草地生态系统植硅体碳汇及其控制机制

摘要

植硅体(phytolith)是在植物根-茎-叶系统细胞内或细胞组织间硅化而形成的非晶质二氧化硅，常包裹约1％~6%的有机碳(phytolith-occluded carbon,PhytOC)，即植硅体碳。植硅体碳在植硅体坚硬外壳的保护下，可以在土壤和沉积物中保存几千年。我国草地面积约占全国陆地总面积的三分之一。由于草地生态系统具有分布面积广和植硅体含量高等特点，其植硅体碳汇潜力非常巨大。因此了解草地生态系统植硅体碳汇的潜力及调控机制是非常有意义的。　　本文选取了湿地、退化草地和不同生境中狗尾草进行研究。采集草地土壤和草地植物地上部分。利用偏硼酸锂熔融法、微波消解法和Walkley-black消解法，测试和分析植物中的硅素（SiO2）含量、植硅体含量以及植硅体碳含量的变化特征，探索湿地生态系统植硅体含量及植硅体碳汇的季节变化特征，退化草地生态系统植硅体含量及碳汇潜力对氮肥施用的响应，以及不同生境类型中狗尾草硅素分布特征。为草地生态系统植硅体碳汇的调控机制研究提供科学参考。　　(1)对湿地不同植物组织中植硅体和植硅体碳季节变化的研究表明，从五月份到十月份湿地植物各组织植硅体和植硅体碳含量：叶>茎和叶鞘>叶。不同植物组织中的植硅体含量在七月份达到最大值，之后随时间变化含量逐渐降低。植硅体含碳量和植硅体碳含量总体上呈生长初期大于末期。不同植物组织中植硅体和植硅体碳含量的季节性规律表明，随着植物的生长发育，植物组织内phytolith-Si可能具有向植物根部或者土壤中进行“营养回流”的特点。因此，结合环境和经济效益，合理的湿地管理措施（如选择适宜的湿地植物收割时间）可以有效提高湿地的植硅体碳汇潜力。　　(2)对不同氮肥施用水平下退化草地植硅体含量变化特征的研究发现，氮肥施加可以显著地影响植物植硅体含量（0.98%~2.94%）。在施肥处理10g N m–2year-1和20g N m–2year-1水平下，植物植硅体含量相对于对照处理0g N m–2year-1变化不大，在施肥处理30g N m–2year-1和50g N m–2year-1水平下植硅体含量急剧下降。虽然低氮水平下施肥处理对植物植硅体含量影响较弱，但对植硅体含碳量和植硅体碳含量有显著的影响，在施肥处理20g N m–2year-1水平下分别达到最高值4.36%和0.11%。此外，氮肥施加可以提高草地的植硅体碳产生通量，变化范围在0.003~0.021t CO2ha-1year-1之间，在20g N m–2year-1处理下，植硅体碳产生通量最高。更有意义的是，氮肥施加对退化草地植物植硅体碳汇量产生了700%的增长率。如果中国有一半的退化草地采用施加氮肥的措施进行退化修复，即使其植硅体碳产生通量只达到本研究中增长率的一半（350%），那么中国退化草地植硅体碳汇潜力仍可以提高60%。这一研究表明，氮肥施加不仅仅是修复退化草地的有效措施，同时也可以有效地提高退化草地植硅体碳汇潜力，从而间接地缓解全球气候变暖。　　(3)在对不同生境下狗尾草硅素含量变化的研究中发现，依据狗尾草硅素含量和地上净初级生产力，计算得到不同生境类型中狗尾草硅积累通量，其变化趋势为：无树河岸>坡地>河岸树下>草地，路边和人工建筑旁两种生境类型中狗尾草硅素积累通量最低。随生境类型的变化，狗尾草的硅素含量及生物量具有明显变化。在不同生境类型中，无树河岸生境下的狗尾草硅素含量、地上净初级生产力和硅积累通量均处于较高的水平。

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1 文献综述

1.1 选题依据与研究意义

1.2 植硅体的性质、化学稳定性及其碳汇潜力

1.3 草地生态系统的植硅体碳汇潜力研究

1.4存在问题

1.5 技术路线

2湿地生态系统植硅体碳的季节变化研究

2.1 材料与方法

2.2 结果与分析

2.3 讨论

2.4 小结

3氮肥施加对退化草地生态系统植硅体碳的增汇作用研究

3.1 材料与方法

3.2 结果

3.3 讨论

3.4 小结

4生境对狗尾草硅分布的影响及其对植硅体碳汇的指示

4.1 材料与方法

4.2 结果

4.3 讨论

4.4 小结

5 研究结论与展望

5.1 研究结论

5.2 研究展望

参考文献

个人简介

致谢