土壤植硅體碳積累潛力影響因素分析_丁新泉_劉敏超_閆翠香

2024年4月1日發(fā)(作者：?jiǎn)踢w之喜的賀詞)

第

45

卷第

3

期

2014

年

6

月

土壤

通報(bào)

ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｉｌＳｃｉｅｎｃｅ

Vol.

45,No.3

Jun.,2014

土壤植硅體碳積累潛力影響因素分析

丁新泉

1

，

劉敏超

2

，

閆翠香

1*

（

１．浙江農(nóng)林大學(xué)天目學(xué)院，浙江諸暨３１１８００；２．五邑大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東江門，５２９０２０）

摘

要：土壤植硅體封存有機(jī)碳（ｐｈｙｔｏｌｉｔｈ－ｏｃｃｌｕｄｅｄｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ，ＰｈｙｔＯＣ）是植物在地質(zhì)歷史時(shí)期固碳的重要形式之一，不同

植物、不同器官、不同組織、不同生長(zhǎng)時(shí)期的植硅體形態(tài)、含量、大小、分布、組合有所不同。土壤中植硅體碳積累潛力主要受氣候

變化、植物生產(chǎn)力、植硅體固碳效率、植硅體碳穩(wěn)定性、土地利用方式、農(nóng)藝措施、國(guó)家宏觀政策等因素的影響。本文對(duì)各因素進(jìn)

行了較深入的分析。同時(shí)指出，固碳機(jī)理、植硅體固碳高效品種選育、人為干擾下農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)植硅體碳循環(huán)過(guò)程為今后植硅體

碳匯研究的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：植硅體；植硅體封存有機(jī)碳；碳匯；影響因素

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：０５６４－３９４５（２０１４）０３－０７４９－０５中圖分類號(hào)：Ｓ１５１

丁新泉，劉敏超，閆翠香．土壤植硅體碳積累潛力影響因素分析［Ｊ］．土壤通報(bào)，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?yàn)?/p>

碳匯研究是碳循環(huán)研究熱點(diǎn)之一，

溫室效應(yīng)越來(lái)越受到各國(guó)政府和科學(xué)家的重視，另一

方面，碳匯的影響因素具有很多不確定性。傳統(tǒng)觀點(diǎn)

認(rèn)為，農(nóng)作物以及草本植物的有機(jī)物質(zhì)會(huì)快速分解，其

碳匯為零，新的研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物及草本植物的植硅體

中封存了大量的碳，稱為植硅體封存有機(jī)碳，也稱植硅

體閉蓄碳，簡(jiǎn)稱植硅體碳

［１］

。在碳循環(huán)研究中，

富含植

硅體的農(nóng)作物（如黍、粟）其碳封存效應(yīng)不容忽視

［２］

。植

硅體形態(tài)、含量、分布、組成分析在土壤、考古、古氣候、

古環(huán)境以及植物起源研究等領(lǐng)域已經(jīng)得到非常廣泛的

應(yīng)用。植硅體是植物在生長(zhǎng)過(guò)程中吸收土壤溶液中的

（Ｓｉ（ＯＨ）

４

，沉淀在細(xì)胞內(nèi)的非晶質(zhì)二氧化硅礦

）單硅酸

物，它存在于植物的葉、莖、根的細(xì)胞壁、細(xì)胞腔和皮層

的間隙

［１，３，４］

。在其沉淀過(guò)程中能夠封存部分植物細(xì)胞的

植物死亡、腐爛、燃燒后，植硅體及其封存碳會(huì)

有機(jī)碳，

被長(zhǎng)期保存于土壤或沉積物中，植硅體碳是植物千年

至萬(wàn)年尺度固碳的重要機(jī)制之一

［１，５］

。

植

已有研究顯示，

硅體碳是生態(tài)系統(tǒng)中碳匯的重要組成部分，傳統(tǒng)的生

態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中一直沒有對(duì)植硅體碳匯潛力進(jìn)行

評(píng)估和計(jì)算，研究不同農(nóng)作物植硅體碳含量，可以進(jìn)一

步認(rèn)識(shí)人類活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)變化和溫室效應(yīng)的影響

［６］

。

得到相

為了提高陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支評(píng)估精度，

對(duì)準(zhǔn)確的區(qū)域碳收支評(píng)估結(jié)果，就必須增強(qiáng)陸地生態(tài)

系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程的綜合觀測(cè)，不斷積累長(zhǎng)期定位觀測(cè)

資料和空間化的區(qū)域資源環(huán)境數(shù)據(jù)，提供可靠的、充足

的數(shù)據(jù)支撐，才有可能為區(qū)域碳管理提供科技服務(wù)

［７］

。

植硅體封閉碳作為陸地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要組成部

分，要實(shí)現(xiàn)區(qū)域尺度的評(píng)估和測(cè)算，必須揭示土壤植硅

體碳積累機(jī)理及潛力影響因素。

1

1.1

土壤植硅體碳積累潛力影響因素

植物生產(chǎn)力

植物生產(chǎn)力越高，植硅體碳

在同樣的植被類型下，

積累的就越多。溫度

［８

￣１１］

、水份

［１０，１１］

、營(yíng)養(yǎng)

［１２，１３］

等環(huán)境因子

是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)的重要影響因素。間

優(yōu)化施肥對(duì)提高

套作顯著增加了農(nóng)田的總生產(chǎn)力

［１４］

，

水稻生產(chǎn)力有著非常重要的作用

［１３］

。草原生態(tài)系統(tǒng)中，

適度放牧能促進(jìn)草原生態(tài)系統(tǒng)地

除了環(huán)境因子之外，

上凈初級(jí)生產(chǎn)力的增加，但強(qiáng)度過(guò)大則使其明顯下

降

［１５］

。

土壤微生物通

土壤微生物在其中扮演重要角色，

過(guò)為植物獲取限制性養(yǎng)分調(diào)節(jié)植物生產(chǎn)力，尤其是在

貧瘠的生態(tài)系統(tǒng)。

1.2植硅體固碳效率

禾本科植物含有豐富的植硅體，其種類繁多，生物

量大，它們是植物硅循環(huán)、硅同位素組成研究的良好載

體，目前，陸地植物硅同位素研究較多的物種有小麥、

收稿日期：

２０１３－０７－２２；

修訂日期：

２０１３－１２－２５

基金項(xiàng)目：

浙江農(nóng)林大學(xué)科研發(fā)展基金項(xiàng)目

（２０１２ＦＫ０３２）資助

（１９７９－），男，江西金溪人，碩士，主要從事環(huán)境科學(xué)與植物資源研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｉｎｇｘｑ＠ｚａｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

作者簡(jiǎn)介：

丁新泉

*

通訊作者：

Ｅ－ｍａｉｌ：

ｙａｎｃｘ＠ｚａｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

７５０

土

壤通報(bào)

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

被認(rèn)為是沉積植硅體最多的植物

［１６］

，

也正是這些草本

類型一般能產(chǎn)生較多的植硅體碳，其中濕地禾本科（如

水稻）和莎草科ＳｉＯ

２

含量達(dá)到干重的

１０％￣１５％，旱

地禾本科（如小麥、甘蔗）ＳｉＯ

２

含量占植物干重的

１％￣

３％。因此，草原長(zhǎng)期的植硅體積累率通常比森林要大

５￣１０倍

［１７］

。植物的植硅體碳含量并不完全由植硅體

含量多少?zèng)Q定，而與其植硅體本身的固碳能力和效率

硅在植物內(nèi)主要以二氧化硅膠

相關(guān)

［１８］

。

（ＳｉＯ

·

）的形

２

ｎＨ

２

Ｏ

態(tài)存在于表皮細(xì)胞和細(xì)胞壁上，研究表明，當(dāng)水稻根外

溶液ｐＨ＜９時(shí)，硅以單態(tài)硅酸的形式由一種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

主動(dòng)從外界轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)根部，是一個(gè)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程

［１９］

。隨

著植物的生長(zhǎng)，

Ｓｉ在植物體特定細(xì)胞中的沉積量增

加。硅在水稻和雷竹體內(nèi)的分布遵循“末端分布律”，水

稻體內(nèi)硅含量高低順序是稻殼＞葉片＞莖＞根

［２０］

，

硅

在器官中的分配因生育期及栽培季節(jié)不同而異

［２１］

。雷

竹各器官硅含量高低順序是竹葉

＞竹枝＞竹稈，硅含

量隨著竹齡的增長(zhǎng)迅速積累

［２２］

，

雷竹中的Ｓｉ主要積累

在竹稈，這與竹稈的生物量以及竹稈的機(jī)械屏障等生

理作用有關(guān)

［２３］

。

不同的植物，

其植硅體的形態(tài)、大小、分布及其組

合等特征大不相同。影響植硅體形態(tài)、大小、分布、組合

的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，同一個(gè)植物的不同器官和部位所產(chǎn)

生的植硅體形態(tài)組合各不相同，不同的植物種屬也可

能產(chǎn)生相似的植硅體形態(tài)，同一植物體上的同一器官

和部位的不同生長(zhǎng)階段所產(chǎn)生的植硅體類型也不盡一

致。盡管如此，利用植硅體的形態(tài)、大小、分布、組合等

特征可以恢復(fù)古植被、古環(huán)境和古氣候信息，甚至可以

恢復(fù)植物生長(zhǎng)期間的溫度、濕度和土壤水等環(huán)境信息

［６］

，

因此，

綜合利用植硅體的形態(tài)、大小、分布、組合等特征

信息，可以對(duì)植物進(jìn)行分類，理論上，可以鑒定植物的

植硅體固碳效率，得到固碳效率高的植硅體形態(tài)組合

信息。

1.3植硅體碳穩(wěn)定性

土壤中的植硅體碳較為穩(wěn)定，植硅體是植物生長(zhǎng)

過(guò)程中形成的硅質(zhì)細(xì)胞，封閉了來(lái)自細(xì)胞核和原生質(zhì)

中的碳，避免了外部碳的污染和混入

［２４］

，

在地層中抗腐

蝕，抗高溫，要其完全分解，一般要達(dá)到１０００℃以上。

一般情況下，它們可以封存在土壤剖面數(shù)千年至萬(wàn)年

以上，成為土壤有機(jī)碳庫(kù)的重要部分，研究土壤中植硅

體碳的積累潛力包括其穩(wěn)定性已經(jīng)引起關(guān)注全球氣候

變化科學(xué)家的極大興趣

［１，５，１８］

。

植硅體碳穩(wěn)定性主要概括為其在土壤中的難移動(dòng)

性和化學(xué)穩(wěn)定性。其剖面分布特征表明植硅體在水耕

人為土中不易移動(dòng)。與原始土壤相比，

水耕人為土表層

植硅體含量有較大程度的增加，說(shuō)明植稻有利于植硅

如果能強(qiáng)化秸稈還田，

體在土壤表層富集

［２５］

。

植稻對(duì)于

土壤長(zhǎng)期固碳具有意義

［２５］

。Ｐａｒｒ

等通過(guò)火山灰和古土

壤中有機(jī)碳和植硅體碳研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)２０００多年的分

解，植硅體碳所占土壤碳的比例由表土不到１０％上升

說(shuō)明植硅體碳在土壤中具有

到２０００多年前的８２％

［１８］

，

很強(qiáng)的穩(wěn)定性，這為植硅體碳積累奠定了基礎(chǔ)。水耕人

為土剖面

［２５］

和蘆葦濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤剖面

［２６］

的植硅體

含量呈現(xiàn)出隨著土壤深度的增加含量逐漸降低的趨

勢(shì)。Ｃａｒｔｅｒ指出植硅體的形態(tài)特征在絕大多數(shù)植物體

內(nèi)具有高度的穩(wěn)定性，能夠長(zhǎng)期保存完整且不易被污

染。植物體內(nèi)穩(wěn)定碳同位素與對(duì)大氣ＣＯ

２

濃度也有明

因此，植硅體碳同位素分析的方法在古代大

顯的響應(yīng)，

氣ＣＯ

２

濃度恢復(fù)上有一定的潛在應(yīng)用價(jià)值

［２４］

。

2

2.1

區(qū)域尺度土壤植硅體碳積累潛力的

影響因素

土地利用方式對(duì)大尺度土壤植硅體碳積累潛力

的影響

土地利用對(duì)陸地碳匯影響的評(píng)價(jià)具有很大的不確

植硅體碳作為碳匯中較為穩(wěn)定的固碳形式，準(zhǔn)

定性

［７］

，

確的測(cè)量和評(píng)估對(duì)于陸地碳匯評(píng)估具有重要推動(dòng)作

用。近幾十年來(lái)，全球人類擾動(dòng)導(dǎo)致的土地利用／覆被

類型頻繁更替和變化，正引起陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)穩(wěn)

定性的改變，這不僅影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的功能，而且還

大規(guī)模的土地利用變化

／

對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生影響

［２７］

。

覆被類型變遷對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)穩(wěn)定性、特別是對(duì)環(huán)境

在人

的潛在影響在我國(guó)尚缺乏系統(tǒng)的研究

［２８，２９］

。因此，

類擾動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球氣候變化的影響日益受到關(guān)注

的形勢(shì)下，研究我國(guó)土地利用／覆被類型變化對(duì)土壤

碳庫(kù)穩(wěn)定性及其循環(huán)的影響具有重要意義。

土地利用變化會(huì)影響植物群落組成以及土壤養(yǎng)分

的循環(huán)

［３０］

，

農(nóng)田植物生產(chǎn)力和森林生態(tài)系統(tǒng)的凋落物

年產(chǎn)生量必然會(huì)有較大的變化，從而改變植硅體碳的

通量。從傳統(tǒng)耕作轉(zhuǎn)變?yōu)槊飧r(nóng)地可以提高土壤的植

硅體碳

［３１］

。

草地的植硅體碳積累速率要大于林地

［１７］

，作物

／

覆被類型品種、間套作、耕作強(qiáng)度、放牧強(qiáng)度使得全球

碳收支評(píng)估存在著極大的不確定性，影響機(jī)理還需進(jìn)

一步深入探索。另一方面，土地利用變化對(duì)陸地碳匯影

響的評(píng)價(jià)需要各種生態(tài)系統(tǒng)類型的調(diào)查樣點(diǎn)和高精度

給區(qū)域尺度的碳匯評(píng)

的土地利用和土地覆被空間圖

［７］

，

估帶來(lái)一定的難度。