硅的生物地球化学过程及其在养殖碳汇形成过程中的作用和影响

硅(Si)是地球上丰度仅次于氧的第二大元素,其生物地球化学过程与大气CO_(2)变化、海洋生物泵以及海岸带富营养化等过程密切相关,因此,硅循环也成为全球环境变化研究关注的核心问题之一。本文在总结已有研究的基础上,论述了硅生物地球化学过程及其对碳循环的调节及影响,进一步聚焦近海规模化贝类养殖活动,分析了贝类养殖生态系统硅循环与碳循环的耦合作用及机理,展望了未来值得关注的关键科学问题。研究表明,地质尺度上,硅酸盐矿物风化是地表所有次生硅的来源,风化过程也是一个重要的碳汇过程。陆地生态系统中,植硅体较难降解,在其形成过程中会包裹有机碳而形成稳定的有机碳库,因而植硅体碳具有重大的碳汇潜力,很有可能成为全球碳汇的重要组成部分。海洋生态系统中,作为初级生产主要贡献者的硅藻(Bacillariophyta)吸收硅酸盐合成有机碳并将其打包在生源硅颗粒中向深层海洋输送并埋藏,埋藏量可占海洋碳埋藏总量的40%,生物硅泵驱动了生物碳泵;在近海贝类养殖区,通过硅藻作为滤食性贝类的饵料来源,硅酸盐成为渔业碳汇重要的物质支撑。因此,研究硅生物地球化学循环过程中,综合考虑各过程及其耦合作用是非常必要的,对深入了解其在贝类养殖碳汇中的作用及探究潜在养殖增汇途径具有重要意义。

毛竹林生态系统植硅体的分布及其影响因素

在浙江省临安市青山、安吉县船坝、新昌县巧英和新昌县大市聚等4个地点选取毛竹Phyllostachys edulis竹叶及林地土壤,运用微波消解及Walkley-Black方法,研究不同岩性土壤上发育的同一竹龄毛竹竹叶和同一岩性土壤上发育的不同竹龄毛竹竹叶中植硅体的产生和分布规律,为毛竹林植硅体碳汇调控提供科学参考.结果表明：①毛竹竹叶中植硅体质量分数为50.8～99.1 g·kg-1,基本上是由上部到下部递减,在不同岩性间的差异表现为花岗岩＞花岗闪长岩＞玄武岩＞页岩.②毛竹竹叶中植硅体的产生通量变化范围为154.9～605.9 kg· hm-2·a-1,在不同岩性间的差异表现为花岗岩＞花岗闪长岩＞玄武岩＞页岩.③若按目前全国毛竹林面积3.3x10^6 hm2,植硅体产生通量209.5～420.2 kg· hm-2·a-1以及植硅体中碳含量（3±1）％计算,那么中国毛竹林通过叶植硅体约可以固定二氧化碳（76.1～152.5）x10^6 kg·a-1.

植物生态系统中的植硅体闭蓄有机碳及其在全球土壤碳汇中的重要作用

植硅体闭蓄有机碳（phytolith—occluded organiccarbon，PhytOC）是封存在植硅体中的有机碳。在土壤环境中受到具有高度抗分解能力的植硅体的保护，它可以长期（数千年至万年以上）封存在土壤剖面中，从而成为陆地土壤长期（万年尺度）固碳的重要机制之一。以千年的时间尺度来衡量，估计全球土壤有机碳的平均积累率为2．4g·m^-2．a^-1，其中PhytOC积累贡献了15．0％～37．0％。通过选择种植高产PhytOC的植物物种来增加短期和长期碳汇的途径是存在的。大多数的农作物如大麦Hordeumvulgare，玉米Zeamays，水稻Oryzasativa，高粱Sorghumvulgare，甘蔗Saccharumofficinarum和小麦Triticumaestivum已知是植硅体的生产者。估计全球上述作物每年生产的PhytOC高达（5．08～12．01）×10^6t.a^-1。综述了植物生态系统中PhytOC的形成机制与特征、积累率、提高土壤PhytOC积累率的农学措施及其在全球土壤碳汇中的重要作用。

杭州西溪湿地植物植硅体产生及其影响因素

在浙江杭州西溪湿地选取18种植物,运用微波消解和Walkley-Black消解相结合的方法,研究了湿地生态系统中不同植物植硅体质量分数及其产生通量变化特征,为沼泽湿地生态系统植硅体碳汇调控提供科学依据。研究结果表明:①18种植物植硅体质量分数有较大的差异(P<0.05),其中蒲苇Cortaderia selloana(7.69%),狗尾草Setaria viridis(7.56%),三数马唐Digitaria ternata(6.88%)和芦苇Phragmites australis(6.60%)等植硅体质量分数较高,槐叶萍Salvinia natans(1.28%),美人蕉Canna indica(1.01%)和凤眼莲Halerpestes cymbalaria(1.11%)植硅体质量分数较低。②湿地植物植硅体与其二氧化硅质量分数有较强的正相关性。在湿地生态系统中,选择一种高植硅体质量分数和高生产力的植物芦苇Phragmites australis栽植,对提高地上植物植硅体的产生通量有重要的作用。③在西溪沼泽湿地生态系统中,地上植物植硅体产生通量为4.48～129.92 g.m-2.a-1,植硅体封闭碳的产生通量为0.16～1.03 g.m-2.a-1,植硅体封闭碳的总产生速率为8.29 t.a-1。

小麦秸秆植硅体碳增汇潜力研究

植硅体碳(PhytOC)是土壤碳稳定存在的一种重要形式,对生态系统长期碳增汇具有重要意义。为精确评价小麦秸秆植硅体碳增汇潜力,以山东省临沂市典型农作物小麦为研究对象,采用微波消解法提取小麦秸秆植硅体,用元素分析仪分析了小麦秸秆植硅体有机碳含量。结果表明:小麦秸秆植硅体含量和秸秆植硅体碳含量分别为19.86~37.78 g/kg和1.38~1.70g/kg;小麦秸秆PhytOC储量、碳封存潜力、碳增汇潜力分别为8.30~12.18 kgC/hm^(2)、31.89~44.65 kgCO_(2)/hm^(2)、0.17~2.01 t CO_(2)/a,南部平原地区高于北部山地丘陵地区,土壤养分是影响小麦秸秆植硅体碳封存的重要因素。据估算,1984~2020年,随着小麦单产量的提高,临沂市小麦秸秆植硅体碳封存潜力明显升高(15.75~41.14 kg CO_(2)/hm^(2)),小麦秸秆植硅体碳增汇潜力明显增加(7.05~14.43 t CO_(2)/a),36年临沂市总计固定411.52 t CO_(2),小麦秸秆植硅体碳汇效应显著。研究结果可为区域小麦碳增汇的精确评价提供科学依据。

土壤植硅体碳积累潜力影响因素分析

土壤植硅体封存有机碳(phytolith-occluded organic carbon,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。