中国西南部亚热带喀斯特系统中，水文因素对碳同位素信号传输及动态叠加过程的影响

《Applied Geochemistry》：Hydrological controls on carbon isotope signal transfer and kinetic overprinting in a subtropical karst system, Southwest China

　　摘要
将洞穴沉积物中的碳同位素（δ13C）记录解读为古水文代理指标，需要对喀斯特关键带内的信号传递机制有深入的理解。本研究实施了一项高分辨率监测计划（2023-2025年），涵盖了中国西南部梁峰洞中的土壤二氧化碳、滴水以及现代碳酸盐沉淀物，特别评估了季节性水文极端事件的影响。土壤二氧化碳浓度和δ13CCO2的季节性变化与滴水δ13CDIC的变化大致一致，而HCO3?和δ13CDIC在监测地点之间表现出负相关关系，这表明季节性生物碳输入起到了重要作用。然而，这种主要环境信号的传递存在显著的空间异质性，受局部水文路径和微气候梯度的调节。在通风良好的近端地点，水文不足期间滴水速率降低，延长了流体停留时间，可能促进了13C的富集和先前方解石沉淀（PCP），这可能导致DIC-碳酸盐同位素偏移与季节性温度梯度的明显脱钩。相反，在微气候稳定的远端深洞地点，对短期水文强迫的敏感性较低，在本研究的時間分辨率下保持了相对稳定的同位素状态。此外，极端水文不足与典型的季节性同位素模式有显著偏离，产生了较大的δ13C异常，这可能反映了动力学叠加效应，并使它们作为干旱指标的直接解释变得复杂。这些发现强调了在进行古气候解释之前，需要评估类似浅洞或通风良好洞穴环境中的特定地点动力学效应的必要性。

引言
洞穴沉积物因能够提供高分辨率的过去气候条件记录而在古气候学中受到广泛关注（Wang等人，2001年；Cheng等人，2016年；Zhang等人，2018年；Zhao等人，2019年；Yin等人，2023年）。特别是洞穴沉积物的碳同位素组成（δ13Cs）是生态系统动态、植被变化和局部水文条件的关键代理指标（Hou等人，2003年；Baldini等人，2005年；Li等人，2011年；Lechleitner等人，2021年；Welte等人，2021年）。例如，δ13Cs记录可以反映最后一次冰川消融期间的温度驱动的土壤呼吸变化（Lechleitner等人，2021年）、C3和C4植物群落之间的转变，以及岩石荒漠化地区的植被恢复等土地利用变化（Zhao等人，2015年；Akers等人，2016年；Yin等人，2019年）。此外，大气二氧化碳浓度的变化可以影响植物的碳同位素分馏（Schubert和Jahren，2012年），而大气碳同位素的变化随后可能通过土壤-喀斯特系统传递并储存在洞穴沉积物中（Baskaran和Krishnamurthy，1993年；Genty和Massault，1999年）。然而，解读这些记录本质上很复杂。主要气候信号和δ13Cs的变化经常受到洞内特定过程和多种相互作用环境因素的调节（Lechleitner等人，2016年；Dreybrodt和Fohlmeister，2022年）。因此，从石笋δ13C中获得的古气候信息可能需要谨慎解释，尤其是在缺乏特定地点监测的情况下。为了准确解码δ13C气候信号并将其从地表传递到地下环境的过程，对现代洞穴系统进行高分辨率监测变得日益重要。洞穴滴水是探索喀斯特关键带内地球化学演化和继承环境信号保存的关键介质（Baker等人，2019年；EL-Shenawy等人，2020年；Wu等人，2021年；Tang等人，2023年；Endres等人，2024年；Tian等人，2024b）。现代监测研究表明，当大气水渗透通过土壤和表层喀斯特形成滴水时，其δ13C特征会受到多种相互关联因素的影响。其中，土壤二氧化碳动态起着基础性作用。土壤二氧化碳主要来源于根系呼吸和微生物分解，是表层喀斯特中碳酸盐溶解的重要碳源（Liu等人，2007年；Fairchild和Baker，2012年）。植被物候、环境温度和土壤湿度的季节性变化直接改变土壤二氧化碳的浓度和同位素组成，随后将这些同位素特征传递到非饱和带（Wang等人，2025年）。在随后的传输和碳酸盐沉淀过程中，这些信号可能进一步受到洞穴二氧化碳动态和DIC-CaCO3系统内同位素分馏的影响（Breecker等人，2012年；Hansen等人，2019年）。在亚热带季风地区，这种主要生物源土壤二氧化碳信号的传递受到极端季节性降水的深刻调节。在温暖湿润的季节，丰富的降雨刺激植被生产力和微生物呼吸，导致大量13C贫乏的生物源二氧化碳的流入。这些时期的快速水文流动可能促进这种地表来源信号通过表层喀斯特传递到洞穴。相反，在干旱季节或严重水文不足期间，渗透减少和非饱和带中流体停留时间延长，引入了显著的二次叠加效应。在这些低流量条件下，渗透流体容易在表层喀斯特裂缝网络中发生先前方解石沉淀（PCP），以及钟乳石尖端的加速二氧化碳脱气（Fairchild等人，2000年；Dreybrodt和Scholz，2011年；T?chterle等人，2017年）。PCP的发生和局部动力学脱气对保存同位素信号构成了关键挑战。由于较轻的12CO2在这些动力学过程中优先逸出，残余的溶解无机碳（DIC）池以及随后沉淀的现代碳酸盐系统性地富集了13C（Meyer等人，2014年；Fohlmeister等人，2020年）。因此，这些动力学同位素分馏可能会严重掩盖主要生物源信号。如果洞穴系统内这些动力学分馏的绝对幅度和空间异质性仍不明确，古气候学家可能会错误地将这些正δ13C异常解读为主要环境变化，如严重干旱或大规模生态系统退化。这些异常可能反映了气候强迫和局部水文地球化学改变的综合结果。尽管先前的监测工作已经认识到洞穴滴水δ13C的季节性变化（Lyu等人，2020b；Li等人，2021年），但在极端水文事件期间捕捉不同空间剖面上的定量同位素分馏的高分辨率研究仍然很少。位于中国西南部的梁峰洞具有典型的亚热带季风气候和明确的表层喀斯特水文特征，使其成为研究这些复杂传递机制的理想自然实验室。基于我们之前在区域研究中建立的基本地球化学框架（包括基线氧气和氢同位素传输（Yin等人，2020年；Wu等人，2023年）、季节性总碱度和滴水δ13CDIC基线（Wu等人，2021年）以及现代方解石沉积速率（Wu等人，2025年），本研究特别探讨了瞬态环境极端条件下的碳循环动态。明确当前工作与我们从梁峰洞早期出版物之间的区别至关重要。尽管之前的研究是在同一洞穴系统进行的，但目前的研究使用了独立的观察期（2023-2025年）、新的样本和不同的分析数据集。此外，那些早期研究没有分析现代碳酸盐沉淀物的碳同位素组成（δ13Cc），也没有包括洞上方土壤δ13CCO2的直接原位测量，因此没有描述土壤碳同位素组成的时间变化。相比之下，当前研究提供了一个完全独立的、高分辨率的同步监测数据集（2023-2025年），评估了原位土壤δ13CCO2动态、滴水δ13CDIC和现代碳酸盐δ13Cc之间的关系。与主要关注长期季节基线的研究不同，本研究量化了与强烈水文应力相关的碳同位素变化的幅度，并评估了动力学叠加的空间变化。这一关键机制在我们之前的基线观察中尚未得到约束。具体来说，本研究旨在：（1）量化滴水和现代碳酸盐对极端水文强迫的时空同位素响应；（2）区分主要生物源土壤二氧化碳信号和次要动力学过程，包括先前方解石沉淀（PCP）和局部脱气；（3）描述评估动力学伪影的特定地点条件，从而提高基于洞穴沉积物的亚热带喀斯特系统古气候重建的准确性。

研究区域
梁峰洞（LF；25°11′55.93″ N, 110°31′42.66″ E）位于中国西南部广西壮族自治区桂林市（图1a）。作为一个未开发的非旅游景点，洞内的微环境保持原始状态，未受人为活动干扰。目前调查的梁峰洞长度约为80米，最大宽度为8.2米，最小宽度为0.8米。入口由基岩崩塌形成，需要垂直下降才能进入。

样本收集
根据地表地貌、土壤厚度和植被覆盖情况，在梁峰洞上方建立了两个土壤气体监测点（图1b和c）。使用定制的气体收集装置在50厘米（SC-50）和80厘米（SC-80）深度收集土壤二氧化碳样本（图1e）。穿孔的PVC气体储罐（约500毫升容量）水平埋设在相应的深度。每个储罐通过装有手动隔离装置的聚氨酯（PU）管与地表连接。

当地温度、降水量和滴水速率
梁峰洞位于桂林市，该地区具有典型的亚热带季风气候，干湿季节分明（图2）。在2023-2025年的监测期间，年平均温度约为20.8°C。7月是最热的月份（约31.5°C），2月是最冷的月份（约2.2°C）。2023年的降水量为1761毫米，2024年为2241毫米，2025年1月至6月的降水量为1134毫米。超过70%的降水量发生在湿润季节。

信号传递和对滴水δ13CDIC及HCO3?的修饰
土壤二氧化碳在影响滴水δ13CDIC值和HCO3?浓度方面起着关键作用（Sp?tl等人，2005年；Fairchild等人，2006年；Mickler等人，2019年；Tang等人，2023年；Tian等人，2024a）。土壤二氧化碳主要由植物根系呼吸和有机物微生物分解产生，其浓度高于大气二氧化碳（Liu等人，2007年；Fairchild和Baker，2012年；Krajnc等人，2017年）。土壤微生物活动主要受温度和降水驱动。

结论
本研究提供了来自中国西南部梁峰洞的25个月监测数据集，包括每月对土壤二氧化碳、滴水和现代碳酸盐沉淀物的采样。我们的主要发现如下：
（1）洞穴滴水（δ13CDIC）和现代碳酸盐沉淀物（δ13Cc）的同位素组成表现出与生物源土壤二氧化碳动态变化大致相关的季节性变化，而特定地点的水文和地球化学过程进一步修改了地下信号。

作者贡献声明
Xia Wu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。
Moucheng Pan：调查。
Jianjun Yin：数据管理。
Jianhua Cao：数据管理。

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争财务利益或可能影响本文工作的个人关系。

致谢
本研究得到了广西自然科学基金（项目编号2026GXNSFAA00641004，2025GXNSFAA069757）、国家自然科学基金（项目编号42361144885和41501222）以及中国地质科学院研究基金（项目编号2023015和2023018）的支持。作者感谢三位匿名评审员的建设性评论和有益建议，这些评论和建议显著提高了本文的质量。

作者：
Xia Wu | Moucheng Pan | Jianjun Yin | Jianhua Cao
中国地质科学院喀斯特地质研究所/喀斯特动力学重点实验室/联合国教科文组织支持的喀斯特国际研究中心，广西桂林，541004