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

1、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-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

2、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;影响因素中图分类号:S151文献标识码:A文章编号:0564-3945(201403-0749-05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.DING Xin-quan,LIU Min-chao,YAN Cui-xiang.Influencing Factors of Carbon Sequestration Potential within Phytolith-occluded organic carbon of

3、 SoilJ.Chinese Journal of Soil Science,2014,45(3:749-753.土壤通报Chinese Journal of Soil Science第45卷第3期2014年6月Vol.45,No.3Jun.,2014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资助作者简介:丁新泉(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 *通讯作者:E-mail:yancx碳汇研究是碳循环研究热点之一,一方面是因为温室效应越来越受到各国政府和科学家

4、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单硅酸(Si(OH4,沉淀在细胞内的非晶质二氧化硅矿物,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有机

5、碳,植物死亡、腐烂、燃烧后,植硅体及其封存碳会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。已有研究显示,植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。为了提高陆地生态系统碳收支评估精度,得到相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

6、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土壤植硅体碳积累潜力影响因素1.1植物生产力在同样的植被类型下,植物生产力越高,植硅体碳积累的就越多。温度811、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。间套作显著增加了农田的总生产力14,优化施肥对提高水稻生产力有着非常重要的作用13。草原生态系统中,除了环境因子之外,适度放牧能促进草原生态系统地上净初级生产力的增加,但强度过大则使其明显下降15。土壤微生物在其中扮演重要角色,土壤微生物通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

7、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、第45卷土壤通报竹子、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SiO2含量达到干重的10%15%,旱地禾本科(如小麦、甘蔗SiO2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510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相关18。硅在植物内主要以二氧化硅胶(SiO2

8、3;nH2O的形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

9、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

10、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体在土壤表层富集25。如果能强化秸秆还田,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

11、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%上升到2000多年前的82%18,说明植硅体碳在土壤中具有很强的稳定性,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CO2浓度也有明显的响应,因此,植硅体碳同位素分析的方法在古代大气CO2浓度恢复上有一定的潜在应用价值24。2区域尺度土壤植硅体碳积累潜力的影响因素2.1土地利用方式对大尺度土壤植硅体碳

12、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定性7,植硅体碳作为碳汇中较为稳定的固碳形式,准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,而且还对全球气候变化产生影响27。大规模的土地利用变化/覆被类型变迁对生态系统碳库稳定性、特别是对环境的潜在影响在我国尚缺乏系统的研究28,29。因此,在人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

13、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的土地利用和土地覆被空间图7,给区域尺度的碳汇评估带来一定的难度。7503期丁新泉等:土壤植硅体碳积累潜力影响因素分析2.2农艺措施对大尺度土壤植硅体碳积累率的影响免耕、深耕、间套作、秸秆覆盖、覆膜等各种

14、农艺措施可以改变土壤理化性状、作物生长环境、土壤保水能力、土壤微生物数量及种类。秸秆还田可以促进植物营养器官中植硅体碳在土壤剖面的贮存与积累,增加秸秆等有机物质的归还,对提高土壤中植硅体的积累有一定的影响26,在水稻种植区,强化秸秆还田对于长期固碳具有重要意义25。秸秆还田、土壤微生物种类和数量可能是影响土壤植硅体碳积累的重要因素。深耕、免耕、间套作、覆膜和秸秆覆盖等农艺措施可通过改变土壤环境,影响植物生产力和土壤微生物种类及数量。2.3国家宏观政策对大尺度土壤植硅体碳积累率的影响国家有关退耕还林还草、沙漠化治理、休耕、免耕、休闲农业、有机农业的政策,必然引起区域土地利用方式的巨大改变。退耕还

15、林10a使040cm的浅层土有机碳库显著提高,退耕还林2040a使40100 cm深层土有机碳库也有了显著提高32。我国国务院令退耕还林条例于2003年正式实施,2007年又发布了国务院关于完善退耕还林政策的通知(国发200725号文件,2012年决定延长退耕还林政策补助期,这些政策促进了大规模的退耕还林、退耕还草、天然草场恢复和大量秸秆还田。美国也一直主导推行残茬还田免耕法和休闲轮作。以上政策对于区域植被类型、土地利用变化的影响显而易见,对植硅体碳汇必然有着重要的影响,但是,要对土壤植硅体碳积累率和总量进行准确评估和测算,还需要结合大尺度土地利用及环境因子的变化,进行更精确的基础研究。3植硅

16、体碳汇研究热点展望3.1固碳机理植硅体主要成分是二氧化硅,是全球硅循环参与者,植物对全球硅循环的作用已成为硅生物地球化学的重要研究内容。目前关于陆地生态系统中不同形态Si库的大小、形成机制、驱动因子和通量都还存在很大的不确定性23,33,解析植硅体碳积累的科学原因,需要深入研究Si-C循环的生物学过程和地球化学过程,研究农林植物生物硅形成过程中硅与铝、铁、锰、钙、镁、碳和磷等元素的相互作用,利用植硅体同位素研究其地球化学循环规律34,35,全方位揭示植硅体碳积累的内在机理,评价农林生态系统固碳与减排的生态环境效应,制定区域尺度固碳减排的关键技术。3.2高效固碳植物新品质选育到目前为止,植硅体形

17、态分类得到了广泛的研究,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,其中较为系统研究的是禾本科作物36。因此,禾本科作物如水稻、小麦、甘蔗等适合作为高效固碳新品种选育的对象。比较不同品种的水稻、小麦、甘蔗植硅体形态、大小、分布、组合等特征,结合不同品种的固碳效率,可以筛选出植硅体固碳率高效的水稻、小麦、甘蔗品种。同时,可以利用高效固碳的水稻、小麦、甘蔗品种与目前的主导品种杂交,也可以利用分子生物学技术发掘植硅体含量相关基因,用于培育既植硅体含量高又优质高产的水稻、小麦、甘蔗品种。3.3人为干扰下农林生态系统植硅体在碳循环过程中的作用尽管国内外在土地利用/覆被类型

18、变化对土壤碳循环的影响方面已经做了大量的研究,但是对于因土地利用/覆被类型变化引起的土壤植硅体碳分布特征、积累规律和循环过程的研究尚处于零星探索阶段。West认为土地利用变化导致的固碳仅限于几十年的时间尺度上31,非常有必要率先在生态脆弱区开展土地利用/覆被类型变化对土壤植硅体碳循环影响的系统研究,为我国土地利用调控、生态环境保护及农业持续发展提供理论依据。参考文献:1PARR J F,SULLIVAN L A.Soil carbon sequestration in phytolithsJ.Soil Biol Biochem,2005,37:117-124.2左昕昕,吕厚远.我国旱作农业黍、

19、粟植硅体碳封存潜力估算J.科学通报,2011,56(34:2881-2887.3WILING L P,BROWN R E,HOLOWAYCHUK N.Accessibility andproperties of occluded carbon in biogenetic opalJ.Soil Sci,1967,103:56-61.4PIPERNO D.R.Phytolith Analysis:An Archaeological and Geologi-cal PerspectiveM.Academic Press,London,1988.5JEFF P J,SULLIVAN,QUIRK R.S

20、ugarcane phytoliths:Encapsula-tion and sequestration of a long-lived carbon fractionJ.Sugar Tech,2009,11(1:17-21.6SHAHACK-GROSS R,SHEMESH A,YAKIR D,et al.Oxygen iso-topic composition of opaline phytoliths:Potential for terrestrial cli-matic reconstructionJ.Geochimica et Cosmochimica Acta,1996,60:394

21、9-3953.7于贵瑞,王秋凤,朱先进.区域尺度陆地生态系统碳收支评估方法及其不确定性J.地理科学进展,2011,30(1:103-113.8石兆勇,王发园,苗艳芳.不同菌根类型的森林净初级生产力对气温变化的响应J.植物生态学报,2012,36(11:1165-1171. 9VARGAS R,BALDOCCHI DD,QUEREJETA JI,et al.EcosystemCO2fluxes of arbuscular and ecto-mycorrhizal dominated vegetationtypes are differentially influenced by precipit

22、ation and temperatureJ.New Phytologist,2010,185:226-236.10KNAPP A K,SMITH M D.Variation among biomes in temporal dy-751第45卷土壤通报namics of aboveground primary productionJ.Science,2001,291: 481-484.11BOISVENUE C,RUNNING S W.Impacts of climate change on natu-ral forest productivity-evidence since the mi

23、ddle of the20th centuryJ.Global Change Biology,2006,12(5:862-882.12LIU M,LI Z P,ZHANG T L,et al.Discrepancy in response of riceyield and soil fertility to long-term chemical fertilization and organic amendments in paddy soils cultivated from infer-tile upland in sub-tropical ChinaJ.Agricultural Scie

24、nces in China,2011,10(2:259-266.13陈春兰,陈安磊,魏文学,等.稻田系统生产力及其稳定性对施肥制度的响应J.中国生态农业学报,2012,20(3:1263-1267. 14苟芳,张立祯,董宛麟,等.农牧交错带不同间套作模式的土地生产力J.农业工程学报,2013,29(6:129-141.15ALHAMAD M N,ALRABABAH M A.Defoliation and competitioneffects in a productivity gradient for a semiarid Mediterranean annual grassland comm

25、unityJ.Basic and Applied Ecology,2008,9(3:224-232.16MARCHNER H.Mineral Nutrition of Higher PlantsM.seconded.A-cademic Press,London,1995,889.17DRESS L R,WILDING L P,SMECK,et al.Silica in soils:quartz,and disordered silica polymorphsM,in:Dixon,J.B.,Weed,S.B.(Eds.,Minerals in Soil Environments,seconded

26、.Soil Science Society of America,Madison,WI,1989,471-552.18PARR J,SULLIVAN L,Chen B,et al.Carbon bio-sequestrationwithin the phytoliths of economic bamboo speciesJ.Glob Change Bi-ol,2010,16:2661-2667.19LIANG Y,HUA H,ZHU Y,et al.Importance of plant species andexternal silicon concentration to active

27、silicon uptake and transport.New PhytolJ.2006,172(11:63-72.20白淑琴,阿木日沙那,那仁高娃,等.水稻中硅元素的分布及存在状态J.应用与环境生物学报,2012,18(3:444-449.21甘秀芹,江立庚,徐建云.水稻的硅素积累与分配特性及其基因型差异J.植物营养与肥料学报,2004,10(5:531-535.22黄张婷,姜培坤,宋照亮,等.不同竹龄雷竹中硅及其他营养元素吸收和积累特征J.应用生态学报,2013,24(5:1347-1353. 23CONLEY D J.Terrestrial ecosystems and the glo

28、bal biogeochemicalsilica cycleJ.Global Biogeochemical Cycles,2002,16(4:1121-1129.24陈留美,张甘霖.水耕人为土时间序列的植硅体及其闭留碳演变特征J.土壤通报,2011,42(5:1025-1030.25CARTER J.A.Atmospheric carbon isotope signatures in phy-tolith-occluded carbonJ.Quaternary International,2009,193:20-29.26李自民,宋照亮,李蓓蕾.白洋淀芦苇湿地生态系统中植硅体的产生和积累研究J

29、.土壤学报,2013,50(3:200-213.27DILLY O,BLUME H P,SEHY U,et al.Variation of stabilized,mi-crobial and biologically active carbon and nitrogen in soil under con-trasting land use and agricultural management practicesJ.Chemo-sphere,2003,52:557-569.28YANG L L,ZHANG F S,MAO R Z,et al.Conversion of natural e-c

30、osystems to cropland increases the soil net nitrogen mineralization and nitrification in TibetJ.Pedosphere,2008,18(6:699-706. 29WEI X R,SHAO M A,FU X L,et al.The effects of land use on soilN mineralization during the growing season on the northern Loess Plateau of ChinaJ.Geoderma,2011,160:590-598.30

31、CONLEY D J,LIKENS G E,BUSO D C,et al.Deforestation causesincreased dissolved silicate losses in the Hubbard Brook Experimen-tal ForestJ.Global Change Biology,2008,14:2548-2554. 31WEST T O,POST W M,.Soil organic carbon sequestration by tillageand crop rotation:a global data analysisJ.Soil Science Soc

32、iety of America Journal,2002,66:1930-1946.32佟小刚,韩新辉,杨改河,等.碳库管理指数对退耕还林土壤有机碳库变化的指示作用J.中国环境科学,2013,33(3:466-473.33MEUNIER J D,KIRMAN S,STRASBERG D,et al.The output andbio-cycling of Si in a tropical rain forest developed on young basalt flows(La Reunion IslandJ.Geoderma,2010,159(3/4:431-439.34DING T P,

33、TIAN S H,SUN L,et al.Silicon isotope fractionation be-tween rice plants and nutrient solution and its significance to the study of the silicon cycleJ.Geochimica et Cosmochinica Acta, 2008,72:5600-5615.35OPFERGELT S,CARDINAL D,HENRIET C,et al.Silicon isotopicfractionation by banana(Musa spp.grown in

34、a continuous nutrient flow deviceJ.Plant Soil,2006,285:333-345.36张新荣,胡克,王东坡,等.植硅体研究及其应用的讨论J.世界地质,2004,23(2:112-117.752753 3期丁新泉等:土壤植硅体碳积累潜力影响因素分析Influencing Factors of Carbon SequestrationPotential within Phytolith-occluded organic carbon of SoilDING Xin-quan1,LIU Min-chao2,YAN Cui-xiang1*(1.Tianmu Colleg