植硅体碳与陆地生态系统碳循环：机遇和挑战

　　植硅体碳与陆地生态系统碳循环：机遇和挑战

　　1引言

　　植硅体是植物生长过程中沉淀在植物体内的非晶质二氧化硅矿物，植硅体碳(Phytolith-OccludedCarbon，PhytOC)是植硅体在形成过程中封存在植物细胞内的有机碳，随着植物的死亡及其有机质残体分解，植硅体碳可以随植硅体长期存在于土壤和沉积物中，在古近纪乃至晚中生代的地层中都有发现。植硅体碳含量占植硅体重量的0.2%～6.0％，虽然其在植物总有机物含量的比值仅为0.1%～1.0％，并且在表层土壤有机碳含量中仅占到0.038%，但土壤有机质经过上千年的分解，植硅体碳在土壤有机碳含量中的比值高达82%。由于植硅体在其形成过程中封闭了来自细胞核和原生质中的碳，避免了外部碳的影响和污染，因此，与快速腐烂分解的茎杆等有机物质相比，植硅体可以长期封存大气CO2。据初步估算，全球4.l×l09hm2的耕地作物拥有l.5×l08tCO2植硅体碳封存潜力，这一封存量约占当年增加大气排放量的12%，可见，植硅体碳是一种不容忽略的拥有很大潜力的碳封存方式。

　　本文回顾了近十多年植硅体碳与陆地生态系统碳循环的研究进展，分析了植硅体碳长期变化研究存在的问题与挑战，以期为将来植硅体碳封存研究提供新的思路。

　　2发展现状

　　由于植硅体碳可在土壤或沉积物中保存多达千年的特性，植硅体固碳被视为重要的生物地球化学固碳机制之一。本文从百度学术、万方、维普和中国知网等网站统计了2000-2021年有关植硅体碳的中英文期刊文章发表情况以及硕博士论文的数量，结果表明：2010年以前，以植硅体碳为探究对象的研究相对较少，不少学者注意到植硅体碳的封存潜力，但研究重点主要围绕植硅体碳封存量的估算而展开，研究内容较为单一；2010年之后，有关植硅体碳的研究方向逐渐发生偏移，研究内容不断深化，国内外学者关注的焦点不再局限于植硅体固碳能力本身，而是寻求其背后的固碳机制及影响因素，尝试从不同的角度描述植硅体的固碳效应，揭示植硅体碳封存对于陆地生态系统碳循环的重要意义，进而提出提高植硅体碳汇潜力的可行措施。该时期，以植硅体和植硅体碳为重点的研究大有井喷之势，且大都集中在2016年和2019年前后。

　　3植硅体碳与陆地生态系统碳循环

　　3.1植硅体的固碳能力及固碳效应

　　自Parr等2005年指出植硅体的长期固碳作用后，植硅体的固碳能力及固碳效应逐渐引起了学术界的广泛关注。最近10年来，学术界对植硅体碳进行了较为系统、全面的研究，研究对象从单一植物的植硅体固碳含量，如水稻、粟黍、小麦和竹子，发展到不同生态系统的植硅体固碳量，如草原、森林、湿地、农田和竹林生态系统。研究广度从最初地表植物的植硅体固碳研究，扩展到地下生物量的植硅体固碳效应研究。研究深度也逐渐从量的估算转移到植硅体固碳机制研究，提出岩性、地形、植被初级生产量、基因型、植硅体形态以及林龄等是植硅体碳的控制因素。Hodson收集了许多不同来源中的数据后指出，相较于细胞腔植硅体，细胞壁植硅体在地层中能保存更长时间，并进一步提出“细胞壁和细胞腔植硅体在土壤固碳中的相对重要性”的假说，为植硅体固碳机制的深入研究提供了新的方向和突破点。最近有学者研究发现，盐分胁迫和土壤沙化可能对植硅体固碳能力有一定的抑制作用，抑制植物体内的碳积累。此外，对于如何增强和提高不同植物（植被系统）的植硅体碳汇有关学者也给出了诸多建议，如施硅肥、施氮、施有机肥、生物质炭和硅肥组合施入，扩大毛竹和水稻等植被的种植等。Huang等研究发现，集约化的管理措施对增加土壤植硅体碳汇也有一定的促进作用。基于以上不同植物和不同生态系统的植硅体碳研究成果，Song等估计了全球陆地生态系统植硅体碳汇为（156.7±91.6）×l06tCO2／a，这与每年全球硅酸盐风化消耗的CO2数量相当。

　　以上研究多关注于现代植物植硅体的碳汇能力，较少考虑各种复杂的土壤作用对植硅体沉积后碳汇效应的影响，对植硅体碳的长期保存机制与能力鲜有涉及，也缺少对地质历史时期植硅体碳汇和封存速率的研究，而这些研究对于评估和计算当前及预测将来植硅体碳汇的效率具有重要意义。

　　3.2土壤植硅体的长期固碳机制

　　3.2.1植硅体碳的产量

　　植硅体碳的产量是决定植硅体碳汇效率的重要因素之一。研究表明，植硅体碳产量因生态系统不同表现出明显的差异性。据估计，中国森林生态系统的植硅体碳产生通量为（13.6±3.1）kgCO2／hm2，农田生态系统面积(135×l06hm2)虽远小于草地生态系统面积(331×l06hm2)，其植硅体碳产生通量却高达(36.0±13.0)kgCO2/hm2。除了对草地、森林、农田和湿地等生态系统的植硅体碳产量展开大量研究外，还有学者对中国灌丛生态系统的植硅体碳产生通量进行估算，发现灌丛的植硅体碳汇潜力巨大。同一种生态系统中，不同植物受土壤、地形和pH值等因素的影响，植硅体碳的产生速率会出现显著差异。以森林生态系统为例，竹林作为超富硅的禾本科植物，其土壤植硅体的碳含量(23.45t/hm2)显著高于阔叶林等双子叶植物的土壤植硅体碳含量(P<0.05)，为中国森林生态系统贡献了30％的植硅体碳储量。对于同一植物的不同器官，植硅体碳含量也存在一定差别。有学者通过对中国亚热带苦竹林地上不同器官植硅体碳含量进行测定发现，植硅体碳含量表现出叶大于枝大于秆的变化趋势。不同生态系统、不同植物之间植硅体碳产量的差异与生物量、植硅体产量和植硅体包裹碳的能力密切相关，因此在计算全球植硅体固碳量时需要注意这种差异，应尽量避免使用单一固碳效率来估算全球植硅体碳的产量。

　　3.2.2植硅体碳的来源

　　植硅体碳产量的计算有一个非常重要的前提假设，那就是植硅体碳都是来自植硅体形成过程中包裹的植物有机碳，而这部分碳是植物通过光合作用吸收大气中的CO2获得的，即植硅体碳在长期稳定地封存大气中的CO2，降低温室效应方面具有重要意义。但最近几年，有学者质疑了光合作用是植硅体碳唯一来源的理论。如Reyerson等通过对植物组织、大气CO2及土壤有机质的同位素进行比较测量发现，植硅体碳并非是光合作用的全部产物，有一部分来自于土壤中的老碳。老碳的存在或解释了现代植硅体14C年龄普遍比植物生长年代更早的原因。由于技术的限制，目前仍然缺乏科学的理论模型解释植硅体是否会选择性地溶解土壤中的老碳，因此，有关老碳是否会直接参与植硅体的形成，是否会影响植硅体测年准确性的问题

　　依然是学术界争论的焦点。

　　众多植硅体14C测年的结果表明，老碳并不会导致植硅体年龄发生严重的偏差，大部分植硅体14C年代与其同层位的碳屑或植物残体的年龄相同或接近，而且同位素标定实验研究表明，植硅体碳中的老碳仅占植硅体碳的0.15%。因此，将植硅体年龄偏差的原因完全归结为老碳的观点显然是片面的，需要综合考虑采样及实验处理过程中的各种影响因素。

　　总之，目前来看，植硅体可能会吸收一部分土壤碳，虽然可能并不会严重影响植硅体14C年代，但到底会吸收多少仍然缺少大量数据的支持，如果植硅体中存在老碳，那么如何在植硅体碳汇计算中扣除这部分碳仍然是一个难题，这对于准确估算全球植硅体碳汇具有重要意义。

　　3.2.3植硅体碳的稳定性

　　植硅体碳的产量计算仅仅是确定植硅体固碳效率的第一步，当前植硅体碳研究多是集中于这一步，但每年如此巨量的植硅体碳在进入土壤或沉积物中，若干年后是否还可以完好无损地保存下来，还缺少细致的研究。虽然植硅体具有抗分解和耐高温等特性，在土壤中可保存上千年至万年之久，具有很强的地球化学稳定性，但土壤中植硅体的溶解也是不争的事实。Ngoc等认为，高温促使植物体内形成低抗溶解性的结构，从而导致植硅体溶解能力显著提升，不利于植硅体的长期稳定保存。同时，植硅体溶解量随降水的增加而增加。Cabanes等注意到，在潮湿环境中土壤植硅体循环过于活跃，植硅体保存稳定性很大程度上受到制约。植硅体的溶解一方面构成了硅循环非常重要的一个环节，另一方面也使得研究所见地层中的植硅体组合并非原本所有植物植硅体类型的总和，土壤中植硅体的稳定性在植硅体碳汇特别是长期碳汇研究中不可忽视。如Zhang等研究我国亚热带森林不同岩性土壤植硅体固碳能力发现，植硅体含量与土壤中植硅体碳含量存在明显的正相关关系。因此，植硅体碳能否长期存在于土壤中，取决于植硅体保存的稳定性。

　　植硅体的稳定性受多种因素影响。不同母质上发育的土壤，其生物有效硅(AvailabilitySi，ASi)的变化会影响植硅体的积累口引，因此，母质是影响植硅体保存稳定性的重要因素之一。高ASi可有效减少植硅体的溶解，提高植硅体的稳定性，减少土壤植硅体碳的分解。一般认为，在因植物吸收而导致ASi含量较低的花岗岩上发育的土壤，其植硅体含量比玄武岩类显著更高。此外，土壤特性（土壤pH、土壤水分、土壤粒度、金属离子）对土壤植硅体的长期固碳同样影响显著，主要体现在植硅体溶解程度因土壤特性的不同而有很大差异，进而影响植硅体稳定性。有学者指出，中性土壤条件下植硅体的溶解速率比典型土壤和矿物的溶解速率高2―4个数量级，土壤pH接近3时植硅体的溶解速率最小，推断植硅体在酸性土壤中可保存较长时间。另外，土壤水分亦会影响植硅体的长期保存，研究发现，水的可利用性会影响土壤植硅体的稳定性。土壤含水量低，植物地下根系细胞失水形成植硅体的概率显著增加，严重的旱化促使植硅体包裹有机碳的效率明显提升。有学者指出，砂砾质土壤会破坏植硅体外壳，进而造成植硅体受到物理或化学溶解，因此，土壤粒度会对植硅体的保存产生一定影响。Ngoc等研究发现，Al3+作为植硅体溶解的抑制剂，更高的Al3+含量可有效增强植硅体的抗溶解性，且相较于无机阴离子，有机阴离子对植硅体溶解的抑制作用较明显。尽管植硅体保存稳定性较强，经历千年乃至万年后，植硅体碳含量依然会呈现显著下降的趋势。

　　3.2.4植硅体碳的长期变化及其对碳埋藏的意义

　　植硅体碳的稳定性问题引出了另外一个植硅体碳研究点，即植硅体碳的长期变化趋势及其对碳埋藏的意义。有学者通过研究我国西南地区不同土地利用方式下（针阔叶混交林、竹林、果园、旱地、水田、荒草地）植硅体碳含量在不同土壤剖面上的分布规律发现，植硅体碳含量会随土层深度增加呈现出下降趋势，具有富集于表层的特征。另外一些研究则表明，虽然不同森林类型的土壤植硅体和土壤植硅体碳含量在不同土层深度的变化不尽相同，但是从总体上看，土壤植硅体碳含量随着土层深度的增加而减少，这一特征在竹林生态系统中表现尤为明显。植硅体碳在土壤剖面上随深度增加而减少的变化趋势，使我们不得不考虑因为年代久远，植硅体稳定性下降，从而导致植硅体碳的含量减少，可见前文所计算的植硅体碳产量和真实埋藏并保存下来的植硅体碳含量有较大差异，并不是所有的植物植硅体碳都会被长期保存在土壤中而不发生变化。植硅体碳也会随时间的增加而被重新释放出来，最后被封闭的植硅体碳含量可能会小于最初的植硅体碳产量。但问题在于，土壤中的植硅体碳含量衰减速度有多大？这种衰减率是否会影响10年、百年尺度的碳封存研究还未可知。

　　现代植物的植硅体碳含量最高可超过l0%，而经过长期埋藏、后沉积作用的土壤植硅体碳含量则显著降低。植硅体14C测年研究表明，为了达到加速器所需的最低碳含量，提取的植硅体含量通常需要300～500mg。经过成千上万年的后沉积作用，植硅体的碳含量仅有0.1％左右，甚至更少，其含量远低于表层土壤植硅体碳含量或现代植物植硅体碳含量，说明现代植硅体经过埋藏后，其封闭的碳会随着时间而流失，当然这一流失速度远低于土壤有机碳的分解速率，这也解释了为何土壤剖面底层植硅体碳含量占土壤有机碳的比重要比表层高数十倍。

　　有学者在分析植硅体从植物进入土壤过程中稳定性变化的研究中指出，植硅体在植物―凋落物―土壤环节的变化中是不稳定的，从而影响土壤植硅体固碳效率，造成土壤植硅体碳含量偏低；在特定范围内，土壤植硅体固碳能力随土层深度增加而提高，植硅体碳储量呈增加趋势，一旦超越一定限度则呈现相反态势。Blecker等则认为，植硅体的周转速率与植硅体的溶解性关系密切，水的可利用性增加，植硅体溶解也随之增加，周转率加快。这些研究有一个共同的特点，就是缺乏独立的年代控制，虽然也有考虑到植硅体碳的长期积累效应，但因为没有时间标尺，从而无法明确植硅体碳长期变化过程与机制，无法评估植硅体碳在不同生态系统中的积累效应，更难以与过去全球碳循环变化进行对比。

　　3.2.5植硅体的提取方法及其对估算植硅体碳产量的影响

　　植硅体的提取方法包括湿式氧化法和干灰法，干灰化法的温度通常在450―500℃，能在不破坏植硅体的情况下分解植硅体表面附着的有机物。而湿式氧化法又分为快速氧化法和深度氧化法，部分学者认为湿式氧化法的植硅体提取过程过于严苛，可能会导致植硅体碳的性质发生变化，进而破坏植硅体碳的完整性。

　　因此，不同的植硅体提取方法会影响植硅体碳的稳定性及持久性，在植硅体碳含量评估和计算过程中应将其纳入考虑范围，而如何合理评估提取方法差异对植硅体碳埋藏的影响依然是需要解决的问题之一。

　　4问题与挑战

　　综上所述，植硅体的固碳效应拥有非常大的潜力，是一种安全的生物碳封存方式。随着植硅体碳研究的进一步深入，在植硅体的长期固碳效应上，有关植硅体与植硅体碳的稳定性和持久性受到了一些学者的质疑，他们认为现有的植硅体固碳能力可能被高估，因为：①植硅体碳的估算方法太简单，忽略了不同生态系统的植硅体碳产量，特别是不同的沉积物埋藏环境对植硅体保存状况的影响；②植硅体碳并不完全来自光合作用，还有来自植物根系吸收的土壤有机碳；③大部分研究并没有考虑植硅体和植硅体碳的稳定性及长期变化，硅的溶解导致植硅体碳可能因此被释放出来；④在植硅体碳长期积累效应的研究中缺乏独立年代的控制；⑤如何评估不同提取方法对植硅体碳含量的影响，并将它们之间的差异考虑到植硅体碳产量的估算误差中。在综合考虑植硅体在土壤中的迁移、溶解和土壤老碳等因素后，Reyerson等重新估算了全球草地植硅体碳汇，仅为4.l×l04tC/a，比其他学者对中国草地的植硅体碳汇估算值(0.6×l06tCO2/a)少，他们进而指出需要重新考虑植硅体碳在固定大气CO2中的作用。不过该研究在重估过程中使用了较低的植硅体碳含量(0.3%)，并选取了较高的植硅体溶解量，认为每年沉积的植硅体中有90%被溶解，仅10％可用于计算植硅体碳封存量，所以可能会严重低估植硅体固碳效率，因此这一结果可信度也较低。植硅体碳汇对于全球陆地生态系统碳循环的重要性到底如何？来自土壤的老碳占植硅体碳含量多少，是否会显著影响植硅体碳汇能力等都是亟待回答的问题，对于明确植硅体在陆地生态系统碳循环中的作用具有重要意义。

　　5结论与展望

　　植硅体和植硅体碳在沉积物中保存并非一帆风顺，可能经历物理、化学和生物风化作用的影响，不同环境的保存状况有明显差异。即使是相同环境下，不同类型的植硅体其保存状况也相差较大。正因为有了迁移和部分溶解，作为生物硅的一种，植硅体在全球硅循环中扮演着十分重要的角色。植硅体碳作为一种极具潜力的固碳方式，其固碳效率受到植硅体碳的来源、植硅体稳定性等因素的影响。以前有关植硅体硅碳耦合循环的研究，在估算全球植硅体碳汇及量化硅循环时较少考虑植硅体的后沉积过程的制约，后沉积过程中植硅体与植硅体碳的保存状况决定了植硅体碳的真实封存速率，对于植硅体的长期固碳研究具有重要意义。因此，未来的研究方向包括以下方面：

　　(1)在计算全球植硅体固碳量时需要注意不同生态系统、不同植物之间植硅体碳产量的差异，尽量避免使用单一固碳效率来估算全球植硅体碳的产量。

　　(2)植硅体吸收的土壤碳有多少？不同植物之间、不同生长环境之间是否存在差异？在植硅体碳产量的估算中如何扣除这一部分碳的影响？这些问题的解决需要更多实验数据的支撑。

　　(3)目前植硅体碳产量的估算中较少考虑植硅体中硅的溶解及植硅体碳保存的稳定性，为了更加合理、准确地估算植硅体碳汇，应加强植硅体保存稳定性对植硅体碳产量影响的研究。

　　(4)从长久的时间尺度范围上来看，植硅体稳定性的下降或者植硅体碳的重新释放，可能导致估算的植硅体碳产量和真实埋藏并保存下来的植硅体碳含量存在较大差异。对于土壤中植硅体碳含量的衰减速率，以及这种衰减率对十年、百年尺度的碳封存研究的影响鲜有报道，未来或可加强这一方面的研究。

　　(5)植硅体碳含量可能因植硅体提取方法的不同而表现出明显的差异，为了减少因提取方法的差异对植硅体碳封存的影响，在估算和对比不同植物植硅体碳含量中需将其考虑在内。

　　                                                      摘自《地球科学进展》2023年2期