退化草地硅的生物地球化学特征及其对碳、氮和磷循环的影响

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草地生态系统在全球陆地硅(Si)循环中扮演着重要的角色。然而,由于气候变化和人类活动干扰等因素的影响,全球约40%草地呈现不同程度的退化现象。但草地退化对Si循环的影响尚不明确。本文以我国北方农牧交错带不同退化程度的草地生态系统为研究对象,通过分析不同剖面土壤(0–10 cm、10–20 cm和20–40 cm)Si分布特征和生物有效性以及植物地上部分Si分布特征,阐明草地退化对Si生物地球化学特征的影响。同时,通过分析草地生态系统植物Si与碳(C)、氮(N)和磷(P)生态化学计量特征和积累量之间的关系,初步揭示Si对C、N和P循环的调控过程。主要研究结果如下:(1)土壤有效Si含量随着草地退化的加深而显著降低,分别为518.26±79.18mg kg-1(无明显退化,NDG),440.47±53.12 mg kg-1(轻度退化,LDG),232.65±22.21 mg kg-1(中度退化,MDG)和249.79±23.89 mg kg-1(重度退化,SDG)。非晶态Si的含量和储量以及土壤Si的生物有效性随草地退化呈下降趋势。原因包括,草地退化引起的植被群落结构以及土壤理化性质变化等。(2)随草地退化程度的加深,植物地上部分Si含量均值的变化不明显。但Si产生通量下降显著,分别为0.81±0.12 g m-2 a-1(NDG)、0.60±0.42 g m-2 a-1(LDG)、0.36±0.29 g m-2 a-1(NDG)和0.36±0.22 g m-2 a-1(SDG)。且不同功能类型植物Si分布特征的变化趋势不同。形成这些现象的原因包括,草地退化导致的植物群落结构变化和土壤生物有效Si含量降低等。(3)草地退化导致土壤非晶态Si储量和植被地上Si产生通量均下降达50%以上。据此我们推测草地退化能够引起Si生物地球组化学循环通量的降低和植硅体碳汇能力的下降。(4)植物地上部分Si含量(0.23%–2.27%)与C含量(45.49%–41.71%)和δ13C组成(-24.68‰–-28.03‰)呈显著的负相关,而与P含量(0.10%–0.20%)呈显著的正相关,但与N之间的相关性不显著。同时,C:P和N:P生态化学计量比随Si含量的增加而呈下降趋势。我们推测,植物中Si的积累能够影响有机质C合成和营养元素利用策略。这一结果表明Si在调控草地和其他富Si陆地生态系统中C、N和P循环方面存在巨大的潜力。
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