土壤有机质是陆地表层系统的主要碳储库;其输出一方面影响着全球碳循环,另一方面也影响土壤肥力以及水体质量。因此研究土壤有机碳的输出过程和控制机理,具有重大的气候、生态学意义。然而,有关土壤有机质输出的研究主要集中在现代土壤监测;现代监测数据一般覆盖时间较短,对有机质在长时间尺度上的输出的控制因素的解译存在很多不确定性。喀斯特岩溶洞穴是一个研究水-土-岩相互作用过程的天然实验室。洞穴滴水哺育的石笋,按准确的时间顺序记录了岩溶生态系统的动态变化。通过石笋中有机质记录的重建,结合有机质在土壤-滴水-石笋传递过程中信息的校验,可以获取长时间条件下有机质的输出情况,为准确评估气候变化对土壤有机质的输出的影响提供可能。论文以湖北清江和尚洞作为研究对象,着眼于洞穴现代监测和近百年的石笋沉积,利用荧光光谱和热释光技术对滴水、玻璃板沉积碳酸盐、石笋碳酸盐中的有机质进行分析,并结合洞内外现场观测的气象和环境变化数据,开展喀斯特系统中土壤有机质的输出以及在石笋碳酸盐中的记录过程和响应机制的综合研究。在洞穴现代监测的基础上,通过对石笋有机质记录的分析,来探讨近百年来喀斯特土壤有机质的输出和演化。论文取得的主要成果可概括如下:1.滴水可溶有机质(DOM)的时空分布特征及控制因素通过对和尚洞两个滴水点(HS4和HS6)滴水有机质荧光的9年时序变化特征以及四个滴水点(D9、HS4、HS6、D5)的空间分布特征进行分析,探讨了喀斯特土壤DOM的输出在时空上的控制因素:(1)在空间上,从洞底到洞口的过程中,洞穴滴水的电导率(EC)不断增加,而有机质的浓度不断下降;反映从洞底到洞口,地下水的运移时间越来越长,矿化程度越来越高,从而使滴水中有机质浓度越来越低。地下水的运移时间也可反映出和尚洞上覆含水层中地下水的运移方向:从高地势的洞底向低地势的洞口运移;符合当地地下水的流向。(2)在时间尺度上,通过交叉相关分析得到HS4和HS6滴水的荧光强度对大气降雨滞后时间为~1年;相比于滴水速率对大气降水的响应时间(0~3月),暗示滴水中的有机质是通过物质的运输方式来传递的。消除荧光(HS4和HS6滴水)对外界气候因素的一年的滞后时间,滴水荧光强度与当地降雨量呈现出一致的变化步调及幅度,说明降雨的季节分布是控制喀斯特土壤DOM输出的重要因素。在年际尺度上,滴水年均荧光强度与年(净)降雨量之间的显著关系(R=0.84,R=0.77;n=9,p<0.05),说明年(净)降雨量是喀斯特土壤DOM输出的主要因素,其可通过如下三种方式来影响喀斯特土壤DOM的输出:(1)土壤有机质的腐殖化速率;(2)强降雨的冲刷;(3)有机质在上覆含水层中的滞后时间。结合已有的野外淋滤实验和室内模拟实验,暗示在当前酸雨条件下(pH~4.5~5.6),受喀斯特土壤的缓冲作用,酸雨对喀斯特土壤有机质的输出并没有明显的影响。2.滴水胶体有机质(COM)(>0.22μm)的变化特征及控制因素通过对和尚洞HS4滴点滴水中COM的9年时序变化特征进行分析,探讨了喀斯特系统中COM的释放机制和迁移过程以及在年-季尺度上的控制因素。我们发现滴水中COM的峰值早于滴水流速增长期,暗示含水层中气-液作用(AWI)控制着COM的释放和运移,而非以前认为的水动力冲刷因素。滴水中COM主要来源于上覆含水层而非土壤层;在年际上,COM的峰值则与前期含水层持续干旱时间有关:在一般情况下,持续干旱时间越长,滴水中COM浓度也越高;反之,则相反。假定在滴水-碳酸盐岩相互作用过程中,滴水中COM及其伴生物的信号不发生改变;根据HS4滴水中胶体的年-季变化的结果,暗示在利用洞穴沉积物中的胶体及其伴生物来重建过去的强降雨事件时需谨慎对待。3.有机质的水-岩相互作用过程及其控制因素基于对和尚洞D5滴点的滴水以及沉积碳酸盐中的有机质进行长达近6年的监测研究,我们发现温度、滴水速率、沉积速率都对天然有机质(NOM)的分配系数()有一定的贡献:温度、生长速率和呈现一定的负相关关系;而滴水速率与呈较好正相关关系;这些因素并不能完全解释的变化特征。通过多因子分析,与温度和滴水速率两个因子有很好关系(R~2=0.36,p<0.01)。有关土壤矿物对有机质的吸附的研究认为矿物的比表面积(SSA)是控制矿物表面的有机质通量的重要因素。而对于玻璃板碳酸盐而言,温度有利于矿物晶体的生长,而过快的滴水速率起着抑制矿物晶体生长的作用。因而,由二者所一起控制的碳酸盐矿物比表面积可能是控制主要因素。对于生长速率有着明显季节变化的石笋,生长速率的实质是与碳酸盐的比表面积有关,因而碳酸盐的比表面积可能是控制石笋有机质季节分布的一个重要因素,而不是由滴水中有机质的季节性分布决定的。4.近百年石笋有机质变化特征及对环境的响应基于有机质的现代监测,利用和尚洞两支石笋(HS4/HS6)重建了最近一百年和尚洞上覆土壤有机质的输出情况。将模拟的喀斯特土壤有机质输出的时间序列与当地器测资料对比,发现当地喀斯特土壤有机质在年代际尺度上主要受控于当地温度的变化。当温度升高时,有利于喀斯特土壤有机碳的输出,进而导致滴水中有机质的浓度升高。因此,利用石笋中有机质来恢复过去土壤有机质输出情况有望成为今后研究土壤有机碳循环及其与环境因子之间关系的一个有效手段。