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

1、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-occluded organic carbon,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、國家宏觀政策等因素的影響。本文對各因素進(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

2、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;影響因素中圖分類號:S151文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0564-3945(201403-0749-05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.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.土壤通報(bào)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資助作者簡介:丁新泉(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 *通訊作者:E-mail:yancx碳匯研究是碳循環(huán)研究熱點(diǎn)之一,一方面是因?yàn)闇厥倚?yīng)越來越受到各國政府和科學(xué)家

4、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過程中吸收土壤溶液中的單硅酸(Si(OH4,沉淀在細(xì)胞內(nèi)的非晶質(zhì)二氧化硅礦物,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。在其沉淀過程中能夠封存部分植物細(xì)胞的有機(jī)

5、碳,植物死亡、腐爛、燃燒后,植硅體及其封存碳會被長期保存于土壤或沉積物中,植硅體碳是植物千年至萬年尺度固碳的重要機(jī)制之一1,5。已有研究顯示,植硅體碳是生態(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)研究中一直沒有對植硅體碳匯潛力進(jìn)行評估和計(jì)算,研究不同農(nóng)作物植硅體碳含量,可以進(jìn)一步認(rèn)識人類活動對碳循環(huán)變化和溫室效應(yīng)的影響6。為了提高陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支評估精度,得到相對準(zhǔn)確的區(qū)域碳收支評估結(jié)果,就必須增強(qiáng)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的綜合觀測,不斷積累長期定位觀測資料和空間化的區(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

6、組成部分,要實(shí)現(xiàn)區(qū)域尺度的評估和測算,必須揭示土壤植硅體碳積累機(jī)理及潛力影響因素。1土壤植硅體碳積累潛力影響因素1.1植物生產(chǎn)力在同樣的植被類型下,植物生產(chǎn)力越高,植硅體碳積累的就越多。溫度811、水份10,11、營養(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。間套作顯著增加了農(nóng)田的總生產(chǎn)力14,優(yōu)化施肥對提高水稻生產(chǎn)力有著非常重要的作用13。草原生態(tài)系統(tǒng)中,除了環(huán)境因子之外,適度放牧能促進(jìn)草原生態(tài)系統(tǒng)地上凈初級生產(chǎn)力的增加,但強(qiáng)度過大則使其明顯下降15。土壤微生物在其中扮演重要角色,土壤微生物通過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

7、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、第45卷土壤通報(bào)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SiO2含量達(dá)到干重的10%15%,旱地禾本科(如小麥、甘蔗SiO2含量占植物干重的1%3%。因此,草原長期的植硅體積累率通常比森林要大510倍17。植物的植硅體碳含量并不完全由植硅體含量多少決定,而與其植硅體本身的固碳能力和效率相關(guān)18。硅在植物內(nèi)主要以二氧化硅膠(SiO2

8、3;nH2O的形態(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)蛋白主動從外界轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)根部,是一個主動運(yùn)輸?shù)倪^程19。隨著植物的生長,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

9、大不相同。影響植硅體形態(tài)、大小、分布、組合的因素錯綜復(fù)雜,同一個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,植硅體是植物生長過程中形成的硅

10、質(zhì)細(xì)胞,封閉了來自細(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)千年至萬年以上,成為土壤有機(jī)碳庫的重要部分,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。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,說明植稻有利于植硅體在土壤表層富集25。如果能強(qiáng)化秸稈還田,植稻對于土壤長期固碳具有意義25。Parr等通過火山灰和古土壤中有機(jī)碳

11、和植硅體碳研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過2000多年的分解,植硅體碳所占土壤碳的比例由表土不到10%上升到2000多年前的82%18,說明植硅體碳在土壤中具有很強(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。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)定碳同位素與對大氣CO2濃度也有明顯的響應(yīng),因此,植硅體碳同位素分析的方法在古代大氣CO2濃度恢復(fù)上有一定的潛在應(yīng)用價(jià)值24。2區(qū)域尺度土壤植硅體碳積累潛力的影響因素2.1土地利用方式對大尺度土壤植硅體碳

12、積累潛力的影響土地利用對陸地碳匯影響的評價(jià)具有很大的不確定性7,植硅體碳作為碳匯中較為穩(wěn)定的固碳形式,準(zhǔn)確的測量和評估對于陸地碳匯評估具有重要推動作用。近幾十年來,全球人類擾動導(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,而且還對全球氣候變化產(chǎn)生影響27。大規(guī)模的土地利用變化/覆被類型變遷對生態(tài)系統(tǒng)碳庫穩(wěn)定性、特別是對環(huán)境的潛在影響在我國尚缺乏系統(tǒng)的研究28,29。因此,在人類擾動生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化的影響日益受到關(guān)注的形勢下,研究我國土地利用/覆被類型變化對土壤碳庫穩(wěn)定性及其循環(huán)的影響具有重要意義。土地利用變化會影響植物群落組成

13、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,土地利用變化對陸地碳匯影響的評價(jià)需要各種生態(tài)系統(tǒng)類型的調(diào)查樣點(diǎn)和高精度的土地利用和土地覆被空間圖7,給區(qū)域尺度的碳匯評估帶來一定的難度。7503期丁新泉等:土壤植硅體碳積累潛力影響因素分析2.2農(nóng)藝措施對大尺度土壤植硅體碳積累率的影響免耕、深耕、間套作、秸稈覆蓋、覆膜等各種

14、農(nóng)藝措施可以改變土壤理化性狀、作物生長環(huán)境、土壤保水能力、土壤微生物數(shù)量及種類。秸稈還田可以促進(jìn)植物營養(yǎng)器官中植硅體碳在土壤剖面的貯存與積累,增加秸稈等有機(jī)物質(zhì)的歸還,對提高土壤中植硅體的積累有一定的影響26,在水稻種植區(qū),強(qiáng)化秸稈還田對于長期固碳具有重要意義25。秸稈還田、土壤微生物種類和數(shù)量可能是影響土壤植硅體碳積累的重要因素。深耕、免耕、間套作、覆膜和秸稈覆蓋等農(nóng)藝措施可通過改變土壤環(huán)境,影響植物生產(chǎn)力和土壤微生物種類及數(shù)量。2.3國家宏觀政策對大尺度土壤植硅體碳積累率的影響國家有關(guān)退耕還林還草、沙漠化治理、休耕、免耕、休閑農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)的政策,必然引起區(qū)域土地利用方式的巨大改變。退耕還

15、林10a使040cm的淺層土有機(jī)碳庫顯著提高,退耕還林2040a使40100 cm深層土有機(jī)碳庫也有了顯著提高32。我國國務(wù)院令退耕還林條例于2003年正式實(shí)施,2007年又發(fā)布了國務(wù)院關(guān)于完善退耕還林政策的通知(國發(fā)200725號文件,2012年決定延長退耕還林政策補(bǔ)助期,這些政策促進(jìn)了大規(guī)模的退耕還林、退耕還草、天然草場恢復(fù)和大量秸稈還田。美國也一直主導(dǎo)推行殘茬還田免耕法和休閑輪作。以上政策對于區(qū)域植被類型、土地利用變化的影響顯而易見,對植硅體碳匯必然有著重要的影響,但是,要對土壤植硅體碳積累率和總量進(jìn)行準(zhǔn)確評估和測算,還需要結(jié)合大尺度土地利用及環(huán)境因子的變化,進(jìn)行更精確的基礎(chǔ)研究。3植硅

16、體碳匯研究熱點(diǎn)展望3.1固碳機(jī)理植硅體主要成分是二氧化硅,是全球硅循環(huán)參與者,植物對全球硅循環(huán)的作用已成為硅生物地球化學(xué)的重要研究內(nèi)容。目前關(guān)于陸地生態(tài)系統(tǒng)中不同形態(tài)Si庫的大小、形成機(jī)制、驅(qū)動因子和通量都還存在很大的不確定性23,33,解析植硅體碳積累的科學(xué)原因,需要深入研究Si-C循環(huán)的生物學(xué)過程和地球化學(xué)過程,研究農(nóng)林植物生物硅形成過程中硅與鋁、鐵、錳、鈣、鎂、碳和磷等元素的相互作用,利用植硅體同位素研究其地球化學(xué)循環(huán)規(guī)律34,35,全方位揭示植硅體碳積累的內(nèi)在機(jī)理,評價(jià)農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)固碳與減排的生態(tài)環(huán)境效應(yīng),制定區(qū)域尺度固碳減排的關(guān)鍵技術(shù)。3.2高效固碳植物新品質(zhì)選育到目前為止,植硅體形

17、態(tài)分類得到了廣泛的研究,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,其中較為系統(tǒng)研究的是禾本科作物36。因此,禾本科作物如水稻、小麥、甘蔗等適合作為高效固碳新品種選育的對象。比較不同品種的水稻、小麥、甘蔗植硅體形態(tài)、大小、分布、組合等特征,結(jié)合不同品種的固碳效率,可以篩選出植硅體固碳率高效的水稻、小麥、甘蔗品種。同時(shí),可以利用高效固碳的水稻、小麥、甘蔗品種與目前的主導(dǎo)品種雜交,也可以利用分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)掘植硅體含量相關(guān)基因,用于培育既植硅體含量高又優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的水稻、小麥、甘蔗品種。3.3人為干擾下農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)植硅體在碳循環(huán)過程中的作用盡管國內(nèi)外在土地利用/覆被類型

18、變化對土壤碳循環(huán)的影響方面已經(jīng)做了大量的研究,但是對于因土地利用/覆被類型變化引起的土壤植硅體碳分布特征、積累規(guī)律和循環(huán)過程的研究尚處于零星探索階段。West認(rèn)為土地利用變化導(dǎo)致的固碳僅限于幾十年的時(shí)間尺度上31,非常有必要率先在生態(tài)脆弱區(qū)開展土地利用/覆被類型變化對土壤植硅體碳循環(huán)影響的系統(tǒng)研究,為我國土地利用調(diào)控、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。參考文獻(xiàn):1PARR J F,SULLIVAN L A.Soil carbon sequestration in phytolithsJ.Soil Biol Biochem,2005,37:117-124.2左昕昕,呂厚遠(yuǎn).我國旱作農(nóng)業(yè)黍、

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