由于洞穴沉积物能够提供精确定年和高分辨率的地球化学代用指标记录，因此它是古气候重建中不可或缺的档案（Wang等人，2001；Yuan等人，2004；Hu等人，2008；Cheng等人，2009，2012，2016）。洞穴沉积物的稳定同位素（δ18O和δ13C）作为基本的古气候代用指标，传统上基于滴水与洞穴沉积物之间的同位素平衡分馏理论进行解释（Hendy，1971）。氧同位素经历了多个分馏阶段，包括雨水渗入土壤、裂隙水在喀斯特含水层中的迁移、地下水在洞顶的暴露以及洞穴沉积物的形成（Bar-Matthews等人，1996；Czuppon等人，2018）。洞穴沉积物的δ18O值被认为综合反映了温度变化（Vansteenberge等人，2020）、区域降水量（Fleitmann等人，2004；Hu等人，2008；Vansteenberge等人，2020）、水文过程（Lachniet，2009；Markowska等人，2016）、夏季季风强度（Wang等人，2001；Fleitmann，2003；Cheng等人，2009；Tan，2014）以及生态条件（Dreybrodt和Scholz，2011）。
一般来说，水分来源和传输路径对洞穴沉积物δ18O值的变化起主要控制作用（Wang等人，2005，2008；Cheng等人，2016），尽管在某些地区它主要反映当地降水量（Hu等人，2008）。然而，与喀斯特含水层过程、洞穴微环境和滴水水文相关的氧同位素分馏也是其他影响因素。主要控制因素是水与方解石之间的温度依赖性平衡分馏，这一关系由Kim和O’Neil（1997）确立。这一基本关系表明，较冷的条件下通常会产生较高的洞穴沉积物δ18O值，因为18O更倾向于被纳入方解石晶格中（Beck等人，2005）。Van Rampelbergh（2014）和Feng（2014）的野外研究也证实，温度是控制自然洞穴环境中氧同位素分馏的主要因素。然而，滴水化学性质的季节性变化、方解石的生长速率、洞穴环境以及沉积过程中的物理和化学干扰会通过改变同位素分馏来修改温度信号（Carlson等人，2018）。
地下水和滴水的地下水文条件也对δ18O值产生强烈影响。渗透水可能在表层喀斯特带混合，进一步调节和平滑滴水δ18O值的季节性变化（Zhang等人，2023，2025）。此外，滴落间隔的变化会调节动力学分馏的程度（Tadros等人，2022）。Sade等人（2022）进一步阐明，慢速滴落情况下的δ18O值对洞穴通风和pCO2的季节性变化敏感，而在快速滴落情况下，由于滴水迅速补充，δ18O值受到的影响较小。此外，溶解碳酸盐中的氧交换时间与水中氧的交换时间以及方解石的沉积时间之比也会影响洞穴沉积物的δ18O值（Dreybrodt，2008）。
尽管通过实验室模拟（O'Neil等人，1969；Kim和O’Neil，1997；Scholz等人，2009）和洞穴监测研究（Bar-Matthews等人，2014；Van Rampelbergh等人，2014；Li等人，2024）在氧同位素分馏方面取得了显著进展，但在理解洞穴沉积物δ18O记录方面仍存在三个基本知识空白：（1）多种环境因素之间的非线性耦合；（2）在不同水文条件下量化动力学分馏效应的局限性（Watkins等人，2014）；（3）基于野外监测的长期氧同位素变化模式的验证不足（Huang等人，2022）。因此，量化洞穴环境参数对石笋δ18O值的影响对于准确解读洞穴沉积物δ18O记录所反映的气候意义非常重要。
ISOLUTION模型是一种过程显式的数值方法（Deininger等人，2012；Dreybrodt和Deininger，2014；Deininger和Scholz，2019），它机械性地整合了以下过程：（1）CO2脱气过程中的动力学分馏和方解石沉淀；（2）碳酸盐与水分子之间的动态氧同位素交换；（3）薄膜溶液中的蒸发富集。该模型已通过受控沉积实验（Sade等人，2022）和现场洞穴监测数据（Van Rampelbergh等人，2014）得到严格验证。与传统基于同位素平衡分馏的模型相比，ISOLUTION模型在连续滴水供应条件下预测氧同位素组成的变化方面具有更强的能力。
基于对中国西南部芙蓉洞十年的监测数据，本研究采用ISOLUTION模型通过三种综合方法进行系统研究。首先，通过参数控制实验量化了关键环境参数（包括洞内温度、滴落间隔、洞内空气pCO2和相对湿度）对人工培养方解石δ18O值的敏感性。其次，通过比较模拟和测量的δ18O值来验证模型的准确性。最后，开发了一种新的信号提取技术，有效分离氧同位素记录中的气候信号和非气候噪声。长期野外监测与数值模拟的结合有助于进一步理解洞穴沉积物中δ18O的沉积机制。
