孟賜福，姜培坤，徐秋芳，周?chē)?guó)模，宋照亮，黃張婷

(浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 臨安 311300)

溫室氣體二氧化碳所導(dǎo)致的全球氣候變化已經(jīng)引起全世界的廣泛關(guān)注。美國(guó)能源部估計(jì)，2010年全世界二氧化碳的排放量約為30.20 Gt[1]。由于森林生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)占全球總碳庫(kù)的 46.3%[2]，其中全球1.0 m土層內(nèi)的有機(jī)碳含量占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量(2 100×109t)的3/4，分別是陸地植被和大氣碳儲(chǔ)量的3.0倍和2.0倍[3]。土壤平均每年排放到大氣中的二氧化碳約為化石燃料碳排放量的11.0倍，大氣二氧化碳儲(chǔ)量的10.0%[4]。自然植被下土壤長(zhǎng)期吸存碳的潛力是2.4 g°m－2°a－1，而全球平均土壤有機(jī)碳積累率只有大氣中的二氧化碳增加率的10.0%。土壤碳庫(kù)的變化被認(rèn)為是導(dǎo)致大氣碳庫(kù)和全球氣候變化的主要原因。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，碳匯功能體現(xiàn)在碳庫(kù)的儲(chǔ)量和積累率，而碳源則體現(xiàn)在碳的排放強(qiáng)度。土壤有機(jī)碳庫(kù)由不同周轉(zhuǎn)率的組分組成，其周轉(zhuǎn)期從幾周到近萬(wàn)年。相對(duì)于儲(chǔ)存在植被中的碳來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)存在土壤中的植硅體閉蓄有機(jī)碳(phytolith-occluded organic carbon，PhytOC)較為穩(wěn)定，如果沒(méi)有經(jīng)歷大的地質(zhì)變遷，它們將長(zhǎng)期(數(shù)千年至萬(wàn)年以上)封存在土壤剖面中而形成穩(wěn)定的有機(jī)碳庫(kù)，因而探索增加土壤中PhytOC的潛力已經(jīng)成為固碳技術(shù)的熱點(diǎn)，并引起關(guān)注全球氣候變化科學(xué)家的極大興趣[5－6]。本文綜述了植物生態(tài)系統(tǒng)中PhytOC的形成機(jī)制與特征、土壤中PhytOC的積累率、提高土壤PhytOC積累率的農(nóng)學(xué)措施及其在全球土壤碳匯中的重要作用。

1 植硅體(phytolith)和植硅體閉蓄有機(jī)碳(PhytOC)

1.1 植硅體閉蓄有機(jī)碳的形成機(jī)制與特征

植物硅酸體，簡(jiǎn)稱(chēng)植硅體，是植物內(nèi)的含水非晶態(tài)二氧化硅(SiO2)顆粒，存在于植物不同部位的細(xì)胞內(nèi)。某些高等植物從土壤溶液中以單硅酸(H4SiO4)的形式吸收硅，隨后沉淀于植物葉、莖和根的整個(gè)內(nèi)、外細(xì)胞結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)[6－8]。植物的各個(gè)部位都可產(chǎn)生硅酸體，其中以葉片中的數(shù)量最大。植硅體的主要成分為二氧化硅(67.0%～95.0%)，還有水分(1.0%～12.0%)，有機(jī)碳(0.1%～6.0%)。

由于不同植物的細(xì)胞形態(tài)不同，它們沉積硅的形態(tài)也就不同。在細(xì)胞壁沉積的二氧化硅往往復(fù)制活細(xì)胞的形態(tài)，而那些滲入細(xì)胞腔的二氧化硅則沒(méi)有固定的形態(tài)。植物組織內(nèi)二氧化硅沉積有3個(gè)位置，即細(xì)胞壁、細(xì)胞腔和皮層的間隙[9]。這種硅化作用導(dǎo)致碳在植硅體中的閉蓄[10]。Wilding等[11]認(rèn)為，任何植硅體中閉蓄的有機(jī)碳很可能是植物細(xì)胞內(nèi)的原有細(xì)胞質(zhì)有機(jī)組分。

植硅體分布非常廣，體積很小，其粒徑通常為幾微米至幾十微米。如禾本科Poaceae植物葉子中有植硅體 10 萬(wàn)～100 萬(wàn)個(gè)°g－1。

1.2 植硅體封存碳的特征與優(yōu)點(diǎn)

植硅體封存碳具有以下特征與優(yōu)點(diǎn):①具有很高的抗氧化性和抗分解能力。與土壤中的其他有機(jī)碳組分相比，PhytOC具有很高的抗氧化性，它的最早發(fā)現(xiàn)一直可以追溯到13 300 a前[11]。雖然200 a以下的現(xiàn)代表土中，PhytOC占總碳庫(kù)不到10.0%，但在有機(jī)物經(jīng)過(guò)1 000 a分解后的埋藏表土中，PhytOC可以占總碳的82.0%[6]，這說(shuō)明與土壤環(huán)境中的其他土壤有機(jī)碳成分相比，PhytOC具有很強(qiáng)的抗分解能力。②可以長(zhǎng)期保存在土壤中。PhytOC是包裹在植硅體的有機(jī)碳。由于它受植硅體保護(hù)，可長(zhǎng)期累積于土壤中達(dá)數(shù)千年之久[1]。時(shí)間消滅了很多植物，但沉積下來(lái)的植硅體卻沒(méi)有被消滅。Parr等[6]通過(guò)對(duì)位于巴布新幾內(nèi)亞西不列顛省納姆度地區(qū)的火山灰和古土壤互層中有機(jī)碳和植硅體碳研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)2 000 a的分解，植硅體碳所占土壤碳的比例由表土不到10.0%上升到2 000 a前的82.0%。③PhytOC是土壤中的一個(gè)安全碳匯。PhytOC是土壤總有機(jī)碳的一個(gè)重要成分。土壤中存在的安全碳的形態(tài)有物理性保護(hù)的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體 (如微團(tuán)聚)、木炭等和PhytOC，但PhytOC是最穩(wěn)定而安全的碳的形態(tài)[12]。土壤中的許多其他有機(jī)碳可能在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)分解而進(jìn)入大氣，而PhytOC在土壤中相當(dāng)穩(wěn)定，不參與大氣的碳循環(huán)，是儲(chǔ)存在土壤中的一個(gè)安全碳匯[6]。④PhytOC可以準(zhǔn)確量化。目前，正確量化土壤有機(jī)碳很難實(shí)現(xiàn)，而且量化土壤碳需要采集許多樣品，分析費(fèi)用也十分昂貴。然而，Jeff等[1]通過(guò)植物產(chǎn)生PhytOC過(guò)程的研究后認(rèn)為，這種碳含量可以準(zhǔn)確量化的。只要準(zhǔn)確地測(cè)量不同林分或農(nóng)作物進(jìn)入土壤的凋落物或秸稈數(shù)量和植硅體中PhytOC量，就可以精確地量化PhytOC在土壤中積累率，進(jìn)而推斷出某種林分或農(nóng)作物的PhytOC的總碳匯率。

2 植物中的植硅體

在碳循環(huán)和碳匯研究中，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為草本植物的莖稈等有機(jī)質(zhì)會(huì)快速腐爛分解，其碳匯為零，因此，在長(zhǎng)時(shí)間尺度的碳匯計(jì)算中，草本植物的貢獻(xiàn)被忽略不計(jì)。然而，最新的研究表明，地球上廣泛分布的草本植物(包括大部分農(nóng)作物)可以通過(guò)植硅體長(zhǎng)期(數(shù)千年至萬(wàn)年以上)封存大量的碳[1，6]，因而，這種新的碳封存方式越來(lái)越受到學(xué)界的關(guān)注。

2.1 植物對(duì)硅的吸收

許多植物種類(lèi)能有效地積累硅，因此，植物體本身就是一個(gè)相當(dāng)大的硅庫(kù)。陸地植物以植硅體的形式固定硅為1.68×109～5.60×109t°a－1，通過(guò)枯枝落葉返回到土壤中的植硅體有 92.5%被植物再吸收，7.5%進(jìn)入土壤庫(kù)。陸地植物從土壤植硅體庫(kù)吸收的硅量遠(yuǎn)超過(guò)從巖石風(fēng)化釋放吸收的硅量。植物對(duì)硅的吸收有主動(dòng)吸收和被動(dòng)吸收2種方式，各自所起作用的大小取決于植物的種類(lèi)和外界環(huán)境的硅濃度。

硅存在于所有植物體內(nèi)。植物組織內(nèi)積累的硅量以干質(zhì)量計(jì)變動(dòng)于0.1%～10.0%[13]。草類(lèi)，竹類(lèi)，水稻Oryza sativa，甘蔗Saccharum officinarum等作物含硅量較高。禾本科植物以地上部干質(zhì)量表示的二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0～3.0%[6]，其中水稻葉片的硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)可到5.0%以上。水稻65.5%的硅沉積在葉片中[14]。一些植物物種通過(guò)蒸騰作用吸取土壤溶液中單硅酸的能力比我們從預(yù)想的要強(qiáng)得多，而其他植物物種可以有效地排除單硅酸的攝取[14]。Marschner[14]根據(jù)植物硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)(二氧化硅，以地上部干質(zhì)量百分比表示)將高等植物分為3組:①莎草科Cyperaceae和禾本科濕地物種(如水稻)二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%～15.0%；②旱地禾本科(如小麥Triticum aestivum，甘蔗)和一些雙子葉植物二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～3.0%，③大多數(shù)雙子葉植物，特別是豆科Leguminosae，二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5%。

2.2 植物中的植硅體質(zhì)量分?jǐn)?shù)

根據(jù)生物礦化理論，正酸硅[Si(OH)4]分子能與細(xì)胞壁上的多糖親水羥基作用，聚合形成二聚體和環(huán)狀聚合物，而大部分硅沉積在次生細(xì)胞壁上，最后形成有各種排列結(jié)構(gòu)體的植硅體。這種植硅很可能是以次生細(xì)胞壁為模板，在由細(xì)胞質(zhì)外體的連續(xù)納米微腔內(nèi)沉積形成的[6]。

雖然硅發(fā)生在許多植物，有些樹(shù)種[12，16－17]與禾本科和莎草科等的草本植物一般被認(rèn)為是沉積植硅體的最多植物，也正是這些草本類(lèi)型一般能產(chǎn)生最多的PhytOC。因此，草原的長(zhǎng)期的植硅體積累率通常比森林要大5.0～10.0倍[18]。一些主要的農(nóng)業(yè)作物如大麥Hordeum vulgare，玉米Zea mays，水稻，高粱Sorghumvulgare，甘蔗和小麥都是植硅體的多產(chǎn)者。在印度，這些作物估計(jì)可固定PhytOC87.00×106t°a－1[13]。

植物中的植硅體所占比很低，一般為植物干物質(zhì)的10.0%以下。竹類(lèi)的植硅體較高，如10個(gè)重要經(jīng)濟(jì)竹種落葉層中植硅體占葉干質(zhì)量的1.600%～4.000%，而禾本科植物的植硅體較低，如中國(guó)的黍Panicum miliaceum和粟Setaria italica植硅體碳分別占其干物質(zhì)量的0.136%和 0.129%[5]。小麥、甘蔗中的植硅體分別為2.680% ～7.850%[22]和1.300%～2.600%[1]。小麥種植周期砂壤土上植硅體的生產(chǎn)量約為280.0 kg°hm－2°a－1。假設(shè)小麥秸稈(干質(zhì)量)含有二氧化硅 45.0 g°kg－1，那么 59 季小麥累計(jì)生產(chǎn)無(wú)定形植硅體硅約為 7 300.0 kg°hm－2[3－4]。

2.3 從農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中PhytOC的潛力和貢獻(xiàn)

世界上最重要的農(nóng)作物如大麥、玉米、水稻、高粱、甘蔗和小麥被認(rèn)為是植硅體的多產(chǎn)者[19－20]。這些農(nóng)作物的秸稈中含有大量的PhytOC，但其含量因作物的品種不同而有很大差異[4，6]。假定這些作物的30.0%秸稈可以通過(guò)秸稈還田、動(dòng)物糞便、堆肥和焚燒灰形式返回土壤，那么,印度這些作物估計(jì)最大可固定 PhytOC 約為 0.87×106t°a－1[13]。全球上述作 物生 產(chǎn) 的 PhytOC 為(5.08～18.97)×106t°a－1，其中(1.52～3.60)×106t積累在土壤中。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中高PhytOC品種貢獻(xiàn)碳約為2.08×106t。如果以這些作物最大植硅體量計(jì)算，那么總植硅體和總PhytOC分別可達(dá)38.41×106t和1.92×106t[13]。因此，用高產(chǎn)PhytOC作物品種取代低產(chǎn)PhytOC植物品種，可以增加PhytOC 1.05×106t°a－1[13]。以草原PhytOC平均1.5%計(jì)算，估計(jì)中國(guó)草原和全球草原地上部中PhytOC的生產(chǎn)速率(二氧化碳)分別為0.6×106t°a－1和 41.4×106t°a－1[21]。

2.4 植物中PhytOC的形成及積累率

在植物生長(zhǎng)過(guò)程中，活細(xì)胞中有機(jī)碳可包裹在植硅體中，被稱(chēng)為PhytOC。研究發(fā)現(xiàn)，PhytOC占植硅體質(zhì)量的 0.20%～5.78%[6，11，22－23]。

植硅體的生產(chǎn)率和長(zhǎng)期的封存植硅體中的碳封存率隨蓋覆在上面的植物群落不同而不同。例如，新南威爾士州東部的一個(gè)甘蔗品種，PhytOC積累率高達(dá)18.0 g°m－2°a－1，這比以前在觀察到自然植被群落高30.0倍以上，也比自然植被下陸地平均土壤碳封存率高7.5倍[24]，而普通黍和粟PhytOC的積累率就低得多，分別為 0.023 t°hm－2°a－1和 0.020 t°hm－2°a－11[5](二氧化碳)。

植硅體的生產(chǎn)速率和碳閉塞在PhytOC中的速率隨不同的植物群落的不同而有巨大差異[13]。來(lái)自全世界25個(gè)國(guó)家的53個(gè)小麥品種的PhytOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)占干葉和莖生物量的0.06%～0.60%，其變幅高達(dá)10 000%[25]。不同毛竹 Phyllostachys edulis品種 PhytOC 積累率的變幅(二氧化碳)為 0.008～0.709 t°hm－2°a－1[26]； 小麥生物封存 PhytOC 的潛力(二氧化碳)為 0.246 t°hm－2°a－1[25]；不同甘蔗品種積累 PhytOC 率變幅(二氧化碳)為 0.120～0.360 t°hm－2°a－1[1]。在印度，種植高產(chǎn) PhytOC 的這些作物估計(jì)可多生產(chǎn) PhytOC 1.05×106t°a－1[13]。因此，在不同的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，選擇高產(chǎn)PhytOC品種對(duì)提高陸地碳匯有很大的潛力。

植物中植硅體含量還與環(huán)境中pH值有關(guān)。葛勇等[27]的研究顯示，松嫩平原5種羊草葉片中植硅體形態(tài)特征和數(shù)量受土壤pH值控制。隨著環(huán)境中pH值的增加，弱齒形、尖形以及硅化的氣孔的數(shù)量都出現(xiàn)了增加的趨勢(shì)，氣孔體積有變大的趨勢(shì)，植硅體總的數(shù)量有減少的趨勢(shì)。

3 土壤中植硅體

土壤中的PhytOC可能是難以分解的有機(jī)物中的一員，其在陸地碳循環(huán)中的重要性已經(jīng)逐漸被學(xué)術(shù)界關(guān)注[25]。

3.1 土壤中的植硅體的形成與去向

植物與礦物的聯(lián)系實(shí)際是很密切的，植物從土壤中吸收到硅，然后硅以蛋白石的形式沉淀在植物細(xì)胞內(nèi)。土壤本身并不產(chǎn)生植硅體，但是隨著植物的自然死亡、腐爛或通過(guò)動(dòng)物的排泄、大火等原因，植硅體從有機(jī)體中釋放到土壤中。在很難保存花粉和其他生物化石的地層(如第三紀(jì)乃至晚白堊紀(jì))及火災(zāi)灰燼層中都發(fā)現(xiàn)了它[29－30]。

土壤中的植硅體在陸地環(huán)境的去向由下列過(guò)程所決定，例如:侵蝕、運(yùn)輸由風(fēng)或水造成的搬遷、森林火災(zāi)燃燒所造成的損失，或在通過(guò)動(dòng)物消化系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的生化變化。然而，不論最后的去向如何，植硅體的穩(wěn)定性和持續(xù)性已被廣泛證明[31－33]。PhytOC的生化變化，特別是微生物氧化幾乎不會(huì)發(fā)生。有證據(jù)顯示，PhytOC不受森林火災(zāi)的影響，它在哺乳動(dòng)物腸道內(nèi)也不發(fā)生生化變化。5.0cm以下土層中植硅體約占50.0%[34]。在鐵鋁土中，PhytOC可遷移到2.2 m的土層內(nèi)[35]。植硅體在砂壤土(始成土)和粉砂壤土(淋溶土)的平均移動(dòng)距離分別為(3.99±1.21)和(3.86±0.56) cm°a－1[34]。這種遷移主要?dú)w因于滲濾水的作用[36]。與此相反，Piperno[37]則認(rèn)為，PhytOC在土壤剖面中的遷移非常小，因?yàn)橹补梵w通常出現(xiàn)在近代土壤的上層，而B(niǎo)層中的較低。決定PhytOC遷移的主要因素是植硅體的大小和形狀。

3.2 土壤中植硅體量

雖然土壤中植硅體量通常低于土質(zhì)量的3.0%[38]，但有的土壤達(dá)20.0%～30.0%，某些土層幾乎可以完全由植硅體構(gòu)成[39]。土壤中中硅酸體的數(shù)量可以有幾個(gè)數(shù)量級(jí)差異[18]，主要取決于地上生物量中植硅體的類(lèi)型[6，13]。例如，新墨西哥州土壤中的植硅體積累率僅為 8.0～10.0 kg°hm－2°a－1[30]，而俄勒岡則可高達(dá) 300.0 kg°hm－2°a－1[41]。后者有如此高的形成率的原因是由于土壤大多發(fā)育于易風(fēng)化火山巖硅母質(zhì)[42]。Al-Ismaily[42]估計(jì)，小麥種植周期砂壤土上植硅體的生產(chǎn)量約為 280.0 kg°hm－2°a－1。假設(shè)小麥秸稈(干質(zhì)量二氧化硅)含有45.00 g°kg－1，那么59季小麥累計(jì)生產(chǎn)無(wú)定形植硅體硅約為7 300.0 kg°hm－2。一般熱帶雨林、熱帶島嶼、半干旱草原的土壤中的植硅體量都較高[43]。浙江慈溪濱海沉積物上發(fā)育的5個(gè)具有不同植稻年齡的土壤中的植硅體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變幅為 3.67～17.51 g°kg－1[44]。

并非植物產(chǎn)生的所有植硅體都可返回到土壤。控制土壤中植硅體的增加量有若干因素，其植物因素包括作物品種和年齡、植物的不同器官、植硅體的量、植硅體大小和形狀、返回到土壤中的作物殘茬數(shù)量，而土壤因素包括大孔隙的結(jié)構(gòu)、土壤質(zhì)地、黏粒量、土壤水分和微生物群落及其在土壤中的活動(dòng)。因此，在一個(gè)特定環(huán)境和管理?xiàng)l件下，某種植物物種所產(chǎn)生的PhytOC數(shù)量以及返回到土壤中的PhytOC數(shù)量是可以量化的[13]。

3.3 土壤中PhytOC的積累率

植硅體可以是土壤中總有機(jī)碳在的一個(gè)主要組分。自然植被下，土壤中的PhytOC所封存碳為0.40～2.40 g°m－2°a－1[6，45]。據(jù)估計(jì)，熱帶和亞熱帶地區(qū)的 PhytOC 積累率常接近，其范圍為 0.72～0.88 g°m－2°a－1，而溫帶土壤中的PhytOC平均積累率為15.00 g°m－2°a－1[13]。植硅體的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.40%的美國(guó)俄亥俄州的 2 個(gè)溫帶土壤的 PhytOC 積累率(碳)為 0.36 g°m－2°a－1[11]。

3.4 影響土壤PhytOC的累積率的因素

土壤中PhytOC的累積率主要取決于植物中PhytOC產(chǎn)生通量[26]和土壤中植硅體的地球化學(xué)穩(wěn)定性[6]。土壤的植硅體積累率除了受植物物種的影響外，還受包括土壤因素(例如土壤溶液中的單硅酸濃度)、氣候、地貌和土壤管理等的影響[18]。植物中PhytOC產(chǎn)生通量除了與凋落物年產(chǎn)生量有關(guān)外，還受凋落物中植硅體質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及植硅體中PhytOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制[17]。

土壤碳封存率(二氧化碳)，產(chǎn)生 PhytOC 高的比產(chǎn)生 PhytOC 低的甘蔗品種多 0.4 t°hm－2°a－1[1]。植硅體隨植稻年齡的增加沒(méi)有表現(xiàn)出有規(guī)律的增加或減少趨勢(shì)。植硅體在水耕人為土中不易移動(dòng)，與起源土相比，水耕人為土表層植硅體含量有較大程度的增加，說(shuō)明植稻有利于植硅體在土壤表層富集[44]。

土壤中植硅體含量隨土壤層深度的增加而減少。李仁成等[45]對(duì)桂林市境內(nèi)的碳酸鹽巖土壤剖面的研究顯示，表土含豐富且形態(tài)多樣的植硅體；從表層往下植硅體含量迅速減少，20.0 cm以下植硅體含量極少或沒(méi)有，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的植硅體富集層。

3.5 土壤碳周轉(zhuǎn)的模型的重要意義

土壤有機(jī)碳在陸地碳循環(huán)中占有主導(dǎo)地位。陸地碳循環(huán)可用來(lái)減緩人為二氧化碳排放量的增加。在全球范圍內(nèi)，儲(chǔ)存在土壤內(nèi)的有機(jī)碳控制著碳循環(huán)，因而通過(guò)對(duì)它適當(dāng)?shù)墓芾砜蓽p緩溫室氣體排放[13]。

PhytOC已被證明是土壤中一個(gè)重要的長(zhǎng)期陸地碳組分[6]。長(zhǎng)期封存的土壤有機(jī)碳只占凈初級(jí)生產(chǎn)率的0.7%[46]。長(zhǎng)期(數(shù)年至數(shù)千年)土壤有機(jī)碳封存機(jī)制被認(rèn)為是對(duì)有機(jī)礦物復(fù)合體中的難分解有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù)[47]，木炭的形成也可被認(rèn)為是土壤碳的長(zhǎng)期封存機(jī)制[36]。鑒于PhytOC在土壤可以積累一定數(shù)量，而且它因抗分解而顯示其十分穩(wěn)定，對(duì)許多土壤物質(zhì)而言，它可能是大部分土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)模型中一個(gè)相當(dāng)重要部分。

雖然在幼年(200 a)表土層中的PhytOC只占土壤碳的一小部分，但由于在老年表土中的其他大部分土壤有機(jī)質(zhì)相當(dāng)易于分解，使得1 000 a后在排水良好土壤中的PhytOC提高到占總碳庫(kù)的42.0%[13]。據(jù)預(yù)測(cè)，在澳大利亞2 000 a后埋藏于2.0 m表土的PhytOC可占總土壤碳的82.0%，而在這一時(shí)期的總碳組分濃度則明顯下降[6]。

4 提高土壤PhytOC積累率的農(nóng)學(xué)措施

近年來(lái)，全世界的科學(xué)家正在積極探索增加土壤中PhytOC的潛力。Parr等[6]計(jì)算的PhytOC積累率遠(yuǎn)低于從農(nóng)地或森林改變?yōu)樯只虿莸氐钠骄烫悸?33.5 g°hm－2°a－1)[47]，也遠(yuǎn)低于從傳統(tǒng)耕作轉(zhuǎn)變?yōu)槊飧r(nóng)地的平均固碳率(50.7 g°hm－2°a－1)[48]。然而，因土地利用方式改變所引起的固碳時(shí)間十分短暫(幾十年)[48]，而PhytOC內(nèi)封存的碳將持續(xù)數(shù)千年。通過(guò)土地利用變化如造林綠化所固定的大部分碳是容易分解的，而PhytOC封存的碳是一種較為穩(wěn)定的土壤碳。

由于不同的植物物種之間(或植被類(lèi)型)產(chǎn)生PhytOC存在差異，使我們有可能通過(guò)選擇和種植高產(chǎn)PhytOC的植物物種來(lái)提高陸地長(zhǎng)期被封存的碳匯。例如，種植甘蔗可以在短期內(nèi)增加土壤內(nèi)的PhytOC，因?yàn)楦收岬腜hytOC積累率高達(dá)18.1 g°hm－2°a－1。此外也可以改變土地利用方式(如從傳統(tǒng)耕作轉(zhuǎn)變?yōu)槊飧r(nóng)地)來(lái)提高土壤中的PhytOC[48]。研究表明，可以通過(guò)種植高產(chǎn)PhytOC植物來(lái)提高短期和長(zhǎng)期的碳匯以及土壤環(huán)境中PhytOC的穩(wěn)定性[8]。這樣的作物有很多是重要的經(jīng)濟(jì)作物，如大麥、玉米、水稻、高粱、甘蔗和小麥[12，51－54]。土地中造林或再造林也有這樣的效果，但由于草地的長(zhǎng)期PhytOC積累率比林地要大5.0～10.0倍[38]，因此必須將造林或再造林提高的短期固碳效益與林下的長(zhǎng)期PhytOC碳匯進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。

在世界范圍內(nèi)，土地利用的變化是人類(lèi)最為強(qiáng)烈的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)之一，可引起植物群落組成與結(jié)構(gòu)以及養(yǎng)分的生物地球化學(xué)循環(huán)的顯著變化[44]。因此，土地利用變化也有可能通過(guò)改變植物凋落物年產(chǎn)生量、植硅體質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及土壤中植硅體的地球化學(xué)穩(wěn)定性等途徑影響土壤中PhytOC的累積率。

上述結(jié)果說(shuō)明，通過(guò)土地利用變化如耕地轉(zhuǎn)化為林地或草原，或從傳統(tǒng)耕作轉(zhuǎn)變?yōu)槊飧?，均可以提高土壤中PhytOC的積累率。此外，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)淖魑锖推贩N，有可能大大增加土壤在農(nóng)業(yè)中長(zhǎng)期的碳吸存率。

5 植硅體在全球土壤碳匯中的重要作用

當(dāng)前對(duì)于植硅體的研究主要集中于古環(huán)境與古氣候重建、農(nóng)業(yè)與環(huán)境考古、古生態(tài)以及植物分類(lèi)學(xué)等方面，但是近年來(lái)，土壤PhytOC作為一個(gè)重要的長(zhǎng)期的陸地碳庫(kù)，在調(diào)節(jié)全球碳循環(huán)和緩解全球氣候變暖趨勢(shì)等方面具有的重要作用已經(jīng)引起環(huán)境科學(xué)家和農(nóng)業(yè)科學(xué)家的極大關(guān)注[5－6]。這是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的增加使得能夠進(jìn)行木本植物生產(chǎn)的土地面積變得愈來(lái)愈少，因而，提高植物和土壤的PhytOC積累是增加各種農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳匯的一個(gè)有效途徑[1，6，13，26]。目前，一些國(guó)家的研究人員正在探索減少農(nóng)業(yè)中碳排放并增加土壤中捕獲碳量的潛力。他們的研究認(rèn)為，土壤內(nèi)PhytOC的積累是陸地封存碳的一個(gè)重要過(guò)程。業(yè)已證明，在土壤環(huán)境中穩(wěn)定的植硅體閉蓄碳被認(rèn)為是土壤有機(jī)碳的一個(gè)重要部分，其積累在陸地碳封存中是一個(gè)重要的過(guò)程，它對(duì)陸地碳的長(zhǎng)期(千年)封存有巨大貢獻(xiàn)[13]。提高PhytOC的產(chǎn)量和積累具有很大的潛力，從而增加陸地碳的封存量[6]。

應(yīng)當(dāng)肯定封存在植硅體內(nèi)的土壤有機(jī)碳(SOC)在土壤碳封存中的作用，加深對(duì)植硅體的理解可以拓寬硅和有機(jī)碳的了解。植硅體碳有可能是生物地球化學(xué)循環(huán)中丟失碳匯的一部分，研究不同農(nóng)作物植硅體封存的碳量，可以客觀認(rèn)識(shí)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)變化的影響。

PhytOC被稱(chēng)為是儲(chǔ)存在土壤在中的安全碳，因?yàn)樗苤补梵w保護(hù)可長(zhǎng)期累積于土壤中，從而成為陸地土壤長(zhǎng)期(萬(wàn)年尺度)固碳的重要機(jī)制之一[30]。它在土壤中相當(dāng)穩(wěn)定，可以封存在土壤中數(shù)千年而不被分解，同時(shí)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生的PhytOC率比自然植被群落更大[45]，因而有可能通過(guò)人工的選擇和培育新的作物品種來(lái)增加土壤中的PhytOC。以千年的時(shí)間尺度來(lái)衡量，估計(jì)全球平均土壤有機(jī)碳積累率為2.4 g°m－2°a－1，其中 PhytOC 積累率占 15.0%～37.0%[45]。如果 PhytOC 是提高土壤安全碳的封存率，那么它必須滿(mǎn)足2個(gè)條件:①在土壤中相對(duì)穩(wěn)定，且抗分解；②農(nóng)業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生PhytOC率比自然植被群落更大。

最近的研究表明，全球竹林會(huì)通過(guò)植硅體長(zhǎng)期封存(二氧化碳 )15.6×106t°a－1。Parr等[26]研究認(rèn)為，如果全球4.1×109hm2的潛在耕地都選擇栽竹子，按照中等的植硅體碳封存率(0.36 t°hm－2°a－1)，全球植硅體碳(二氧化碳)封存量將達(dá)到1.5×109t°a－1。這一碳封存率將有效地減少全球二氧化碳排放量，其占當(dāng)前增加大氣二氧化碳排放量的11.0%[26]。

6 需要研究的問(wèn)題

盡管PhytOC在全球土壤碳匯中有如此的重要作用，但目前國(guó)外對(duì)植硅體的研究?jī)H限于竹類(lèi)、水稻、甘蔗、小麥等少數(shù)林木和農(nóng)作物上[5－6]，中國(guó)僅對(duì)水稻、黍、粟、羊草等少數(shù)作物有少量研究，而對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)中PhytOC的研究尚處于空白狀態(tài)。有鑒于此，必須在以下幾個(gè)方面開(kāi)展深入研究:①進(jìn)一步研究不同作物生產(chǎn)系統(tǒng)中增加PhytOC在土壤固碳中的潛力，其中包括亞熱帶地區(qū)不同林分、不同竹種下土壤PhytOC積累率的比較研究和退耕還草后土壤PhytOC積累率的研究。②由于亞熱帶森林土地利用方式的改變所引起的PhytOC在土壤中積累率的變化。③今后應(yīng)當(dāng)把主要的研究集中在應(yīng)用育種和生物技術(shù)選育出更高PhytOC產(chǎn)量的農(nóng)作物品種，同時(shí)還需要研究通過(guò)施用硅肥的方法來(lái)提高植物生產(chǎn)PhytOC的能力。④中國(guó)竹林、甘蔗、草地、稻麥等每年通植硅體長(zhǎng)期封存PhytOC的估算。⑤中國(guó)水稻栽植面積很大，所產(chǎn)生的秸稈大部分被燃燒，對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染。由于植硅體固定的碳在土壤環(huán)境中比較穩(wěn)定，因此，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化秸稈還田對(duì)提高水稻土的長(zhǎng)期固碳能力的研究。⑥植硅體和土壤總硅之間呈極顯著正相關(guān)[32]，但植硅體中的有機(jī)碳量并不直接與植物中硅的量有相關(guān)，而是與植物封存碳的效率相關(guān)[1]，因此，有必要進(jìn)一步探討土壤硅量與PhytOC積累率之間的關(guān)系。

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