáng)度等的識(shí)別標(biāo)志之一[59]。雪玉洞發(fā)育于三疊系飛仙關(guān)組，為質(zhì)純的顆粒灰?guī)r，其礦物組成以低鎂方解石為主[34]。雪玉洞滴水中的Mg/Ca 比也低，從而促進(jìn)次生沉積物晶體一邊繼承母巖低的Mg/Ca 特征，一邊快速側(cè)向生長(zhǎng)，形成自形程度好、潔白通透的沉積物[60]。

石筍的沉積速率可以通過(guò)高分辨率U-Th 測(cè)年獲得，根據(jù)石筍定年數(shù)據(jù)可以精確計(jì)算各時(shí)段的沉積速率。已發(fā)表的雪玉洞群石筍年代最老可以達(dá)330～268 ka B.P., 記錄了MIS9/8 的轉(zhuǎn)換時(shí)期為278～281 ka B.P.[61]，年代較新的可以提供時(shí)間分辨率達(dá)1a 的過(guò)去500a 的氣候信息記錄[62]。重慶地區(qū)洞穴石筍平均沉積速率差異較大（表2）。雪玉洞群的洞穴石筍沉積速率較快，相對(duì)于已發(fā)表的金佛山羊口洞、梁天洞的石筍沉積速率。當(dāng)然，不同的氣候條件下，石筍的沉積速率存在差異，即便是同一個(gè)洞穴，石筍沉積速率也有差異。

表2 重慶地區(qū)石筍U 系年齡和沉積速率Table 2 U-Th dating and deposition rates of stalagmites in Chongqing

王翱宇[63]在雪玉洞的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)每年11 月至次年5 月的日平均沉積速率達(dá)6.94 mg·d-1，即沉積物主要沉積的時(shí)期是在洞穴CO2濃度較低的冬春季節(jié)，其沉積速率達(dá)0.33 mm·a-1，可能是夏季洞穴空氣中CO2濃度升高，會(huì)抑制滴水中CO2的脫氣，不利于方解石生長(zhǎng)的原因[64]。因此洞穴空氣CO2濃度和滴水速率的季節(jié)變化會(huì)影響方解石的沉積。徐尚全等[11]在洞內(nèi)的3 個(gè)滴水點(diǎn)放置玻璃片監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)雨季的平均沉積量為0.445 g，旱季的平均沉積量為0.249 g，雨季沉積量較旱季高78.7%，表現(xiàn)為雨季高、旱季低；這和芙蓉洞的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致[65]。可知，同一個(gè)洞穴，不同滴水點(diǎn)的洞穴沉積物的季節(jié)沉積速率并不完全一致[66]。一兩年或者個(gè)別滴水點(diǎn)的數(shù)據(jù)具有較大的不確定性，因此高分辨率和長(zhǎng)時(shí)期的滴水監(jiān)測(cè)仍然是十分必要的[67]。石筍生長(zhǎng)速率的影響因素較為復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單地和降水、氣溫、植被變化等對(duì)應(yīng)起來(lái)，那么在考慮使用石筍沉積速率重建古氣候的時(shí)候還需要特別謹(jǐn)慎。

以水鳴洞取的一根SM1 石筍為例，何瀟等[72]按照石筍剖面沉積特征及年齡數(shù)據(jù)分布，認(rèn)為沉積速率非?？欤涸?6.5～24.1 ka.B.P. 期間內(nèi)共沉積了57.5 cm，平均沉積速率為0.25 mm·a-1，和雪玉洞地區(qū)的現(xiàn)代監(jiān)測(cè)記錄接近；最高沉積速率達(dá)到0.72 mm·a-1，且從石筍底部到頂部，不存在百年尺度以上的沉積間斷（圖6）。而對(duì)于具有沉積間斷的石筍在計(jì)算沉積速率時(shí)，需要扣除沉積間斷時(shí)間[73]。水鳴洞的SMY2 石筍定年在29.9～3.1 ka B.P.[74]，沉積速率為0.01 mm·a-1。由于出現(xiàn)了兩次沉積間斷，僅在8.0～7.0 ka B.P.連續(xù)沉積，扣除沉積間斷的影響之后，平均沉積速率為0.25 mm·a-1，也接近SM1 的沉積速率。

4 碳氧穩(wěn)定同位素與古氣候重建

石筍的沉積速率及其穩(wěn)定同位素和微量元素等都可作為氣候和環(huán)境的替代指標(biāo)[75-77]。因此，前面提到的微量元素比值（Mg/Ca）、沉積速率等可以反映降水的變化，為利用地球化學(xué)指標(biāo)重建古降水提供理論依據(jù)。但是單一指標(biāo)往往具有不確定性，需要結(jié)合多指標(biāo)進(jìn)行研究。

對(duì)雪玉洞“林海雪原”附近滴水點(diǎn)洞穴沉積物的δ13C 分析表明，δ13CV-PDB的范圍-13.56‰～-9.30‰，平均值為-12.17‰，也存在季節(jié)性波動(dòng)，冬半年偏重，夏半年偏輕[30]。王翱宇等[63]對(duì)當(dāng)?shù)卮髿饨邓默F(xiàn)代監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，大氣降水的δ18O 值表現(xiàn)出明顯的夏季偏輕、冬季偏重的趨勢(shì)。滴水點(diǎn)下方玻璃板塊上的方解石沉積物δ18OV-PDB范圍為-7.57‰～-5.94‰，平均-6.89‰；沉積物中δ18OV-PDB與δ13CV-PDB具有較好的正相關(guān)關(guān)系[30]。Wu 等[71]對(duì)116～3ka BP 以來(lái)的YZ1石筍的δ18OV-PDB與δ13CV-PDB進(jìn)行了去趨勢(shì)化比較，發(fā)現(xiàn)二者也具有相關(guān)性（p＜0.01）。

對(duì)于亞洲季風(fēng)區(qū)石筍的氧同位素，不同的學(xué)者有不同的解譯：反映東亞季風(fēng)的強(qiáng)弱變化[18]、西南季風(fēng)的年際變化[78]、水汽來(lái)源的“雨量效應(yīng)”，以及“環(huán)流效應(yīng)”[79]。水鳴洞SM1 石筍剖面沉積時(shí)間較短，沉積速率快，沉積物為白色，較純；其δ18O 變化范圍-9.0‰～-7.5‰，呈現(xiàn)階梯式變化[72]。SM1 的氧同位素變重，沉積速率降低，也記錄了東亞季風(fēng)整體減弱，降水逐步減少的過(guò)程，與該時(shí)段的Henrich 事件（H2）相對(duì)應(yīng)。

水鳴洞NSM03 的石筍δ13C記錄則反映了過(guò)去500 年間氣候環(huán)境演變，時(shí)間分辨率達(dá)1a，顯示小冰期開(kāi)始時(shí)間大約為1 300 A.D.，同時(shí)石筍δ18O 值偏重，平均值為-8.05‰，也顯示亞洲季風(fēng)在迅速減弱，該區(qū)域進(jìn)入小冰期時(shí)期[80]。在公元1450 年和公元1600 年前后發(fā)生兩次顯著的夏季風(fēng)減弱事件；根據(jù)功率譜分析發(fā)現(xiàn)，主要的驅(qū)動(dòng)因素是太陽(yáng)活動(dòng)變化[81]。水鳴洞SMY2 石筍的δ18O（-9.3‰～-8.5‰）和δ13C（-9.1‰～-6.5‰）記錄表明在8 000～7 000 a B.P.期間出現(xiàn)了多個(gè)百年-十年際尺度的氣候波動(dòng)[74]。此外，SMY2 的微量元素分析顯示，Ca 的含量比較穩(wěn)定，變化幅度較?。?5%～68%)；Mg 含量范圍為0.91%～3.32%。在弱季風(fēng)事件發(fā)生時(shí)，Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca 出現(xiàn)了較高值。與δ13C 和δ18O 記錄相比，7.3 ka BP 前SMY2 石筍的Mg/Ca、Sr/Ca 和Ba/Ca 呈現(xiàn)出頻繁的年際振蕩。在7.3 ka BP 后，微量元素比值的持續(xù)增加，直到大約7.15 ka BP 才開(kāi)始逐漸恢復(fù)到平均狀態(tài)。在研究期間，Mg/Ca、Sr/Ca 和Ba/Ca 的比值變化非常同步。

梁沙[82]利用羊子洞石筍YYZ1 的230Th 測(cè)年數(shù)據(jù)和穩(wěn)定碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)建立了116.5～68.9 ka B.P. 期間高分辨率的石筍氧碳同位素時(shí)間序列。該石筍δ18O 記錄了MIS 25-20 的6 個(gè)千年尺度事件，揭示了夏季風(fēng)強(qiáng)度的變化。石筍δ13C 在夏季風(fēng)強(qiáng)盛期（MIS 5c、MIS 5a）偏負(fù)，衰弱期（MIS 5d、MIS 5b、MIS 4）偏正。與Mg/Ca、Sr/Ca 和Ba/Ca 比值的變化相對(duì)應(yīng)，反映了洞外干濕條件和水文過(guò)程?；诙嘀笜?biāo)記錄的93.1～91.5 ka BP 期間，發(fā)生了一次明顯的干旱事件，即92 ka 事件[83]。Wu 等[71]對(duì)羊子洞YZ1 石筍的年 齡 進(jìn) 行 了 研 究（4.695 ± 0.071 ka BP～116.83 ±0.92 ka BP），石筍的沉積期為118.17 ka BP～3.68 ka BP，YZ1 的平均沉積速度為6.04 mm/ka，平均分辨率約為269 年，覆蓋了整個(gè)末次冰期。石筍YZ1 的δ18O 和其他洞穴石筍δ18O 記錄指示的亞洲季風(fēng)在軌道-千年尺度上也具有一致性[8]，在細(xì)節(jié)上YZ1 具有更完善的記錄特征。在同位素階段MIS 5 d 時(shí)，石筍δ18O 值比末次冰期MIS 2 時(shí)偏重近1.5‰（圖7），可能與東亞夏季風(fēng)水汽源的同位素組成不同以及季風(fēng)環(huán)流的動(dòng)態(tài)變化有關(guān)[71]。

5 問(wèn)題與未來(lái)展望

雪玉洞群末次冰期以來(lái)的氣候變化研究取得了以下主要進(jìn)展:

(1)對(duì)雪玉洞內(nèi)的CO2變化規(guī)律和來(lái)源有了比較清晰的認(rèn)識(shí)，證明了現(xiàn)代水文過(guò)程和地下河對(duì)于洞穴CO2變化的重要驅(qū)動(dòng)作用。發(fā)現(xiàn)并量化了土壤CO2是雪玉洞CO2的主要來(lái)源，同時(shí)地下河的脫氣和吸氣對(duì)雪玉洞CO2也有著重要的調(diào)節(jié)作用。

(2)雪玉洞滴水的現(xiàn)代監(jiān)測(cè)，揭示了不同水文地質(zhì)結(jié)果對(duì)不同滴水的影響。雪玉洞洞穴各滴水的Mg/Ca 表現(xiàn)不同，只有“穩(wěn)定”滴水點(diǎn)的Mg/Ca 表現(xiàn)出雨季低、旱季高的特征，可以用來(lái)指示降水條件的變化。

(3)雪玉洞群石筍精確記錄了一系列氣候事件，驗(yàn)證了受亞洲夏季風(fēng)影響的石筍δ18O 響應(yīng)北半球太陽(yáng)輻射變化，千年事件還受到海氣過(guò)程的影響。確定了“7.2 ka 事件”的起止及持續(xù)時(shí)間，豐富了多全新世氣候事件的認(rèn)識(shí)。發(fā)現(xiàn)了不穩(wěn)定的“小冰期”，為準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)小冰期降水的空間差異提供了新數(shù)據(jù)。洞穴沉積物中δ13C 可以記錄亞洲夏季風(fēng)的演變，反映了表層巖溶帶水文條件的變化。δ13C 和δ18O 結(jié)合，反映了亞洲季風(fēng)變化和區(qū)域水文條件的變化。

盡管這十幾年在雪玉洞群的監(jiān)測(cè)和研究取得了諸多進(jìn)展，但是依舊有許多問(wèn)題還有待解決。

5.1 現(xiàn)代過(guò)程方面

現(xiàn)代降水δD 和δ18O 監(jiān)測(cè)已經(jīng)取得很大進(jìn)展，但在不同時(shí)間尺度上如何區(qū)分降水信號(hào)來(lái)源，如單場(chǎng)降雨中水汽來(lái)源的影響以及在區(qū)域空間尺度上，不同洞穴對(duì)于全球變化響應(yīng)的差異。

此外，多年的洞穴監(jiān)測(cè)有助于理解石筍的沉積機(jī)制，解譯洞穴石筍氣候環(huán)境指標(biāo)。但外界氣候變化、洞穴上覆土壤、植被變化對(duì)洞穴滴水和沉積物的影響，仍需開(kāi)展持續(xù)性的連續(xù)監(jiān)測(cè)。如對(duì)雪玉洞的CO2來(lái)源、遷移變化和影響因素都有較為詳細(xì)的研究，但不同滴水類(lèi)型的指標(biāo)差異，如何影響洞穴次生沉積物沉積過(guò)程，以及如何影響石筍指標(biāo)的選擇仍需要進(jìn)一步的研究。

全球變暖背景下，極端干旱和降雨事件發(fā)生的概率都將顯著增加。現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)如Mg/Ca、Sr/Ca 比值等如何響應(yīng)極端干旱和降水，過(guò)去的石筍極端事件的高分辨率重建和未來(lái)極端事件預(yù)測(cè)研究也有待進(jìn)一步發(fā)展。

5.2 年代學(xué)方面

雪玉洞群的石筍非常適合鈾系高精度測(cè)年，但目前的年代數(shù)據(jù)大都集中在120 ka B.P.以來(lái)，缺乏連續(xù)的記錄，尤其缺乏比較古老的石筍樣品。考慮到三個(gè)不同層次的洞穴形成時(shí)間，羊子洞石筍可能具有更大潛力。但是水鳴洞和雪玉洞的沉積速率明顯更快，在年際、百年際高分辨率記錄上更有優(yōu)勢(shì)，部分樣品達(dá)到了1a 際的高分辨率。然而長(zhǎng)時(shí)間、高精度的連續(xù)性記錄依舊是缺乏的。

5.3 古氣候、古環(huán)境重建方面

目前的研究還主要是利用石筍代用指標(biāo)進(jìn)行古氣候重建和區(qū)域?qū)Ρ确治觯绾谓Y(jié)合附近的芙蓉洞、梁天洞、羊口洞等不同高程分布的各級(jí)巖溶洞穴，構(gòu)建區(qū)域古水文變化空間格局和地貌演化可能是未來(lái)的重要方向，可以為恢復(fù)長(zhǎng)江中游古水文、古氣候重建提供重要的支撐。尤其是隨著一些微生物指標(biāo)的出現(xiàn)，對(duì)于石筍形成環(huán)境的氣溫和降水的定量化重建有較大的研究潛力。