近日，天津大学地球系统科学学院宋照亮教授课题组，基于我国滨海湿地野外调查和空间尺度采样，对土壤生物有效硅的分布特征和影响因素进行了系统研究，相关成果以“Spatial distribution patterns and controls of bioavailable silicon in coastal wetlands of China”发表在土壤科学领域Top期刊《Plant and Soil》。论文第一作者为南京农业大学资源与环境科学学院夏少攀副教授，通讯作者为天津大学地科院宋照亮教授。
硅（Si）是地壳中含量仅次于氧的第二大元素，其丰度约为28.8%，是地球表面大多数土壤和岩石的一种基本成分，也是水生植物（特别是硅藻类）以及多种植物生长所必需的营养元素，在控制陆地、河流、沿海和海洋水生生态系统机能中起着重要作用，如促进植物生长与硅藻繁殖、缓冲土壤pH值、调节大气CO2浓度和全球气候变化等。与碳、氮、磷等元素相比，硅素研究甚少，而且，国内关于硅的相关研究更为匮乏。土壤是硅重要的生物汇，土壤溶液主要以溶解性硅形态存在，是生物可利用硅素的重要来源，在硅的生物地球化学循环过程中占有重要地位。
目前关于硅的生物地球化学循环的研究多集中在陆地和海洋两大生态系统，滨海/河口湿地作为陆地、河流与海洋间的过渡区域，是研究硅循环的重要区域，然而，滨海湿地生态系统中土壤生物有效硅（ASi）的储存量、循环过程及影响机制尚不清楚。滨海湿地具有初级生产力高、固碳能力强、沉积速率高和温室气体排放量低的特点，在全球气候变暖的背景下，滨海湿地“蓝碳”效应助力“碳中和”的作用引起重视，对维持生态系统结构与功能具有重要意义。硅循环与碳及其他营养元素的循环密切相关，在生物地球化学过程中发挥着重要的作用。因此，开展不同情境模式下滨海湿地土壤生物有效硅的影响研究，对于阐明硅的生物地球化学循环过程及硅-碳耦合机制具有重要意义。
本研究沿着我国温带-亚热带-热带气候区5000 km海岸带在88个位点共采集了352个土壤样品，以探索植被、土壤和气候因素对土壤ASi分布模式的影响。结果表明，土壤ASi的分布范围为3.83～208 mg kg−1，均值为52.6 mg kg−1。互花米草入侵对ASi含量无显著影响。亚热带土壤ASi含量高于温带（中等）和热带（最低）地区。ASi含量与土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）、总磷（TP）、土壤含水量（SWC）、黏粒和粉粒含量呈正相关；ASi含量与土壤容重（BD）、砂粒含量呈负相关；ASi含量随着pH升高（pH<7）而增加，然后随着pH升高（pH>7）而减少，呈二次函数关系。基于Pearson相关性、方差分解、随机森林和结构方程综合分析，研究发现，滨海湿地土壤ASi主要受土壤pH、粒径组成和土壤养分的直接影响，而植被组成和植物输入量（土壤木质素指示）对土壤ASi分布特征影响较小。年均温（MAT）和年降水（MAP）通过影响土壤地球化学和养分分布间接调节ASi含量。因此，滨海湿地土壤ASi的分布规律主要受原生成土作用和特定风化过程的控制。基于此，硅-碳耦合循环主要包括以下5个过程机制：（1）硅酸盐风化对CO2的消耗和生物有效硅的释放；（2）植物对生物有效硅的吸收和植硅体碳封存；（3）硅藻对生物有效硅的吸收和碳埋藏；（4）促进植物生长和植物生物量碳的积累；（5）N:P:Si生态化学计量及对碳固定的影响。
图1 我国滨海湿地土壤生物有效硅的分布频率（a）、空间特征（b）和影响因素的方差分解分析（c）和随机森林分析（d）
缩写: SOC, soil organic carbon; TN, total nitrogen; TP, total phosphorus; C:N, carbon: nitrogen ratio; MBC, microbial biomass carbon; DOC, dissolved organic carbon; EC, electrical conductivity; SWC, soil water content; BD, bulk density; Λ8, organic carbon-normalized lignin phenols. 对图c而言，nutrient elements include SOC, MBC, DOC, TN, C:N, and TP; soil geochemistry includes pH, EC, SWC, BD, silt, clay, and sand; climate includes MAT and MAP. 对图d而言，soil chemistry includes pH, EC, and SWC; soil physics includes BD, silt, clay, and sand; nutrient elements include SOC, MBC, DOC, TN, C:N, and TP. 灰色柱表示该自变量对土壤生物有效硅没有显著影响
图2 河流-湿地-近海海洋连续体尺度水平下硅的生物地球化学循环（a）和生物有效硅对滨海湿地碳固存的影响过程（b）。
该研究工作得到江苏省自然科学青年基金、国家自然科学基金重点项目和国家自然科学基金碳专项的资助。
文章信息：Shaopan Xia, Zhaoliang Song*, Yaran Fan, Zimin Li, Bingbing Yu, Bhupinder Pal Singh, Laodong Guo, Yuchuan Fan, Nanthi Bolan, Xiangbin Ran, Yidong Wang, Hailong Wang. Spatial distribution patterns and controls of bioavailable silicon in coastal wetlands of China. Plant and Soil, 2023. https://doi.org/10.1007/s11104-023-06224-y
