植硅体碳与陆地生态系统碳循环：机遇和挑战

植硅体在形成过程中能够包裹植物有机碳,是已被证明的一种非常有潜力的大气CO₂封存方式,对于增加陆地生态系统碳汇和延缓温室气体效应带来的全球变暖具有重要意义,因此受到了学术界的广泛关注。简要回顾了植硅体碳的研究历史和现状,并着重从植硅体碳长期变化入手,探讨了植硅体碳与陆地生态系统碳汇存在的问题与挑战,以及近来有关植硅体碳存在被严重高估的论点。同时指出为了更加准确地估算植硅体碳汇,应充分考虑植硅体包裹碳能力的差异、植硅体碳来源、植硅体稳定性、土壤中植硅体碳含量衰减速率以及植硅体提取方法等在植硅体碳的长期变化中的作用,进一步提高植硅体碳在陆地碳汇研究中的地位与重要性。     

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。

     

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。     

植硅体研究及其应用的讨论

植硅体是填充于高等植物细胞组织中的非晶质含水二氧化硅颗粒，记录了它所起源的植物细胞的特征，可以在土层或沉积物中很好地保存下来。通过植硅体的形态鉴定和确定组合带，可以恢复古植被、讨论植物群落演替，推断第四纪古气候环境及其变迁，指导地层划分对比。结合数学方法可以进一步计算出各种古环境气候的参数值，从而用以研究气候波动和发现气候事件，进行全球对比研究。在考古学、土壤学、农学和医学等领域，植硅体也得到了广泛的应用。     

麻类作物植硅体形态研究

大麻在中国被称为“五谷”之一,可纤用、油用、药用以及用于宗教活动等,在社会生活中发挥着重要的作用。由于早期大麻果实易腐烂灰化、不易保存,因此建立大麻的植硅体鉴定标准,对揭示其起源、驯化和传播过程具有重要意义。本研究对大麻(Cannabis sativa L.)、红麻(大麻槿)(Hibiscus cannabinus L.)、黄麻(Corchorus capsularis L.)、青麻(苘麻)(Abutilon theophrasti Medicus)、亚麻(Linum usitatissimum L.)、苎麻(Boehmeria nivea (L.)Gaudich.)等6种麻类作物的果实或种子进行了系统的植硅体形态研究,探寻具有鉴定意义的特征植硅体类型,为研究其起源、驯化和传播提供新的方法。将每份样品解剖出不同的部位,采用湿式灰化法对每个部位分别进行植硅体提取,并在光学显微镜和扫描电镜下分别进行观察分析。结果表明,发育植硅体的部位有：大麻的苞片和果皮、苎麻的果被和果皮、黄麻种皮以及青麻种皮,未见植硅体的部位有：红麻和亚麻的种子。仅有大麻果皮中存在典型形态特征的植硅体,如不规则多边疣粒板型(单体或聚合形态)、不规则多边平滑板型(单体或聚合形态)、双层嵌套板型。分析表明,大麻的不规则多边板型(包括不规则多边疣粒板型及不规则多边平滑板型)植硅体形态大小稳定,种内差异较小,且与木本植物、草本植物中形态类似的植硅体区别明显。综上,不规则多边板型植硅体为大麻特有的植硅体类型,可用于鉴定大麻的种属。其中,不规则多边疣粒板型植硅体形态特征更明显且产量更丰富,平均1g大麻果实的不规则多边疣粒板型植硅体产量可达10.2±0.4×10⁶粒,可作为鉴定大麻种属的主要特征植硅体,其主要特征为：1)单体为边缘棱角分明、正面具若干小型疣状突起、背面具0~3个大小相近的乳突的多裂片式不规则多边形板状结构,长度为15.4±2.3μm,宽度为10.8±1.7μm,厚度为6.2±1.0μm;2)由若干形态相同、大小相近的单体通过边缘裂片间隙拼合为片状平面拼图结构;3)与不规则多边平滑板型植硅体(长度为27.9±4.5μm,宽度为18.6±3.1μm,厚度为10.0±1.4μm)形成双层嵌套结构。进一步分析表明,大麻不同品种间不规则多边疣粒板型植硅体在形态大小上细微的差异与品种间果实形态大小差异以及气候条件无直接关系,推测其形态的种内差异可能是受局地土壤环境影响所致。

     

长白山区典型禾本科植物植硅体形状系数

运用植物植硅体的形状系数,对不同禾本科植物在亚科和种的水平上进行分类,可为深入理解植硅体的环境指示意义,提高古植被重建精度提供参考。本文选取长白山常见的10种禾本科植物,对其叶片进行植硅体分析,共统计并鉴定植硅体3037粒,对其中哑铃型、棒型、尖型、齿型、鞍型和硅化的气孔等植硅体的7个形状系数进行非参数检验,并在亚科水平和种的水平上分别进行判别分析。结果表明,3个亚科之间的形状系数SF4相差较大,故据SF4的平均值可在亚科水平上对植物进行区分。上述植硅体的形状系数在亚科水平上判别分析的正确率可达88.51%,且检验结果表明文中根据典型亚科植硅体形状系数所建立的判别方程是有效的; 利用哑铃型植硅体的7个形状系数则可以将黍亚科的植物区分到种,其判别分析结果显示总的正确率为73.12%; 根据棒型、尖型和齿型植硅体的7个形状系数也可以将早熟禾亚科的植物区分到种,其判别分析结果显示正确率分别为60.87%,59.21% 和87.07%。因此,通过典型植硅体的形状系数对植物进行分类,不但可以提高禾本科植物在亚科水平上分类的精确度,还可以根据植硅体的形状系数对禾本科进行进一步的分类。     

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.     

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。     

棕榈科植硅体形态分析及其环境意义

植硅体分析在古环境、古生态、环境考古、植物分类等众多领域研究中逐渐显示出其重要的作用,其应用潜力依赖于现代植硅体形态基础研究工作的深入。文章主要针对我国热带、亚热带地区常见的棕榈科15个属20个种植物进行了植硅体形态鉴定和多项形态参数(大小、突起等)的测量分析,同时对旅人蕉科的白花扇芭蕉、蝎尾蕉科的黄芭蝎尾蕉、苏木科的无忧树进行了对比研究。结合聚类分析方法把植硅体形态分为5个大的类型,棕榈科植硅体主要包括刺球形、水母形和草帽形3种形态。白花扇芭蕉植硅体呈褶球形,黄芭蝎尾蕉植硅体呈飞梭形,无忧树不含有植硅体。同时,给出了不同类型形态参数的大小和范围,为利用棕榈科植硅体等进行古环境研究提供了基础。     

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。      

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。     

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。     

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。     

稻田CH4的传输

通过对稻田CH_4排放、土壤CH_4产生率以及植物体CH_4传输、气泡、液相扩散这三种排放路径的同时测量后发现:CH_4氧化作用在下午CH_4排放路径通畅时较小;阴雨天气造成CH_4排放率降低会增加CH_4在土壤中的氧化量。早稻CH_4传输效率在6月上、中旬较高,晚稻则在水稻生长初期的7月下旬最高,这主要是两季水稻的生长季节中气候因子的差异造成的。只有在较短的时间尺度内,当水稻植物体、气候因素维持相对恒定时,CH_4产生率和稻田甲烷排放才显出正相关性。 水稻植物体内有明显的CH_4浓度梯度。水稻的切割控制实验发现,通过植物体排放CH_4的比例随季节而变化,在进行单株植物体排放测量时发现了同样结果,早稻和晚稻CH_4通过水稻植物体的传输平均分别占CH_4总体排放的73.18％(43.07—97.88％〕及54.98％(11—99.95％);植物体对CH_4排放的作用在早稻大于晚稻;水稻植物体排放CH_4的能力的季节变化对早、晚稻类似,随着水稻的生长而不断增强,到水稻抽穗中期达到最大,以后则随水稻的成熟而变小;水稻植物体排放CH_4的能力与水稻植物体的高度存在极大的线性正相关。土壤中CH_4的浓度远远大于大气中的CH_4含量(10—10~4倍),根部区域土壤CH_4浓度小于水稻行间土壤中的;在垂直方向,CH_4浓度在14cm深的土壤中最大,与土壤浅层有     

青海湖沉积物生物硅的环境意义初步研究

湖泊沉积物中生物硅含量的变化已经被广泛应用于评价湖泊生产力和古气候变化研究,但大型湖泊不同位置生物硅含量的时空变化及其与环境要素之间的关系仍缺乏详细的现代过程研究。通过对青海湖不同位置表层沉积样品的生物硅含量测定,建立其空间分布模式及最近数百年生物硅含量的时间序列。结果表明,青海湖表层沉积物生物硅含量变化范围是1.75 ％ ~2.98 ％ ,平均值为2.25 ％ 。与世界其他湖泊相比,青海湖生物硅含量处于相对较低水平,可能与其特殊的地理位置和气候条件有关。青海湖生物硅含量的空间分布规律与沉积物质量堆积速率以及陆源组分含量(如SiO2)相反,而与化学/生物沉积组分(如CaCO3)含量的空间分布规律大体一致,说明生物硅的空间分布受到陆源碎屑物质的"稀释效应"影响。时间序列上,生物硅含量与SiO2含量呈相反变化趋势,与指示降雨量变化的 C/N 比值也是反相变化,说明生物硅含量在时间序列上也受与气候条件密切相关的陆源输入的影响。青海湖湖心低沉积速率区域的生物硅指标具有指示古气候变化的潜力。     

地幔富硅交代与大陆岩石圈的演化

富硅交代是弧下地幔中熔体岩石相互作用的主要表现形式 ,是造成古老克拉通陆下岩石圈地幔富硅的主要机制。在弧下地幔捕掳体中 ,橄榄岩被来自俯冲洋壳物质部分熔融生成的含水富硅熔体交代后 ,斜方辉石含量的增加使全岩富集SiO2 ,斜方辉石显示异常低的Al2 O3和Cr2 O3,微量元素上表现为强烈富集LILE ,强烈亏损Nb ,Ta和Ti。在古老克拉通地幔岩样品中 ,方辉橄榄岩具过剩的斜方辉石 ,橄榄石的Ni含量与斜方辉石的组成含量成正比 ,而和橄榄石的x(Mg) /x(Mg +Fe2 +)值没有正比关系 ,被解释为亏损的地幔橄榄岩和来自俯冲板片的富硅熔体相互作用的结果。熔体岩石相互作用最终导致了陆下岩石圈地幔富集SiO2 ,这种被含水富硅熔体改造后的地幔岩石的部分熔融可能是造成陆壳富硅富镁的主要原因。含水富硅熔体对岩石圈地幔的影响程度也可能是大陆岩石圈增生或裂解、增厚或减薄的关键因素之一。     

生物硅的测定及其生物地球化学意义

生物硅（BSi）指用化学方法测定的沉积物中的无定形硅含量。生物硅的含量与水体中初级生产息息相关。硅藻、放射虫、海绵骨针和硅鞭毛虫产生的生物硅是地球化学和古海洋学研究的重要参数。重点讨论了目前生物硅测定方法中的化学提取法，评述了提取过程中存在的一些问题，并对BSi测定的生物地球化学意义进行了讨论。     

地下水中铀的反应运移模拟

地下水中铀的反应运移模拟对地下水保护和铀矿区的恢复都很重要, 因为铀是一种化学毒害性很高的放射性元素.在地下水及水与固体之间都应考虑对流、弥散、稀释、吸附等化学相互作用.介绍了德国德累斯顿市附近的Koenigstein矿区淋滤条件的可行性研究结果.由于反应运移模拟需占用大量的CPU时间, 所有的运行在一天内完成, 但用简单的混合法进行了稀释.对于这种研究, PHREEQC 2.2证明是一个功能很强的工具.与PHREEQC相对应的数据库WATEQ4F涉及到48种元素、400多种物质、300多种矿物.根据铀和镭的特性, 对其作了一定的修改, 以使它更具相容性和可靠性.      

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。

     

冲积沉积物搬运和底形研究进展

综述了沉积物搬运和底形研究方面的进展：①粒径在沉积物搬运和底形形成中的作用;②紊流与沉积搬运和底形的相互作用;③粒度分布;④粒度向下游变细;⑤高流态下沉积物搬运和底形形成。可以看出沉积物搬运和底形研究的方向体现了综合、交叉和定量这三个主要的趋势。面对未来,沉积物搬运和底形研究应在以下几个方面争取获得突破：①洪泛平原上沉积物的搬运路线及其底形塑造;②根据泥沙动力学和保存层理构造,结合数学模型模拟古沉