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[科研前線│TARGAS-1]硅元素被證實(shí)為草地碳循環(huán)的“隱形引擎”

來源：漢莎科技集團(tuán)有限公司 更新時(shí)間：2026-02-04 16:15:27 閱讀量：68
導(dǎo)讀：[科研前線│TARGAS-1]硅元素被證實(shí)為草地碳循環(huán)的“隱形引擎”

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凋落物分解是陸地碳氮循環(huán)的核心過程，深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)功能與全球生物地球化學(xué)循環(huán)。長(zhǎng)期以來，研究普遍認(rèn)為氮濃度、碳氮比或木質(zhì)素氮比是預(yù)測(cè)凋落物分解速率的主要指標(biāo)。然而，人類活動(dòng)導(dǎo)致的大氣氮沉降改變了土壤氮有效性，同時(shí)也可能改變植物對(duì)硅的吸收。
在氮和硅有效性同時(shí)變化的背景下，究竟誰在主導(dǎo)凋落物的分解與土壤碳的形成？河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王靜教授團(tuán)隊(duì)，近日在《Soil & Tillage Research》發(fā)表了Elevated silicon concentrations accelerate decomposition of the dominant silicon-rich grass litter in grassland ecosystems。研究揭示了：對(duì)于草原上最常見的禾本科植物，其凋落物分解的主要調(diào)控因子并非傳統(tǒng)的氮素指標(biāo)，而是另一種元素——硅。這一發(fā)現(xiàn)為理解全球碳循環(huán)、應(yīng)對(duì)氣候變化提供了全新視角。
為探究凋落物中初始氮(N)和硅（Si）含量對(duì)其生物降解性及凋落物衍生新土壤碳形成的影響，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室開展盆栽實(shí)驗(yàn)，并同步進(jìn)行田間凋落物采樣實(shí)驗(yàn)以收集不同氮硅含量的凋落物。隨后通過兩次實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步探究凋落物的生物降解特性及其對(duì)新土壤碳形成的貢獻(xiàn)。

1. 盆栽控制實(shí)驗(yàn)

選取草地兩種優(yōu)勢(shì)植物：羊草（禾本科）和苜蓿（豆科），設(shè)置四種處理：
  • 對(duì)照
  • 添加氮
  • 添加硅
  • 同時(shí)添加氮和硅
培養(yǎng)100天后，收集接近衰老的植株作為凋落物樣本。

2. 野外采集實(shí)驗(yàn)

在內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原，采集了96份自然生長(zhǎng)的羊草地上部分作為凋落物樣本，以獲取更廣泛的自然變異數(shù)據(jù)。

3. 室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

將上述凋落物樣品與長(zhǎng)期種植C4作物的土壤混合，進(jìn)行為期150天的培養(yǎng)。
圖1 硅添加對(duì)凋落物化學(xué)性質(zhì)及化學(xué)計(jì)量比的影響
氮添加顯著提高了豆科凋落物的氮濃度，降低了其碳氮比，但對(duì)禾本科影響較小。硅添加顯著提高了禾本科和豆科凋落物的硅濃度及Si/C比。施肥能定向改變凋落物的“初始質(zhì)量”，為后續(xù)分解差異埋下伏筆。
圖2 氮、硅添加對(duì)凋落物化學(xué)成分的影響(13C NMR法)
氮添加使兩種凋落物的烷基碳和芳香碳（難分解成分）比例增加。硅添加降低了豆科凋落物的O-烷基碳（易分解成分）和芳香碳。氮添加在降低碳氮比（看似易分解）的同時(shí)，卻增加了難分解組分，其凈效應(yīng)可能相互抵消。
圖3 室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)禾本科凋落物（a、b）與豆科凋落物（c、d）的累積碳損失。
PP Systems公司的TARGAS-1基于非分散紅外吸收原理，能夠以高精度測(cè)定CO?濃度。在長(zhǎng)達(dá)150天的培養(yǎng)期間，研究人員在1、2、3、4、5、6、7、9、11、16、26、50、60、70、80、106、120、130和150天等19個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)量。每次測(cè)量前，培養(yǎng)系統(tǒng)都會(huì)用無CO?氣體吹10分鐘，確保初始條件一致。隨后密封培養(yǎng)瓶3小時(shí)，從頂空無菌抽取10mL氣體注入TARGAS-1的注射模塊，執(zhí)行測(cè)定程序，獲得CO2濃度。基于這些數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)精確計(jì)算出了每個(gè)處理的累積碳損失。
對(duì)于羊草（禾本科），硅添加使其累積碳損失顯著增加了12.1%。氮添加單獨(dú)作用無顯著影響。對(duì)于苜蓿（豆科），氮添加有影響，但硅添加單獨(dú)作用不明顯。對(duì)于富硅的禾本科，硅才是驅(qū)動(dòng)其凋落物分解的更關(guān)鍵因子。
圖4 氮、硅添加對(duì)落葉層土壤碳的影響
硅添加使禾本科凋落物形成的新土壤碳增加了23.7%。氮添加對(duì)兩者新碳形成均無顯著影響。硅不僅加速了凋落物分解（CO?釋放），還可能促進(jìn)了分解產(chǎn)物向穩(wěn)定土壤碳的轉(zhuǎn)化。
圖5 盆栽實(shí)驗(yàn)禾本科凋落物(a)與盆栽實(shí)驗(yàn)豆科凋落物(b)的累積碳損失及其性狀之間的關(guān)系
圖S2 培養(yǎng)過程中野外禾本科凋落物累積碳損失與其性狀之間的關(guān)系
圖6 野外采集的草禾本科凋落物化學(xué)性質(zhì)、累積碳損失及其相關(guān)性研究
無論是盆栽還是野外樣本，禾本科凋落物的累積碳損失均與其硅濃度、Si/C、Si/N比呈顯著正相關(guān)。相反，碳氮比等傳統(tǒng)指標(biāo)與分解速率無顯著關(guān)聯(lián)。野外96個(gè)樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)，硅濃度與碳、酚類濃度呈負(fù)相關(guān)，暗示硅可能替代了部分難分解的碳化合物。
綜上所述，本研究揭示了硅（Si）在富硅禾本科植物凋落物分解及草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳（SOC）形成中具有關(guān)鍵作用，但這一作用常被忽視。盡管氮濃度和碳氮比在功能群層面仍具重要性，但本文的研究結(jié)果表明，硅濃度及其相關(guān)化學(xué)計(jì)量比對(duì)富硅禾本科植物的分解過程和土壤碳輸入具有更強(qiáng)的預(yù)測(cè)價(jià)值。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了硅在草地碳循環(huán)中的核心作用，并提示將硅管理策略納入常規(guī)管理方案——例如推廣富硅禾本科植物或優(yōu)化土壤硅有效性——可有效提升SOC固存能力與凋落物分解效率。通過結(jié)合傳統(tǒng)養(yǎng)分管理與硅動(dòng)態(tài)調(diào)控，我們有望在全球變化背景下培育更具氣候適應(yīng)力和可持續(xù)性的草地生態(tài)系統(tǒng)。

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