4硅的生物地球化学循环研究进展

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
陶
贞等： 陆地硅的生物地球化学循环研究进展
727
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