中国陆地生态系统植硅体碳汇研究进展

植硅体碳(Phytolith-Occluded Carbon,Phyt OC)是一种相对稳定的碳组分,在生物地球化学碳循环和减缓全球变暖中扮演着重要角色。在总结前人研究的基础上,论述了植硅体碳的形成机制和其碳汇能力的影响因素,综述了当前中国陆地生态系统植硅体碳汇的研究成果,探讨了中国陆地生态系统植硅体碳汇的调控机制,最后对未来中国陆地生态系统植硅体碳汇的研究方向进行了展望。气候、地表植被类型、土壤环境及植硅体自身化学组份等诸多因素都将直接或间接影响植硅体的碳汇能力。中国草地、农田、森林、湿地和灌丛生态系统植硅体碳产生速率分别为(0.6±0.1)×106,(4.9±1.7)×106,(1.9±0.4)×106,(0.6±0.5)×106和(1.3±0.3)×106t CO2/a。含硅材料施加、高硅植物栽培和传统的提高植物地上净初级生产力等措施均可显著提高中国陆地生态系统植硅体碳汇潜力。今后应进一步研究不同植物产生植硅体碳的机理,加强不同陆地生态系统中植物地下部分植硅体碳汇能力的研究,对不同陆地生态系统土壤植硅体碳汇量进行量化,并提出更加全面、经济、合理的管理措施以提高植硅体碳汇量。     

植硅体14C测年研究:过去、现在与未来

文章回顾了植硅体14C测年发展的历史,对当前其研究的现状进行了全面的总结和评述,对近年来其研究的争议进行了梳理。植硅体测年研究中存在的问题(如污染和老碳效应等)在其他材料测年过程同样存在,不能基于少量现代植物植硅体测年的异常数据而完全否定其意义。大量的测年数据显示,并不是所有的植硅体年代都偏老,相反地层中的植硅体年代与同层位其他材料的年代重合或接近。因此,在一些缺少其他有机质测年材料的地层,植硅体14C测年仍然是一种极具潜力的年代学方法,在构建一些重要环境和考古文化时间标尺上将会发挥更重要的作用。     

植硅体化学组成研究进展

现代植物植硅体化学组成研究有利于揭示植硅体的化学组成与细胞形态、植物种类及植物生长环境之间的关系,认识植硅体形成机制、植物分类及生态意义。植硅体化学组成测试方法多种多样,主要涉及植硅体化学元素组成及Si、O和C元素同位素组成测定,研究表明植硅体主要含二氧化硅和水,封闭有少量的有机成分及多种矿质元素。在植硅体封闭有机成分存在形式,部分元素的形成、迁移等循环机理,稳定碳同位素组成、分布及其生态指示意义以及^14C测年研究等方面取得一定认识。植物种类、组织部位、细胞微环境以及植物生长的环境因子能够影响植硅体的化学组成。植硅体化学组成研究对植硅体形成机制及碳、硅等元素循环具有重要意义,植硅体部分化学元素、植硅体稳定同位素组成及^14C测年具有较好的古环境及考古研究潜力。现代植物植硅体化学组成及其与环境因子的关系,以及植硅体电子探针微区研究有待于进一步深入开展。     

草地退化对植物硅分布和植硅体碳汇的影响:以北方农牧交错带草地为例

草地生态系统中,硅(Si)不仅在植物生长过程中扮演着重要的角色,而且通过形成植硅体碳(Phytolith-Occluded Carbon,简称PhytOC)的方式参与陆地生态系统碳循环。近几十年来,由于人为干扰等因素导致的草地退化引起了广泛的关注。本研究中,我们选取了我国北方农牧交错带中30个不同退化程度的样地,分析了8种常见植物(共71个样品)地上部分Si含量和分布特征,并估算了植硅体碳产生通量。结果发现,随着草地退化的加剧,糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)地上部分Si含量呈下降趋势,而羊草(Leymus chinensis)表现为先上升后下降的倒"V"型。不同退化程度样地植物地上部分Si平均含量分别为12.25±1.02 g/kg(轻度)、10.56±1.15 g/kg(中度)和8.06±0.93 g/kg(重度),而植硅体碳产生通量显著下降,分别为0.320±0.038 kg/(ha·a)、0.190±0.021 kg/(ha·a)和0.068±0.006 kg/(ha·a)(P<0.05)。研究表明,草地退化对不同种类植物的Si含量和产生通量的影响不同,这可能是由于植物的功能类型不同造成的。草地退化可以导致种群结构的变化和地上净初级生产力(ANPP)的降低,从而影响草地植物地上部分Si的分布和植硅体的固碳能力。当退化严重时,初步估算北方农牧交错带内草地植物地上部分植硅体固碳速率将下降5倍以上。     

植硅体形态测量学研究与应用概述

植硅体形态测量学是植硅体研究的重要方向之一,随着学科交叉研究的深入,植硅体形态测量学在植物分类与生态学、环境考古学、全球变化与生态响应等领域得到快速发展。综合已有研究成果表明,长鞍型植硅体形态测量学在日本、中国的竹亚科属一级竹类生态学具有独特的指示作用,而扇型和长鞍型形态测量学在中国西南西双版纳竹亚科木本竹子属一级分类中具有重要的参考价值;稻亚科扇型形态测量学可以有效区分籼稻与粳稻,且扇型鱼鳞状纹饰与颖壳双峰植硅体形态测量学结合可以准确判别亚洲栽培稻与普通野生稻;黍亚科树状表皮长细胞形态测量学被成功运用到区分中国西北黍和粟及其亲缘物种的关系,葫芦科南瓜属刻面球型植硅体形态测量学揭示了野生种、半驯化种和驯化种之间植硅体形态大小及其关系,证实南美洲低地地区早全新世出现的南瓜驯化历史;中国东北不同环境条件下的禾本科羊草、芦苇植硅体形态测量学研究反映了陆生植物对全球变化的生理生态响应,为研究陆地生态系统对全球变化的响应及古环境重建提供了重要参考。     

植硅体稳定同位素生物地球化学研究进展

植硅体形态鉴定与组合分析广泛应用于古环境重建和农作物起源分析等.鉴于植硅体的抗腐蚀、抗降解,易保存,锢囚的碳不易污染,且保存了植物的原始信息等特性,其有机地球化学研究日益被重视.植硅体稳定同位素分析表明植硅体是植物通过吸收单硅酸,以蒸腾作用为主要动力,在植物的不同部位发生同位素分馏淀积形成,其稳定同位素组成具有丰富的植物生理和环境信息.植物不同部位植硅体稳定同位素组成具有差异,其含量和硅、氧同位素值沿蒸腾流通常有增加的趋势.沉积物植硅体碳同位素分析不仅可以用于恢复草本的C3、C4植物生物量的比例,并且有可能重建古大气的碳同位素构成,是三者中最具有潜力的考古学、古环境研究的指标.植硅体有机化学组成分析,特别是类脂物分析,有利于认识植硅体碳同位素值相对于总有机碳偏负,C3、C4草本植硅体同位素差值范围缩小的原因.     

不同增温方式下芦苇植硅体数量变化特征的对比分析

由于未来全球变暖的情况仍可能持续,了解陆地生态系统对温度升高的响应对研究全球变化具有重要的参考价值.本文利用开顶式气室(Open Top Chamber,简称OTC)和红外线辐射器(Infrared Radiator,简称IR)对位于松嫩草原西南部吉林省长岭县腰井子村种马场境内的芦苇(Phragmites communis)群落进行模拟温度升高处理,研究增温对芦苇植硅体数量的影响.OTC增温方式设置两种不同的规格,分别用OTC-Ⅰ和OTC-Ⅱ表示,即本文利用OTC-Ⅰ、OTC-Ⅱ和IR这3种不同的增温方式来模拟温度升高,每种增温方式均设置了3个不同温度梯度的增温处理和1个对照处理,以期更详细的研究芦苇中植硅体数量与温度因子之间的动态关系.实验发现,3种不同增温方式对芦苇鞍型植硅体和芦苇硅化气孔的影响一致,即增温后芦苇鞍型植硅体的数量增加、芦苇硅化气孔的数量有所减少;在3种不同增温方式的影响下,芦苇尖型植硅体对增温的响应存在差异,在OTC(OTC-Ⅰ、OTC-Ⅱ)增温方式下,增温后芦苇尖型植硅体的数量减少,但在IR增温方式下,增温后芦苇尖型植硅体的数量增加.通过对比不同增温方式下芦苇植硅体数量变化特征的异同,有利于得出比较全面和令人信服的结论,同时为今后广大学者根据实际情况选择适宜的增温装置提供参考.     

植硅体在河流硅输送中的作用

高等植物产生的植硅体是古气候和古环境研究的重要手段,也是陆地硅循环中重要的硅的储库;植硅体通过河流的跨区域输送在全球硅的生物地球化学循环中起着重要作用,是区域硅循环研究的重要载体,然而这方面的关注却很少。河流输送的生物硅大致分为自源和异源两种类别。"自源"生物硅主要包括河流水体本身自生浮游植物(主要是淡水硅藻)产生的硅质颗粒;"异源"生物硅主要由流域土壤的侵蚀输出到河流的植硅体所构成。流域地表过程是使得部分土壤中的植硅体进入河流的主要途径,并成为河流生物硅输送中重要的形式,这对河流-河口水循环体系的硅生物地球化学循环过程产生了重要的影响,但人们对河流输送的植硅体在硅循环中的作用的研究还不够。文章着眼于陆海相互作用研究,以河流中水体携带的植硅体为中心,总结了河流植硅体输送在地表水体硅循环系统中贡献的研究进展,分析了长江与黄河植硅体入海通量与河口行为及对近海海洋环境的影响。最后,对未来河流输送的植硅体参与硅循环研究可能需要加强的科学问题提出了建议。     

长白山区湿地表土植硅体特征及其环境意义*

湿地在全球环境变化中扮演着十分重要的角色,湿地表土中的植硅体分析是恢复第四纪古环境的重要途径。文中选取长白山区的桦南到哈尼一线的6处湿地表土,并采用PCA和CA分析植硅体组合的环境指示意义,结果显示：温度因子是造成长白山不同湿地表土植硅体组合差异的第1环境因子,且植硅体的种类和含量与采样点上覆植被、湿度与海拔等环境条件都存在相关性。结合方差分析和植硅体大小变化趋势分析曲线可以看出,不同表土中符合方差分析条件的植硅体类型的大小随着温度的升高而增大。总体来看,长白山区6处湿地中,植硅体类型基本相同,但温暖指数和植硅体的大小差异较显著,说明植硅体大小及其组合对温度都有较敏感的响应。     

东北地区土壤有效硅的时空分异及其对芦苇植硅体形成的影响

在东北地区按温湿差异选取12个芦苇样点,对其芦苇植硅体、芦苇中有效硅和土壤有效硅进行研究,分析土壤有效硅对植硅体形成的影响,对于植硅体形成机理和古环境重建具有重要意义.结果表明,土壤有效硅含量和植硅体浓度在样点间存在明显差异.在芦苇的不同生长期,土壤有效硅含量差异不明显,芦苇中有效硅含量差异明显.7、8月时,植株吸收的有效硅主要用于植硅体的形成,植硅体浓度较高,且易受到土壤与芦苇有效硅含量比值的影响.9、10月植硅体浓度较低,可能由于成熟期芦苇叶片中硅含量较少而形成较少植硅体.土壤和芦苇有效硅含量的比值约为4时,硅吸收方式可能从主动逐渐转变为被动.此外,芦苇中多数形态的植硅体浓度和土壤与芦苇有效硅含量的比值呈负相关,说明土壤有效硅含量的变化对芦苇植硅体的形成有着一定影响.     

黄土高原平凉地区中全新世以来孢粉-植硅体记录对比研究

对位于甘肃省平凉县大寨村的平凉剖面(0–142 cm)进行年代测试、孢粉及植硅体分析。从孢粉角度反映8.50 Ka BP气候经历了冷干—凉干—偏凉偏湿—凉干—偏凉偏湿—偏凉偏干的变化过程。从植硅体的角度经历了凉湿—暖湿—暖湿(具有变冷的趋势)—凉湿—偏凉偏干的变化过程。选取含量较高且具有典型环境指示意义的四种科属孢粉(云杉属、松属、禾本科、蒿属)与四种类型植硅体(扇型、长方型、棒型、尖型)进行对比,结果表明:孢粉记录的气候与植硅体记录的气候特征总体趋势相同,但存在一定的差异。孢粉含量较为丰富的气候带与植硅体气候带有很好的对应关系,反映的气候类型较为准确;当孢粉带中其他花粉含量很少,仅含有较多传播能力强、不具代表性的花粉(如松属)时,孢粉指示的气候环境准确性较低。而植硅体样品在整个黄土剖面中含量都较高,反应的气候特征较为准确,因而在孢粉含量较少的黄土高原,相较于孢粉而言,植硅体是较为有效的古气候研究手段。     

植硅体圈闭碳地球化学研究进展

植硅体是一种地球化学稳定性非常高的植源性非晶质二氧化硅颗粒物,在其形成过程中会圈闭一定量的有机碳。目前,植硅体圈闭碳(简称植硅体碳)被认为是一种稳定的碳汇机制,对调节全球气候变化具有重要意义,同时,植硅体碳同位素的研究对于古环境、古气候重建等研究领域具有重要的价值,因此,植硅体圈闭碳的地球化学研究受到许多学者的关注。基于国内外学者对植硅体、植硅体圈闭碳及其相关领域的研究成果,综述了植硅体的形成过程、化学元素组成、地球化学稳定性、植硅体碳汇以及植硅体碳同位素在古环境研究中的应用5个方面的研究进展,同时总结了当前植硅体及其圈闭碳在地球化学过程研究中所面临的主要问题,对于未来继续开展植硅体地球化学研究工作具有重要意义。     

东北地区湿度梯度下的表土植硅体的空间分布规律

植硅体的现代过程研究是恢复古环境的基础,探讨表土植硅体分布及组合特征对环境因子的响应尤为重要。沿中国东北地区年均温为4 ℃等温线采集70块表土样品,研究了单一温度因素控制下表土植硅体的空间分布规律,以期获得不同类型植硅体对降水的响应。研究结果表明:所有表土样品中植硅体丰富且数量较多,主要有棒型、尖型、块状、扇型、扁平状、短鞍型、帽型、哑铃型、齿型、三棱柱型、导管型、硅质突起、硅化气孔、弓型和多面表皮植硅体;且主要以短细胞、棒型、尖型为主,其平均百分含量之和高达80.77%,块状、扁平状、扇型次之,其他类型的植硅体含量较少。方差分析结果表明:棒型、三棱柱型、硅质突起、哑铃型和扁平状在大兴安岭、松嫩平原和长白山之间存在显著性差异,且棒型、三棱柱型、硅质突起的百分含量与年降水量具有极显著的正相关性,哑铃型的百分含量与年降水量具有极显著的负相关性。总之,年均温为4 ℃等温线上70块表土样品中植硅体类型基本相同,但不同类型植硅体的百分含量存在差异,说明本研究区域内表土植硅体组合特征对降水的响应较为敏感。     

浙江余姚田螺山遗址土壤植硅体AMS~(14)C测年初步研究

植硅体(phytolith)是植物体细胞中非晶体二氧化硅脱水后的产物。非晶体二氧化硅的一个聚合基有活性,能够结合植物细胞中的有机碳。植物体死亡后,非晶体二氧化硅脱水,形成坚硬的硅质物,具有抗风化、抗腐蚀、耐酸的特点。植物原生的有机碳被封闭在植硅体内,与外界隔绝,被很好地保存了下来。利用植硅体进行~(14)C年代测定,可以得到植物体死亡的年龄。本研究采集浙江田螺山新石器时代遗址水稻田土壤样本,提取其中的植硅体,通过元素分析、红外光谱进行鉴定,并利用加速器质谱对植硅体样品进行~(14)C年代测定,以期得到水稻田的使用年代;对同层位炭化植物种子也利用加速器质谱进行了~(14)C年代测定。对比结果显示,植硅体年代数据与炭化植物种子的年代在3σ误差范围内一致,植硅体年代数据的中值比炭化植物种子的年代数据中值略有偏老。可以认为植硅体的年代基本上代表了水稻田被使用的年代,植硅体测年可以作为植物年代测定的有效手段。同时,本文尝试针对本研究植硅体年代数据偏老的部分原因做了一点讨论。     

闽江河口湿地典型植物群落及交错带植硅体碳分布特征研究

湿地既是"碳汇"也是"碳源",研究发现,碳可以被长久稳定地封存在植硅体内,不同植物的植硅体封存碳的能力有明显差异。选取闽江河口鳝鱼滩湿地芦苇群落、短叶茳芏群落、互花米草群落及交错带为研究对象,研究这3种植物植硅体碳(Phytolith-Occluded Carbon,简称PhytOC)含量和储量的空间变化特征和影响因素,探讨PhytOC含量在纯群落和交错带的差异,为研究植物竞争和碳循环过程提供依据。结果表明:受水文条件、植物生长和空间扩展等影响,闽江河口湿地植物PhytOC含量整体表现为近岸区高于近海区,PhytOC储量表现为纯群落高于交错带。PhytOC含量依次表现为芦苇纯群落(4.14 mg/g) > 交错带芦苇(3.67 mg/g) > 与芦苇交错的短叶茳芏(3.08 mg/g) > 互花米草纯群落(2.70 mg/g) > 与互花米草交错的短叶茳芏(1.96 mg/g) > 交错带互花米草(1.86 mg/g) > 短叶茳芏纯群落(1.75 mg/g)。短叶茳芏与芦苇相互扩展中短叶茳芏植物整体及各器官PhytOC含量均升高,而与互花米草相互扩展时短叶茳芏除了根系、茎以外各器官PhytOC含量均下降。3种植物各器官在交错带中PhytOC储量分配比明显不同于纯群落,根系PhytOC储量的分配比上升,提高了根系竞争力。芦苇、短叶茳芏、互花米草通过植硅体封存的碳储量分别占植物碳储量的0.27%、0.15%和0.07%,但植物间的扩展过程影响了植物的PhytOC储量,其中短叶茳芏与互花米草形成的交错带中短叶茳芏下降幅度最高(56.29%),互花米草下降幅度最低(26.15%)。由此可见,植物的空间扩展对植物PhytOC含量、储量以及在不同器官的分配比都有一定的影响,短叶茳芏在与芦苇和互花米草竞争时分别采取不同的PhytOC分配机制。     

长白山泥炭湿地主要植物植硅体形态特征研究

对长白山地区常见的泥炭地25个属31个种植物进行了植硅体形态鉴定统计,共发现植硅体类型15种,它们分别是硅化气孔、棒型、扇型、板型、硅质突起、尖型、导管型、帽型、齿型、哑铃型、鞍型、多边帽型、毛发型等。除禾本科和莎草科、菊科部分植物植硅体含量高外,木贼科、堇菜科、茜草科、蓼科等部分植物植硅体的含量也较高。禾本科植物的短细胞植硅体对植物分类有意义,但可能因采样环境和种类差异等原因,长白山泥炭湿地禾本科植物的植硅体在形态和数量上都与其他区域同类研究结果有所差异,如禾本科早熟禾亚科的菵草中新发现了含量丰富的枕木型植硅体,黍亚科的荩草和水稗中还发现少量帽型植硅体; 另外菊科兴安一枝黄花和齿苞风毛菊含有大量的特殊的尖形植硅体。硅化气孔宽度大小可指示环境湿度状况,对硅化气孔的数量和大小的深入研究将对古环境和古CO₂浓度的恢复有一定帮助。长白山泥炭湿地植物的植硅体与植物的分类关系密切,湿地植物植硅体中硅质突起、棒型、哑铃型和尖型植硅体特征组合代表湿冷组合,本研究中的5块泥炭湿地植硅体的组合特征受纬度变化影响不明显。     

RESEARCH PROGRESS OF FAN-SHAPED PHYTOLITH OF RICE AND RELEVANT ISSUES

在稻作农业起源和传播的研究中,水稻扇型植硅体对于发现、鉴定水稻遗存起到了重要的作用.目前学术界利用扇型植硅体在区分野生稻和栽培稻,粳稻和籼稻方面建立了诸多判别标准,但这些“标准”并没有得到广泛认可.本文从扇型植硅体的发育机理入手,结合前人对水稻扇型植硅体的研究成果和通过对部分现代野生、栽培水稻扇型植硅体的观察分析,认为尽管现代稻属和粳、籼稻扇型植硅体的鉴定特征是比较明确的,但由于野生稻和栽培稻扇型植硅体的区分存在不确定性,限制了扇型植硅体在早期稻作研究中的应用.本文对目前利用扇型植硅体进行水稻农业考古方面存在的问题进行分析,对如何寻找野生稻和栽培稻扇型植硅体的有效区分标准、如何应用新方法新技术提高鉴定准确性等方面进行了探讨.     

长白山北坡垂直植被带表土植硅体组合研究

长白山垂直分布的植被是欧亚大陆从温带到寒带植被水平地带性的缩影。对其北坡不同海拔高度植被带土壤中的植硅体进行初次研究,结果发现,该山北坡海拔700m到2630m的土壤中发育了形态和数量丰富的植硅体。不同植被带植硅体组合的含量各不相同,主要特征表现为随海拔升高示冷型的植硅体含量整体呈上升趋势,而示暖型的植硅体含量整体呈下降趋势。温泉附近土壤中的植硅体则表现出明显的与其上下相邻地点不同的特点。它对中国东北第四纪沉积物中植硅体组合的研究及第四纪古植被和古环境的重建可提供重要的基础性资料。     

浙江浦江上山遗址水稻扇形植硅体所反映的水稻驯化过程

对长江下游最早的新石器时代遗址——上山遗址出土的各类水稻遗存,其性质是野生、驯化或者是处于驯化过程中,一直争议颇多,这也导致了关于水稻驯化开始时间的争执。本文利用植硅体分析对浙江浦江上山遗址南区剖面距今10000年至历史时期的文化层堆积物进行了研究。通过对提取出的水稻扇形植硅体进行形态测量和鱼鳞状纹饰的计数,结果发现,扇形植硅体的形态测量参数——长、宽和b/a值(扇形植硅体扇柄长度/扇面长度),在过去一万年间的变化呈无序状态;具有大于等于9个鱼鳞状纹饰的扇形植硅体,占扇形植硅体总量的比例越来越大,从上山文化早期的34.98%上升到河姆渡文化时期的44.68%,进而达到春秋战国时期的59.18%和唐宋时期的78.72%,反映了水稻漫长的驯化过程。通过与野生稻田扇形植硅体的对比,我们认为,上山文化时期水稻驯化已经开始;通过与现代稻田扇形植硅体的对比,我们认为,唐宋时期水稻扇形植硅体特征已与现代种植水稻扇形植硅体相同。     

碳酸盐岩红土植硅体记录的指示意义

选取广西桂林市雁山碳酸盐岩红土剖面,对红土中的植硅体类型、分布及含量进行了定量分析。发现:(1)表土植硅体形态多样、含量丰富,含量从剖面表层向下迅速减少,20cm及其以下植硅体含量极少或没有;(2)除了0~0.1m内有植硅体富集外,其他深度再也没有发现新的植硅体富集层;(3)受淋滤和生物扰动作用影响,植硅体可能出现向下10~20cm的运移,但运移对其形态和大小没有明显的选择性,植硅体形态组合受运移影响不大,能够很好地反映上覆植被的组成和所处地区的气候总体特征;(4)研究区植硅体富集于红土表层,且为剖面中的唯一富集层,是红土形成过程植硅体运移的反映,支持了红土的碳酸盐岩风化成因;(5)植硅体运移选择性不明显的特点,为利用碳酸盐岩红土植硅体客观分析和重建古环境提供了基础和可能。