生物源氨硝化作用对洞穴通道的普遍性溶蚀改造机制及其地貌学意义

本研究针对热带洞穴中广泛存在的生物源氨硝化作用对洞穴形态的改造机制展开研究。通过地质形态学和地球化学证据，揭示了蝙蝠和雨燕鸟粪释放的氨气经微生物氧化转化为NOx，形成强效硝酸溶液加速石灰岩溶解的全新洞穴扩大机制。该发现对重新认识热带环境洞穴次生扩大过程和地貌演化解释具有重要理论价值。

　　

在热带喀斯特地貌研究中，洞穴形态长期被视为解读区域地质演化的重要档案。传统理论认为洞穴扩大主要源于流水侵蚀和碳酸溶解，但马来西亚姆鲁国家公园洞穴系统中发现的异常溶蚀特征挑战了这一认知。这些洞穴内广泛分布的巨型凹坑（megascallops）、流线型蚀刻以及光滑洞壁等特殊形态，与经典水文溶蚀模型预测不符，暗示存在未知的地貌改造机制。

由Andrew R. Farrant领衔的国际研究团队在《Geomorphology》发表的研究，首次系统揭示了生物源氨硝化作用（nitrification）对洞穴系统的普遍性改造。研究聚焦姆鲁公园内全球体积最大的清水洞系统（Clearwater Cave），该洞穴栖息着数百万只皱唇蝙蝠和两种金丝燕，其鸟粪沉积为研究提供了理想场所。

研究采用多学科交叉方法：通过地质形态学测绘建立溶蚀特征数据库；运用便携式气体检测仪（GD200-NH₃）监测洞穴氨气分布；采用离子色谱（IC）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析水体离子组成；结合δ¹⁵N同位素示踪技术解析氮循环路径；利用Stenner侵蚀性测试量化水体溶蚀能力；并通过荧光显微镜检测微生物负载量（7.3×10⁷-6.0×10¹¹ cells/g）。

研究结果揭示三个关键发现：

1. 地球化学证据显示，长期滞留的渗滴水硝酸盐浓度高达6000 mg l^-1，远超短期滴水的200倍，证实硝化作用持续进行。蝙蝠粪堆界面检测到羟基磷灰石（hydroxyapatite），而鸟粪接触面发现四甲基碳酸铵，说明不同氮转化路径。

2. 空气动力学观测显示洞穴存在显著氨气传输机制。Racer Cave日间气流达12 m³/s，Stone Horse Cave峰值达100 m³/s，这种"烟囱效应"使氨气能扩散至整个洞穴系统。

3. 形态学测算表明溶蚀速率惊人。清水洞10-15m高处原始水流凹槽（scallops）完全消失，对应约10mm岩壁退缩。根据区域基准面下降速率（19 cm/ka）推算，该过程可在10⁴-10⁵年尺度重塑洞穴形态。

讨论部分指出，这种新型溶蚀机制通过"氨气-微生物-硝酸"三联路径运作：鸟类排泄的尿酸（uric acid）和蝙蝠的尿素（urea）经微生物分解产生氨气；氨氧化细菌（AOB）将氨转化为NOx；溶解的氮氧化物形成硝酸（HNO₃）侵蚀石灰岩，同时释放CO₂。该过程创造性地解释了热带洞穴常见的三种矛盾现象：远离动物栖息区的广泛溶蚀、巨型凹坑与渗流特征共存、以及光滑洞壁与保护性钙壳并存。

这项研究革新了对喀斯特地貌演化机制的认知，其意义体现在三方面：首先确立生物地球化学循环对宏观地貌的塑造作用，将"动物地貌学"（zoogeomorphology）研究推向新高度；其次提出洞穴形态解释的新范式，修正了传统深潜流成因理论；最后揭示硝化溶蚀可能是热带喀斯特区重要的碳释放源，为全球碳循环模型提供新参数。研究团队建议将此类特征命名为"生物溶蚀形态组"（biogenic corrosion suite），作为识别古生物活动的标志性地质记录。