4硅的生物地球化学循环研究进展

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《农业资源与环境专业学科导论》课程教学大纲

《农业资源与环境专业学科导论》课程教学大纲

《农业资源与环境专业学科导论》教学大纲三、学时分配及教学内容本讲教学要求:了解各种信息技术的特点与作用,了解遥感图像处理技术与解译技术和地理信息系统的空间数据分析技术与专业应用模型。

第三讲新型有机(类)肥料习题要点:新型有机(类)肥料的范畴,农业废弃物利用与新型有机(类)肥料制造;微生物有机肥料与土传病害防控;生物有机液体肥料。

本章重点、难点:功能菌的筛选、鉴定与深层发酵,特征性碳氮源有机营养载体的筛选,固体二次发酵。

本章教学要求:了解拮抗病原菌微生物有机肥料、促生微生物有机肥料、溶磷菌微生物有机肥料、硅酸盐细菌微生物有机肥料及其使用效果,掌握有机营养载体的筛选与生物有机肥料的生产流程。

第四讲水资源与水环境研究进展习题要点:水资源的自然属性有哪些? 水资源的主要用途及如何协调? 水资源利用面临的主要问题是什么? 目前我国的水环境质量状况如何? 怎样控制流域水环境污染? 目前水资源与环境研究有哪些研究进展?本章重点、难点:水资源和水环境的研究进展和采取何种方式保护水资源与水环境。

本章教学要求:了解水资源和水环境的基本概念;明确目前水资源和水环境存在的主要问题和解决这些问题的方法与手段。

第五讲养分高效管理习题要点:着重介绍养分资源管理的内容、高效利用的原理、实践与示范。

本章重点、难点:养分管理过程中的土壤养分释放机制与植物对养分的生物学潜力。

本章教学要求:了解我国及世界范围农业养分资源管理的现状、限制因素等第六讲习题要点:陆地生态系统碳氮循环与全球变化的国际前沿与研究热点;陆地生态系统碳氮循环与全球变化研究的主要方法学。

本讲重点、难点:全球变化的热点及其与人类社会的关系。

本讲教学要求:了解陆地生态系统碳氮循环基本过程、与温室气体等全球变化的关联性,国际研究前沿及我国学者在此研究领域的学术贡献。

第七讲因为与冉伟老师的重合,我的导论课改为:土壤及其可持续管理本章重点:讨论对土壤资源价值、生态系统服务及其利用的最新进展,阐述土壤学研究的热点和前沿问题,展望21世纪全球土壤资源可持续利用与管理的挑战。

重要元素的地球化学特征与分布规律

重要元素的地球化学特征与分布规律

重要元素的地球化学特征与分布规律地球化学是地球科学的一个分支,主要研究地球上各种元素及其化合物的存在情况、地球化学特征和规律。

其中,地球上的重要元素是地球化学研究的重点之一。

那么,这些重要元素的地球化学特征和分布规律是什么呢?一、碳的地球化学特征与分布规律碳是地球上最丰富的元素之一,不仅存在于地球的表层岩石和大气中,而且还存在于深部地球和海洋中。

碳主要以碳酸盐的形式存在于地球的表层岩石中,而全球大气中的二氧化碳则是碳最主要的形式之一。

此外,化石燃料的燃烧和人类工业活动也会导致二氧化碳排放,对全球气候变暖等产生重要影响。

二、氧的地球化学特征与分布规律氧是地球上最丰富的元素之一,广泛存在于地球的不同组成部分中,包括地壳、水、大气和生物体内。

在地壳中,氧主要以氧化物的形式存在于多种岩石和矿物中。

在水和大气中,氧主要以氧气分子形式存在。

在生物体内,氧则参与到许多生物代谢过程中,是维持生命的重要元素之一。

三、金属元素的地球化学特征与分布规律金属元素是地球上一些重要的元素之一,包括铁、铜、铝、锌、镁等。

这些元素在地壳中的分布广泛,铁是地壳中最丰富的金属元素,铝则是地壳中第三丰富的元素。

这些元素大多以氧化物、硫化物等形式分布在地球表层的岩石和矿床中。

不同岩石类型和地质环境对于金属元素的富集具有重要的影响,比如超级大陆的形成和储层形成等都对于金属元素的富集具有重要的影响。

四、硅的地球化学特征与分布规律硅是地球上最丰富的元素之一,也是地壳中第二丰富的元素。

大部分硅存在于地壳中的硅酸盐岩石和石英矿物中,同时也广泛存在于深海水和地下水中。

硅在地质作用中具有重要的作用,比如石英矿物的晶化过程、沉积物的成因和成岩作用等都与硅密切相关。

五、其他元素的地球化学特征与分布规律除了以上几种元素,地球上还存在着许多其他的重要元素。

比如氮、硫、磷等在生命体系中扮演着重要的角色。

另外,地球上也存在着一些稀有元素,比如锂、铈、钼等,它们的分布与地球内部的物质组成和地质作用有密切的联系。

简析南海沉积物生物硅的研究现状

简析南海沉积物生物硅的研究现状

简析南海沉积物生物硅的研究现状生物硅是指利用化学方法测定的来自于生物的无定形硅,其主要由硅藻、硅鞭毛虫、放射虫以和海绵骨针构成。

其中,硅藻被看作是浮游生物的重要类群,是海洋表层沉积物中生物硅的主要来源。

据Nelson等估算整个海洋初级生产力的40%都归因于硅藻,其每年固定的生物硅量约为240Tmol。

硅藻死亡后,其植物碎屑中的大部分生物硅成分会在真光层发生溶解并重新进入硅循环,最终只有约总量的3%被埋藏保存在海底沉积物中。

因此,沉积物中生物硅的含量在一定程度上能反映上层水体中硅藻等含硅生物生产力的分布,其时空分布还可指示古生产力的波动。

近年来,研究者围绕生物硅溶解机制做了研究。

通过研究生物硅的生成、溶解和保存过程,发现生物硅的埋藏与溶解在硅的生物地球化学循环过程中起着重要作用。

例如来自上陆坡及大陆架沉积物的证据表明,大陆边缘沉积物中生物硅的累积在海洋二氧化硅埋藏中所占的比例明显高于过去人们的认识,这对于硅在南极深海地区累积量的减少起到了补偿作用。

此外,了解沉积物中生物硅的分布还有助于对成岩作用的研究。

1 沉积物生物硅的研究方法随着生物硅研究工作的不断深入,出现了多种测定生物硅含量的方法。

目前主要有X-ray衍射法、红外光谱法、大体积沉积物化学元素正规分布法、微化石计数及化学提取法。

这些方法都是依据无定型硅的物化性质的不同、生物硅与非生物硅的化学动力学不同而提出的,因此存在着受到非生物硅污染的问题。

化学提取法是迄今最灵敏和应用最广泛的方法,其包括湿碱消解样品预处理和分光光度计测试硅溶液两个过程。

以往人们在研究南海沉积物中的生物硅时,往往直接采用提取液中硅的含量作为生物硅的含量,但实际上碱液提取法所得溶液中,硅有两种来源,除生物硅外,还含有一定比例的陆源碎屑矿物成分的贡献。

因此,通过直接测试提取液中的硅不能准确得出沉积物中的生物硅含量,需要通过修正扣除陆源碎屑的贡献量。

Kamatani等研究发现粘土矿物组分释放的硅与时间并非是一直线关系,而是一曲线,并提出用提取液中铝的含量校正生物硅的含量。

近十年我国非传统稳定同位素地球化学研究进展

近十年我国非传统稳定同位素地球化学研究进展

近十年我国非传统稳定同位素地球化学研究进展一、本文概述在过去的十年中,我国非传统稳定同位素地球化学研究取得了显著的进展,不仅在理论探索上取得了重大突破,还在实际应用中发挥了重要作用。

非传统稳定同位素,如硼、锌、镁等同位素,在地球化学领域的应用逐渐受到重视,为研究地球物质循环、生态环境变化、气候变化等科学问题提供了新的视角和工具。

本文将对近十年我国非传统稳定同位素地球化学研究的进展进行全面的概述和梳理。

我们将介绍非传统稳定同位素地球化学的基本概念和研究意义,阐述其在地球科学研究中的重要性。

我们将从研究方法和技术手段的角度,介绍我国在这一领域取得的创新性成果和突破。

我们还将探讨非传统稳定同位素在地球化学各个分支领域中的应用,如地壳演化、地幔动力学、海洋化学、生物地球化学等,展示其在解决实际问题中的潜力和价值。

我们将总结近十年我国非传统稳定同位素地球化学研究的成果和经验,展望未来的研究方向和前景。

我们相信,随着科学技术的不断发展和研究方法的不断创新,非传统稳定同位素地球化学将在地球科学研究中发挥越来越重要的作用,为我国地球科学事业的发展做出更大的贡献。

二、非传统稳定同位素地球化学的理论基础与技术方法非传统稳定同位素地球化学作为地球科学的一个分支,主要研究非传统稳定同位素(如锂、镁、硅、铁等元素的同位素)在地球系统中的分布、行为及其变化,从而揭示地球的形成、演化及环境变迁等科学问题。

其理论基础主要建立在大质量分馏理论、同位素地球化学平衡及同位素分馏动力学之上。

大质量分馏理论是指同位素之间由于质量差异导致的物理和化学行为的差异,这是非传统稳定同位素研究的基础。

同位素地球化学平衡则是指在一定条件下,同位素之间达到动态平衡,其比值反映了地球化学过程的信息。

同位素分馏动力学则关注同位素分馏过程中速率的变化,为理解地球化学过程的机制提供了重要线索。

在技术方法上,非传统稳定同位素地球化学主要依赖于高精度的同位素分析技术,如多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)和二次离子质谱(SIMS)等。

植硅体Word免费范文精选

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——对陆地硅、碳循环的影响Circular Economy植硅体——对陆地硅、碳循环的影响吴俣 11300740030植硅体——对陆地硅、碳循环的影响植硅体的介绍植硅体对硅的陆地生物地球化学循环意义植硅体态碳存在问题和应用前景植硅体——对陆地硅、碳循环的影响植硅体的介绍植硅体——对陆地硅、碳循环的影响植硅体的定义定义:植硅体又名植硅石、植物蛋白石,是高等植物在生长过程中依靠根系吸收土壤中可溶性的单硅酸,在叶片的蒸腾等作用下,沉淀在植物细胞壁、内腔和细胞壁间的固体非晶质含水二氧化硅颗粒植硅体——对陆地硅、碳循环的影响植硅体的形态与基本化学组成特征不同的细胞形成的植硅体形态也大不相同。

植硅体的大小多在 2 ~ 2000μm 之间,绝大部分在 20 ~ 200μm 之间植硅体——对陆地硅、碳循环的影响植硅体的形态与基本化学组成特征植硅石的主要成分为二氧化硅(67%~95%)、水(1%~12%)和有机碳(0.1%~6%);并含有少量微量元素Na,K,Ca, Fe,Al,Ti等光学上植硅体为各向同性,非晶质。

在透射光下从无色、淡红色、棕色到黑色均有,但最常见的是淡红色。

植硅体——对陆地硅、碳循环的影响植硅体在植物中的生理功能硅是植物生长不可缺少的中量元素,植物中90%以上的硅都在植硅体中。

“骨骼”——增强了植物组织细胞的硬度和耐压能力,提高了植株的抗倒伏能力。

良好的透光性和散射能力——增强了植物对光的拦截效率和抗旱能力,进而提高了植物的光合作用效率;植硅体——对陆地硅、碳循环的影响植硅体较多的几种植物水稻竹羊草小麦植硅体——对陆地硅、碳循环的影响植硅体对硅的陆地生物地球化学循环意义——对陆地硅、碳循环的影响陆地生物硅(BSi)库在稳态的陆地生态系统中,硅的生物地球化学循环可分成 4 个 Si 库:①岩石( 风化层)Si 库; ②土壤 Si 库,包括土壤生物源组分(SBSi) 、风化—成土源组分( MSi) 和土壤水中溶解可交换的生物源组分和风化源组分( DSi) ;③活植物生物量 Si( BSi) 库;④河流Si 库,包括 DSi、MSi 和 BSi 三组分。

硅同位素地球化学

硅同位素地球化学

硅同位素地球化学
硅同位素地球化学是研究地球内部和表面硅同位素组成以及其地球化学过程的学科。

硅同位素主要有硅-28、硅-29和硅-30
三种同位素。

研究表明,地球内部岩石和大气中的硅同位素组成具有一定差异,这与地球发展历史和地质作用有关。

在地幔中,硅同位素组成主要受到地幔岩石中的硅矿物的影响,例如橄榄石和辉石。

硅同位素分馏在造岩过程中起重要作用,不同类型的地幔岩石具有不同的硅同位素组成。

表层的环境中,硅同位素组成受到地球表面岩石和土壤的影响。

研究表明,硅同位素的分馏过程也在地球的生物地球化学循环中起到重要作用。

生物体在吸收和利用硅的过程中会对硅同位素进行选择性富集。

除了硅同位素在地球内部和表面上的分布,硅同位素也可以用于解决一些地球科学问题。

例如,通过测量硅同位素比例可以研究地热系统中硅的来源和迁移路径,进一步了解地热活动的机制。

此外,硅同位素也可以应用于古气候研究,通过测量古代沉积物中硅同位素的组成,可以重建古代气候变化的信息。

总之,硅同位素地球化学是一个多学科交叉的研究领域,对于理解地球内部和表面的硅同位素组成以及其地球化学过程具有重要的意义。

河流溶解硅的生物地球化学循环研究综述

河流溶解硅的生物地球化学循环研究综述

第30卷 第1期2015年1月地球科学进展ADVANCES IN EARTH SCIENCEVol.30 No.1Jan.,2015张乾柱,陶贞,高全洲,等.河流溶解硅的生物地球化学循环研究综述[J].地球科学进展,2015,30(1):50⁃59,doi:10.11867/j.issn.1001⁃8166.2015.01.0050.[Zhang Qianzhu,Tao Zhen,Gao Quanzhou,et al.A review of the biogeochemical cycles of dissolved silicon in rivers[J].Advances in Earth Science,2015,30(1):50⁃59,doi:10.11867/j.issn.1001⁃8166.2015.01.0050.]河流溶解硅的生物地球化学循环研究综述*张乾柱1,陶 贞1*,高全洲1,2,马赞文1(1.中山大学地理科学与规划学院,广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室,广东 广州 510275;2.广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室,广东 广州 510275)摘 要:河流溶解硅(DSi )承载着陆地表生过程的环境信息,其输入㊁迁移㊁转化和输出受多种因素制约㊂在全球硅酸盐岩风化过程中,31.53%~64.87%的DSi 被陆地植被吸收,仅12.91%迁移至河流,在向海洋输送过程中,河流DSi 又受到水生生物吸收㊁逆风化作用及 人造湖效应”等因素的影响,输出量进一步减少,弱化了海洋系统的 生物泵”作用;不多的研究表明全球河流DSi 浓度变化介于138~218μmol /L 之间,空间差异显著,有必要量化各影响因素的贡献,建立多因素控制的河流DSi 输出通量模型;与地壳主要硅酸盐岩的δ30Si 值(约为-0.5‰)相比,全球河流DSi 的δ30Si 值变化范围较大(介于-0.2‰~3.4‰之间)且显著正偏,分馏系数达0.3‰~3.9‰㊂这是由于流域内Si 同位素的无机分馏和有机分馏2种动力分馏过程所导致㊂因此,探讨河流DSi 来源㊁迁移及转化机制是未来深入研究河流DSi 循环的关键问题㊂关 键 词:河流溶解硅;硅稳定同位素组成;硅循环;化学风化中图分类号:P736.3 文献标志码:A 文章编号:1001⁃8166(2015)01⁃0050⁃10 硅(Si)是地壳中丰度(28.8%)仅次于氧(O)的第二种元素[1],是陆生植物和水生生物的重要营养物质[2~4]㊂地表溶解硅(DSi)源自硅酸盐矿物的化学风化过程,这一过程同时消耗大气CO 2㊂全球硅酸盐矿物化学风化的固碳通量是8.67×1012mol /a,DSi 释放通量为5.66×1012mol /a [5]㊂藻类生长过程既固定大气碳(C),也吸收DSi [6]㊂全球海洋表层硅藻光合固定的C 和Si 通量分别为2.15×1015与0.24×1015mol /a [7]㊂可见,地球C 循环与Si 循环之间存在密切的耦合关系[5,8~10],同时河流DSi 的输出是陆地生态系统和海洋生态系统碳汇作用的枢纽㊂已往Si 循环的研究多集中在陆地生态系统[8,11~14]和海洋生态系统[7,15~17]㊂硅酸盐矿物风化释放的DSi,一部分被植物吸收并转化为生物硅(BSi),然后通过枯枝落叶方式返回至土壤,经微生物分解重新释放DSi㊂因此,经陆地生态系统迁移至河流的DSi 来源于岩石风化释放和植物BSi 分解㊂尤其在森林生态系统中,岩石风化成因的DSi 所反映的环境信息,在很大程度上已被BSi 所改变[11]㊂目前对河流DSi 的来源㊁迁移及转化过程缺乏较深入的研究[18]㊂随着河流富营养化和湖泊效应的加强[19~23],河流中Si 循环的信息更加趋于复杂㊂因此,深入研究地球表层DSi 在陆地生态系统和河流生态系统中的迁移㊁转化过程以及识别流域DSi 输出通量的影响因素,是研究地球表层Si 循环* 收稿日期:2014⁃09⁃30;修回日期:2014⁃12⁃18.*基金项目:国家自然科学基金项目 海南岛典型流域生态系统硅的生物地球化学循环研究”(编号:41340019)和 人类活动干预下的流域地表过程在河流碳循环中的响应”(编号:41071054)资助. 作者简介:张乾柱(1989⁃),男,山东菏泽人,博士研究生,主要从事河流硅循环与全球变化研究.E⁃mail :qianzhuzhang@ 通讯作者:陶贞(1965⁃),女,河南沁阳人,教授,主要从事全球变化及其区域响应研究.E⁃mail :taozhen@的关键㊂1 陆地DSi 的迁移过程Si 在地球表层不同介质中有不同的存在形态:土壤中Si 主要存在于晶质的原生硅酸盐矿物和次生黏土矿物(蒙脱石㊁高岭石㊁绿泥石和伊利石等)中,部分Si 存在于隐晶质 非晶质矿物(如蛋白石㊁玉髓㊁水铝英石等)和非晶质的植物硅酸体[24]中,还有以偏硅酸(H 2SiO 3)和[SiO 3]2-离子存在的DSi;植物体内的Si 以无定形硅(SiO 2㊃nH 2O)的形式驻留在植物组织中,形成稳定的植物硅酸体[25];Si 在水体中以DSi 的形式存在㊂一般情况下,地球表层的Si 以DSi 形式在岩石圈㊁土壤圈㊁生物圈以及水圈之间迁移㊁转化㊂1.1 河流DSi 的主要来源硅酸盐矿物风化产生的DSi 进入土壤溶液后,一部分被陆地植物吸收并转化为BSi,一部分以次生含Si 矿物的形式析出[26],剩余的随径流迁移进入河流㊂植物体内的BSi 随枯枝落叶返回至土壤中㊂进入土壤的BSi,一部分被埋藏,另外一部分被重新分解释放DSi㊂陆地生态系统中土壤BSi 成因的DSi 与岩石风化DSi 一起参与上述Si 循环过程(图1)㊂由以上陆地生态系统Si 循环可知,土壤DSi 包括硅酸盐矿物风化释放和BSi 再分解2个来源,可以反映 岩石 土壤 植物”陆地内循环的综合信息㊂河流Si 主要包括未被风化的硅酸盐矿物颗粒(RSi)㊁土壤DSi 及陆地植物BSi 3种形式㊂随机械侵蚀进入河流的RSi 和陆地植物BSi,一部分沉积并埋藏在河床,另一部分被分解释放DSi㊂上述分解释放的DSi 与径流直接输入的DSi 组成了河流DSi㊂河流DSi,一方面被水生生物吸收㊁形成水生生物BSi,另一方面在饱和状态下析出(如黏土矿物和蛋白石)㊂同样,水生藻类形成的水生生物BSi,可以被埋藏或分解释放DSi,参与河流生态系统Si 循环㊂沉积在河床的次生硅酸盐矿物㊁蛋白石和BSi,在紊流搅动下,重新分解释放DSi㊂因此,河流DSi 反映外源输入和内生循环过程的综合信息㊂图1 地球表层DSi 的循环Fig.1 Dissolved silicon cycle of the Earth 爷s surface15第1期 张乾柱等:河流溶解硅的生物地球化学循环研究综述 1.2 陆地植物生长与河流DSi的输入地球表面的DSi源自硅酸盐矿物风化,但这一过程释放的DSi通量远低于全球陆地植物吸收通量(60×1012~200×1012mol/a[13]),揭示了土壤中DSi 的另一来源㊂植物生长过程中形成的BSi通过枯枝落叶凋落返还至土壤,后经分解作用释放DSi,构成土壤DSi的重要部分㊂Bartoli[11]研究表明,不同植物群落返还给土壤的BSi量不同:落叶林群落枯枝落叶返还给土壤的BSi量占年形成量的85%,针叶林群落稍低,达到63%㊂不同群落中土壤BSi分解释放DSi的强度也存在差异:落叶林系统中Si的生物循环较快,约85%的土壤DSi来源于陆地植物BSi的释放,岩石化学风化对其贡献较小;而在针叶林系统中,约85%的土壤DSi来源于矿物风化释放,BSi对土壤DSi的贡献仅有15%[11];热带雨林系统中BSi对土壤DSi的贡献是硅酸盐矿物风化释放量的2倍[8]㊂陆地植物和土壤之间的Si循环延长了Si在陆地生态系统中的滞留时间,减缓了其向河流迁移的速率,减少了Si自陆地系统向系统外的流失量,进而影响陆地(生态)系统Si的表观输出通量㊂受植物生长差异的影响,不同陆地生态系统Si向系统外的流失量有所差异,亚马逊雨林系统Si流失量为183 mol/(hm2㊃a)[11],针叶林系统达(433±117)mol/ (hm2㊃a)[27],竹林群落高达583mol/(hm2㊃a)[28]㊂此外,流域内植物生长差异,也是导致冰期 间冰期之间河流DSi通量变化的重要因素㊂尽管冰期时陆地岩石风化作用较弱,但河流DSi通量却为间冰期的2倍[15],其主要原因为间冰期陆地植物生长旺盛㊁DSi吸收量大㊂陆地植物生长吸收大量的DSi,形成BSi储存在土壤中,抑制了陆地DSi向河流㊁海洋的迁移[28]㊂1.3 河流DSi迁移率与损失率由于流域内陆地植物的生长吸收,硅酸盐岩风化释放的DSi不能全部迁移至河流㊂我们把迁移至河流中的DSi量占总释放量的百分比称为 迁移率”,在迁移过程中的损失量所占的比重,称为 损失率”㊂在硅酸盐岩和碳酸盐岩为主导的流域中,河流中离子来源不同,河流DSi迁移率与损失率的研究方法也不同㊂硅酸盐岩流域内,若不考虑Ca在次生硅酸盐矿物沉淀过程中的流失,根据河流与基岩中Ca/Si的值(经大气沉降校正后),可计算DSi自岩石风化到河流的迁移率与损失率(公式(1))[29]:f Si=(Ca/Si)rock(Ca/Si)river;Si loss(%)=(1-f Si)×100%(1)据公式(1)计算得出,在冰岛地区岩石风化释放的DSi中,51%±12%在迁移过程中由于次生黏土矿物的形成而丢失[29]㊂在有碳酸盐岩分布的流域内,河流中大部分Ca2+源于碳酸盐岩风化,因此公式(1)并不适用㊂河流中Na+和K+主要源于大气沉降㊁蒸发盐岩溶解和硅酸盐岩风化㊂扣除前2个过程的贡献,硅酸盐岩风化则为河流中Na+和K+的主要来源㊂与Si相比, Na+和K+在次生黏土矿物中滞留量较少㊂不同次生黏土矿物中Si含量不同,Si/(Na+K)比值随Si在次生黏土矿物中含量增多而降低㊂根据Si/(Na+ K)比值在基岩与河流之间的差异,可估算DSi的迁移率(公式2)[30]:f Si=Si/(Na+K)[]*river/Si/(Na+K[])rock(2)式中:(Na+K)*为扣除大气沉降㊁蒸发盐岩溶解后来自硅酸盐岩风化部分㊂陆地硅酸盐岩流域多以花岗岩为主,占地表火成岩面积的20%~25%[31]㊂因此,根据全球硅酸盐岩地区河流离子浓度的平均值和花岗岩的元素含量,按公式(1)和(2)分别计算河流DSi迁移率(表1)㊂2种方法计算结果相近,分别是11.67%和14.14%,为了平衡2种方法带来的误差,取两者均值12.91%为全球河流DSi平均迁移率㊂根据风化产物中含Si量的差异,将岩石脱硅富铝化过程大致分成3个阶段:双硅铝化㊁单硅铝化及铝铁化,河流Si/(Na+K)值分别对应2,2~3.5及3.5[30],以此计算出的DSi迁移率为44.44%~77.78%,远高于上述迁移率均值12.91%,其中损失部分(31.53~ 64.87%)被陆地植被吸收利用㊂表1 全球河流DSi迁移率估算Table1 Calculation of migration rate of DSi in global rivers元素含量Na K Ca Si Si迁移率/%(据公式(1))Si迁移率/%(据公式(2))全球硅酸盐岩地区河流平均值/(μmol/L)[5]花岗岩元素含量/%[1]982.74201.76341.0712734.2511.6714.1425 地球科学进展 第30卷2 河流DSi迁移的影响因素2.1 水生生物作用水体DSi是浮游硅藻的主要营养物质之一㊂地质历史时期水体DSi浓度和硅藻是调节全球气候变化的重要介质㊂生物出现之前,水体DSi含量主要受岩石风化和次生硅酸盐矿物的形成控制㊂硅藻等水生生物出现以后,大量消耗DSi,尤其是三叠纪 白垩纪硅藻的爆发式增长,导致DSi浓度剧烈降低[32],同时,大气中CO2被大量吸收,使得气候变冷㊂当DSi浓度降低到一定程度时,硅藻生长受到抑制,光合固碳速率降低,气候则逐渐回暖[32~35]㊂现代环境条件下,河流水生藻类在DSi迁移过程中将DSi转化为BSi,减少了河流DSi的入海通量㊂据统计,全球地表河流BSi浓度为28μmol/L,(1.05±0.2)×1012mol/a(占全球河流DSi通量的17%[36])经河流搬运入海[37]㊂受硅藻生长的季节性差异影响,河流中BSi和DSi的浓度同样存在季节变化㊂一般情况下,温带地区河流㊁湖泊中春季硅藻量最高[38]㊂硅藻生长旺盛时期,大量的河流DSi被吸收并转化为BSi,此时河流BSi含量占Si(DSi+BSi)总量的50%~70%,非生长旺盛期BSi含量仅为10% ~20%[37]㊂在硅藻生长旺盛期,河流Si(DSi+BSi)含量比非旺盛期少得多,相差40%以上[37,39]㊂上述现象揭示了在硅藻生长旺盛时期河流DSi被转化为BSi,沉积并埋藏在河床㊂2.2 人类活动的影响人类活动对河流DSi浓度和通量的影响主要通过以下方式实现:改变土地利用方式㊁促使水体富营养化及修筑拦水大坝等㊂自陆地生态系统DSi迁移至河流过程中,陆地植被的吸收是影响迁移率的重要因素㊂流域下垫面性质稳定时,河流DSi通量的季节波动,反映了陆地植物生长和吸收的季节差异[40]㊂土地利用方式的更替往往带来植被吸收量的变化,从而引起流域DSi输出通量的改变[13,40~42]㊂Carey等[43]研究得出:河流DSi通量和流域植被覆盖度呈负相关;植物的季节性生长吸收差异导致河流DSi通量波动幅度达40%㊂流域植被受到破坏之初,河流DSi通量显著升高㊂之后,河流DSi通量的变化趋势和后来的土地利用方式密切相关㊂若流域植被自然恢复,河流DSi通量趋向变低;若被城市建设用地替代,DSi 通量趋向更高;若用于耕地,河流DSi通量比自然恢复的流域更为偏低[43]㊂富含大量氮㊁磷㊁钾等营养元素的工业和生活废水造成水体富营养化,导致包括硅藻在内的水生生物加速生长[19,20,44],使大量河流DSi被吸收㊁转化为BSi并埋藏在河床[20,45],引起河流DSi浓度显著降低㊂反之,当水体富营养化程度减弱时,河流DSi 浓度出现升高趋势㊂如由于环境条件的改善,20世纪90年代莱茵河NO-3与PO3-4的浓度约减少了1/3,河流DSi浓度增加了70%[21]㊂流域内拦水大坝的修筑改变了河流水文情势,使水生藻类大量繁殖[46~48],导致河流DSi转化为BSi的机率升高㊂由于库区水流流速减慢,BSi被大量埋藏在库区[23,49,50],河流DSi浓度降低,学者称该现象为 人造湖效应”[22,51]㊂如流域性质相似的欧洲3条河流,受人工筑坝影响显著的Vistula和Daugava河DSi平均浓度仅为Oder河的15%~ 50%[52];肯尼亚Tana河中,41%的DSi滞留在Mas⁃inga坝库区[53];修筑于亚洲第一大河的长江三峡大坝,拦截了44%的河流BSi[54]㊂2.3 逆风化作用海洋中HCO-3㊁可溶性硅(DSi与BSi)及碱性阳离子(Cations)和悬浮硅酸盐矿物颗粒(Silicate Min⁃eral)发生反应,生成富含碱性阳离子的硅酸盐矿物(Cations Silicate Mineral),同时向大气释放CO2[55]: Silicate Mineral+HCO-3+SiO2+Cations=Cations Silicate Mineral+CO2+H2O(3) 其中,部分HCO-3,DSi及碱性阳离子(Na+, Mg2+,Ca2+和K+)是硅酸盐矿物风化的产物㊂在上述反应中,风化产物重新合成新的硅酸盐矿物,是风化作用的相反过程,故称之为 逆风化作用”㊂上述逆风化过程,使得2亿年以来海水成分基本稳定[55],同时是调节海水pH和大气CO2浓度的重要机制[56]㊂室内模拟实验发现,由于流域风化物质的输入和大量BSi的分解,河口区成为逆风化过程进行的重点区域[57]㊂这一过程直接减少DSi的入海通量,如约22%的河流DSi被固定在亚马逊河口区[58],密西西比河口区更是高达40%[59]㊂2.4 河流DSi在迁移过程中的滞留率由于水生生物吸收㊁营养元素排放及人工筑坝等因素的影响,一部分河流DSi自上游向下游迁移过程中,以BSi形式沉积并埋藏在河床,导致河流DSi入海通量降低㊂在过去100年间,水体富营养化和 人造湖效应”使得注入波罗的海的河流DSi35第1期 张乾柱等:河流溶解硅的生物地球化学循环研究综述 通量减少了30%~40%[60]㊂自20世纪70年代以来,多瑙河向黑海输送的DSi通量降低了2/3[61]㊂基于Jansen等[62]和Moosdorf等[63]估算的北美地区单位流域面积DSi迁移量,Lauerwald等[64]推算出了河流DSi滞留率公式:F drainage=F t×(1-Si loss-r DSi);r DSi=(f MDSi-f CDSi)/f MDSi(4)式中:F drainage为流域输出量,F t为总输入量, Si loss和r DSi为陆地迁移损失率和河流运移滞留率, f MDSi为DSi入河流通量,f CDSi为河流DSi的入海通量㊂根据公式(4)计算得出:在北美地区,每年约2.3×106mol DSi滞留在流域内,滞留率达13%;单位湖泊面积引起的DSi滞留量为72mmol/(m2㊃a)[64]㊂目前全球河流系统中,大型湖泊造成的河流DSi滞留量占全球河流DSi通量的18%~19%[65]㊂小型水库因水体滞留时间短,水库上游㊁下游DSi浓度无明显差异,对河流DSi消减作用不明显,但对河流BSi拦截作用明显[52]㊂3 河流DSi浓度与通量3.1 全球河流DSi浓度Clarke[66]根据欧洲及北美洲温带地区河流DSi 含量,估算出全球DSi浓度平均值为138μmol/L;在Clarke数据基础上,Livingstone[67]计算得出全球DSi 浓度平均值为218μmol/L㊂基于全球60条河流DSi浓度及流量,Meybeck[68]给出了全球DSi浓度平均值为173μmol/L㊂随着全球河流水化学监测工作的大规模开展,Tréguer等[7]基于全球250条河流,将全球分为9个构造类型区,推算全球河流DSi 浓度平均值为152μmol/L㊂Meybeck[69]将内流河考虑在内,计算得出全球DSi均值为146μmol/L㊂根据中小尺度流域建立的经验模型参数,同时考虑流域流量㊁降雨量㊁温度及岩性等因素,Beusen等[65]估算的全球DSi均值为162μmol/L㊂后来Dürr等[36]基于全球径流量60%的河流㊁140个流域片区,在加权均值基础上,估算出河流DSi均值为158μmol/L,从而推算出世界河流入海DSi通量为(6.2±1.8)×1012mol/a[17]㊂综合上述研究结果,全球河流DSi浓度变化于138~218μmol/L之间,平均值为(161±24)μmol/L㊂3.2 区域差异按照全球河流DSi通量标准化值,即Y DSi/Y Dsi (Y DSi为任一河流DSi通量;Y Dsi为全球河流DSi通量均值),全球流域分为热岩区㊁强活动区㊁多活动区㊁中等活动区㊁少活动区㊁弱活动区㊁微弱活动区及无活动区8种类型[17,36]㊂其中,强活动区主要出现在环太平洋地区,与构造活动一致,北冰洋地区多为弱活动㊁无活动区㊂在注入四大洋的外流河中,注入太平洋的河流DSi浓度最高(387μmol/L),其次为注入印度洋的河流(200μmol/L),第三为大西洋流域(140μmol/L),接近全球河流平均值,北冰洋地区河流Dsi浓度最低,仅为102μmol/L㊂然而,大西洋却接收了全球河流DSi通量的45.6%,太平洋㊁印度洋与北冰洋分别接纳了32.3%,18.6%和5.4%㊂这可能是由于大西洋区域存在亚马逊河和刚果河等大河,河流年径流量达全球总量的51%,为太平洋地区河流径流量的1.88倍[36]㊂3.3 河流DSi通量计算模型若将流域视为独立系统,那么河流DSi的输出通量则为系统内 收支”差值㊂系统内DSi输入源主要为岩石风化(F weathering)和大气沉降(F atmospheric),系统内的支出为陆地植被吸收(F vegetation)和水生生物利用(F aquatic),据此建立流域DSi输出通量(F drainage)的经验公式:F drainage=F weathering+F atmosphericinputs-F vegetation-F aquatic(5)考虑径流㊁岩性㊁温度㊁植被及坡度等要素和河流DSi通量之间的相关性,建立影响机制模型,能在一定程度上反映各要素对河流DSi通量的影响程度㊂如Jansen等[62]在分析北美地区142个水文监测站资料和DSi数据基础上,探讨流域各自然要素与河流DSi通量之间的关系,发现径流量和岩性与河流DSi相关性较强,建立了径流和岩性对河流DSi通量的影响机制模型:F DSi=b0×q b1 (6)F DSi=b0×∑n1(L n×q bn)(7) 式中:F DSi为河流DSi通量(tSiO2/(km2㊃a)); b0,b1~n为模型参数;L n为不同岩性在流域所占面积;q为流域径流量㊂模型(6)计算结果与实测值相关性(r=0.72)低于模型(7)(r=0.94)[62],表明在通量模型中,考虑多因素影响获得的预测效果优于单因素,同时,在一定程度上说明流量和岩性是影响河流DSi产量的重要因素㊂河流悬浮颗粒物(Suspended Partidle Ma⁃terial,SPM)是岩石物理剥蚀程度的重要指标,岩石物理剥蚀能为化学风化持续提供新鲜物质,由此SPM与DSi输出通量理论上成正相关,然而北美洲45 地球科学进展 第30卷107个流域的SPM与DSi输出通量并未表现出上述关系㊂说明径流量与DSi通量之间的正相关关系并不能简单理解为径流增加(减少)对机械侵蚀的加强(减弱)作用[62]㊂不同岩性地区,流域单位面积产Si量差异明显㊂辉长岩㊁辉绿岩及玄武岩等基性火成岩较易被风化,因此流域产Si量最高㊂其次,分别为中㊁酸性喷出岩(流纹岩㊁粗面岩等)㊁未固结成岩的松散堆积物㊁变质岩㊁碳酸盐岩㊁混合沉积岩及砂岩,酸性侵入岩流域区产Si量最低[62]㊂4 河流DSi的同位素研究Si同位素研究始于矿物学㊁岩石学与矿床分布等领域[70]㊂关于河流DSi的稳定同位素组成(δ30Si)研究源自De La Rocha等[71]㊂与其他含硅物质相比,河流DSi更富集30Si㊂这是由于Si同位素分馏作用的结果㊂Si同位素分馏过程分为无机分馏和有机分馏过程,无机分馏伴随着硅酸盐矿物的溶解与沉积,有机分馏则由陆地植物和水生藻类的吸收作用导致㊂地壳主要硅酸盐岩δ30Si值约为-0.5‰,风化过程中形成的黏土矿物富集28Si,其δ30Si值在-1.0~-1.9之间[72],更多的30Si进入溶液中[71,73],风化形成的DSi与硅酸盐岩之间的分馏系数为0.5‰~1.4‰㊂另一方面,在 陆地 河流”迁移过程中,陆地植物优先吸收28Si,使得河流中剩余DSi的δ30Si值正偏[74,75],分馏系数约为1.0‰[76~78]㊂Si同位素分馏现象在水生生态系统中也普遍存在:水中析出的沉积硅往往富集28Si,如蛋白石的δ30Si值为-3.4‰~0.2‰,与全球河流DSi 的δ30Si值相比,明显负偏[72,79],分馏系数达0.4‰~6.8‰;硅藻的吸收作用导致水中DSi的δ30Si值偏重,其分馏系数为1.0‰[80~82]㊂De La Rocha等[71]研究了美洲和非洲河流的δ30Si特征,随后研究者先后又在长江㊁黄河㊁亚马逊河等河流[29,30,53,71,76,83]开展了DSi的δ30Si研究(表2)㊂目前全球河流DSi的δ30Si变化介于-0.2‰~3.4‰之间,河口区δ30Si值变化于0.92‰~3.0‰之间(测试精度介于±0.07‰~±0.14‰),与地壳主要硅酸盐岩(-0.5‰)[72]相比,分馏系数为0.3‰~3.9‰㊂受岩石风化㊁陆地植物吸收㊁水生藻类利用以及沉积硅析出等动力分馏过程的影响,河流自上游到河口DSi浓度逐渐降低且δ30Si值趋向偏重[76]㊂河流δ30Si在一定程度上反映了流域生物地球化学环境特征,同时也是研究流域DSi迁移率的重表2 世界部分河流的δ30SiTable2 Theδ30Si of several rivers in the world河流δ30Si/‰河口δ30Si/‰测试精度/‰参考文献亚马逊0.6~0.9±0.1[71]刚果河0.4~0.8尼日尔河 1.2萨克拉曼多 1.2罗克溪0.5长江0.7~3.4 3.0±0.1[76]冰岛地区20条河流-0.08~1.46均值0.63±0.14[29]黄河-0.2~2.1 1.1±0.1[83]刚果河0.69~1.89±0.07[84]塔纳河0.69~2.23均值(0.96±0.27)2±0.07[53]亚马逊-0.01~2.280.92±0.14[30]要指标㊂在岩石风化元素迁移过程中,K元素比Na 元素更易于被植物吸收利用㊂陆地植物倾向于吸收利用28Si,致使河流DSi相对富集30Si㊂因此,河流DSi的δ30Si与K/Na值呈反相关关系(公式(8))[30]㊂δ30Si=-1.4378(K/Na)+1.8777R2=0.6107;N=24(8)在地表陡峭㊁降雨多及径流量大的山区,由于强烈的侵蚀作用,基岩不断被暴露风化,同时次生矿物形成受到抑制㊂流域DSi往往具有高迁移率㊁低滞留率及弱分馏作用,河流DSi浓度高且δ30Si值低,河流δ30Si值与DSi迁移率呈直线线性相关㊂在地表坡度和缓㊁降雨少及径流量小的地区,岩石风化速率慢,DSi迁移率低㊁滞留率高,分馏作用强,河流DSi浓度低且δ30Si值偏高,河流δ30Si值与DSi迁移率呈曲线线性相关[29]㊂5 结语与展望5.1 结语陆地生态系统中土壤DSi是 岩石 土壤 植被”系统Si循环的 桥梁”,反映了岩石风化和陆地植物吸收作用的环境信息㊂陆地DSi进入河流系统后又承载了河流水文过程和水生生物活动(藻类生长)的信息㊂全球硅酸盐岩风化过程中,31.53%~ 64.87%的DSi被陆地植物吸收,仅12.91%迁移至河流㊂在向海洋输送过程中,河流DSi又受到水生生物吸收㊁逆风化作用及 人造湖效应”等因素的影响,输出量进一步减少㊂河流DSi是陆地DSi输入海洋的唯一通道㊂有55第1期 张乾柱等:河流溶解硅的生物地球化学循环研究综述 限的研究表明全球河流DSi浓度变化范围(介于138~218μmol/L之间)大,空间差异显著㊂与地壳主要硅酸盐岩的δ30Si值(约为-0.5‰)相比,全球河流DSi的δ30Si值变化范围较大(介于-0.2‰~3.4‰之间)且显著正偏,分馏系数达0.3‰~3.9‰㊂这是由流域内Si同位素的无机分馏和有机分馏2种动力分馏过程所导致㊂前者主要为硅酸盐矿物的溶解(分馏系数为0.5‰~1.4‰)与沉积(分馏系数为0.4‰~6.8‰),后者为陆地植物与水生藻类的吸收利用(分馏系数为1.0‰)㊂5.2 展望河流DSi的来源㊁迁移和转化过程复杂㊁影响因素多㊂据研究,河流DSi的来源除矿物风化源㊁BSi 溶解源外,人为活动(家庭洗涤㊁造纸工业及废水处理等)可以使河流DSi通量增加2%[85]㊂搬运过程中,颗粒含硅物质(硅酸盐矿物㊁BSi)的分解输入,在某种程度上可增加河流DSi浓度[86]㊂如硅酸盐矿物风化释放DSi速率约为6×10-14mol/(cm2㊃s)[87];河流BSi分解速率为2×10-9mol/(cm2㊃s)[88]㊂虽然陆生植物生长过程的吸收作用导致DSi 迁移率降低,但是根劈作用和有机酸的释放[89],陆地植物能加快硅酸盐矿物的风化,导致DSi加速释放,然而何种状态下能达到平衡却不得而知㊂因此,对河流DSi来源㊁迁移及转化机制的研究是未来深入研究河流DSi循环需要解决的关键问题㊂河流DSi变化受多因素控制,精确测量全球陆地输向海洋的DSi通量不太现实㊂因此,建立多因素控制的河流DSi输出通量模型,量化各影响因素的贡献,应成为将来河流DSi循环研究的热点㊂目前Si同位素示踪技术主要应用在海洋和陆地生态系统Si循环研究中,河流DSi同位素研究相对薄弱㊂河流DSi的δ30Si值变化可以示踪流域地表过程的强度,因此,河流DSi的同位素研究值得关注㊂参考文献(References):[1] Hans Wedepohl K.The composition of the continental crust[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1995,59(7):1217⁃1232.[2] Epstein E.The anomaly of silicon in plant biology[J].Proceed⁃ings of the National Academy of Sciences,1994,91(1):11⁃17.[3] Epstein E.Silicon[J].Annual review of Plant Biology,1999,50(1):641⁃664.[4] Datnoff L E,Snyder G H,Korndörfer G H.Silicon in Agriculture[M].Netherlands:Elsevier Science,2001.[5] Gaillardet J,DupréB,Louvat P,et al.Global silicate weatheringand CO2consumption rates deduced from the chemistry of large rivers[J].Chemical Geology,1999,159(1/4):3⁃30. [6] Garnier J,Beusen A,Thieu V,et al.N∶P∶Si nutrient export ra⁃tios and ecological consequences in coastal seas evaluated by the ICEP approach[J].Global Biogeochemical Cycles,2010,24(4), doi:10.1029/2009GB003583.[7] Tréguer P,Nelson D M,Van Bennekom A J,et al.The silicabalance in the world ocean:A reestimate[J].Science,1995,268 (5209):375⁃379.[8] Alexandre A,Meunier J,Colin F,et al.Plant impact on the bio⁃geochemical cycle of silicon and related weathering processes[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1997,61(3):677⁃682. [9] Norris A R,Hackney C T.Silica content of a mesohaline tidalmarsh in North Carolina[J].Estuarine,Coastal and Shelf Sci⁃ence,1999,49(4):597⁃605.[10] Berner R A,Lasaga A C,Garrels R M.The carbonate⁃silicategeochemical cycle and its effect on atmospheric carbon dioxide o⁃ver the past100million years[J].American Journal of Science,1983,283(7):641⁃683.[11] Bartoli F.The biogeochemical cycle of silicon in two temperateforest ecosystems[J].Ecological Bulletins,1983,35:469⁃476.[12] Sommer M,Kaczorek D,Kuzyakov Y,et al.Silicon pools andfluxes in soils and landscapes A review[J].Journal of PlantNutrition and Soil Science,2006,169(3):310⁃329. [13] Conley D J.Terrestrial ecosystems and the global biogeochemicalsilica cycle[J].Global Biogeochemical Cycles,2002,16(4):61⁃68.[14] Tao Zhen,Zhang Chao,Gao Quanzhou,et al.A review of the bi⁃ogeochemical cycle of silicon in terrestrial ecosystems[J].Ad⁃vances in Earth Science,2012,27(7):725⁃732.[陶贞,张超,高全洲,等.陆地硅的生物地球化学循环研究进展[J].地球科学进展,2012,27(7):725⁃732.][15] Froelich P N,Blanc V,Mortlock R A,et al.River fluxes of dis⁃solved silica to the ocean were higher during glacials:Ge/Si indiatoms,rivers,and oceans[J].Paleoceanography,1992,7(6):739⁃767.[16] Bernard C Y,Heinze C,Segschneider J,et al.Contribution ofriverine nutrients to the silicon biogeochemistry of the global o⁃cean A model study[J].Biogeosciences,2011,8(3):551.[17] Tréguer P J,De La Rocha C L.The world ocean silica cycle[J].Annual Review of Marine Science,2013,5:477⁃501. [18] Ran Xiangbin,Yu Zhigang,Zang Jiaye,et al.Advances in the in⁃fluence of Earth surface process and human activity on siliconoutput[J].Advances in Earth Science,2013,28(5):577⁃587.[冉祥滨,于志刚,臧家业,等.地表过程与人类活动对硅产出影响的研究进展[J].地球科学进展,2013,28(5):577⁃587.][19] Schelske C L,Stoermer E F,Conley D J,et al.Early eutrophi⁃cation in the lower great lakes[J].Science,1983,222(4621):320⁃322.[20] Conley D J,Schelske C L,Stoermer E F.Modification of the bi⁃ogeochemical cycle of silica with eutrophication[J].Marine Ecol⁃65 地球科学进展 第30卷。

湿地生态系统硅生物地球化学循环研究进展

湿地生态系统硅生物地球化学循环研究进展

湿 地 生态 系统 硅 生物 地球 化 学循 环 研 究进 展
翟水 晶 ,薛丽丽 ,仝川
湿 润亚 热带 生态一 地 理过程 教育 部重 点实 验室 ,福建 师范 大学 亚热 带湿地 研究 中心 福 建师 范大 学地理 科学 学 院 ,福建 福州 3 5 0 0 0 7
摘要 :硅在地壳中的丰度仅 次于氧 , 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
赤潮等富营养化现象和全球气候变化 的影 响。
关键词 :
中图分类号 :Q1 4
文献标 志码 :A
文章编号 :1 6 7 4 — 5 9 0 6( 2 0 1 3)1 0 — 1 7 4 4 . 0 5
引用格式 :翟水晶 ,薛 丽丽 ,仝川 . 湿地生态系统硅生物地球化学循环研究进展 [ J ] . 生态环境学报, 2 0 1 3 , 2 2 ( 1 0 ) : 1 7 4 4 — 1 7 4 8 . Z H AI S h u  ̄ i n g , XU E L i l i , T O NG C h u a n . Ad v a n c e s o f s i l i c o n c y c l e i n w e t l nd a e c o s y s t e m[ J ] . E c o l o g y a n d E n v i r o n me n t a l S c i e n c e s ,
2 0 1 3 , 2 2 ( 1 0 ) : 1 7 4 4 — 1 7 4 8 .
硅 ( s i )在 地 壳 中 的丰 度 仅 次 于 氧 ,为 2 9 . 5 %l J J 。作为 几乎所 有母 质都 含有 的元 素 ,硅是 地球 表面 大多数 土壤 和岩 石 的一种 基本成 分 L 2 。 J , 也是 水 生植 物 ( 特别 是硅 藻 类 )以及 多 种作 物生 长所必 需 的 营养 元 素[ 4 - 6 ] ,还 是控 制陆地 、海洋 、 沿海 和 内陆水 生态 系统机 能 的重要 营养元 素 “ 。
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态系统的稳定, 又减缓地球环境的变化速率。 陆地 BSi 库的形成过程主要是高等植物生长过 在植物体内以无定 程中根系从土壤溶液吸收 DSi, Si ( SiO · n H O ) 的形式驻留在植物组织, 形成植 形 2 2 物硅酸体( Phyolith) , 然后又以凋落物的形式返还给 土壤表层。这一过程在世纪或数年时间尺度上通过 减缓陆地 Si 向海洋的输出而延长了陆地 Si 的驻留 时间, 进而影响陆地 Si 的生物地球化学循环。 据估 12 算, 全球陆地植物硅酸体固定的 Si 量在 60 × 10 ~ 180 × 10 12 mol / a 之间, 与大洋硅藻属植物固定的 Si 量在同一数量级
[2 , 20 , 24 , 25 ]
成, 有不 同 的 形 式, 如 链 式、 分枝式或者球状丛 [32 , 33 ] 。在 pH = 3 条件下, 生 聚合体硅酸随着时间变
[34 ] 化可分解为单体硅酸 。 土壤溶液 Si 含量变化于 0. 4 ~ 2 000 μmol / L 之 [30 ] 间 , 且大多数值位于 100 ~ 500 μmol / L 之间, 高
*
[4 ]
0326 ; 修回日期: 20120521. 收稿日期: 2012* 基金项目: 国家自然科学基金项目 “青藏高原高寒草甸土壤碳循环同位素示踪研究 ” ( 编号: 40871143 ) 和 “人类活动干预下的流域地 ( 编号: 41071054 ) ; 中国地质调查局地调项目 “中国岩溶碳汇动态评价 ” ( 编号: 岩[ 2011] 表过程在河流碳循环中的响应 ” 0123 ) 资助. 地调 01) ,女, mail: taozhen@ mail. sysu. edu. cn 作者简介: 陶贞( 1965河南沁阳人, 副教授,主要从事全球变化及其区域响应研究. E-
; Si
是浮游植物重要的营养元素和硅藻属植物体的重要 [3 ] 组成物 质 ; 土 壤 中 溶 解 态 Si ( Dissolved Silicon, DSi) 很容易被陆地植物吸收利用 ; Si 与其他营养 P, Fe 等的耦合作用控制生态系统的生产 元素如 N, 力水平等。随着大气 CO2 浓度不断升高, 全球地表 化学风化过程和生物过程加强, 加速了岩石圈中的 Si 向生物圈、 水圈的迁移转化。 这一过程由于是大 气 CO2 的汇、 大洋中“生物泵作用 ” 和海岸带富营养 化所需 DSi 的主要来源而成为全球环境变化研究的
12 根据全球硅酸盐岩的风化速率 ( 550 × 10 g / a[2]) ,假设硅酸盐岩中 Si 的含量为 28. 8% ( 地壳中
Si 的丰度 ) , 则硅酸盐岩风化释放 RSi 的通量大约 12 为 5. 66 × 10 mol / a。这一估算值可能小于实际值。 1. 1 河流在 Si 循环中的作用 陆地硅酸盐矿物化学风化产生的 Si 最终分别 以颗粒态 Si 和 DSi 的形式随坡面径流和沟谷水流 被输入 河 流。 目 前, 不同研究者得出的全球河流 [17 ] DSi 浓度存在较大差异, 如 Treguer 等 研究表明全 球河 流 平 均 DSi 浓 度 为 150 μmol / L; 而 Gaillardet [2 ] 等 发现全球 58 条代表性河流的 DSi 浓度变化于 5 ~ 352 μmol / L 之间, 平均为 313 μmol / L。 全球由 [18 ] 河流输向海洋的 DSi 通量受制于流域岩性、 流量 和地表的风化强度 。例如, 河水 DSi 含量随流域 内硅酸盐岩分布面积的增大而增多, 而与流量之间
12 大约为 5 × 10 mol / a, 占海洋每年 Si 输入总量的 [13 ] 80% 。
1
化学风化作用与 Si 循环
在地球表层系统中大多数的 Si 以硅酸盐矿物 和石英的形式赋存于岩石之中, 参与生物地球化学 , 而且是伴随着地表硅 酸盐矿物的化学风化而开始。陆地硅酸盐矿物的化 循环的 Si 只占一小部分 “Urey 反应” 学风化过程, 即著名的 可表示为: CaSiO3 + CO2 幑帯 帯 帯幐CaCO3 + SiO2
。此外, 相比于地球其他地方, 亚
洲湿热季风区因其较活动的地质构造和较陡峭的地 貌条件而成为全球地表风化过程最旺盛、 剥蚀速率
于地 下 水 或 地 表 水 的 相 应 值 ( 150 ~ 180 μmol / L) [12]。控制土壤溶液 Si 含量的主要 因 素 有 母 质 ( 其中可风化含 Si 矿物的含量尤为重要) 、 土壤发育
盐矿物的化学风化是地球表层所有次生 Si 的来源。陆地生态系统各次生 Si 库具有不同的形成机 制和驱动因子, 这导致各 Si 库的贮存量和循环周期存在明显差异 。土壤 Si 库中的黏土矿物 Si、 溶 解硅( DSi) 和淀积在其他矿物表面的无定形 Si 都源自硅酸盐矿物的化学风化过程; 植物生长过程 中吸收土壤中的 DSi 形成生物 Si, 然后经微生物分解过程返还给土壤; 地表径流将流域陆源 Si 以 悬移质 Si 和 DSi 的形式输入河流、 海洋。迄今, 陆地不同形态 Si 库的大小及其对全球 Si 循环的贡 在研究陆地 Si 的生物地球化学循环过程中, 综合考虑各种地表过程及其耦合 献仍不确定。 因此, 作用是非常必要的。 关 键 词: 化学风化; 生物硅; 生物地球化学循环; 同位素; 硅 中图分类号: P593 文献标志码: A 8166 ( 2012 ) 07072508 文章编号: 1001[5 ~ 9 ] 。 核心问题之一 根据 Si 的生物地球化学循环过程, 全球 Si 库可
[29 ] 白石或者直接源自硅酸胶体的淀积 。 土壤环境中次生含 Si 矿物的形成受土壤 pH、
( 1)
CaSiO3 代表硅酸盐类矿物[16]。 式中, 式( 1 ) 表明: 在硅酸盐类矿物的化学风化过程 最终以碳酸盐矿物的形式埋藏 中消耗的大气 CO2 , 在大洋底部, 形成净地质碳汇, 进而影响着全球碳循 原生硅酸盐类矿物在碳酸溶液 环。在这一过程中, 中被碳酸盐化并释放出 RSi ( 呈 H4 SiO4 形态 ) 和其 Na, Ca, Mg 等) 进入土壤圈、 他元素( 主要是 K, 河流 。 Si 和海洋 这一过程是地球表层所有次生 的来源, 而且在地质时间尺度上将全球 C 循环和 Si 循环联 接在一起。
变质作用 风化作用
[13 ]
1. 2
土壤 Si 库及其变化
土壤是陆地生态系统中化学过程和生物过程相 “反应堆 ” 。 其中, 互作用的主要 垂直方向和侧向的 Si 迁移过程、 短暂和永久的 Si 固定过程在不同时空 尺度上发生。依据来源不同, 土壤 Si 库可以分成矿 物 Si( Silicon released from weathering of silicate minerals, MSi) 库和 BSi 库。 土壤 MSi 库主要由源自母质的原生硅酸盐矿 物、 风化—成土过程形成的晶质黏土矿物 ( 蒙脱石、 高岭石、 绿泥石和伊利石等 ) 和淀积过程形成的隐 晶质—非晶质矿物 ( 如蛋白石、 玉髓、 水铝英石等 ) [12 ] 组成 。土壤中低铝硅酸盐矿物包括白石英 、 次生 石英、 隐晶质—非晶质含 Si 矿物。白石英是火成岩 的主要矿物, 一般出现在火成岩发育的土壤中。 只 有在成岩过程中, 蛋白石才转变为白石英, 进而转化 为次生石英。次生石英也可源自土壤剖面非生物蛋
第 27 卷 第 7 期 2012 年 7 月
地球科学进展 ADVANCES IN EARTH SCIENCE
Vol. 27 No. 7 2012 Jul. ,
2012 , 27 ( 7 ) : 725732. [ Tao Zhen, Zhang Chao, Gao Quanzhou, 陶贞, 张超, 高全洲, 等. 陆地硅的生物地球化学循环研究进展[J]. 地球科学进展, et al. A review of the biogeochemical cycle of silicon in terrestrial ecosystems[ J] . Advances in Earth Science, 2012 , 27 ( 7 ) : 725732. ]
Si ) 是地壳中除氧以外含量最丰富 硅( Silicon, [1 ] 的元素, 其丰度为 28. 8% 。在地球表层系统中 Si 的生物地球化学循环具有重要的生态和环境意义 。 例如, 硅酸盐矿物的化学风化过程可以在地质时间 尺度上调节大气 CO2 浓度, 进而影响全球气候
[2 ]
以分成原生 Si 库和次生 Si 库。 原生 Si 库是指大陆 和海洋地壳岩石中的含 Si 矿物; 次生 Si 库是指岩石 经风化过程产生的含 Si 组分, 主要包括 DSi, 以及陆 地和海洋中通过地质、 化学和生物等过程新形成的 各种含 Si 物质, 主要包括各种含 Si 次生矿物、 生物 [10 ~ 12 ] Si( Biogenic Silicon, BSi) 、 。 沉积 Si( 蛋白石 ) 等 相比于 Si 源 / 汇构成较为简单的海洋生态系统, 陆 地生态系统 Si 的源 / 汇构成较为复杂。 目前关于陆 地生态系统中不同形态 Si 库的大小、 形成机制、 驱 [4 , 13 ~ 15 ] 。 动因子 和 通 量 都 还 存 在 很 大 的 不 确 定 性 本文详细综述关于陆地 Si 循环的研究进展, 包括化 学风 化 释 放 的 溶 解 Si ( Dissolved silicon realeased
第7 期

贞等: 陆地硅的生物地球化学循环研究进展
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阶段、 温度 ( 季节变化 ) 和孔隙水的驻留时间。 Ger[30 ard 等 ] 研究发现土壤溶液 Si 含量与土壤温度正
2 相关( r = 0. 4 ) 。以火成凝灰岩为母质发育的始成 H4 SiO4 浓度高于土壤渗透水 土毛管水( 600 hPa) 中,
[20 ~ 22 ] [19 ]
温 度、 土壤溶液阳离子和有机化合物等因素影 [30 ] 响 。如在温带灰化土中土壤酸化会导致黏土矿 物分解从而成为 Si 源。 这一过程释放的 Si 淀积在 矿物颗粒表面形成非晶质 Si 壳。 土壤组分的化学 吸附( 如土壤氢氧化铁, 特别是氢氧化铝的吸附作 ) Si 用 在土壤液相 和固相 Si 相互转化中起重要作 用 , 而且土壤矿物表面的吸附作用还与氧化铁、 [12 ] 氢氧化铝的数量、 类型、 大小和结晶程度等有关 。 土壤中元素 Si 的迁移主要是通过土壤溶液实 现的。硅酸( H4 SiO4 ) 是土壤溶液的主要组分, 且呈
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