谚语反映劳动人民的经验与全球气候变暖的关系

谚语是广泛流传于民间的言简意赅的短语。多数谚语反映了劳动人民的生活实践经验，而且一般是经过口头传下来的。请你搜集家乡与地理学相关的谚语，挖掘背后的地理原理和文化，并用自然笔记的形式记录下来。

研究案例二：芙蓉洞洞穴环境与现代碳酸钙沉积物晶体粒径的影响分析

作者：杨柏臣　张雨田　龙俊桥

指导教师：李俊云　李九彬

一、前言

（一）问题的提出

本文研究者皆是土生土长的重庆人，在学习地理和化学知识时，不止一次地听老师提起喀斯特地貌与溶洞石笋的形成。重庆喀斯特地貌分布广，位于武隆的芙蓉洞就是一个典型，并且是世界三大洞穴之一、世界自然遗产保护地。石笋的主要成分为碳酸钙，是二氧化碳遇水生成的碳酸与基岩反应后生成碳酸钙，滴落至洞内堆积而形成的。这种洞穴沉积物的形态、大小是否与全球大气环境变化有关呢？有的观点认为造成全球气候变暖的主要因素不是人类活动，这些藏在深山里上千上万年的家伙是不是可以回答这个问题呢？

（二）文献综述

在古气候研究的过程中，洞穴次生碳酸钙沉积物——石笋，由于具有沉积连续、高分辨率定年等特征，已被作为重建古气候和古环境的重要地质载体。石笋的沉积作用，受到包括洞内外气候环境、地质构造、岩性组合、水文地质、流水动力条件以及滴水动力条件、水化学性质和水动态等诸多条件和因素的综合制约，致使石笋的矿物组成、结构构造、沉积（生长）纹层及其层面构造、沉积速率等存在差异。一些学者通过研究石笋的形态和规模、沉积速率、纹层等特征，重建洞穴历史和古气候环境。目前，学者们着重于研究洞穴次生碳酸钙沉积物的外表形态，如章典从洞穴水的运动条件论述了洞穴碳酸钙的沉淀问题；程星从滴水中CO2的变化实验分析着手，研究了喀斯特洞穴中不同水滴条件下的滴石沉积及其组合特征；张美良研究了众多石笋纵剖面的沉积纹层组合形态，反映洞穴滴水的水动力条件和洞穴温度、湿度的变化；林玉石分析了云南、贵州、湖南、广西等地洞穴内大量石笋的沉积速率，认为石笋沉积速率是气候演变的识别指标之一。

（三）研究内容

本文通过观察重庆市芙蓉洞现代洞穴次生碳酸钙沉积物的晶体粒径的变化特征，结合洞穴内部环境（包括温度、湿度和洞穴内CO2）的变化规律，以及洞穴不同区域的空间结构特征，探讨影响洞穴次生碳酸钙晶体粒径的水动力学因素，并分析洞穴不同区域的环境对碳酸钙晶体粒径的影响，为重建古气候提供依据。

二、研究区概况

芙蓉洞洞口（29°13′44″N，107°54′13″E）位于重庆市武隆区江口镇芙蓉江畔，距离芙蓉江与乌江汇合口约5千米。芙蓉洞洞口海拔480米，高出芙蓉江水面约220米；主洞长约2700米，宽、高可达30～50米，现探明开发长度约为1800米，洞底总面积约为3.7万平方米。芙蓉洞洞体规模宏大，洞内化学沉积物多样，具有碳酸盐和硫酸盐两类矿物同时存在的沉积环境，以及重力水沉积和非重力水沉积等多种沉积类型。洞内石笋、钟乳石广布。巨大的石笋高度可达15～20米，也有高达数十米的石幔、石瀑。

芙蓉洞所在地层为中寒武统厚层状灰岩和白云岩，洞体发育于大娄山褶皱带芙蓉江大背斜轴部。洞体上方碳酸盐基岩中含有硫酸盐夹层，在芙蓉洞深处有硫酸盐次生化学沉积物存在，如石膏等。

芙蓉洞所处地区为典型的亚热带湿润性季风气候区，四季分明，冬冷夏热，雨热同期；年平均温度18.3 oC，年平均降水量1000～1200毫米，每年5至10月降水量占全年降水量的70%～80%。芙蓉洞上覆山体天然土壤为亚热带山地黄壤，土层厚度为20～100厘米，受到坡度、坡向、地表植被覆盖等因素影响。

三、实验方法

（一）监测点的分布

在芙蓉洞洞穴内部五处有代表性的滴水点分别设了MP1、MP2、MP3、MP4、MP5五个监测点（如图1-4）。其中，MP4、MP5位于靠近洞口处（景区入口处），在“万佛挂壁”景点附近；MP1、MP2、MP3均位于洞穴内部的“辉煌大厅”内。在洞穴外设有一个气象监测点，以监测外界大气环境。

图1-4　芙蓉洞监测点MP1、MP2、MP3、MP4、MP5的分布

（二）小组分工

在此次研究活动中，杨柏臣同学主要负责数据采集、整合分析及论文撰写，张雨田同学主要负责对比分析及论文修改，龙俊桥同学主要负责化学分析及文献查阅。其中，样品观察与差异形成因素讨论由三名成员集体参加。

（三）洞穴内、外部环境监测及样品收集

本文研究者于2018年3月31日前往芙蓉洞进行考察，带上了温度计、湿度计、CO2监测仪，以及预先处理过的样品瓶、注射剂、足量超纯水等。

首先，在洞穴外面西南大学地理科学学院设置的小型气象站收集数据，计算月平均降水量和月平均温度。

接着，进入洞穴，依次采集上一阶段放置的收集洞穴沉积物的玻璃片并更换，收集滴水水样，测量各监测点所在位置本阶段的空气温度、相对湿度、CO2浓度等信息。

回到实验室后，在实验室用1∶1盐酸溶液浸泡玻璃片，用去离子水冲洗后烘干、称重，记录空白玻璃片的重量。再把玻璃片放在芙蓉洞MP1、MP2、MP3、MP4、MP5滴水点下，用于接收现代沉积物，以季度为时间间隔收集样品。然后，把玻璃片带回实验室，在低温下烘干、称重，记录沉积物的重量。

图1-5　芙蓉洞中收集样品并检测相关指标(www.xing528.com)

（四）洞穴次生碳酸钙晶体观察

本次研究使用偏光显微镜进行观察，包括2017年12月31日至2018年3月31日各监测点洞穴次生碳酸钙沉积物的晶体粒径，对同一块玻璃片上正面中间、正面边缘、背面中间、背面边缘进行拍照记录，观察晶体的密集程度，并测量典型晶体的长度、宽度。

四、数据分析与讨论

（一）洞穴空气环境分析

洞穴内部各监测点气温稳定在15℃至19℃之间，MP4、MP5距离入洞口约400米，年平均气温17.6±0.4℃；MP1、MP2、MP3所在的“辉煌大厅”的气温常年保持在16.4±0.4℃，无明显季节变化。洞穴内部各监测点的大气相对湿度常年保持在95%以上，且无季节性变化。

2012至2016年，MP4和MP5所在区域的大气CO2平均浓度为1430±529 ppm，MP1、MP2、MP3的CO2平均浓度为1405±394 ppm。芙蓉洞内空气中的c（CO2）呈现出季节变化特征，各监测点c（CO2）的最小值一般出现在1至2月，最大值出现在10月，冬季（12月至次年2月）洞穴c（CO2）的平均值为1104±291 ppm，秋季（9至11月）的平均值为1697±414 ppm，呈现出秋季最高、冬季最低的季节变化特征。从季节来看，MP4、MP5的大气CO2浓度普遍高于MP1—MP3，那是因为MP4、MP5所在区域的空间狭窄，且位于游客集中经过区，有利于CO2的集聚，而“辉煌大厅”洞体广大，CO2极易扩散，从而导致距离洞口较近的区域大气CO2浓度相对较高。

（二）芙蓉洞现代洞穴次生碳酸钙晶体粒径分析

根据偏光显微镜观察，放置在芙蓉洞五个监测点的玻璃片上均有碳酸钙晶体沉积，晶体均为六方晶系的方解石（如图1-6）。根据对晶体粒径的测量，MP1、MP2、MP3、MP4、MP5的碳酸钙晶体粒径的平均值分别为：13.6±5.9 μm（MP1）、35.9±21.3 μm（MP2）、19.0±8.4 μm（MP3）、23.5±15.8 μm（MP4）和35.1±20.0 μm（MP5），各个监测点的晶体粒径有明显差异。从每个监测点的晶体粒径来看，MP1和MP3的变化较小，最大值与最小值的差值分别为21 μm和26 μm；而MP2、MP4、MP5的变化较明显，最大值与最小值相差达到50～70 μm。由此可见，同一个滴水点在不同时段沉积的碳酸钙晶体的粒径有较大差异。

图1-6　芙蓉洞洞穴次生碳酸钙晶体照片

MP1、MP2和MP3三个监测点均位于“辉煌大厅”，MP1和MP3的平均粒径小于MP2，但三者呈现出相似的变化趋势，晶体粒径在2014年1至5月达到最大值后，开始减小。MP4和MP5位置相近，位于游客通过的走道旁，这两处晶体的平均粒径差异较小，但在2014年1至5月粒径均没有出现最大值；同时发现，MP4和MP5的晶体粒径在监测时段都出现两个峰值，尽管不同步，但均出现在2015至2016年。这说明洞穴滴水在洞穴内沉积形成碳酸钙晶体的过程中，既受到来自上覆表层岩溶带各因素的影响，也共同受到洞穴环境的影响。

五、讨论与结论

相对于MP1、MP2、MP3所在的“辉煌大厅”的封闭性良好、空间宽大（宽20～70米，高20～50米）、气温稳定（年平均气温为16.4±0.4℃）的特征，MP4、MP5所在的区域为游客必经通道，距离洞口约400米，空间较狭窄（洞道宽15～20米，高5～15米），年平均气温为17.6±0.4℃。气温高有利于加速滴水中CO2的脱气作用，使滴水中CaCO3过饱和速率加快，有利于方解石晶核生长，随着滴水的不断补给，一部分和Ca2十形成新的晶核，另一部分则会参与形成方解石的晶格，使方解石晶核生长成较大的晶体。因此，MP4、MP5的晶体粒径相对于MP1、MP3大，其影响因素主要是洞穴空间结构和气温的差异。

本研究通过对芙蓉洞洞穴次生碳酸钙沉积物的观察和对其粒径的分析，发现在洞穴空气环境相似的区域，各滴水点沉积的碳酸钙晶体粒径的差异可能是由于水源补给的差异，各滴水的水动力条件产生差异，从而影响晶体粒径的大小；在洞穴的不同区域，空气环境的差异，如气温、CO2浓度等，会影响滴水中CO2的脱气作用，也是影响晶体粒径大小的重要因素。

本项目的初步研究结果以及今后的进一步研究，将应用于从晶体粒径的角度解译洞穴石笋记录的气候和环境信息。

体验：科技创新促成长

在项目研究的过程中，我们见识了很多，也学会了很多。

科研活动的有趣与严谨并存，实验室设备的齐全与先进，微观世界不输于宏观世界的美妙，发现新事物的刺激与美好，以及找到突破研究关键点的兴奋，都是我们平常从未见识和体会到的。而且，在此过程中我们对喀斯特地貌及岩溶环境有了一个较为系统的认识和理解。将在平常学习中获得的知识成功地通过实践而内化为自己的能力和智慧，这无论是对开阔我们的视野还是提高我们的学习能力都有莫大的帮助。在实践过程中我们也有了不少新发现，如我们发现靠近洞口的部分沉积物变成了粉末状，为什么会出现这种情况呢？通过观察及李老师的提醒，我们认识到，之所以出现这种现象是因为这部分沉积物所对应的滴水流量较小，再加上靠近洞口，洞外的风灌进来产生了风蚀作用。我们还在部分景区景观灯的灯光下发现了一些低等绿色植物，它们的出现意味着芙蓉洞的洞穴环境正在被诸如灯光等人为因素破坏着。这也让我们想到《岩溶环境学》一书中曾多次提出的警告：岩溶环境很脆弱，需要小心保护！

（雏鹰计划·英才计划学员 杨柏臣）

实践：万千风貌看地名

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图1-7　Karst变形记（作者：高丽晓月，指导教师：李九彬罗键）

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