4硅的生物地球化学循环研究进展

《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。

——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。

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 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硅质岩成因的地球化学研究方法硅质岩在全球的沉积记录中只占到 1.6wt%，但是它分布广泛，且形成于特定的地球化学环境，故硅质岩的成因对于研究古地理、古气候、大地构造等具有重要的意义；同时，硅质岩岩性致密坚硬，抗风化能力强，其携带的信息能够相对完好的保存下来，是极好的地质信息载体。

文章大量总结前人的研究，对硅质岩成因的地球化学研究方法进行了详细归纳。

标签：研究方法；成因；硅质岩；地球化学硅质岩的主要矿物成分为隐晶、微晶石英，硅质岩中石英的形成过程可概括为：非晶质硅沉淀形成的A型蛋白石溶解，硅质再次沉淀形成无序方石英或CT 型蛋白石，后重结晶成石英的多期转变过程。

此外，硅质岩可能因成岩环境或成岩阶段的不同而混入粘土矿物或碳酸盐矿物等。

地球化学方法1 常量、微量元素及稀土元素Murray等综合了分别来自太平洋、大西洋、印度洋及南半球高纬度边缘海盆的40个硅质结核样品的地球化学信息。

统计分析结果显示：硅质岩中的Al2O3、Fe2O3含量与SiO2含量呈负相关；CaO、MgO、Sr与SiO2的含量不相关；MnO，P2O5，CaO在各样品中含量变化不大；微量元素Zr、Cr、Rb、Nb与Al2O3和Fe2O3的分布趋势相同。

稀土元素含量很低，ΣEREE与Al2O3，Na2O，K2O，Fe2O3相关性良好，相关性系数为0.8±0.02；其他元素如Mg、Ti等，与MnO，CaO，P2O5没有相关性[3]。

Baltuck M认为除主要元素Si之外，其他元素（包括Al，Fe，Mg，P，K，Ca，Ti，Mn）含量的相互间比值相较各自绝对含量对于判断硅质岩成岩环境更具意义[12]。

Bostrom（1969）提出，Al2O3/（Al2O3+Fe2O3+MnO）值是衡量海相硅质岩形成过程中热液参与程度的指标。

Adachi等统计了前人针对不同成因典型岩石的元素分布特征的研究，绘制了热液成因和非热液成因沉积在Al-Fe-Mn三角图中的分布区域如图1。

微生物地球化学过程建模及应用地球化学过程是指地球上元素、物质的循环和转化过程。

微生物地球化学过程通过微生物的代谢过程将元素和物质转化为生物可利用的形态，同时也影响着地球上的物质循环和地球生态系统的平衡。

为了更好地探究微生物地球化学过程及其影响机制，建立微生物地球化学过程的数学模型成为研究的重要任务之一。

一、微生物地球化学模型的建立微生物地球化学模型的建立需要综合利用微生物学、地质学、化学等学科的知识，探究微生物和环境之间的相互作用及其影响机制，以此为基础建立微生物地球化学模型。

1.分子尺度微生物地球化学过程中，微生物通过代谢作用将元素和化合物转化为生物可利用的形态。

该过程中，分子尺度的化学反应机制起着关键作用。

建立微生物地球化学模型需要对微生物中参与代谢的微生物学、生化学知识进行深入的研究，从而理解微生物代谢机制，建立分子尺度的微生物代谢模型。

2.宏观尺度微生物地球化学过程不仅发生在微生物体内，也发生在微生物体外的环境中。

微生物和环境之间的相互作用影响着微生物地球化学过程的发展和结果。

因此，建立微观尺度的微生物模型，需要将环境因素考虑进去，建立宏观尺度的环境微生物模型。

二、微生物地球化学模型的应用微生物地球化学模型被广泛应用于生态系统管理、环境污染治理和化学品风险评估等领域。

1.生态系统管理微生物地球化学模型在生态系统管理中起到的作用是评估和优化生态系统的结构和功能，为生态保护、修复等决策提供支持。

例如，应用微生物地球化学模型分析湖泊中营养盐浓度变化趋势，从而制定有效的湖泊管理策略，保护湖泊生态系统。

2.环境污染治理微生物地球化学模型在环境污染治理中的应用主要是分析和预测环境污染程度及其治理效果。

例如，应用微生物地球化学模型研究土壤中重金属和有机污染物的转化，分析富营养化地区中污染物的移动和生物标志物的变化，为环境污染治理提供科学依据。

3.化学品风险评估微生物地球化学模型在化学品风险评估中主要是评估化学物质的环境归趋和人体健康风险。

地球化学解析地球的化学演变历史地球的化学演变历史是地球化学领域的一个重要研究方向。

通过分析地球上的岩石、矿物、海洋、大气等物质，地球化学家们可以还原出地球自形成以来的化学演变历程，揭示地球内外物质的相互作用和演化过程。

地球上的元素和化合物组成以及它们的变化，不仅从化学层面上解释了地球的发展历程，也为我们了解地球的起源和生命的演化提供了重要线索。

1. 地球形成阶段地球化学的研究表明，地球是在大约46亿年前形成的。

地球形成的早期阶段被称为原地幔阶段，此时地球主要由铁基金属和硫化物组成。

随着高温高压条件的形成，地球的尘埃和气体逐渐聚集形成了地幔，同时地球也开始经历火山喷发、陨石撞击等地质灾变。

2. 地幔和地壳的形成地球的地幔是由铁镁硅氧物质构成的，地幔中含有大量的铁、镁、铝、钙等元素。

地幔的组成物质不断发生熔融和上浮现象，随着时间的推移，地幔物质逐渐形成了地壳。

地壳主要由硅酸盐矿物组成，包括石英、长石、辉石等。

地壳上的物质与地幔之间存在着热力和化学交换，这种交换作用对地球的演变和生命的起源有着重要影响。

3. 大气层的演变地球化学研究还揭示了地球大气层的演变历史。

据科学家的研究，地球早期的大气层主要由二氧化碳、氮气和水蒸气组成。

随着地球表面的温度降低和生命的出现，氧气开始大量产生，逐渐形成了现在的氧气含量较高的大气层。

同时，随着生物进化和地壳运动，地球上的大气层经历了多次变化，比如在数百万年前古生代末期的大规模火山喷发导致了大气层中有毒气体的大量释放。

4. 地球化学与生命的关系地球化学的研究与生命的起源和演化密切相关。

地球上的生命是基于碳为基础的有机化合物组成的，而地球化学研究揭示了碳循环和有机物形成的机制。

地球上的一些原始生物形成了化石，在地球化学家的研究中有助于还原出地球上古生物的类型和特征，并推测出生命起源的可能途径。

总结起来，地球化学是研究地球元素、矿物和化合物的组成与变化，以及地球演变历史的一门学科。

硅质岩的地球化学特征及最新研究进展
余瑜;林良彪;黄棋棽;郝强
【期刊名称】《四川地质学报》
【年(卷),期】2015(000)002
【摘要】硅质岩的地球化学特征是沉积学研究中的一个重要领域，其对构造活动、沉积环境、古温度有着重要的意义。

本文通过对硅质岩传统的研究方法的总结，探讨硅质岩常量元素、微量元素和同位素等地球化学特征，同时总结国内外近来年硅质岩的研究文献，详述最新研究进展，如数学地质、有机质研究和稀有气体等方法在硅质岩中的应用，并对中国南方扬子地区二叠系硅质岩的成因机制进行了探讨。

【总页数】5页(P167-171)
【作者】余瑜;林良彪;黄棋棽;郝强
【作者单位】成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059;成都理工大学沉积地
质研究院，成都 610059;成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059;成都理工
大学沉积地质研究院，成都 610059
【正文语种】中文
【中图分类】P584
【相关文献】
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3.下扬子巢湖地区中二叠统孤峰组富有机质硅质岩有机地球化学特征 [J], 耿梓傲; 韦恒叶
4.长坑金银矿赋矿硅质岩的硅氧同位素地球化学特征及其成因意义 [J], 孙晓明;孙凯;陈敬德;陈炳辉
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自1895年工业革命以来，温室气体CO 2、CH 4、N 2O 等含量急剧上升，尤其是CO 2已经累计到40%以上。

全球CO 2急剧增加，气候变暖给人类的生产生活带来了严重的影响。

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC ）2023年报告指出，2001—2020年间，全球地表平均温度比1850—1900年间提高0.99℃，预计到2100年，地表的平均温度可能增加3.2℃。

如何有效降低CO 2浓度，科学家将重点放到陆地碳汇上面，其中，植硅体碳的生物地球反应为大气CO 2封存提供了长期机会。

植硅体（Phytoliths ）别名植硅石或硅酸体，是植物在蒸腾拉力的作用下吸收土壤溶液中的可溶性单硅酸Si(OH)4或H 4SiO 4，沉积在细胞内腔、细胞壁或细胞间隙中，是一种含水的难容性硅酸形态(SiO 2·H 2O)[1]，大多数植物中都存在植硅体，在植物中具有结构保护作用，在全球生态学中发挥着多种重要作用。

植硅体在植物中主要存在于3个部位：1）细胞壁沉积，2）细胞腔填充，3）表皮层细胞之间。

植硅体的研究最早起源于18世纪国外学者Desaussure ，在植硅体的形成过程中，会包裹一些有机碳，这部分碳被认为是植硅体封闭有机碳（Phytolith-occluded carbon ），即植硅体碳（PhytOC ）。

与其他土壤有机碳相比，植硅体碳在植硅体的硅氧外壳的保护下，可以在土壤中长期存在，具有较强的固碳能力[1]。

CO 2封存最有希望的方法是陆地生物化学碳封存，因此，植硅体碳汇在全球生物化学固碳方面有着重要的作用。

植硅体的研究涉及到土壤学、古生态学、农学、考古学、植物学、动物学等学科领域。

目前，植硅体、植硅体碳的研究在湿地、森林、草地生态系统等领域取得了一定的重要成果。

因而，农田生态系统作为陆地生态系统之一，研究农作物的植硅体、植硅体碳汇潜力尤其重要。

1农作物植硅体研究1.1植物硅含量硅在地壳和植物体内广泛分布，是地球物质循环中的关键元素之一，对植物的可用性可以达到植物总干重的10%，植硅体的主要成分是Si 或SiO 2，占比为75%～95%，还含有一定量的水分（3%～12%）、有机碳（0.1%～6%）、微量元素Al 、K 、Ca 等，大小在2～2000μm 之间。

地球化学研究地球内部的地核与地幔的物质循环地球内部的地核和地幔是地球的重要组成部分，地球化学研究正是在探索这两个区域的物质循环及其作用机制。

通过地球化学的研究，我们可以更加深入地了解地球内部的构造和演化过程，为解释地球上的地质现象提供重要依据。

一、地核的物质循环地核是地球内部最深处的区域，由外核和内核组成。

地核的物质循环主要包括熔融态的金属核物质上升到地表和固态地核物质下沉到地幔的过程。

其中，熔融态地核物质上升到地表形成岩浆，进而喷发形成火山，是地球上火山活动的重要原因之一。

而固态地核物质下沉到地幔则是地球内部物质的重新循环，对地球动力学和地壳构造变动起着重要作用。

地核物质的循环是通过地幔对地核物质的摄取和释放实现的。

地幔是地核与地壳之间的过渡层，由硅酸盐矿物和较少的铁、镁等元素组成。

地幔物质对地核物质的摄取主要通过岩石圈和下地幔的对流运动实现。

地壳的陆地板块和海洋板块的构造运动以及热对流都可以带动地幔物质的上升和下沉，进而影响地核物质的循环。

二、地幔的物质循环地幔是地球内部最大的地球化学圈，由硅酸盐矿物和铁镁矿物组成。

地幔的物质循环主要表现为岩石圈的运动和热对流。

岩石圈是地幔与地壳相结合的地带，是地球内部物质循环的重要层次之一。

岩石圈的物质循环主要通过地壳的板块构造运动实现。

板块构造运动包括大陆板块的碰撞和俯冲以及海洋板块的扩张和消亡，这些构造运动带动岩石圈物质的上升和下沉，影响地幔的物质循环和地球的地质活动。

热对流是地幔物质循环的重要机制之一，它是由于地幔内部的热量不均匀引起的。

地幔中的物质受热后会上升，形成对流循环，然后冷却下降，再重新受热上升，如此循环往复。

热对流带动地幔物质的上升和下沉，促使地幔物质在地球内部进行循环。

地幔热对流对地壳板块构造运动、地震活动以及火山喷发等地质现象有着重要影响。

三、地核与地幔物质循环的意义地核与地幔物质循环是地球内部物质循环的重要组成部分，对地球动力学和地质现象产生深远影响。

地质学与地球化学了解地球的元素组成与循环地球是宇宙中唯一被发现含有生命的行星，其丰富的元素组成和复杂的元素循环过程是地质学与地球化学研究的核心内容。

通过深入了解地球的元素组成和循环，我们可以更好地认识地球的起源、演化和未来发展，为环境保护和资源利用提供科学依据。

本文将从地质学和地球化学的角度探讨地球的元素组成与循环。

一、地质学认识地球的元素组成与循环地质学研究地球的形成、构造和演化过程，通过研究地球内部的岩石和矿物，我们可以揭示地球的元素组成以及元素在地壳中的分布和循环。

1. 地球的元素组成地球主要由氧、硅、铝、铁、钙等元素组成，这些元素构成了地球的岩石组成。

地壳是地球上最外层的固体壳层，其主要由氧、硅和铝等元素构成的硅铝矿物组成。

研究地球的元素组成有助于我们了解地球的物质组成和地壳的构成。

2. 元素在地壳中的循环地球上的元素不断地进行循环，形成了地球的元素循环系统。

元素循环通过地质作用、水循环和生物作用等过程实现。

地壳中的元素可以通过火山喷发、岩浆活动等地质作用进入大气和水圈，也可以通过风化、侵蚀等地质作用从地表层进入到水圈。

同时，生物体内的元素也通过食物链和生物代谢作用进入地球的元素循环系统。

通过研究地球的元素循环，我们可以了解元素的来源、去向和转化过程，为资源利用和环境保护提供科学依据。

二、地球化学认识地球的元素组成与循环地球化学是研究地球元素组成、地球化学过程和地球化学环境的学科，通过研究地球的元素组成和地球化学过程，我们可以深入了解地质体系的演化、地下水的成因与污染等问题。

1. 地球化学元素的分类与特征根据元素在地球内的丰度和元素性质，地球化学可以将地球元素分为两类：大地元素和稀有元素。

大地元素主要包括硅、氧、铝、铁等，这些元素在地壳和地幔中广泛存在。

稀有元素主要包括金、银、铜等，这些元素在地球内相对较稀少。

地球化学研究了这些元素在地球内的分布规律和地球化学循环。

2. 地球化学循环过程地球化学循环过程主要包括岩石圈、水圈、大气圈和生物圈之间的相互作用。

第３８卷第１期２０２０年１月海洋科学进展A D V A N C E S I N MA R I N E S C I E N C EV o l ．３８㊀N o ．１J a n u a r y,２０２０生物硅组成及对硅循环影响的研究进展臧家业１,王㊀昊１,刘㊀军１,２,于志刚３,４,吴㊀念１,３,４,冉祥滨１,２(１．自然资源部第一海洋研究所海洋生态研究中心,山东青岛２６６０６１;２．青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室,山东青岛２６６２３７;３．中国海洋大学,山东青岛２６６１００;４．海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东青岛２６６１００)收稿日期:２０１８Ｇ０７Ｇ０５资助项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目 束星北青年学者基金(２０１７S ０３)和黄河口潮滩湿地硅的固定与产出及其对河口输送硅的贡献(２０１７Q １０);国家自然科学基金项目 陆源生物硅在长江口硅生物地球化学循环中的作用研究(４１７７６０８９)作者简介:臧家业(１９６２Ｇ),男,研究员,博士,主要从事海洋化学方面研究．E Ｇm a i l :z j y ＠f i o ．o r g．c n (高㊀峻㊀编辑)摘㊀要:硅元素深刻影响着地表物质循环,是地表过程㊁陆海相互作用和全球碳循环研究的关键元素之一.在已有的陆Ｇ海生物硅研究中,大多数没有考虑生物硅组成在区域硅循环中的作用,因此开展不同来源与组成生物硅参与下的地表与陆Ｇ海硅循环研究是非常必要的.硅藻㊁硅鞭毛藻㊁植硅体㊁放射虫和海绵骨针是生物硅的主要存在形式,不同来源的生物硅由于化学性质的差异在硅生物地球化学循环过程中扮演着不同的角色,影响着生物硅的溶解速率与硅的埋藏等过程.今后应采用复合技术手段,重视 新硅 和 老硅 在硅循环中的差异化作用以及对分析测定结果的影响,并加强这方面的定量研究㊁过程与机理研究以及系统的综合性研究,特别是针对复杂的环境样品的多学科交叉综合研究.关键词:生物硅;组成;植硅体;硅循环中图分类号:P ３４３．５;P ７１４．４㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀文章编号:１６７１Ｇ６６４７(２０２０)０１Ｇ００１１Ｇ１０d o i :１０．３９６９/j．i s s n ．１６７１Ｇ６６４７．２０２０．０１．００２引用格式:Z A N GJY ,WA N G H ,L I UJ ,e t a l ．T h e r e s e a r c h p r o g r e s s i nb i o g e n i c s i l i c a c o m p o s i t i o n a n d i t s i m p a c t o n s i l i c a c yc l e [J ]．Ad v a n ce s i n M a r i n eS c i e n c e s ,２０２０,３８(１):１１Ｇ２０．臧家业,王昊,刘军,等．生物硅组成及对硅循环影响的研究进展[J ]．海洋科学进展,２０２０,３８(１):１１Ｇ２０．人类活动影响下的碳循环是全球气候变化和环境演变研究领域的热点问题.在研究表生物质循环和气候变化中,人们对碳的研究 情有独钟 ,却忽视了 生物泵 的重要 引擎 之一的 硅泵 [１],对硅循环的研究和认识明显不足.而事实上,硅与碳循环在元素地球化学循环和气候变化中具有紧密的联系,都是全球环境问题研究不可或缺的角色,在生态环境中的地位和作用不容低估.硅,作为地壳中第二大组成元素[２],是维持近海浮游植物的群落结构[３]及生态系统的稳定方面的重要因素.因此,硅循环正逐渐成为全球变化研究中的新领域.特别是当前人类活动影响日益增强,这加剧了水体营养盐比值(氮ʒ磷ʒ硅)偏离浮游植物正常摄取所需比值的趋势,其中新的科学问题与认知已成为区域乃至全球环境变化分析与对策研究的基础性研究范畴.环境中的硅是由溶解硅和颗粒硅组成,颗粒硅又由生物硅和成岩硅以及一些弱晶格结构的自生硅酸盐矿物所构成[４Ｇ５].溶解硅是水生态系统中重要的营养物质[３,６Ｇ９],并在气候变化[７,１０Ｇ１２]和物质循环过程[３,６Ｇ９]中发挥着关键的作用.颗粒硅中生物硅(B S i )则是由生物生理活动产生的无定型硅,并在生物有机体分解后保留下来的具有一定形状或结构的硅质颗粒[１３Ｇ１４].近２０a 来,人们针对硅循环的研究逐渐增多[１５Ｇ１７],其中活性硅(溶解硅与颗粒硅中的生物硅)现存量的研究是相关工作中最为基础和关键的一环.在陆地上,植物每１２㊀海㊀洋㊀科㊀学㊀进㊀展３８卷年固定的硅达(６０~２００)ˑ１０１２m o l(以S i计)[１８],陆地植物成因的硅库与海洋中生物硅(２４０ˑ１０１２m o l)的年生产量处于同一量级[１２],二者构成地表系统中生物硅库总量的绝大部分.随着对硅循环研究的深入,近年来生物硅的组成与来源[６,１９]及不同来源的生物硅在区域硅循环中的作用[２０]逐渐成为硅循环研究的热点.这些新的研究成果加深了人们对人类活动影响下硅循环过程与机理的认识,但人们对生物硅组成的差异及其化学行为和分析测定的影响等方面的认识略显不足.为了准确评估硅循环在生态系统和全球环境变化中的地位,我们对生物硅性质㊁组成与来源及其对测定的影响等研究结果进行系统地分析和总结,为今后深入开展多学科交叉的硅循环研究提供重要的参考.１㊀生物硅的组成以及在硅循环中的作用１．１㊀生物硅的组成硅元素在高等植物的生长中极为重要,但由于环境中存在大量易获取的溶解硅,所以不被认为是必需的营养元素[２１Ｇ２２].如,高等植物各组织中一般含有６％~１９％(质量分数)的硅[２２],这是植硅体形成的基础.对于硅藻等浮游植物,硅是其必需的营养元素,构成了浮游植物的骨骼或框架结构[２３Ｇ２５],即硅藻类生物硅.生物硅(S i O２ n H２O)作为环境中广泛存在的一类无定型硅,其组成或来源非常的复杂(图１).在海洋中生物硅一般被认为是由硅藻(硅藻门)㊁硅鞭毛藻(金藻门)㊁放射虫和海绵骨针等硅质颗粒所构成[２３],并以硅藻为主(约９０％)[２５];在陆地土壤中,生物硅主要是由高等植物所产生的无定型硅所构成[２１,２６Ｇ２７],并有少量的含硅细菌与真菌等(浮游藻类仅可能出现在稻田等特定的区域),而在河流与湖泊中还会有一定量的淡水硅藻[１４,１７,１９].在近岸,特别是河口系统,生物硅是由陆源生物硅和海源生物硅共同组成[２８Ｇ２９].可见,不同环境系统中生物硅组成的差异(如水Ｇ陆和陆Ｇ海之间差异)主要是由所属生态系统的初级生产和外源输入所决定.水环境中生物硅除来源不同导致的组成差异外,还可能因反风化作用形成自生的硅酸盐矿物[５,２８].此外,因累积作用和环境条件不同造成的化学活性差异,环境中的生物硅按年龄可分为 新硅 (即形成时间相对当前较近) 与 老硅 (即形成时间相对当前较早)[２７].图１㊀生物硅的来源和基本组成[１４,１９,２８][１４,１９,２８]１期臧家业,等:生物硅组成及对硅循环影响的研究进展１３㊀１．２㊀生物硅在硅循环中的作用１．２．１㊀生物硅参与陆地生态系统硅循环的过程在陆地生态系统中生物硅的含量较高,在土壤表土层中生物硅有一部分稳定性较低,在进入土壤后被快速溶解并再次参与硅的生物地球化学循环;另一部分生物硅则相对稳定,可较长时间保存于土壤中,这部分慢慢变 老 的生物硅逐渐成为土壤中永久埋藏的一部分[６Ｇ７,２６,３０],即硅生物地球化学循环的输出部分.尽管存在部分 钝化 的情况,环境中广泛存在的生物硅依然比大多数硅酸盐矿物更易溶解[１４,２３,３１Ｇ３７].生物硅在土壤中的溶解提高了土壤孔隙水中溶解硅的浓度[３８Ｇ３９],直接或间接地补充河流水体中的溶解硅.陆地生态系统中溶解硅的跨区域输送受到相应系统中硅周转速率的影响;在硅周转速率高的地方,陆地生态系统对河流溶解硅的贡献较高,如夏威夷热带雨林,这种贡献为６０％~９０％[９],而在温带的一些区域,这种贡献仅为１２％[４０].陆地生态系统中的生物硅也会通过地表径流与地下水进入河流系统[９,２６,４０];在河流输送的生物硅中,植硅体通常是生物硅中重要的组成部分[６,１９Ｇ２０].在输送通量上,高泥沙含量的河流中生物硅的单位面积所贡献的输送量也较大[１９],表明河流生物硅的来源与输送通量和流域植被与地表土壤的侵蚀等密切相关;与河流自生的生物硅相比,流域土壤中的生物硅是河流活性硅负荷的有效补充,并在陆源活性硅向海洋的输送中扮演着关键的角色[１２,１８,３７],特别是一些含沙量较高的高浑浊河流.生物硅稳定性的差异在一定程度上是由其所处的环境㊁形成年代以及来源差异等造成的.通常,生物硅在土壤环境中会与其它类型的硅质矿物㊁黏土等混合在一起,并与水环境中的铝㊁钾和铁等阳离子及黏土反应形成具有弱晶格结构的自生硅酸盐矿物,即反风化过程对活性硅的转化作用.此外,生物硅还会与铝等阳离子发生反应,并在其表面形成稳定的 涂层 ,这有利于生物硅的长期保存和碳的封存.目前,关于土壤中生物硅反风化研究还不多见,但土壤孔隙水中阳离子含量㊁黏土矿物等都满足溶解硅和生物硅参与反风化反应的条件[５,３１Ｇ３２].因此,除溶解过程外,生物硅参与反风化反应可能是影响其在土壤环境中溶解与保存及其相关地球化学过程的另一关键过程.１．２．２㊀不同来源的生物硅及其溶解过程对河口生态系统硅循环的影响据统计,全球河流每年输送１５ˑ１０９t的泥沙到河口[４１],这些传输到河口的泥沙中包含有一定量的生物硅,其总量为３１ˑ１０６t[４].这些输入到河口的生物硅在微生物㊁p H和盐度的作用下被快速地溶解[３３,４３Ｇ４４].因此,河流输入到河口的生物硅在河口过程中多呈现为被移出的特征[２８],如德国的易北河(E l b e)河口生物硅的移出量约为８８％[４５].这些生物硅连同海洋自生的硅藻仅有一小部分(３％)被长期保存下来[１８,２５,４６Ｇ４７],以C o n l e y的研究结果[４]计算,河流中生物硅占活性硅(生物硅与溶解硅之和)的１６％,其溶解过程是河口硅收支的重要组成部分[１２,３３,４７Ｇ４９].又如D e M a s t e r等研究[３３]表明,亚马逊河口生物硅的埋藏速率为３ˑ１０１０m o l/a,尽管这是河口硅循环的重要过程之一,但这个埋藏速率却比该河口生物硅的总量小很多,这意味着大部分生物硅被溶解了.在芬兰万塔河(V a n t a aR i v e r)河口陆源硅主导着河口硅循环(该区域的生物硅主要是陆地来源的植硅体),且在河口中有９７％的生物硅被溶解,成为溶解硅的重要来源(约占输入到河口溶解硅总量的３８％)[４７].同样,在比利时/荷兰的斯海尔德河口(S c h e l d tE s t u a r y)的情况也是如此[４４],但与其它河口显著不同的是,在斯海尔德河口植硅体对生物硅的贡献并不大[４].陆源生物硅在河口硅循环中与收支起着重要的作用[２８].由于生物硅的溶解作用,部分河口中表现出溶解硅 源 的特征;如在欧洲的奥得河(O d e r)河口溶解硅在盐度梯度变化的海域呈现被添加的特征[５０].在黄河口的初步研究显示(表１),植硅体在近河口端占生物硅的比例为６２％(B６５站),表明陆源生物硅是河口生物硅的重要来源[２９].也有研究表明生物硅在河口硅循环中的作用可能是被高估.如A r n d t和R e g n i e r 模拟结果[５１]显示,在斯海尔德河河口仅有不到１％的硅藻初级生产所需的溶解硅是由再循环产生的;同样在长江口,陆源生物硅的埋藏效率显著高于近岸其他海域[２８],也普遍高于大洋[１２,２８].１４㊀海㊀洋㊀科㊀学㊀进㊀展３８卷表１㊀黄河口生物硅的组成(％)[２９]T a b l e １㊀C o m p o s i t i o no f b i o g e n i c s i l i c a i n t h eH u a n g h eR i v e rE s t u a r y (％)[２９]类㊀别B ４１B ４９B ５０B ５４B ６５B ６６(１２０ʎ１０ᶄ４８ᵡE ,３８ʎ１９ᶄ４８ᵡN )(１１８ʎ５８ᶄ１２ᵡE ,３９ʎ００ᶄ００ᵡN )(１１９ʎ４２ᶄ３６ᵡE ,３９ʎ１８ᶄ３６ᵡN )(１２０ʎ４８ᶄ３６ᵡE ,３９ʎ００ᶄ００ᵡN )(１１９ʎ１５ᶄ００ᵡE ,３７ʎ５５ᶄ１２ᵡN )(１１９ʎ２４ᶄ００ᵡE ,３７ʎ４５ᶄ３６ᵡN )浮游植物硅藻门金藻门中心硅藻纲５６．４６４．５６３．５５３．９２２．１４８．４羽纹硅藻纲４．５９．０１．８６．９１０．５７．９硅鞭藻纲∗５．７５．５７．７７．２０．５１．５高等植物植硅体平滑棒形１１．４３．６１１．６１３．２１７．５１０．２刺状棒形３．４０．６２．１n d２．３１．７齿形０．８１．９２．４２．６４．２２．１尖形１．１３．３２．７１．０７．２５．９哑铃形n d０．６１．５３．００n d扇形１．１０．６１．２１．３７．７６．６圆形n d １．６０．３１．６１０．５６．４帽形１．１２．７４．２３．０６．８４．９三角形１．１n d n d n d ５．８n d 短鞍形０．４n dn dn dn d n d 海绵骨针１２．９６．３１．２６．２４．９４．５㊀㊀注:数字为各存在形式的生物硅对总生物硅个数的数量贡献比例, ∗ 具体为硅鞭毛藻属, n d为未检出１．２．３㊀大洋硅循环及硅藻在生态系统中的作用与近岸水体比较,大洋水体中生物硅的组成较为简单,主要由硅藻构成.硅藻在大洋硅循环中的作用极为重要[８,１２],有 硅泵 [１]之称(即硅藻通过光合作用固碳将C O ２转化为颗粒有机碳并通过沉降转移到海底长期保存).与河口与近岸海域不同,大洋 硅泵 的效率相对较低,大部分生物硅在真光层便被溶解,最终只有真光层生成总量的３％可保存在沉积物中[１２].生物硅在水体相对较高的再生率[１２]表明维持大洋硅循环的机制是硅藻对溶解硅的吸收转化与生物硅的再生作用,这也是海洋硅循环系统中最活跃的部分.目前,大洋硅循环的研究主要集中在南大洋[５３Ｇ５５]㊁两极地区[５６Ｇ５８]和赤道地区[５９Ｇ６１],这些都是全球气候研究的热点区域.控制大洋生物硅含量的主要因素,除了纬度造成的温度差异外,更大程度上受硅浓度限制与低的初级生产所制约[８].大洋硅循环研究多围绕硅藻沉积导致的碳㊁硅循环效应展开,探讨硅藻参与的营养盐循环过程[６２].反演硅藻沉积时的生产力状况以及评估硅藻在平衡大气C O ２分压和气候演变中的控制机制[６３]是当前研究的热点;这些研究均表明大洋在全球碳循环中具有举足轻重的地位,在其中硅藻作为最主要的生物硅生产者[１２,２５]直接或者间接参与了硅与碳循环的主要过程.再者,大洋表层水体中溶解硅较低,探索硅的来源及利用状况也是当前研究的主要科学问题,其中风尘作为稳定的外源输入在促进大洋硅藻初级生产力在短期内的提高发挥了作用[８].另外,在寡营养盐海区,由海洋动力过程所驱动的跨等密度面营养盐输入也是维持上层海洋硅藻新生产力的重要基础[１２],是当前与今后应该关注的重点问题之一.最新的研究[６３]表明在南大洋硅藻对初级生产的贡献有降低的趋势,这些新的现象很可能影响大洋硅泵的效率.所以我们需要加强对海洋酸化[６４]㊁大洋硅藻多样性变化[６３]等机制的认知,因为这些过程的变化很可能对硅泵的效率产生直接的影响,进而影响硅藻在全球碳循环中的重要角色.１期臧家业,等:生物硅组成及对硅循环影响的研究进展１５㊀２㊀环境基体对生物硅测定的影响无论是溶解硅还是生物硅,它们都可能通过反风化作用与环境中存在的铝㊁黏土矿物等一起参与形成新的自生矿物[５,３１Ｇ３２].由于含硅矿物中的黏土矿物和自生矿物的化学性质接近于生物硅,所以使环境样品中生物硅的测定产生较大正偏差[２３,６５].因此,识别生物硅的组成与来源㊁量化含硅矿物的化学活性㊁并在测定过程中有效地剥离其它矿物对分析结果的影响,成为生物硅测定和硅循环研究领域必须解决的现实问题.硅质颗粒往往是以生物硅为内核,黏土和自生矿物为附着体,还可能在颗粒体的外围吸附着一定量的溶解硅,构成具有一定规则或者结构㊁有机与无机混杂的复合的颗粒物(图２).以碱液提取法[６６]为例,碱液提取时往往会将除生物硅外的硅酸盐矿物溶解,从而对测定结果产生干扰.若生物硅在碱液中的溶解速率遵循一级动力学反应规律[６７Ｇ６８],黏土矿物则为线性溶出(零级动力学),自生的硅酸盐矿物溶解动力学很可能与黏土矿物相似;三者化学活性的接近是影响生物硅含量分析的关键因素.可见,在考虑生物硅的分析时,不仅要考虑黏土矿物的干扰,还要考虑自生矿物溶解的影响.图２㊀水体颗粒物㊁土壤和沉积物中生物硅存在形式[５,３１Ｇ３２,６８]F i g．２㊀S c h e m e o f b i o g e n i c s i l i c a f o r m s i n t h e s u s p e n d e d p a r t i c l e s,s o i l s a n d s e d i m e n t[５,３１Ｇ３２,６８]复杂的来源和明显的基体效应可能使得硅铝校正法在分析生物硅时遇到麻烦,获得的结果难以反映环境中生物硅的真实状况.以土壤为例,其生物硅的组成较为复杂,存在较为明显的基体效应,这使得土壤生物硅中硅铝的比值(S i/A l)变化较大,因此使用硅铝校正的方法难以准确量化土壤中的生物硅含量.再以河流为例,河流在丰水期会因地表侵蚀作用增强而使得水体中泥沙含量陡增,增加的泥沙多源于土壤的侵蚀,采用硅铝校正法在分析这种高悬沙的河流生物硅样品时遇到了与分析土壤样品同样棘手的问题.如在高悬沙的黄河,选择氢氧化钠提取Ｇ硅铝校正法获得的生物硅含量数据[６９]明显低于选择用碳酸钠提取获得的数据[１９],这也属于基体效应的影响.D i x i t[３４]通过南大洋硅藻泥与高岭石混合培养实验,发现随黏土矿物的增加培养液中溶解硅酸盐浓度降低,同时随着硅藻泥内硅藻骨架中A l/S i比值的增加,生物硅的溶解度随之降低,这可能是上述问题产生的原因.V a nC a p p e l l e n和Q i u[５４Ｇ５５]在研究生物硅的溶解行为中发现黏土矿物可能通过提供A l３＋吸附到生物硅表面降低生物硅的活性点位,进而降低其溶解速率和溶解度.可见,硅藻表面形成的硅铝酸盐自生黏土矿物也会影响生物硅中硅的溶解过程与溶解度[６８],即所谓的生物硅的 钝化 .D i x i t[３４]㊁V a n C a p p e l l e n和Q i u[５４Ｇ５５]与L o u c a i d e s等[７０]还认为生物硅 钝化 过程中受表面缩合作用的影响,致使生物硅表面电荷密度大为降低,这对生物硅的保存有着明显的影响.部分生物硅外观结构扫描电镜图清晰地显示其表面粘附着部分黏土矿物(图３),证实了这个问题.受环境基体的影响,生物硅表面不仅会吸附上黏土或溶解硅,同时也可能被有机质所包裹(图２),这些都会对生物硅含量的测定产生干扰,因此前处理在生物硅的分析中显得尤为重要.在经过盐酸和双氧水处理的生物硅颗粒,往往比不加预处理的样品具有更高的提取率,分析结果也更接近于真实情况[５,３１Ｇ３２,６８].１６㊀海㊀洋㊀科㊀学㊀进㊀展３８卷图３㊀生物硅扫描电镜图F i g．３㊀S E Mi m a g e o f b i o g e n i c s i l i c a３㊀生物硅的形成时间和组成差异对存量分析的影响在环境中,影响生物硅化学活性的因素还包括生物硅的形成时间长短,时间长度的差异导致了环境样品中的生物硅具有差异化的溶出速率. 新 的生物硅较易溶解,而 老 的生物硅中因 钝化 作用存在不完全溶解甚至是难以溶解的情况.因此,在生物硅测定时,较 老 的生物硅的不完全溶解情况[７２]是环境样品分析中不能忽略的问题,而这一点目前在生物硅的测定中时常被忽视.在环境系统中生物硅具有２种不同的转化过程.一部分生物硅在黏土和阳离子等物质的影响下被快速溶解,而另一部分则慢慢的 老 化,形成 老 硅.M e u n i e r等[７３]对比质量分数为１％的碳酸钠的提取生物硅发现, 老 的植硅体的含量被低估了７０％以上,这意味着化学提取法获得的生物硅的含量会小于它的实际值.同样的情况在硅藻类生物硅的分析中也存在;L y l eA O和L y l e M W的研究[７２]显示,在利用２m o l/L 的碳酸钠提取海洋沉积物样品９h和１４h后,仍有部分硅藻碎片无法溶解.相比较而言,在测定 老 的或较难溶解的生物硅时,２m o l/L的氢氧化钠的提取效果[７２]更好些.相对于植硅体和硅藻类生物硅而言,海绵骨针的化学活性最弱,被碱液完全溶解的难度较其它形态的生物硅更大.在用同质量浓度的碱液提取时,海绵骨针的溶出时间通常要晚于其它类型的生物硅,且完全被碱溶液溶解所需要的提取时间也长于植硅体和硅藻类生物硅[７１].生物硅的组成和年龄的差异会对生物硅的分析与存量估算产生重要影响,其溶解由难到易的程度分别为海绵骨针＞放射虫壳＞ 老 的硅藻类生物硅＞活体硅藻类生物硅( 新 硅)[７４].不过,目前尚无植硅体与其它类型生物硅的对比的研究.L y l eA O和L y l eM W的研究结果[７２]显示,植硅体溶解比同时期形成的硅藻要难.鉴于生物硅形成年代的不同会导致生物硅化学活性上明显差异,在分析柱状沉积物样品时,特别是千年尺度上的样品时应该考虑同一提取液对 新硅 ㊁ 老硅 提取效率的不同,但这一点在实际应用中很少被考虑,这极可能导致柱状沉积物下层偏 老 的生物硅含量被大大低估.４㊀展㊀望生物硅是地表水体生物地球化学循环的重要载体;硅藻㊁硅鞭毛藻㊁植硅体㊁放射虫和海绵骨针是构成陆１期臧家业,等:生物硅组成及对硅循环影响的研究进展１７㊀地㊁河流和河口以及近岸生物硅的主要存在形式.在已有的陆Ｇ海生物硅研究中,大多数没有考虑植硅体的作用,所以开展陆地植硅体参与下的地表与陆Ｇ海硅循环是十分必要的.今后还应该更多地关注生物硅的组成㊁来源与性质以及不同成分在硅循环中的地位等方面的研究.弱晶格结构的硅酸盐矿物的性质与新鲜的生物硅化学活性接近,可能成为潜在参与硅循环的部分.尽管这部分矿物不是生物硅,但研究中还应该考虑这部分硅质颗粒对硅循环的潜在影响.要准确量化生物硅在硅循环中的作用,有必要开展生物硅性质㊁组成的研究.同时,考虑到生物硅的组成和形成时间的长短会影响生物硅存量分析的准确性,环境中含生物硅的样品分析方法应该进行适当地调整;若植硅体或海绵骨针含量丰富,则应该适当地延长提取时间.对生物硅溶解动力学㊁反风化过程的研究,评估生物硅中活性和非活性成分,也应当是今后硅循环研究的一个重点.今后应采用复合技术手段,加强这方面的定量研究㊁过程研究以及系统的综合性研究,特别是针对复杂的环境样品应进行深入的多学科交叉综合研究.参考文献(R e f e r e n c e s):[１]㊀D U G D A L E R C,W I L K E R S O N FP．S i l i c a t er e g u l a t i o no fn e w p r o d u c t i o n i nt h ee q u a t o r i a lP a c i f i cu p w e l l i n g[J]．N a t u r e,１９９８,３９１(６６６４):２７０Ｇ２７３．[２]㊀W E D E P O H LK H．T h e c o m p o s i t i o no f t h e c o n t i n e n t a l c r u s t[J]．M i n e r a l o g i c a lM a g a z i n e,１９９５,５８(７):１２１７Ｇ１２３２．[３]㊀HUM B O R GC,I T T E K K O T V,C O C I A S U A,e t a l．E f f e c t o fD a n u b eR i v e r d a mo nB l a c kS e a b i o g e o c h e m i s t r y a n d e c o s y s t e ms t r u c t u r e [J]．N a t u r e,１９９７,３８６(６６２３):３８５．[４]㊀C O N L E Y DJ．R i v e r i n ec o n t r i b u t i o no fb i o g e n i cs i l i c at ot h eo c e a n i cs i l i c ab u d g e t[J]．L i m n o l o g y a n d O c e a n o g r a p h y,１９９７,４２(４):７７４Ｇ７７７．[５]㊀M I C H A L O P O U L O SP,A L L E RRC．R a p i d c l a y m i n e r a l f o r m a t i o n i nA m a z o nD e l t a s e d i m e n t s:r e v e r s ew e a t h e r i n g a n do c e a n i c e l e m e nＧt a l c y c l e s[J]．S c i e n c e,１９９５,２７０(５２３６):６１４Ｇ６１７．[６]㊀S O N GZL,M C G R O U T H E R K,WA N G H L．O c c u r r e n c e,t u r n o v e r a n d c a r b o n s e q u e s t r a t i o n p o t e n t i a l o f p h y t o l i t h s i n t e r r e s t r i a l e c oＧs y s t e m s[J]．E a r t hＧS c i e n c eR e v i e w s,２０１６,１５８:１９Ｇ３０．[７]㊀S O N GZL,L I U H Y,S T RÖM B E R GCAE,e t a l．P h y t o l i t hc a r b o ns e q u e s t r a t i o n i n g l o b a l t e r r e s t r i a l b i o m e s[J]．S c i e n c eo f t h eT o t a lE n v i r o n m e n t,２０１７,６０３:５０２Ｇ５０９．[８]㊀Y O O LA,T Y R R E L LT．R o l eo f d i a t o m s i nr e g u l a t i n g t h eo c e a n s s i l i c o nc y c l e[J]．G l o b a lB i o g e o c h e m i c a lC y c l e s,２００３,１７(４):１１０３(１４Ｇ１ １４Ｇ２１)．[９]㊀D E R R YLA,K U R T ZAC,Z I E G L E RK,e t a l．B i o l o g i c a l c o n t r o l o f t e r r e s t r i a l s i l i c a c y c l i n g a n d e x p o r t f l u x e s t ow a t e r s h e d s[J]．N a t u r e,２００５,４３３(７０２７):７２８Ｇ７３１．[１０]㊀HUM B O R GC,C O N L E Y DJ,R A HM L,e t a l．S i l i c o nr e t e n t i o n i nr i v e rb a s i n s:f a rＧr e a c h i n g e f f e c t so nb i o g e o c h e m i s t r y a n da q u a t i cf o o dw e b s i n c o a s t a lm a r i n e e n v i r o n m e n t s[J]．AJ o u r n a l o f t h eH u m a nE n v i r o n m e n t,２０００,２９(１):４５Ｇ５０．[１１]㊀T U R N E RRE,Q U R E S H IN,R A B A L A I SN N,e t a l．F l u c t u a t i n g s i l i c a t e:n i t r a t e r a t i o s a n d c o a s t a l p l a n k t o n f o o dw e b s[J]．P r o c e e dＧi n g s o f t h eN a t i o n a lA c a d e m y o f S c i e n c e s o f t h eU n i t e dS t a t e s o fA m e r i c a,１９９８,９５(２２):１３０４８Ｇ１３０５１．[１２]㊀T RÉG U E RPJ,D EL A R O C H ACL．T h ew o r l do c e a n s i l i c a c y c l e[J]．A n n u a lR e v i e wo fM a r i n eS c i e n c e,２０１３,５(１):４７７Ｇ５０１．[１３]㊀P I P E R N O DR．P h y t o l i t ha n a l y s i s:a na r c h a e o l o g i c a l a n d g e o l o g i c a l p e r s p e c t i v e[M]．S a nD i e g o:A c a d e m i cP r e s s,１９８８．[１４]㊀C O N L E Y DJ,S C H E L S K ECL．B i o g e n i c S i l i c a[M]ʊS MO LJP,B I R K S HJB,L A S T W M．T r a c k i n g e n v i r o n m e n t a l c h a n g eu s i n g l a k e s e d i m e n t sV o l u m e s３:t e r r e s t r i a l,a l g a l,a n d s i l i c e o u s i n d i c a t o r s．D o r d r e c h t,t h eN e t h e r l a n o l s:K l u w e rA c a d e m i c P u b l i s h e r s,２００１:２８１Ｇ２９３．[１５]㊀C O N L E Y DJ．B i o g e o c h e m i c a l n u t r i e n t c y c l e s a n dn u t r i e n tm a n a g e m e n t s t r a t e g i e s[J]．H y d r o b i o l o g i a,２０００,４１０(１４６):８７Ｇ９６．[１６]㊀O L I V IÉＧL A U Q U E T G,A L L A R DT,B E R T A U XJ,e t a l．C r y s t a l c h e m i s t r y o f s u s p e n d e dm a t t e r i n a t r o p i c a l h y d r o s y s t e m,N y o n g b aＧs i n(C a m e r o o n,A f r i c a)[J]．C h e m i c a lG e o l o g y,２０００,１７０(１Ｇ４):１１３Ｇ１３１．[１７]㊀S T R E E TＧP E R R O T TFA,B A R K E RPA．B i o g e n i c s i l i c a:a n e g l e c t e d c o m p o n e n t o f t h e c o u p l e d g l o b a l c o n t i n e n t a l b i o g e o c h e m i c a l c y c l e s o f c a r b o na n d s i l i c o n[J]．E a r t hS u r f a c eP r o c e s s e s&L a n d f o r m s,２０１０,３３(９):１４３６Ｇ１４５７．[１８]㊀C O N L E Y DJ．T e r r e s t r i a l e c o s y s t e m s a n d t h e g l o b a l b i o g e o c h e m i c a l s i l i c a c y c l e[J]．G l o b a l B i o g e o c h e m i c a lC y c l e s,２００２,１６(４):１１２１(６８Ｇ１ ６８Ｇ４)．１８㊀海㊀洋㊀科㊀学㊀进㊀展３８卷[１９]㊀R A N XB,C H E H,Z A N GJY,e t a l．V a r i a b i l i t y i n t h e c o m p o s i t i o n a n d e x p o r t o f s i l i c a i n t h eH u a n g h eR i v e r B a s i n[J]．S c i e n c eC h i n aE a r t hS c i e n c e s,２０１５,５８(１１):２０７８Ｇ２０８９．[２０]㊀R A N XB,X U BC,L I UJ,e t a l．B i o g e n i c s i l i c a c o m p o s i t i o na n dδ１３Ca b u n d a n c e i n t h eC h a n g j i a n g(Y a n g t z e)a n dH u a n g h e(Y e l l o w) R i v e r sw i t h i m p l i c a t i o n s f o r t h e s i l i c o n c y c l e[J]．S c i e n c e o f t h eT o t a l E n v i r o n m e n t,２０１７,５７９:１５４１Ｇ１５４９．[２１]㊀E P S T E I NE．S i l i c o n i n p l a n t s:F a c t s v s．c o n c e p t s[J]．S t u d i e s i nP l a n t S c i e n c e,２００１,８:１Ｇ１５．[２２]㊀S C H O E L Y N C KJ,MÜL L E RF,V A N D E V E N N EF,e t a l．S i l i c o nＧv e g e t a t i o n i n t e r a c t i o n i nm u l t i p l e e c o s y s t e m s:a r e v i e w[J]．J o u r n a l o fV e g e t a t i o nS c i e n c e,２０１３,２５(１):３０１Ｇ３１３．[２３]㊀D E MA S T E RDJ．T h e s u p p l y a n da c c u m u l a t i o no f s i l i c a i nt h em a r i n ee n v i r o n m e n t[J]．G e o c h i m i c ae tC o s m o c h i m i c aA c t a,１９８１,４５(１０):１７１５Ｇ１７３２．[２４]㊀S M E T A C E K V．D i a t o m s a n d t h e o c e a n c a r b o n c y c l e[J]．P r o t i s t,１９９９,１５０(１):２５Ｇ３２．[２５]㊀N E L S O N D M,T RÉG U E RP,B R Z E Z I N S K IM A,e t a l．P r o d u c t i o n a n dd i s s o l u t i o no f b i o g e n i c s i l i c a i n t h e o c e a n:r e v i s e d g l o b a l e s t iＧm a t e s,c o m p a r i s o n w i t hr e g i o n a ld a t aa n dr e l a t i o n s h i p t ob i o g e n i cs e d i m e n t a t i o n[J]．G l o b a lB i o g e o c h e m i c a lC y c l e s,１９９５,９(３):３５９Ｇ３７２．[２６]㊀A L E X A N D R E A,M E U N I E RJD,C O L I NF,e t a l．P l a n t i m p a c t o n t h e b i o g e o c h e m i c a l c y c l e o f s i l i c o n a n d r e l a t e dw e a t h e r i n g p r o c e s s e s [J]．G e o c h i m i c a e tC o s m o c h i m i c aA c t a,１９９７,６１(３):６７７Ｇ６８２．[２７]㊀F R A Y S S EF,P O K R O V S K Y OS,S C H O T TJ,e t a l．S u r f a c e p r o p e r t i e s,s o l u b i l i t y a n dd i s s o l u t i o nk i n e t i c so f b a m b o o p h y t o l i t h s[J]．G e o c h i m i c a e tC o s m o c h i m i c aA c t a,２００６,７０(８):１９３９Ｇ１９５１．[２８]㊀R A N XB,L I UJ,L I US,e t a l．T h e b i o g e n i c s i l i c a c o m p o s i t i o n,b e h a v i o r a n db u d g e t i n t h eC h a n g j i a n g E s t u a r y[J]．A c t aO c e a n o l o g i c a S i n i c a,２０１８,３７(１):６０Ｇ７２．[２９]㊀R A N XB,C H E H,S U N T,e t a l．D i s t r i b u t i o n s a n d s o u r c e s o f p a r t i c l e o r g a n i c c a r b o n a n db i o g e n i c s i l i c a i n t h eB o h a i S e a[J]．H a i y a n g X u e b a o,２０１４,３６(１０):１２Ｇ２４．冉祥滨,车宏,孙涛,等．渤海颗粒有机碳与生物硅的分布及来源[J]．海洋学报,２０１４,３６(１０):１２Ｇ２４．[３０]㊀Z U O XX,L U H Y,G UZY．D i s t r i b u t i o no f s o i l p h y t o l i t hＧo c c l u d e d c a r b o n i n t h eC h i n e s eL o e s sP l a t e a u a n d i t s i m p l i c a t i o n s f o r s i l i c aＧc a r b o n c y c l e s[J]．P l a n t a n dS o i l,２０１４,３７４(１):２２３Ｇ２３２．[３１]㊀M I C H A L O P O U L O SP,A L L E RRC．E a r l y d i a g e n e s i s o f b i o g e n i c s i l i c a i n t h eA m a z o n d e l t a:a l t e r a t i o n,a u t h i g e n i c c l a y f o r m a t i o n,a n d s t o r a g e[J]．G e o c h i m i c a e tC o s m o c h i m i c aA c t a,２００４,６８(５):１０６１Ｇ１０８５．[３２]㊀M I C H A L O P O U L O SP,A L L E RRC,R E E D E RRJ．C o n v e r s i o n o f d i a t o m s t o c l a y s d u r i n g e a r l y d i a g e n e s i s i n t r o p i c a l,c o n t i n e n t a l s h e l f m u d s[J]．G e o l o g y,２０００,２８(１２):１０９５Ｇ１０９８．[３３]㊀D E MA S T E RDJ,K N A P PGB,N I T T R O U E RCA．B i o l o g i c a l u p t a k e a n da c c u m u l a t i o no f s i l i c ao n t h eA m a z o nc o n t i n e n t a l s h e l f[J]．G e o c h i m i c a e tC o s m o c h i m i c aA c t a,１９８３,４７(１０):１７１３Ｇ１７２３．[３４]㊀D I X I TS．D i s s o l u t i o n o f b i o g e n i c s i l i c a:s o l u b i l i t y,r e a c t i v i t y a n d t h e r o l e o f a l u m i n u m[J]．D i s s e r t a t i o nA b s t r a c t s I n t e r n a t i o n a l,２００１,６２(１１):４９９４．[３５]㊀L O U C A I D E SS,C A P P E L L E NPV,B E H R E N D ST．D i s s o l u t i o n o f b i o g e n i c s i l i c a f r o ml a n d t o o c e a n:r o l e o f s a l i n i t y a n d p H[J]．L i mＧn o l o g y&O c e a n o g r a p h y,２００８,５３(４):１６１４Ｇ１６２１．[３６]㊀S A C C O N EL,C O N L E Y DJ,L I K E N SGE,e t a l．F a c t o r s t h a t c o n t r o l t h e r a n g e a n d v a r i a b i l i t y o f a m o r p h o u s s i l i c a i n s o i l s i n t h e h u bＧb a r db r o o ke x p e r i m e n t a l f o r e s t[J]．S o i l Sc i e n c eS o c i e t y o fA m e r i c a J o u r n a l,２００８,７２(６):１６３７Ｇ１６４４．[３７]㊀R A N XB,L I US,L I UJ,e t a l．C o m p o s i t i o na n dv a r i a b i l i t y i nt h ee x p o r to f b i o g e n i c s i l i c a i nt h eC h a n g j i a n g R i v e r a n d t h ee f f e c t o f T h r e eG o r g e sR e s e r v o i r[J]．S c i e n c e o f t h eT o t a l E n v i r o n m e n t,２０１６,５７１:１１９１Ｇ１１９９．[３８]㊀F A RM E R VC,D E L B O SE,M I L L E RJD．T h e r o l e o f p h y t o l i t h f o r m a t i o na n dd i s s o l u t i o n i n c o n t r o l l i n g c o n c e n t r a t i o n s o f s i l i c a i n s o i l s o l u t i o n s a n d s t r e a m s[J]．G e o d e r m a,２００５,１２７(１Ｇ２):７１Ｇ７９．[３９]㊀S T R U Y FE,C O N L E Y DJ．S i l i c a:a ne s s e n t i a l n u t r i e n t i nw e t l a n db i o g e o c h e m i s t r y[J]．F r o n t i e r s i nE c o l o g y a n dt h eE n v i r o n m e n t,２００９,７(２):８８Ｇ９４．[４０]㊀B A R T O L IF．T h e b i o g e o c h e m i c a l c y c l e o f s i l i c o n i n t w o t e m p e r a t e f o r e s t e c o s y s t e m s[J]．E c o l o g i c a l B u l l e t i n s,１９８３,３５:４６９Ｇ４７６．[４１]㊀M I L L I MA NJD．F l u xa n d f a t e o f f l u v i a l s e d i m e n t a n dw a t e r i n c o a s t a l s e a s[M]．MA N T O U R ARFC,MA R T I NJM,WO L L A S TR．O c e a nm a r g i n p r o c e s s e s i n g l o b a l c h a n g e．N e w Y o r k,U S A:W i l e y I n t e r s c i e n c e,１９９１．[４２]㊀DÜR R H H,M E Y B E C K M,H A R TMA N NJ,e t a l．G l o b a l s p a t i a l d i s t r i b u t i o no f n a t u r a l r i v e r i n e s i l i c a i n p u t s t o t h e c o a s t a l z o n e[J]．B i o g e o s c i e n c e s,２０１１,８(３):５９７Ｇ６２０．[４３]㊀R O U B E I X V,B E C Q U E V O R TS,L A N C E L O T C．I n f l u e n c eo f b a c t e r i aa n ds a l i n i t y o nd i a t o m b i o g e n i c s i l i c ad i s s o l u t i o n i ne s t u a r i n e s y s t e m s[J]．B i o g e o c h e m i s t r y,２００８,８８(１):４７Ｇ６２．[４４]㊀C A R B O N N E LV,V A N D E R B O R G H TJP,L I O N A R D M,e t a l．D i a t o m s,s i l i c i c a c i da n db i o g e n i c s i l i c ad y n a m i c s a l o n g t h e s a l i n i t y;g r a d i e n t o f t h eS c h e l d t e s t u a r y(B e l g i u m/T h eN e t h e r l a n d s)[J]．B i o g e o c h e m i s t r y,２０１３,１１３(１Ｇ３):６５７Ｇ６８２．１期臧家业,等:生物硅组成及对硅循环影响的研究进展１９㊀[４５]㊀AMA N N T,W E I S S A,H A R T MA N NJ．S i l i c a f l u x e s i nt h e i n n e rE l b eE s t u a r y,G e r m a n y[J]．B i o g e o c h e m i s t r y,２０１４,１１８(１Ｇ３):３８９Ｇ４１２．[４６]㊀L E B L A N CK,Q UÉG U I N E RB,R A I M B A U L TP,e t a l．E f f i c i e n c y o f t h e s i l i c a t e p u m p a t a c o a s t a l o l i g o t r o p h i c s i t e i n t h eM e d i t e r r aＧn e a nS e a[J]．B i o g e o s c i e n c e s,２００５,２(３):２１９Ｇ２２９．[４７]㊀L E H T I MÄK IM,T A L L B E R GP,S I I P O L A V．S e a s o n a l d y n a m i c so f a m o r p h o u ss i l i c a i n V a n t a aR i v e rE s t u a r y[J]．S i l i c o n,２０１３,５(１):３５Ｇ５１．[４８]㊀D A G G M,B E N N E RR,L O H R E N ZS,e t a l．T r a n s f o r m a t i o n o f d i s s o l v e d a n d p a r t i c u l a t em a t e r i a l s o n c o n t i n e n t a l s h e l v e s i n f l u e n c e db y l a r g e r i v e r s:p l u m e p r o c e s s e s[J]．C o n t i n e n t a l S h e l fR e s e a r c h,２００４,２４(７):８３３Ｇ８５８．[４９]㊀M C K E EBA,A L L E RRC,A L L I S O N M A,e t a l．T r a n s p o r t a n d t r a n s f o r m a t i o no f d i s s o l v e d a n d p a r t i c u l a t em a t e r i a l s o nc o n t i n e n t a l m a r g i n s i n f l u e n c e db y m a j o r r i v e r s:b e n t h i c b o u n d a r y l a y e r a n d s e a b e d p r o c e s s e s[J]．C o n t i n e n t a l S h e l f R e s e a r c h,２００４,２４(７):８９９Ｇ９２６．[５０]㊀P A S T U S Z A K M,C O N L E YDJ,HUM B O R GC,e t a l．S i l i c o n d y n a m i c s i n t h eO d e r e s t u a r y,B a l t i c S e a[J]．J o u r n a l o fM a r i n e S y s t e m s,２００８,７３(３):２５０Ｇ２６２．[５１]㊀A R N D TS,R E G N I E RP．A m o d e l f o r t h e b e n t h i cＧp e l a g i c c o u p l i n g o f s i l i c a i n e s t u a r i n e e c o s y s t e m s:s e n s i t i v i t y a n a l y s i s a n d s y s t e ms c a l e s i m u l a t i o n[J]．B i o g e o s c i e n c e s,２００７,４(２):３３１Ｇ３５２．[５２]㊀R A N XB,L I UJY,Z A N GJY,e t a l．E x p o r t a n d d i s s o l u t i o n o f b i o g e n i c s i l i c a i n t h eY e l l o wR i v e r(H u a n g h e)a n d i m p l i c a t i o n s f o r t h ee s t u a r i n e e c o s y s t e m[J]．M a r i n eC h e m i s t r y,２０１８,２００:１４Ｇ２１．[５３]㊀C HA R L E SCD,F R O E L I C HPN,Z I B E L L O M A,e t a l．B i o g e n i c o p a l i n S o u t h e r nO c e a n s e d i m e n t s o v e r t h e l a s t４５０,０００y e a r s:i m p l iＧc a t i o n s f o r s u r f a c ew a t e r c h e m i s t r y a nd c i r c u l a t i o n[J]．P a le o c e a n o g r a p h y,１９９１,６(６):６９７Ｇ７２８．[５４]㊀V A NC A P P E L L E NP,Q I UL．B i o g e n i c s i l i c a d i s s o l u t i o n i n s e d i m e n t s o f t h e S o u t h e r nO c e a n:I．s o l u b i l i t y[J]．D e e p S e aR e s e a r c h:P a r tI IT o p i c a l S t u d i e s i nO c e a n o g r a p h y,１９９７,４４(５):１１０９Ｇ１１２８．[５５]㊀V A NC A P P E L L E NP,Q I U L．B i o g e n i c s i l i c a d i s s o l u t i o n i n s e d i m e n t s o f t h e S o u t h e r nO c e a n:I I．k i n e t i c s[J]．D e e p S e aR e s e a r c h:P a r tI IT o p i c a l S t u d i e s i nO c e a n o g r a p h y,１９９７,４４(５):１１２９Ｇ１１４９．[５６]㊀D E MA S T E RDJ,N E L S O NT M,HA R D E NSL,e t a l．T h e c y c l i n g a n d a c c u m u l a t i o n o f b i o g e n i c s i l i c a a n d o r g a n i c c a r b o n i nA n t a r c t i cd e e pＧs e a a n d c o n t i n e n t a lm a r g i ne n v i r o n m e n t s[J]．M a r i n eC h e m i s t r y,１９９１,３５(１Ｇ４):４８９Ｇ５０２．[５７]㊀D E MA S T E RDJ．C y c l i n g a n d a c c u m u l a t i o no f b i o g e n i c s i l i c a a n do r g a n i cm a t t e r i nh i g hＧl a t i t u d e e n v i r o n m e n t s:t h eR o s s S e a[J]．O c e aＧn o g r a p h y,１９９２,５(３):１４６Ｇ１５３．[５８]㊀D E MA S T E RDJ,R A G U E N E A U O,N I T T R O U E RCA．P r e s e r v a t i o n e f f i c i e n c i e s a n d a c c u m u l a t i o n r a t e s f o r b i o g e n i c s i l i c a a n d o r g a n i c C,N,a n dP i nh i g hＧl a t i t u d e s e d i m e n t s:t h eR o s s S e a[J]．J o u r n a l o fG e o p h y s i c a lR e s e a r c hO c e a n s,１９９６,１０１(C８):１８５０１Ｇ１８５１８．[５９]㊀A R C H E RD,L Y L E M,R O D G E R SK,e t a l．W h a t c o n t r o l so p a l p r e s e r v a t i o n i nt r o p i c a l d e e pＧs e as e d i m e n t s?[J]．P a l e o c e a n o g r a p h y,１９９３,８(１):７Ｇ２１．[６０]㊀B E R E L S O N W M,A N D E R S O NRF,D YMO N DJ,e t a l．B i o g e n i c b u d g e t s o f p a r t i c l e r a i n,b e n t h i c r e m i n e r a l i z a t i o n a n d s e d i m e n t a c c uＧm u l a t i o n i n t h e e q u a t o r i a l P a c i f i c[J]．D e e p S e aR e s e a r c h:P a r t I IT o p i c a l S t u d i e s i nO c e a n o g r a p h y,１９９７,４４(９７):２２５１Ｇ２２８２．[６１]㊀D YMO N DJ,C O L L I E RR．B i o g e n i c p a r t i c l e f l u x e s i n t h e e q u a t o r i a l P a c i f i c:e v i d e n c e f o r b o t h h i g h a n d l o w p r o d u c t i v i t y d u r i n g t h e１９８２Ｇ１９８３E lN iño[J]．G l o b a l B i o g e o c h e m i c a l C y c l e s,１９８８,２(２):１２９Ｇ１３７．[６２]㊀D E V R I E ST．N e wd i r e c t i o n s f o r o c e a nn u t r i e n t s[J]．N a t u r eG e o s c i e n c e,２０１８,１１(１):１５Ｇ１６．[６３]㊀T RÉG U E RP,B OW L E RC,MO R I C E A U B,e t a l．I n f l u e n c e o f d i a t o md i v e r s i t y o n t h e o c e a nb i o l o g i c a l c a r b o n p u m p[J]．N a t u r eG e oＧs c i e n c e,２０１８,１１(１):２７Ｇ３７．[６４]㊀X U EL,C A IWJ,T A K A H A S H IT,e t a l．C l i m a t i cm o d u l a t i o no f s u r f a c e a c i d i f i c a t i o nr a t e s t h r o u g hs u mm e r t i m ew i n d f o r c i n g i n t h e S o u t h e r nO c e a n[J]．N a t u r eC o mm u n i c a t i o n s,２０１８,９(１):３２４０．[６５]㊀C O N L E Y DJ．A n i n t e r l a b o r a t o r y c o m p a r i s o n f o r t h em e a s u r e m e n t o f b i o g e n i c s i l i c a i ns e d i m e n t s[J]．M a r i n eC h e m i s t r y,１９９８,６３(１Ｇ２):３９Ｇ４８．[６６]㊀L I US M,Y EX W,Z HA N GJ,e t a l．P r o b l e m sw i t hb i o g e n i c s i l i c am e a s u r e m e n t i nm a r g i n a l s e a s[J]．M a r i n eG e o l o g y,２００２,１９２(４):３８３Ｇ３９２．[６７]㊀R I C K E R T D,S C H LÜT E R M,WA L L MA N N K．D i s s o l u t i o nk i n e t i c so fb i o g e n i cs i l i c a f r o mt h ew a t e rc o l u m nt ot h es e d i m e n t s[J]．G e o c h i m i c a e tC o s m o c h i m i c aA c t a,２００２,６６(３):４３９Ｇ４５５．[６８]㊀K O N I N GE,G E H L E N M,F L A N K A M,e ta l．R a p i d p o s tＧm o r t e mi n c o r p o r a t i o no fa l u m i n u mi nd i a t o mf r u s t u l e s:e v i d e n c e f r o mc h e m i c a l a nd s t r u c t u r a l a n a l y se s[J]．M a r i n eC h e m i s t r y,２００７,１０６(１):２０８Ｇ２２２．[６９]㊀C H E NPP,L I USM,Z H A N GGL,e t a l．M o n t h l y v a r i a t i o no f n u t r i e n t c o n c e n t r a t i o n s a n d f l u x e s i n t h e l o w e rH u a n g h eR i v e r:u n d e r t h e i n f l u e n c e o f a r t i f i c i a l f l o o d s[J]．H a i y a n g X u e b a o,２０１３,３５(２):５９Ｇ７１．陈沛沛,刘素美,张桂玲,等．黄河下游营养盐浓度㊁入海通量月变化及 人造洪峰 的影响[J]．海洋学报,２０１３,３５(２):５９Ｇ７１．。

生态系统中的地球化学循环地球是一个充满生命的行星，生物和环境之间的相互作用就构成了生态系统。

而生态系统的基本组成单位就是生物、环境和物质循环三个部分。

从物质循环的角度来看，地球的物质循环主要分为氮、碳、水和矿物质循环四个方面。

其中，地球化学循环属于矿物质循环中的重要内容。

地球化学循环是指人类没有直接干预、而是自然界中发生的各种地质和化学变化过程。

这些变化不同于生物循环和生物化学循环，而是通过太阳的能量和地球物理化学作用发生的。

在生态系统中，地球化学循环是一个体积庞大、时间异常漫长的过程。

在这个过程中，地球上的矿物和物质在不断地转化、分布、储存和释放，继而影响着生物的生存和演化。

一、碳的地球化学循环碳是组成生命体和形成矿物质的重要元素之一，是维持生物体内新陈代谢和能量推进的基础。

碳在生态系统中的循环主要是有机碳和无机碳的相互转化过程。

无机碳主要存在于二氧化碳和碳酸盐的形式中。

二氧化碳主要是通过光合作用和呼吸作用来转化的，而碳酸盐则主要是通过岩石的风化和沉积来实现的。

在这个过程中，大气中的二氧化碳可以转化为海水中的碳酸盐，并沉积在海底形成石灰岩和大量油气资源；而岩石的风化和岩浆的喷发则可以向大气中释放出大量的二氧化碳。

而有机碳则主要是通过生物体内合成和腐解过程来实现的。

生物体通过进行光合作用将大气中的二氧化碳转化为有机碳，并通过食物链向上转化传递到更高级别的生物体中，同时在这个过程中释放出能量。

而有机碳也可以通过腐解过程重新回到生物体外的环境中，转化为水中的二氧化碳和土地中的甲烷等物质。

二、氮的地球化学循环氮是构成蛋白质和核酸的基本元素，是生命体内新陈代谢和能量转换的重要组成部分。

氮的循环主要涉及固氮、氨化和硝化等过程。

固氮是指将氮气转化为无机氮的过程，因为氮在原始状态下很难被生命体吸收利用。

在这个过程中，一些特定的细菌和真菌可以通过生理反应将氮气转化为氨气或者亚硝酸盐等无机氮，进而被生命体摄取利用。

生物地球化学书籍以下是一些关于生物地球化学的书籍，它们涵盖了该领域的基本概念、原理和研究进展：《生物地球化学导论》（Introduction to Biogeochemistry）- Susan M. Libes：这本书提供了生物地球化学的基本概念和原理，涵盖了碳、氮、磷等元素的循环过程以及它们在地球系统中的相互作用。

《生物地球化学：生态系统、大气和水体中的元素循环》（Biogeochemistry: An Analysis of Global Change）- William H. Schlesinger, Emily S. Bernhardt：这本书介绍了生物地球化学的基本原理，并探讨了人类活动对地球系统中元素循环的影响。

《生物地球化学：生态系统过程与模型》（Biogeochemistry: Ecological Systems and Processes）- William H. Schlesinger：这本书深入探讨了生物地球化学的生态学基础，包括生态系统中元素的循环、生物地球化学模型和全球变化的影响。

《生物地球化学：生态学、微生物学和地球化学的交叉学科》（Biogeochemistry: An Analysis of Global Change）- William H. Schlesinger, Emily S. Bernhardt：这本书综合了生态学、微生物学和地球化学的知识，探讨了生物地球化学过程在地球系统中的重要性。

《生物地球化学：生态学、微生物学和地球化学的交互作用》（Biogeochemistry: An Analysis of Global Change）- Ronald Benner, George A. Jackson：这本书重点介绍了生物地球化学中生态学、微生物学和地球化学的相互作用，以及它们对生态系统功能和全球变化的影响。

这些书籍提供了关于生物地球化学的广泛知识，适合学生、研究人员和对该领域感兴趣的读者阅读。

生物地球化学循环研究的进展生命存在于地球上已经有数十亿年，而生物地球化学循环则是维持这个生态系统长期稳定的关键。

在生物地球化学循环中，生物体中的元素不断地在海洋、陆地、大气等不同的媒介中循环，对地球的各个环境系统都产生了极为重要的影响。

近年来，随着环境论和可持续发展研究的逐渐兴起，对生物地球化学循环研究的关注度也日益加大。

本文将就生物地球化学循环研究的进展进行探讨，涉及海洋、陆地、大气等不同的媒介中元素的循环。

海洋中元素循环海洋是地球上最大的水体，也是最大的碳储库之一。

这一领域的研究主要集中在生物地球化学循环中的生物方面，包括海洋中营养元素的循环、生物地球化学循环中的微生物和海洋光合作用等。

针对营养元素的循环方面，研究者主要关注氮、磷、硅等元素在海洋中的来源、循环途径及其对生态系统的影响.例如，氮的循环，在海洋中存在一个氮循环的重要过程，叫做生物固氮作用。

固氮作用是指将氮气转化为生物可利用的氨或氮化物的过程。

这个过程通常由一些氮固氮菌来完成，这些菌可以将氮气转化为生物可用的氨基酸等。

同时，海洋中还存在氮沉积作用等直接或间接的氮循环途径，这些过程在维持海洋生态系统长期稳定方面起到了重要作用。

再比如，硅元素则在海洋中的界面和钙化生物中起到了重要作用，比如海绵、硬珊瑚等。

硅元素可以用于生物制造的骨骼、外壳等结构，起到加强生物身体、防御和抗艾滋病毒等重要作用。

因此，对硅元素在海洋中的循环是否受到人类活动的影响、其对生物多样性和健康的影响等方面进行深入研究，具有十分重要的科学意义。

陆地及水域中元素循环除了海洋，在陆地和水域中元素的循环同样存在着十分重要的功能。

在陆地中，磷元素在植物生长、养料的供应等方面起到了至关重要的作用，但由于土地的草木火灾和泥石流等自然灾害和人类扰动等原因，会带来磷元素裸露、磷损失等问题。

因此，对于磷的管理、处理技术，以及如何减少磷元素的损失等方面进行研究，是减少环境污染、促进可持续发展的关键所在。