土壤植硅体碳积累潜力影响因素分析_丁新泉_刘敏超_闫翠香

2024年4月1日发(作者：乔迁之喜的贺词)

第

45

卷第

3

期

2014

年

6

月

土壤

通报

ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｉｌＳｃｉｅｎｃｅ

Vol.

45,No.3

Jun.,2014

土壤植硅体碳积累潜力影响因素分析

丁新泉

1

，

刘敏超

2

，

闫翠香

1*

（

１．浙江农林大学天目学院，浙江诸暨３１１８００；２．五邑大学化学与环境工程学院，广东江门，５２９０２０）

摘

要：土壤植硅体封存有机碳（ｐｈｙｔｏｌｉｔｈ－ｏｃｃｌｕｄｅｄｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ，ＰｈｙｔＯＣ）是植物在地质历史时期固碳的重要形式之一，不同

植物、不同器官、不同组织、不同生长时期的植硅体形态、含量、大小、分布、组合有所不同。土壤中植硅体碳积累潜力主要受气候

变化、植物生产力、植硅体固碳效率、植硅体碳稳定性、土地利用方式、农艺措施、国家宏观政策等因素的影响。本文对各因素进

行了较深入的分析。同时指出，固碳机理、植硅体固碳高效品种选育、人为干扰下农林生态系统植硅体碳循环过程为今后植硅体

碳汇研究的重点。

关键词：植硅体；植硅体封存有机碳；碳汇；影响因素

文献标识码：Ａ文章编号：０５６４－３９４５（２０１４）０３－０７４９－０５中图分类号：Ｓ１５１

丁新泉，刘敏超，闫翠香．土壤植硅体碳积累潜力影响因素分析［Ｊ］．土壤通报，２０１４，４５（３）：７４９－７５３．

ＤＩＮＧＸｉｎ－ｑｕａｎ，ＬＩＵＭｉｎ－ｃｈａｏ，ＹＡＮＣｕｉ－ｘｉａｎｇ．ＩｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇＦａｃｔｏｒｓｏｆＣａｒｂｏｎＳｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎＰｏｔｅｎｔｉａｌｗｉｔｈｉｎＰｈｙｔｏｌｉｔｈ－ｏｃｃｌｕｄｅｄ

ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｏｆＳｏｉｌ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｉｌＳｃｉｅｎｃｅ，２０１４，４５（３）：７４９－７５３．

一方面是因为

碳汇研究是碳循环研究热点之一，

温室效应越来越受到各国政府和科学家的重视，另一

方面，碳汇的影响因素具有很多不确定性。传统观点

认为，农作物以及草本植物的有机物质会快速分解，其

碳汇为零，新的研究发现农作物及草本植物的植硅体

中封存了大量的碳，称为植硅体封存有机碳，也称植硅

体闭蓄碳，简称植硅体碳

［１］

。在碳循环研究中，

富含植

硅体的农作物（如黍、粟）其碳封存效应不容忽视

［２］

。植

硅体形态、含量、分布、组成分析在土壤、考古、古气候、

古环境以及植物起源研究等领域已经得到非常广泛的

应用。植硅体是植物在生长过程中吸收土壤溶液中的

（Ｓｉ（ＯＨ）

４

，沉淀在细胞内的非晶质二氧化硅矿

）单硅酸

物，它存在于植物的叶、茎、根的细胞壁、细胞腔和皮层

的间隙

［１，３，４］

。在其沉淀过程中能够封存部分植物细胞的

植物死亡、腐烂、燃烧后，植硅体及其封存碳会

有机碳，

被长期保存于土壤或沉积物中，植硅体碳是植物千年

至万年尺度固碳的重要机制之一

［１，５］

。

植

已有研究显示，

硅体碳是生态系统中碳汇的重要组成部分，传统的生

态系统碳循环研究中一直没有对植硅体碳汇潜力进行

评估和计算，研究不同农作物植硅体碳含量，可以进一

步认识人类活动对碳循环变化和温室效应的影响

［６］

。

得到相

为了提高陆地生态系统碳收支评估精度，

对准确的区域碳收支评估结果，就必须增强陆地生态

系统碳循环过程的综合观测，不断积累长期定位观测

资料和空间化的区域资源环境数据，提供可靠的、充足

的数据支撑，才有可能为区域碳管理提供科技服务

［７］

。

植硅体封闭碳作为陆地生态系统稳定性的重要组成部

分，要实现区域尺度的评估和测算，必须揭示土壤植硅

体碳积累机理及潜力影响因素。

1

1.1

土壤植硅体碳积累潜力影响因素

植物生产力

植物生产力越高，植硅体碳

在同样的植被类型下，

积累的就越多。温度

［８

￣１１］

、水份

［１０，１１］

、营养

［１２，１３］

等环境因子

是农田生态系统和森林生态系统的重要影响因素。间

优化施肥对提高

套作显著增加了农田的总生产力

［１４］

，

水稻生产力有着非常重要的作用

［１３］

。草原生态系统中，

适度放牧能促进草原生态系统地

除了环境因子之外，

上净初级生产力的增加，但强度过大则使其明显下

降

［１５］

。

土壤微生物通

土壤微生物在其中扮演重要角色，

过为植物获取限制性养分调节植物生产力，尤其是在

贫瘠的生态系统。

1.2植硅体固碳效率

禾本科植物含有丰富的植硅体，其种类繁多，生物

量大，它们是植物硅循环、硅同位素组成研究的良好载

体，目前，陆地植物硅同位素研究较多的物种有小麦、

收稿日期：

２０１３－０７－２２；

修订日期：

２０１３－１２－２５

基金项目：

浙江农林大学科研发展基金项目

（２０１２ＦＫ０３２）资助

（１９７９－），男，江西金溪人，硕士，主要从事环境科学与植物资源研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｉｎｇｘｑ＠ｚａｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

作者简介：

丁新泉

*

通讯作者：

Ｅ－ｍａｉｌ：

ｙａｎｃｘ＠ｚａｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

７５０

土

壤通报

第

45

卷

竹子、水稻和香蕉

［１］

。禾本科和莎草科等草本植物一般

被认为是沉积植硅体最多的植物

［１６］

，

也正是这些草本

类型一般能产生较多的植硅体碳，其中湿地禾本科（如

水稻）和莎草科ＳｉＯ

２

含量达到干重的

１０％￣１５％，旱

地禾本科（如小麦、甘蔗）ＳｉＯ

２

含量占植物干重的

１％￣

３％。因此，草原长期的植硅体积累率通常比森林要大

５￣１０倍

［１７］

。植物的植硅体碳含量并不完全由植硅体

含量多少决定，而与其植硅体本身的固碳能力和效率

硅在植物内主要以二氧化硅胶

相关

［１８］

。

（ＳｉＯ

·

）的形

２

ｎＨ

２

Ｏ

态存在于表皮细胞和细胞壁上，研究表明，当水稻根外

溶液ｐＨ＜９时，硅以单态硅酸的形式由一种转运蛋白

主动从外界转运进根部，是一个主动运输的过程

［１９］

。随

着植物的生长，

Ｓｉ在植物体特定细胞中的沉积量增

加。硅在水稻和雷竹体内的分布遵循“末端分布律”，水

稻体内硅含量高低顺序是稻壳＞叶片＞茎＞根

［２０］

，

硅

在器官中的分配因生育期及栽培季节不同而异

［２１］

。雷

竹各器官硅含量高低顺序是竹叶

＞竹枝＞竹秆，硅含

量随着竹龄的增长迅速积累

［２２］

，

雷竹中的Ｓｉ主要积累

在竹秆，这与竹秆的生物量以及竹秆的机械屏障等生

理作用有关

［２３］

。

不同的植物，

其植硅体的形态、大小、分布及其组

合等特征大不相同。影响植硅体形态、大小、分布、组合

的因素错综复杂，同一个植物的不同器官和部位所产

生的植硅体形态组合各不相同，不同的植物种属也可

能产生相似的植硅体形态，同一植物体上的同一器官

和部位的不同生长阶段所产生的植硅体类型也不尽一

致。尽管如此，利用植硅体的形态、大小、分布、组合等

特征可以恢复古植被、古环境和古气候信息，甚至可以

恢复植物生长期间的温度、湿度和土壤水等环境信息

［６］

，

因此，

综合利用植硅体的形态、大小、分布、组合等特征

信息，可以对植物进行分类，理论上，可以鉴定植物的

植硅体固碳效率，得到固碳效率高的植硅体形态组合

信息。

1.3植硅体碳稳定性

土壤中的植硅体碳较为稳定，植硅体是植物生长

过程中形成的硅质细胞，封闭了来自细胞核和原生质

中的碳，避免了外部碳的污染和混入

［２４］

，

在地层中抗腐

蚀，抗高温，要其完全分解，一般要达到１０００℃以上。

一般情况下，它们可以封存在土壤剖面数千年至万年

以上，成为土壤有机碳库的重要部分，研究土壤中植硅

体碳的积累潜力包括其稳定性已经引起关注全球气候

变化科学家的极大兴趣

［１，５，１８］

。

植硅体碳稳定性主要概括为其在土壤中的难移动

性和化学稳定性。其剖面分布特征表明植硅体在水耕

人为土中不易移动。与原始土壤相比，

水耕人为土表层

植硅体含量有较大程度的增加，说明植稻有利于植硅

如果能强化秸秆还田，

体在土壤表层富集

［２５］

。

植稻对于

土壤长期固碳具有意义

［２５］

。Ｐａｒｒ

等通过火山灰和古土

壤中有机碳和植硅体碳研究发现，经过２０００多年的分

解，植硅体碳所占土壤碳的比例由表土不到１０％上升

说明植硅体碳在土壤中具有

到２０００多年前的８２％

［１８］

，

很强的稳定性，这为植硅体碳积累奠定了基础。水耕人

为土剖面

［２５］

和芦苇湿地生态系统土壤剖面

［２６］

的植硅体

含量呈现出随着土壤深度的增加含量逐渐降低的趋

势。Ｃａｒｔｅｒ指出植硅体的形态特征在绝大多数植物体

内具有高度的稳定性，能够长期保存完整且不易被污

染。植物体内稳定碳同位素与对大气ＣＯ

２

浓度也有明

因此，植硅体碳同位素分析的方法在古代大

显的响应，

气ＣＯ

２

浓度恢复上有一定的潜在应用价值

［２４］

。

2

2.1

区域尺度土壤植硅体碳积累潜力的

影响因素

土地利用方式对大尺度土壤植硅体碳积累潜力

的影响

土地利用对陆地碳汇影响的评价具有很大的不确

植硅体碳作为碳汇中较为稳定的固碳形式，准

定性

［７］

，

确的测量和评估对于陆地碳汇评估具有重要推动作

用。近几十年来，全球人类扰动导致的土地利用／覆被

类型频繁更替和变化，正引起陆地生态系统的碳库稳

定性的改变，这不仅影响陆地生态系统的功能，而且还

大规模的土地利用变化

／

对全球气候变化产生影响

［２７］

。

覆被类型变迁对生态系统碳库稳定性、特别是对环境

在人

的潜在影响在我国尚缺乏系统的研究

［２８，２９］

。因此，

类扰动生态系统对全球气候变化的影响日益受到关注

的形势下，研究我国土地利用／覆被类型变化对土壤

碳库稳定性及其循环的影响具有重要意义。

土地利用变化会影响植物群落组成以及土壤养分

的循环

［３０］

，

农田植物生产力和森林生态系统的凋落物

年产生量必然会有较大的变化，从而改变植硅体碳的

通量。从传统耕作转变为免耕农地可以提高土壤的植

硅体碳

［３１］

。

草地的植硅体碳积累速率要大于林地

［１７］

，作物

／

覆被类型品种、间套作、耕作强度、放牧强度使得全球

碳收支评估存在着极大的不确定性，影响机理还需进

一步深入探索。另一方面，土地利用变化对陆地碳汇影

响的评价需要各种生态系统类型的调查样点和高精度

给区域尺度的碳汇评

的土地利用和土地覆被空间图

［７］

，

估带来一定的难度。