重庆丰都雪玉洞群洞穴现代监测与古环境研究回顾和展望

重庆丰都雪玉洞群包括羊子洞、雪玉洞和水鸣洞,西南大学的研究团队从2008年开始对雪玉洞群开展了系统的现代过程监测,以了解洞穴系统气候和环境信息的传输、转化和记录过程。通过对雪玉洞洞穴内外的大气、植被、土壤、基岩、滴水和洞穴沉积物等的动态监测,研究了碳酸盐沉积过程的水化学指标变化,揭示了现代洞穴滴水的影响因素和变化过程,以及碳酸盐沉积物对现代气候环境变化的响应,也为古气候的定量化研究提供了基础支撑。现代过程监测记录表明：雪玉洞CO₂主要来源于上覆土壤,其季节变化受降水的影响较大;在短时间尺度上受到游客旅游活动的影响明显,但幅度远远小于自然过程引起的变化。雪玉洞内次生沉积物的沉积速率具有明显的旱季、雨季特征,不同滴水点下方沉积物的沉积速率变化较大。雪玉洞群三个洞穴的石笋古环境记录研究表明,本区石笋的²³⁰Th/²³²Th比值较适合高精度铀系测年;部分石笋沉积速率较快,平均沉积速率达到0.25 mm·a⁻¹,可以开展高分辨率的气候和环境变化研究。羊子洞YZ1石笋的年龄范围在116~3 ka B.P.之间（平均测年精度2σ,269年）,覆盖了整个末次冰期,δ¹⁸O和δ¹³C的变化曲线和东亚季风区的其他记录具有明显的一致性。同位素测试的时间分辨率平均为88年,成功记录了一些百年－千年尺度的气候突变事件,如Heinrich事件、7.2 ka事件、小冰期等。在精确年代学的基础上,雪玉洞群石笋具有重建高分辨率气候环境变化的潜力。     

岩溶洞穴水理化性质特征及其环境意义——以贵州织金洞为例

为揭示洞穴水地球化学特征的动态变化特征、控制因素及其环境意义,从2015年1月至2015年6月对贵州织金洞洞穴水的水化学指标进行了为期6个月的动态监测,结果表明:①织金洞洞穴水的水化学类型主要为HCO3--Ca2+-Mg2+型水,阴离子中HCO3-占84.5%以上,阳离子中Ca2+、Mg2+为优势离子;②洞穴滴水 EC、Ca2+、 Mg2+、HCO3-、SO42-浓度均大于石灰岩石裂隙水、池水相应的浓度;③洞穴水滴率、滴量、Ca2+、HCO3-以及Ca2+/HCO3-比值对气候有一定的响应,其地球化学指标具有显著的季节效应;④洞穴滴水中的EC与Ca2+离子浓度呈显著线性关系。      

青藏高原昆仑山垭口不同深度土壤可培养细菌群落特征研究

以青藏高原昆仑山垭口不同深度土壤样品为研究对象,研究了可培养细菌数量及多样性。结果表明：可培养细菌数量与多样性在一定程度上均与土壤深度呈负相关关系。可培养细菌数量以表层土壤最多,而细菌多样性最低。基于16S rDNA基因序列分析共发现了6个门,18个属,21种细菌,其中表层土壤Arthrobacter siccitolerans为绝对优势种,比例达95%;冻土区（0~82.15m）之间不同土样Mycetocola miduiensis菌株所占比例较大;而冻土层以下没有明显的优势菌。冗余分析（RDA）显示：可培养细菌数量主要受土壤有机碳影响,土壤含水量则是影响细菌多样性的主要因素。     

开放洞穴环境变化特征及其影响因素:以桂林凉风洞为例

通过对桂林凉风洞洞穴内、外温湿度、pCO2进行连续高频监测,发现洞穴温度受大气度温影响呈现出季节性变化规律。由于受到洞穴结构的阻隔作用影响,洞穴由外向里的温度变化幅度逐渐变小,并且响应的时间存在季节性差异。监测数据表明:洞穴内部温度的季节性变化幅度明显低于洞外气温变化幅度。比较洞内、外温度的时间序列发现,在季节尺度上洞穴温度升温阶段滞后时间长（与外部通风的气温流动交换慢）,降温阶段滞后时间短（与外部通风的气温流动交换快,呈现突变特征）,这可能与不同季节洞穴内部结构的“缓冲作用”的强弱变化有关。该洞穴空气中pCO2存在明显的夏季高、冬季低的季节性变化特征。并且外界大气环境季节性变化和洞穴上覆动植物的季节性活动,使得洞穴pCO2主控因素也存在季节性差异。      

岩溶关键带土壤—洞穴系统CO2运移的时空变化——以河南鸡冠洞为例

为了了解豫西鸡冠洞岩溶区不同尺度下水-土-气的中CO2的变化特征,探究CO2在岩溶关键带系统的运移关系,2019年5月至2020年10月,利用固态传感器对河南鸡冠洞上覆土壤取样点进行高时间分辨率监测,每隔15 min采集一次数据。结合每月采集洞内空气CO2浓度数据、每月测定洞穴水水化学指标数据及每月监测的降水、气温数据进行全面系统地分析。结果表明:①土壤CO2浓度、洞内空气CO2浓度和洞穴水水化学指标具有明显的季节性变化特征,均表现为夏秋高冬春低;②土壤CO2浓度在昼夜尺度下,白天高于夜晚,夏季的昼夜差值最大,冬季的昼夜差值最小,且昼夜变化滞后气温、土温变化约6 h;③洞内CO2浓度变化、洞穴水离子浓度和水化学指标在昼夜变化上具有同步性;④强降雨条件下（单场降雨量为42.2mm）,土壤水分和土壤温度能及时响应降雨变化,而土壤CO2浓度对降雨的响应滞后2 h。洞穴水、洞穴CO2浓度对降雨的响应与土壤CO2具有相似性;⑤基于月均值的土壤CO2浓度与土壤温度、土壤湿度的相关系数分别为0.67、0.031。垂直方向上,CO2浓度变化依次为土壤>洞穴>空气。昼夜尺度上,土壤CO2浓度变化滞后于气温、土壤温度变化,其原因是受上覆植被光合作用强度影响。CO2在洞穴水运移中以脱气沉积为主,补给洞内空气CO2浓度。在强降雨过程中,土壤CO2浓度变化受控土壤的温度和湿度;而在更长时间尺度上,土壤CO2浓度变化更多地受土壤温度影响,土壤湿度对其影响较小。      

岩溶关键带C-N耦合循环与碳酸盐岩风化——以重庆雪玉洞观测站为例

本文尝试利用重庆丰都雪玉洞岩溶关键带观测站2015年7月~2016年6月大气N湿沉降、地下水化学以及δ¹⁵N-NO₃^-、δ¹⁸O-NO₃^-和δ¹³C同位素等数据,探讨岩溶关键带C-N耦合循环过程与环境效应。结果表明：1）观测站大气N湿沉降通量为20.9×10³kg N/a,其中NH₄⁺-N和NO₃^--N分别占湿沉降量的52%和48%;2）地下水δ¹⁵N-NO₃^-和δ¹⁸O-NO₃^-分别介于2.5 ‰~5.6 ‰和3.3 ‰~15.6 ‰,大气沉降N和土壤N是地下水NO₃^-的主要来源;3）变化于-13.7 ‰~-10.4 ‰与0.59~0.62的地下水δ¹³C_DIC与（Ca²⁺+Mg²⁺）/HCO₃^-摩尔比证实岩溶关键带C-N耦合循环的存在,并控制碳酸盐岩的风化过程;4）C-N耦合循环输出的NO₃^--N和DIC-C分别为11.4×10³kg N/a和287.1×10³kg C/a,其中大气沉降与硝化过程形成的HNO₃风化碳酸盐岩形成的DIC占DIC输出总量的3.5%。因此,岩溶关键带的C-N耦合循环不但导致地下水NO₃^-的污染,而且扰动了碳酸盐岩的风化过程。

     

岩溶洞穴内气候环境因子关系分析——以贵州省织金洞为例

织金洞为旅游洞穴,且洞内竖井以及裂隙较多,洞内封闭环境较差,因此随着洞外大气环境的变化和游客量的波动,存在夏秋两季洞内CO2浓度、湿度均高于冬春两季的现象。2015年1月至2016年1月经对织金洞内CO2浓度、气压、气温、湿度等气候环境数据进行相关性统计分析得出:夏秋两季气温与CO2浓度呈现负相关,相关系数r分别为-0.728 76和-0.656 16,冬春两季则呈正相关,两季CO2浓度与气温的相关系数r分别达0.854 52和0.938 46;洞内气候环境因子除湿度与温度的关系外,各环境因子间在SINE函数基础上拟合度较高,拟合度大部分处于0.6～0.8之间。洞内各气候环境因子的关系,经分析认为可能由于洞内外气流交换状况的季节性变化以及外界大气降水、洞内水量、上覆土壤CO2、游客量、照明设施等因素共同影响所致。      

青藏高原冬克玛底冰川可培养细菌群落特征研究

冬克玛底冰川作为重要的长江源头之一,近年来主要以冰川气候、地质变化等自然地理方向的研究为主,而对于冬克玛底冰川不同生境中可培养细菌多样性及群落构成的研究还鲜有报道。为了阐明冬克玛底冰川可培养细菌多样性及其与环境因子的相关关系,发掘冰川微生物资源,针对冬克玛底冰川雪、冰和融水3种生境开展了研究。采用传统可培养法分离菌株,16S rRNA基因序列分析方法进行菌株鉴定,统计学方法分析可培养细菌多样性及其影响因素。结果表明,本研究中可培养细菌分属于放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)。其中放线菌门为优势菌门,库克菌属(Kocuria)、微杆菌属(Microbacterium)和马赛菌属(Massilia)为优势菌属。不同生境中的可培养细菌数量、群落结构和多样性均不同,冰样中可培养细菌数量最多、群落结构复杂并且多样性最高。冬克玛底冰川分离的36个菌属中有8个菌属未从其他冰川分离出。冰川不同生境中可培养细菌群落结构差异较大;Cl^-和Ca²⁺     

岩溶洞穴现代沉积间断的影响因素研究--以河南鸡冠洞为例

岩溶洞穴次生沉积物--石笋因其独有的高精度测年和高分辨率记录的优势已越来越成为过去全球变化研究中重要的支柱。进行洞穴碳酸盐沉积机理研究对于理解石笋沉积速率,结晶形态、准确解译气候替代指标和现代洞穴合理保护具有重要意义。以我国南北交汇带亚洲季风敏感区河南鸡冠洞为例,通过对2010-2015年连续6个水文年对鸡冠洞滴水和碳酸盐沉积的监测发现:①洞内滴水水化学指标与沉积速率表现出很好的一致性,雨季大气降水增加,气温升高,生物活动加强,土壤CO₂含量增加,滴水滴速、Ca2+、HCO₃-、电导率（EC）和沉积速率同时增加,旱季反之;洞内CO₂对方解石沉积的抑制作用被滴水饱和度掩盖。②受2012-2013年年降雨量显著减少的影响,水岩作用减弱,2014年滴水饱和度降至最低,出现为期一年的沉积间断,直至2014年下半年降水增加,于11月重新接收到方解石沉积。③自2013年下半年开始,受人为淋滤洞穴影响,滴水NO₃-上升数十倍,模拟实验显示其对CaCO₃溶解的能力较之前提高约60%,表明NO₃-对方解石沉积存在抑制作用,这可能是个别月份滴水饱和度高却没有回收到CaCO₃沉积的原因,建议景区在进行补水的同时要考虑水质对岩溶作用的影响。     

不同类型冰川雪中可培养细菌多样性变化及其与环境因子关系研究

通过荧光显微计数和恢复培养,分析了东天山和卓奥友峰冰川区雪的细菌数量及可培养细菌多样性.结果表明:不同地点不同深度雪中微生物数量都与可溶性离子Ca2+、Mg2+和NO3等的浓度显著相关,两种不同类型冰川雪坑中可培养细菌多样性存在明显差异.从卓奥友样品中培养得到高G+C(67%)、低G+C(22%)、α-Proteobacteria(4%)、β-Proteobacteria(4%)、γ-Proteobacteria(1%)和Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides(CFB)(2%)6种不同类群细菌,但从东天山雪样中仅分离得到β-Proteobacteria(48.5%)、α-Proteobacteria(25.5%)、低G+C(25%)和高G+C(1%)4种不同类群细菌.冰雪微生物的数量及种类与环境密切相关.     

短时间尺度下旅游洞穴空气环境自净能力研究——以绥阳大风洞为例

在2017年9月30日-10月9日对贵州绥阳大风洞洞内的温度、湿度、CO2浓度和洞外的温度、湿度、降雨量等指标进行为期10天的连续自动监测,并结合监测期内游客量和当地降雨情况,利用数理统计方法进行分析,结果发现:洞穴空气环境的自净能力主要取决于洞内气流交换的强弱程度,尤其是在极端天气(主要指夏秋季降雨)下,洞外温度降低,促使通风模式发生转变,进而增强了洞内外气流的交换,提高了洞穴环境的自净能力。但洞穴空气环境的自净能力是有限度的,除温度、湿度外,当游客产生的CO2浓度超过洞穴空气环境的自净能力阈值时,洞内CO2会出现累积效应;反之,洞内CO2浓度又回归至洞穴环境背景值。同时,洞穴空气环境的自净能力反应时间也会因洞腔体积、洞道结构等的不同而有所差异,大风洞1#、2#、3#监测点的自净能力反应时间分别为15 h、18 h、20 h。      

山东沂源九天洞洞穴环境变化监测分析

为改善九天洞洞穴环境质量及保护洞穴景观提供科学依据,2006年5月1—5日和2006年7月28—30日曾两度对该洞的洞穴空气温度、湿度、CO2浓度和游客量的变化进行实地监测。结果表明,九天洞CO2浓度受游客数量影响,具有明显累积效应,其中灵霄玉塔（测点11）CO2浓度最高,日平均值为11250ppm;CO2浓度之高,国内外颇为罕见;而洞穴温度兼受洞穴滴水及洞穴形态的影响,具有一定的变化幅度;洞穴湿度除了受天气影响外,游客呼吸对封闭洞段湿度增大也有一定的贡献作用。      

喀斯特洞穴空间分布与河网密度关系研究——以贵州省为例

通过叠加分析探究贵州省喀斯特洞穴位置与河网密度的空间关系,从岩性、构造、气候、地形方面解释两者关系的成因。针对洞穴点位河网密度的统计显示：洞穴点集中分布在河网密度中及偏小的区域,正态QQ图显示洞穴点河网密度大体呈正态分布。分析岩性、构造、气候和坡度等影响因素的结果显示：洞穴主要发育在碳酸盐岩区域,并在纯碳酸盐岩、碳酸盐岩夹非碳酸盐岩、非碳酸盐岩分区上表现出负相关性;断层、褶皱中心缓冲区域洞穴最多,并随距离增大洞穴数量减少;温润气候条件为洞穴及河网发育提供了充足水源,溶蚀强度加大,表现在洞穴密度随降雨量和气温的增长而增加;地形条件限制了水力路径和洞穴发育。多因素促使贵州省发育了成熟的地表、地下两套水循环系统,地表水促进溶洞发育,洞穴反过来限制地表径流发育,两者相互影响,使得洞穴与河网密度呈现集中分布的趋势。     

CO2浓度梯度对两种岩溶微藻碳酸酐酶活性的影响

以经岩溶水驯化的小球藻（Chlorella vulgaris）和喜钙念珠藻(Nostoc calcicola Breb.)为实验对象,在封闭体系中用Willbur和 Anderson 方法比较研究两种不同微藻在不同CO2浓度下碳酸酐酶活性变化情况。结果表明:在低于3%CO2浓度的环境中岩溶微藻可通过快速调节自身碳酸酐酶活性来应对CO2升高带来的生境影响,在影响最大的2.5%的环境下小球藻与喜钙念珠藻碳酸酐酶活性分别提高了1.46倍和2.12倍;岩溶微藻应对CO2浓度增大带来的pH下降有着重要的恢复作用,随培养时间增长培养环境中的pH得到恢复;随着CO2浓度的增大,岩溶因子对碳酸酐酶有着重要的影响;培养48 h时Ca2+与喜钙念珠藻碳酸酐酶的相关性最高,而电导率（EC）与小球藻碳酸酐酶相关程度最高。      

中国岩溶作用产生的大气CO2碳汇的分区计算

根据中国岩溶碳汇计算的需要,将我国岩溶地区划分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区,各区的岩溶面积分别为56.48万km2、32.58万km2、55.60万km2和200.1万km2。各区岩溶水的径流模数和岩溶作用强度存在差异,南方岩溶区比其他区的岩溶作用强度明显大得多。以取得的调查监测和统计资料为依据,对4种类型区和中国的岩溶碳汇量进行了重新计算,南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区岩溶碳汇量分别为1909.9万tCO2/a、600.5万tCO2/a、580.1万tCO2/a、608.6万tCO2/a,由此获得中国岩溶碳汇总量为3699.1万tCO2/a。该结果比前人的研究更全面地反映了当前我国岩溶地区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇量。      

高密度电阻率法在探测不同充填类型溶洞中的正反演研究

岩溶在我国分布很广泛,溶洞作为岩溶地区最大的危害通常存在不同的充填类型。高密度电阻率法勘探作为溶洞探测的重要方法,在岩溶地区被广泛使用,实际工作中通常需要采取相应的装置类型。本文对比了不同装置类型下不同充填类型溶洞的地电学特征,分析其正反演结果。结果表明:不同充填类型的溶洞,应当采用不同的高密度电法探测装置。当溶洞的充填类型不确定时,可采用偶极-偶极(Dipole-Dipole)装置进行探测,该装置对三种不同充填类型的溶洞均有较好的效果。     

微动HVSR法在岩溶区探测地下河管道和溶洞的有效性研究

微动HVSR（Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio）法是一种简单有效的被动源地震勘探方法,当测点下方介质存在明显的速度变化时,HVSR曲线会呈现相应的异常形态。为探索该方法在岩溶区探测地下河管道和溶洞的有效性,选择桂林毛村地下河流域内的大岩前村作为研究区,并在此开展野外试验。研究区发育有一条地下河管道,通过精准的洞穴测量,获得了此地下河管道的平面位置和洞高等信息。在研究区的地下河管道上方地面布设3条物探测线,均进行微动HVSR法测量,并用探地雷达法测量作对比。结果表明,两种物探方法的异常位置与测线下方地下河管道的实际平面位置基本一致,证明微动HVSR法可作为一种有效的地下河管道和溶洞探测方法。