[科研前线│TARGAS-1]硅元素被证实为草地碳循环的“隐形引擎”

　　凋落物分解是陆地碳氮循环的核心过程，深刻影响着生态系统功能与全球生物地球化学循环。长期以来，研究普遍认为氮浓度、碳氮比或木质素氮比是预测凋落物分解速率的主要指标。然而，人类活动导致的大气氮沉降改变了土壤氮有效性，同时也可能改变植物对硅的吸收。

　　在氮和硅有效性同时变化的背景下，究竟谁在主导凋落物的分解与土壤碳的形成？河北大学生命科学学院王静教授团队，近日在《Soil & Tillage Research》发表了Elevated silicon concentrations accelerate decomposition of the dominant silicon-rich grass litter in grassland ecosystems。研究揭示了：对于草原上最常见的禾本科植物，其凋落物分解的主要调控因子并非传统的氮素指标，而是另一种元素——硅。这一发现为理解全球碳循环、应对气候变化提供了全新视角。为探究凋落物中初始氮(N)和硅（Si）含量对其生物降解性及凋落物衍生新土壤碳形成的影响，研究团队在实验室开展盆栽实验，并同步进行田间凋落物采样实验以收集不同氮硅含量的凋落物。随后通过两次实验室培养实验，进一步探究凋落物的生物降解特性及其对新土壤碳形成的贡献。

　　1. 盆栽控制实验

　　选取草地两种优势植物：羊草（禾本科）和苜蓿（豆科），设置四种处理：

　　·对照

　　·添加氮

　　·添加硅

　　·同时添加氮和硅

　　培养100天后，收集接近衰老的植株作为凋落物样本。

　　2. 野外采集实验

　　在内蒙古呼伦贝尔草原，采集了96份自然生长的羊草地上部分作为凋落物样本，以获取更广泛的自然变异数据。

　　3. 室内培养实验

　　将上述凋落物样品与长期种植C4作物的土壤混合，进行为期150天的培养。

　　图1 硅添加对凋落物化学性质及化学计量比的影响氮添加显著提高了豆科凋落物的氮浓度，降低了其碳氮比，但对禾本科影响较小。硅添加显著提高了禾本科和豆科凋落物的硅浓度及Si/C比。施肥能定向改变凋落物的“初始质量”，为后续分解差异埋下伏笔。

　　图2 氮、硅添加对凋落物化学成分的影响(13C NMR法)

　　氮添加使两种凋落物的烷基碳和芳香碳（难分解成分）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）的同时，却增加了难分解组分，其净效应可能相互抵消。

　　图3 室内培养实验禾本科凋落物（a、b）与豆科凋落物（c、d）的累积碳损失。

　　PP Systems公司的TARGAS-1基于非分散红外吸收原理，能够以高精度测定CO₂浓度。在长达150天的培养期间，研究人员在1、2、3、4、5、6、7、9、11、16、26、50、60、70、80、106、120、130和150天等19个时间点进行了系统测量。每次测量前，培养系统都会用无CO₂气体吹10分钟，确保初始条件一致。随后密封培养瓶3小时，从顶空无菌抽取10mL气体注入TARGAS-1的注射模块，执行测定程序，获得CO2浓度。基于这些数据，团队精确计算出了每个处理的累积碳损失。

　　对于羊草（禾本科），硅添加使其累积碳损失显著增加了12.1%。氮添加单独作用无显著影响。对于苜蓿（豆科），氮添加有影响，但硅添加单独作用不明显。对于富硅的禾本科，硅才是驱动其凋落物分解的更关键因子。

　　图4 氮、硅添加对落叶层土壤碳的影响

　　硅添加使禾本科凋落物形成的新土壤碳增加了23.7%。氮添加对两者新碳形成均无显著影响。硅不仅加速了凋落物分解（CO₂释放），还可能促进了分解产物向稳定土壤碳的转化。

　　图5 盆栽实验禾本科凋落物(a)与盆栽实验豆科凋落物(b)的累积碳损失及其性状之间的关系

　　图S2 培养过程中野外禾本科凋落物累积碳损失与其性状之间的关系

　　图6 野外采集的草禾本科凋落物化学性质、累积碳损失及其相关性研究

　　无论是盆栽还是野外样本，禾本科凋落物的累积碳损失均与其硅浓度、Si/C、Si/N比呈显著正相关。相反，碳氮比等传统指标与分解速率无显著关联。野外96个样本的数据进一步证实，硅浓度与碳、酚类浓度呈负相关，暗示硅可能替代了部分难分解的碳化合物。综上所述，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态系统土壤有机碳（SOC）形成中具有关键作用，但这一作用常被忽视。尽管氮浓度和碳氮比在功能群层面仍具重要性，但本文的研究结果表明，硅浓度及其相关化学计量比对富硅禾本科植物的分解过程和土壤碳输入具有更强的预测价值。这些发现凸显了硅在草地碳循环中的核心作用，并提示将硅管理策略纳入常规管理方案——例如推广富硅禾本科植物或优化土壤硅有效性——可有效提升SOC固存能力与凋落物分解效率。通过结合传统养分管理与硅动态调控，我们有望在全球变化背景下培育更具气候适应力和可持续性的草地生态系统。