湿地生态系统硅生物地球化学循环研究进展

长江中下游地区浅水湖泊生源要素的生物地球化学循环一、本文概述Overview of this article本文旨在深入探讨长江中下游地区浅水湖泊生源要素的生物地球化学循环。

长江中下游地区作为中国的重要经济和文化中心，其浅水湖泊生态系统对于区域生态环境和经济发展具有至关重要的影响。

本文将对这一区域内浅水湖泊中的生源要素（如碳、氮、磷等）的生物地球化学循环过程进行系统的阐述和分析。

This article aims to explore in depth the biogeochemical cycles of biogenic elements in shallow lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze River. As an important economic and cultural center of China, the shallow lake ecosystem in the middle and lower reaches of the Yangtze River has a crucial impact on the regional ecological environment and economic development. This article will systematically elaborate and analyze the biogeochemical cycling process of biogenic elements (such as carbon, nitrogen, phosphorus, etc.) inshallow lakes in this region.我们将概述长江中下游地区浅水湖泊的基本特征，包括湖泊的水文条件、生态环境和生源要素的分布状况。

在此基础上，我们将深入探讨这些湖泊中生源要素的生物地球化学循环过程，包括生源要素的输入、转化、输出和积累等关键环节。

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。

《湿地生态学》课程教学大纲课程名称：湿地生态学课程类别：选修课适用专业：生态学考核方式：考查总学时、学分：32学时2学分其中实验学时：0 学时一、课程教学目的本课程主要讲述湿地生态系统结构、过程、功能、评价、管理和恢复的原理和主要研究方法，使学生掌握各种类型沼泽湿地生态系统的群落结构、功能、生态过程和演化规律及其与理化因子、生物组分之间的相互作用机制，同时使学生能初步运用所学的理论知识解决一些简单的实际问题。

二、课程教学要求学生通过学习，要掌握湿地生态系统的类型及其特征、主要结构特点和湿地生物的适应、水文过程和水量预算；生物地球化学循环、能量流动、植被演替和系统发育、生态服务评价和管理以及生态修复和工程湿地的营造等。

三、先修课程生态学基础，自然地理学，生态系统生态学等四、课程教学重、难点教学重点：湿地的生物地球化学循环、湿地生态服务的价值评估和湿地生态修复和重建教学难点：湿地的生态水文过程、湿地生态服务的价值评估五、课程教学方法与教学手段教学方法：讲授法、讨论法等。

教学手段：多媒体。

六、课程教学内容第一章湿地生态系统的类型（2学时）1．教学内容(1) 滨海湿地(2) 内陆湿地(3) 人工湿地2．重、难点提示(1) 红树林湿地和湖泊湿地(2) 人工湿地第二章湿地生态系统的结构（4学时）1．教学内容(1) 湿地生态系统的生物组分(2) 湿地生物的生态适应2．重、难点提示(1) 湿地生态系统的生产者。

(2) 维管束植物的适应性。

第三章湿地的生态水文过程（5学时）1．教学内容(1) 湿地水文周期(2) 湿地水量预算(3) 水文过程对湿地的影响(4) 湿地生物对水文过程的影响2．重、难点提示(1) 湿地水量预算。

(2) 水文过程对湿地的影响。

第四章湿地的生物地球化学循环（4学时）1．教学内容(1) 湿地土壤(2) 湿地生态系统中的化学转化(3) 湿地物质的输入及其平衡2．重、难点提示(1) 氧和氧化还原电位和氮的转化(2) 湿地的物质平衡第五章湿地生态系统的能流（4学时）1．教学内容(1) 能流基本模式(2) 初级生产及其分解与消费(3) 能流(4) 能流与熵流理论2．重、难点提示(1) 初级生产的限制因子(2) 能流与能流预算第六章湿地的生态演替（4学时）1．教学内容(1) 生态演替的概念与机制(2) 湿地生物群落的演替(3) 湿地生态系统的发育特征(4) 湿地的系统发育和生态演替对策2．重、难点提示(1) 生态演替的机制——内因与外因(2) 湿地的系统发育和生态演替对策第七章湿地评价与管理（4学时）1．教学内容(1) 湿地生态系统的服务(2) 湿地生态服务的价值评估(3) 湿地的管理2．重、难点提示(1) 核心服务、理论服务价值与现实服务价值(2) 湿地几项主要生态服务功能价值估算(3) 湿地的多目标管理第八章湿地生态修复和重建（5学时）1．教学内容(1) 湿地的生态恢复(2) 生态修复的原则与目标(3) 生态修复的措施(4) 生态修复评价(5) 工程湿地的营造2．重、难点提示(1) 生态修复的理论和措施(2) 工程湿地的设计、实施和管理七、学时分配八、课程考核方式1.考核方式：笔试，开卷2.成绩构成：总成绩=70%期末+30%平时九、选用教材和参考书目［1］《湿地生态学》，陆健健编，高等教育学出版社，2006年；［2］《湿地生态需水机理，模型和配置》，杨志峰编，科学出版社，2012年；［3］《中国国际重要湿地生态系统评价》，马广仁编，科学出版社，2018年。

湿地生态系统碳循环、水文过程、生物多样性对气候变化的响应机制摘要湿地生态系统作为地球上重要的碳汇和生物多样性热点区域，在调节气候变化方面发挥着至关重要的作用。

气候变化对湿地生态系统的碳循环、水文过程和生物多样性产生了显著影响，进而影响其对气候变化的响应机制。

本文将从湿地生态系统的碳循环、水文过程和生物多样性三个方面出发，深入探讨其对气候变化的响应机制，并分析其对全球气候变化的影响。

关键词：湿地生态系统，碳循环，水文过程，生物多样性，气候变化，响应机制一、湿地生态系统碳循环对气候变化的响应机制湿地生态系统是地球上重要的碳库，其碳循环过程对全球碳平衡起着至关重要的作用。

气候变化对湿地生态系统碳循环的影响主要体现在以下几个方面：1.1 温度变化对碳循环的影响温度变化会影响湿地生态系统中微生物的活动和植物的生长速率，进而影响碳循环过程。

高温会加速微生物的分解作用，导致土壤有机质分解速率加快，释放更多的二氧化碳，从而加剧温室效应。

同时，高温也会抑制植物的光合作用，降低碳固定量。

此外，温度变化还会改变湿地生态系统的土壤水分状况，影响碳循环过程。

1.2 降水变化对碳循环的影响降水变化会影响湿地生态系统的土壤水分状况，进而影响碳循环过程。

降水量增加会导致土壤淹水时间延长，土壤缺氧，抑制微生物分解作用，降低碳释放量。

降水量减少会导致土壤干旱，加速土壤有机质分解，释放更多的二氧化碳。

1.3 海平面上升对碳循环的影响海平面上升会导致沿海湿地淹没，改变湿地生态系统的植被类型，进而影响碳循环过程。

例如，海平面上升会导致红树林等滨海湿地被淹没，减少碳固定量。

1.4 碳汇能力的变化气候变化对湿地生态系统碳汇能力的影响是复杂的，既有正效应也有负效应。

一方面，气候变化导致的温度升高和降水量增加可能会提高湿地生态系统的光合作用速率，增加碳固定量，提高碳汇能力。

另一方面，气候变化也会导致湿地生态系统退化，例如湿地干涸、土壤酸化等，降低碳汇能力。

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第四章湿地的⽣物地球化学循环第四章湿地的⽣物地球化学循环⽣态系统中物质的迁移和转化过程称为⽣物地球化学循环，它包括许多相互联系的物理、化学和⽣物过程第⼀节湿地⼟壤（⼀）基本特征湿地⼟壤既是湿地许多物质转化过程的媒介，同时⼜是⼤部分湿地植物可利⽤化学物质的主要贮存库，通常被称为⽔成⼟。

通常湿地⼟壤分为:矿质⼟壤和有机⼟壤。

当⼟壤中有机质(⼲重)含量⼩于20－35%时，可以认为它是矿质⼟壤壤（⼆）有机⼟壤有机⼟壤主要是由不同分解阶段的植物残体组成，由于静⽔或排⽔不畅导致的厌氧条件⽽造成累积。

有机物质的植物来源和⼟壤分解的程度是湿地有机⼟壤包括泥炭和腐殖⼟的两个重要的特征。

⼟壤有机物质的植物源可以是苔藓、草本植物、树⽊和落叶。

–如⼤部分北⽅泥炭湿地的⼟壤有机质来源于苔藓植物；–海岸盐沼湿地的⼟壤有机质可以来源于芦苇属，⽶草属的草本植物；–⽽有林湿地中，⼟壤有机质可以来源于⽊质碎屑或落叶。

湿地⼟壤的分解或腐殖化状态是有机泥炭的另⼀个重要特征。

在泥炭分解时，随着物质的进⼀步破碎化，⼟壤的容积密度增加，⽔⼒传导率下降，粗⼤纤维颗粒(>1.5 mm)含量减少。

可溶于⾮极性溶剂的物质和⽊质素随着分解的进⾏⽽增加，⽽纤维素化合物和植物⾊索则下降。

有机⼟壤通常分成四类：–腐殖⼟，分解的物质占2/3或更多，并且可被确定的植物纤维不到1/3。

–泥炭⼟，分解的物质不到1/3，并且可被确定的植物纤维超过2/3。

–腐殖泥炭⼟或泥炭腐殖⼟，介于腐殖⼟与泥炭⼟之间。

–薄层⼟，热带地区和北⽅⾼⼭地区积聚的过量⽔汽(降⽔量>蒸发蒸腾量）造成的有机⼟壤。

（三）矿质⼟壤矿质⼟壤在长期淹⽔条件下，通过铁、锰氧化物的还原、迁移和/或氧化会形成特有的氧化还原形态特征。

⽽其形成过程要受微⽣物作⽤的调节，其形成的速率取决于三个条件:–持续的厌氧条件。

–⾜够的⼟壤温度(5℃被认为是―⽣物学零点‖，低于这个温度，⽣物活动就会停滞或相当慢)。

湿地净化功能及其机制的研究进展作者：赵冬亮来源：《城市建设理论研究》2013年第08期摘要：湿地被称为“地球之肾”，具有很强的净化功能。

湿地中生长的水葫莲、香蒲、芦苇等水生植物能有效吸收水中的砷、铁、锰。

铅等重金属，并对污水中的氮、磷、钾等营养物有很好的去除能力。

因此，湿地具有不可替代的环境调和作用。

本文围绕湿地的净化功能及其机制的研究进展进行了简要叙述。

关键词:湿地；净化功能；机制；氮磷；重金属中图分类号：F407.4 文献标识码：A 文章编号：1.国内外关于湿地净化功能的研究进展1.1国外湿地净化功能研究进展在国外,对湿地的生态系统服务功能研究开展的较早,大致可以追溯到20世纪初,但大多只局限于对本国湿地生态系统的分类,而具体到湿地的净化功能的研究则最早开始于20世纪50年代。

随着美国麻省Massachusetts大学Larson提出第一个湿地生态功能评价模型,湿地的净化功能及其生态效益在研究过程中逐步被人们所认识。

到了70年代,生态学家在研究湿地生态系统服务功能的基础上,对湿地的净化功能的各种机制也进行了详细且深入的研究,形成了一套较完善的生态系统服务功能的理论。

80年代,全球环境问题的日趋严重,这期间,生态学家们从对湿地净化功能的理论研究转化为对湿地净化功能的实际应用。

人工湿地净化功能的研究,为缓解城市水资源短缺和水污染问题增加了一条有效的途径。

最近十年间,人类在人工湿地的净化功能研究上已取得迅猛发展,在处理污水的不同层次和不同领域中都做了详尽的研究论证。

在欧洲和美国等地,不同学者们通过对人工湿地和天然湿地净化效率的测定,可以很明显的得出,人工湿地的净化环境容易控制,往往对营养物质的去除能力比较强,而天然湿地人为很难控制,它对污染物的去除完全靠其本身的净化负荷,所以相对来说,其净化效率比较低。

1.2国内湿地净化功能研究进展我国对湿地的认识和记载已有几千年的历史,然而,我国系统地从事湿地研究始于20世纪50年代,中国科学院长春地理所在1958年的建立,才开始了湿地基本理论的研究。

湖泊硅藻在古环境重建中的应用研究陆亚萍;姚敏【摘要】硅藻研究对古环境重建具有重要的现实意义。

文章分析了影响硅藻生长的主要环境因子：温度、营养元素和植被等，并且对湖泊硅藻在重建古环境方面的应用、研究进展及专家学者的研究进行了详细的论述。

同时针对湖泊硅藻研究过程中的不足，展开一定的探讨与展望，为以后湖泊硅藻研究的发展和完善提供一定的理论依据。

%Diatom study on ancient environment reconstruction has important practical significance . We analysis of the main environmental factors those affect the grow th of diatoms ,such as temperature , nutrients and vegetation ,and w hat the lakes diatom in reconstruction of the ancient environment re‐search progress of the application combine with experts and scholars research is discussed in detail .At the sametime ,aiming at the deficiency exist in the course of the research on w e conducted certain dis‐cussion ,w hich for later in the development and perfection of lakes diatom research to provide certain theoretical basis .【期刊名称】《聊城大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】5页(P45-49)【关键词】湖泊;硅藻;环境因素;古环境【作者】陆亚萍;姚敏【作者单位】聊城大学环境与规划学院，山东聊城252059;聊城大学环境与规划学院，山东聊城252059【正文语种】中文【中图分类】K903硅藻是当前世界研究的热点之一，国外众多学者近年对硅藻的研究正在加强，欧盟联合美国投巨资开展多个单位的硅藻项目研究[1].然而，中国对硅藻的研究相对较少，而且，对海洋硅藻的研究相对淡水硅藻的研究偏多.硅藻的应用主要在水质监测、恢复古环境和气候等.本文就湖泊硅藻内涵、影响因子以及其在古环境重建等方面进行了分析和概括.1.1 硅藻概况硅藻属于硅藻门，是自养生物，一种单细胞藻类，主要的特点是具有硅质的细胞壁，硅质壳体分上下壳瓣，一般长2.5 μm-2 mm.硅藻的分类主要依据壳体的特征，包括壳体的形态、对称与否、纹饰、突起等.硅藻门分为两个纲，即中心纲(Centrlcae)和羽纹纲(Pennatae)，前者的壳面纹饰呈辐射对称，后者的壳面纹饰则是长形、两侧对称或不对称形式.硅藻生活在从热带到寒带的海洋和湖泊的各种水体，硅藻分为浮游硅藻、底栖硅藻和混合硅藻，由于许多硅藻种的习性受环境水体扰动大小影响所以很难确定[2].硅藻是食物链的重要初级生产者，其每年产生的生物量大约占地球总生物量的四分之一[3].据统计，已发现的硅藻大约有250个属1万多个种[4]，Round通过研究估计自然界可能存在接近1 000属，超过10万个种[5].湖泊硅藻包括浮游和底栖两种类型，其中，底栖硅藻还包括附生类型，即附着在水生植物和其它物体上.湖泊化石硅藻的鉴定、描述以及环境解释开始于19世纪中叶，许多的研究学者对硅藻的古环境也作出了一定的解释.此后至今的160多年的时间中，硅藻及其古环境研究在采样、观测、定量化等各个方面都有了较大的发展，作为反映古环境变化的一个有效指标化石硅藻得到了国内外学者的青睐.湖泊硅藻生活在水体中，水体的环境因素与硅藻有着极其密切的关系.不仅表现在湖泊硅藻对温度、pH值、盐度等有敏感的响应，也体现在这些环境因素影响湖泊硅藻的生存方式、生长结构、分布特征等.2.1 温度温度决定生物细胞内酶反应的速度，而且每种藻类都有一个温度适应的范围，所以对于淡水硅藻群落，温度就是最为重要的环境因子.因此，水温不仅会影响硅藻的生长而且还影响其季节分布.通常认为，硅藻的年内生物量表现为春季最高，次之为秋季，夏季更少，而冬季最低[6].Hausmann通过多年对加拿大Laurentian地区4个湖泊的硅藻季节调查[7]，总结出硅藻群落季节变化最大信息数量是由水温解释的.姚敏等选择南京前湖和月牙湖研究浅水富营养湖泊季节演替的规律，得出，两湖硅藻都呈较明显的季节演替特点，冬季浮游硅藻组合主要由Cyclostephanos的种类为主，代表冷水富营养种组合类型;夏秋以Cyclotella atomus和 C.meneghiniana暖水耐营养种优势组合为主[8].2.2 植被浅水湖泊的营养结构、生物群落状况和水体透明度都会受到沉水植物的影响[9,10].如果湖泊中存在水生植被，能明显提高湖水中氮循环菌群的分布、降低各种营养盐的浓度并且通过水生植物的生长代谢，影响到湖水中硅藻的生物量，所以湖泊硅藻的生长、分布都不可避免地会受到植被的影响.2.3 光光包括周期、强度、时空变化等，都会对硅藻的生长有着一定的影响.其中，光照强度对藻类的影响很重要.光照的影响主要表现在藻类光合作用的速率随着光强的变化而变化，以及不同种类的硅藻对不同波长、强度的光敏感性不同[11].太阳光照射可以直接影响硅藻细胞的温度，水传导热量进而决定了细胞的温度.附着硅藻的生态环境对比非单一性的温带湖泊中的附着硅藻的生态环境在南极洲单一性湖泊中差别悬殊[12].前者除去边缘地带，都要经历连续六个月的太阳照射或黑暗，对比鲜明的是变温湖泊，不仅天天都能接受光照，而且存在季节温度的变化.钱振明[13]等探究了光照强度对8种底栖硅藻生长的影响，研究表明，8种底栖硅藻最大比生长速率的光照强度1 500-5 500 lx，但是不同种类的底栖硅藻所需要的光照强度也不同.2.4 pH值陈长平[14]等研究了盐度和pH值对底栖硅藻外多聚物的影响，探讨认为，低盐度和高pH值显著促进新月筒柱藻细胞的蛋白质含量，细胞增殖的速度也较快，说明该藻株比较适合咸淡水性和高pH生活，高盐度和低pH值就变成了一种威胁.2.5 营养盐浮游硅藻的生长受氮与磷的质量浓度比例的影响，在这方面已有很多研究成果[15-17].这些研究表明，藻类的代谢活动和生长速率受营养盐浓度的影响很大.藻类细胞内的铁是特定的氧化还原的载体和辅酶的重要组成成分，缺少会影响很多种代谢过程必然也会抑制细胞生长[18].硅作为细胞壁的结构组成成分和合成DNA、蛋白质的重要参与者，是硅藻的必需营养元素[19].2.6 盐度盐度影响硅藻的渗透压、营养盐吸收及其悬浮性.有学者研究发现杜氏藻能耐受高盐是由于它们在细胞内积攒甘油作为渗透调节剂，因此，在盐度较低时，甘油累积量较少，渗透调节大部分就要靠胞内碳水化合物、无机离子和氨基酸等参与完成 [20].海水藻类有较高的渗透压耐受力，约为0. 5 mol/L NaCl,而淡水藻类仅能耐受0.15 mol/L NaCl生物渗透压[13].通过现代湖泊水体中硅藻植物群与其分布、生态和环境之间的相互关系，并结合其他生物、化学等因素进行古湖泊环境分析，湖泊硅藻化石可以重建不同年代的湖泊环境.这样可以更好地为环境质量监测提供历史背景以及为水生生态环境管理提供湖泊发生过程的资料，而且根据资料背景预测湖泊未来演化趋势，能够为今后的环境保护和管理提供理论依据[21].伴随现代湖泊硅藻数据库的日益完善、计算机数据分析处理软件的不断发展，以及人们环境意识的逐渐增强，利用湖泊硅藻化石定量重建古气候古环境的研究已经有了极大的发展.硅藻-湖泊磷浓度、硅藻-湖水深度、硅藻-盐度、硅藻-温度、硅藻-湖水营养状况、硅藻-pH值等硅藻-环境因子之间的转换函数在欧洲、北美洲、北非、澳洲等多个地区已经建立起来了[22].3.1 硅藻与盐度硅藻已经被很好地应用于古盐度的定量恢复，可以说是推算过去湖水盐度最为有效的生物指标[23].300年来西藏沉错湖的古盐度变化是由羊向东[24]等利用硅藻-湖水电导率转换函数定量恢复出来的.在北美的农业地区North Dakota的Moon湖，利用湖泊沉积硅藻化石恢复了2 300年的古盐度，明确地显示该地曾经出现过的几次干旱时期[25].在肯尼亚Naivasha湖沉积硅藻化石记录和古盐度重建结果，发现了在过去的1 100年中湖水水位连续变化的模式，揭示出百年分辨上，气候明显的变化[26].3.2 硅藻与温度温度得以定性和定量推导，归功于对湖泊与温度关系有较为深刻的认识、分析和应用.比如，Koster和Pienitz[27]利用沉积物捕获器对美国Bates湖的硅藻进行了为期一年的详细监测，得出硅藻的季节分布模式确实与湖水分层有关系，解释出来的过去1 000年的硅藻化石记录，明确了在小冰期时段水体混合与分层的变化过程.关于硅藻定量方法的应用是利用硅藻化石重建古温度最大的进展并且定量方法的运用较为成功地在许多区域得到了验证[28].Joynt和Wolfe[29]利用加权平均回归和校正法建立转换函数，分别建立加拿大西北部61个湖泊硅藻与夏季水温和年平均气温的转换函数，定量重建了全新世中期以来的Fog湖水温变化.3.3 硅藻与富营养化全球水环境面临的严重问题之一就是水体富营养化，水体缺氧、水质恶化、生物多样性降低和蓝藻水华爆发等诸多后果都是由此得到，如果水体富营养化程度严重还可能导致生物地球化学循环的重大改变以及地球生态系统结构和功能的退化.许多的学者利用沉积钻孔岩芯的硅藻化石的属种丰度和组合变化序列重建了许多湖泊的营养化过程.湖泊富营养化的根本原因在于过量氮、磷等营养物质的富集，而对于大部分湖泊，主要限制因素又是磷.所以，运用硅藻-总磷转换函数法可以定量重建过去湖水总磷.Yang[30]等认为硅藻组合变化最重要的环境变量是湖水总磷，他通过典型对应分析(CCA)方法，分析出了长江中下游湖泊表层沉积硅藻与水质的关系.随后，把用加权平均回归与校正方法建立起的转换函数运用到了长江中下游多个湖泊的浅钻沉积物研究中，对近200年来的湖水总磷浓度进行了定量重建.3.4 硅藻与湖泊水位地质、气候过程和流域地表状况等多种因素控制着湖面的波动，并在一定程度上影响湖泊生态系统的变化[31].硅藻化石作为生态系统的重要组成部分可以用来重建湖泊水位[32].不同环境与营养条件下硅藻与水深的关系研究、同一湖区硅藻在不同深度分布规律的研究，区域湖泊硅藻与水深的转换函数研究等都随着现代生态的调查研究被逐渐重视而开展起来，并依此对古水位进行了重建[28].Yang 和Duthie[33]通过对Ontaria和East湖不同深度硅藻的调查，把硅藻分为不同的生活类型，结合多元回归手段建立了两者的关系.Lotter[34]对瑞士Rotsee湖现代硅藻和硅藻化石组合分布通过主成分分析得出了硅藻化石分布的水深范围，重建了全新世湖泊水位的变化.通过对湖泊硅藻的研究进展及应用的探究，可以看出湖泊硅藻的研究已经取得了很大的进步.虽然国内研究还是比外国的研究稍逊一筹，但是这样我们国内对湖泊硅藻研究就有了更大的动力.硅藻对pH、盐度、光、温度、氮磷含量等环境因子的变化极为敏感，所以，硅藻不仅被应用于环境监测而且常年累积下的化石可作为恢复古环境古气候很有效的证据.关于湖泊硅藻的探究，今后可以打破学科的限制，使硅藻的研究受益于各个相关领域.[1] Ndiritu G G,Gichuki N N,KaurP,et al.Characterization of environmental gradients using physico-chemicalmeasurements and diatom densities inNairobi River,Kenya[J]. 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水文水文地球化学过程对湿地植物生态系统的影响分析地球化学过程是指地球系统中包括岩石圈、大气层、水圈和生物圈等各部分之间的相互作用和能量传递过程。

湿地植物生态系统是指水文条件湿润的湿地环境中的植物群落和与之相互关联的其他生物群体的总称。

地球化学过程对湿地植物生态系统具有重要的影响，以下将从气候变化、土壤化学性质和水文过程三个方面进行分析。

首先，气候变化是地球化学过程对湿地植物生态系统影响的主要因素之一、气候变化导致湿地植物生态系统的水文条件发生变化，进而影响植物的生长和繁殖。

气候变暖导致气温上升，降水量和湿度的变化，对湿地植物的生态系统产生显著的影响。

一方面，气候变暖使得湿地植物生态系统的水循环变得更加剧烈，降水量更加集中，湿地水位波动剧烈，对湿地植物的繁殖和生长造成一定的影响。

另一方面，气候变暖会导致湿地植物的花期和种子落果期发生改变，影响植物的繁殖能力。

其次，土壤化学性质是地球化学过程对湿地植物生态系统影响的另一个重要方面。

土壤是湿地植物生态系统的基础，土壤中的养分含量和pH值等化学性质对湿地植物的生长和繁殖起着重要的调节作用。

地球化学过程中的化学反应和物质转化过程会改变土壤的化学性质，进而影响湿地植物的生态系统。

比如，地球化学过程中的岩石风化可以释放出养分，丰富土壤的养分含量，促进湿地植物的生长。

另外，地球化学过程中的酸雨也会导致土壤的酸化，降低土壤的pH值，影响湿地植物的养分吸收和生长。

最后，水文过程是地球化学过程对湿地植物生态系统影响的重要方面。

水流是湿地植物生态系统中的重要要素，地球化学过程中的水循环过程影响着湿地植物生态系统的水位和水质。

水位的变化会直接影响湿地植物的生长和繁殖。

地球化学过程中的降雨和蒸发蒸腾过程会导致湿地的水位波动，湿地植物必须适应这种不稳定的水位，以保证其生存和繁殖。

此外，地球化学过程中的水循环还会改变湿地植物生态系统中的水质，影响水中的养分含量和溶解氧含量，从而进一步影响湿地植物的生长和繁殖。

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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长江口湿地生态系统中有机质的生物地球化学过程研究【摘要】：河口湿地是海洋和陆地间的过渡区域。

由于与周边生态系统间频繁的物质交换,河口湿地生态系统中生物地球化学过程十分复杂,各种物理、化学和生物过程共同控制着有机质在湿地中的赋存与转化。

作为全球碳循环研究中的重要内容之一,有机质在湿地中的生物地球化学过程研究一直备受关注,然而至今为止,关于河口湿地中有机地球化学的研究报道还很少。

作为世界重要的河口湿地之一,长江口湿地中有机质的生物地球化学研究至今还鲜有涉及。

本文选择长江口最大的湿地一崇明东滩作为研究区域,采集了表层沉积物(洪、枯季)、3根柱状沉积物(分别位于高潮滩、中潮滩和光滩)、植物、动物和长江口水体中的悬浮颗粒物样品,并对样品进行元素(C,N,P,S)、稳定同位素(δ~(13)C,δ~(15)N)、类脂化合物(正构烷烃、多环芳烃、脂肪酸、甾醇)等全部或部分参数的测定。

对采自高潮滩和光滩的两个表层沉积物进行了粒度分级(63,32-63,4-32和4μm),并进行了为期391天的湿地植物降解实验。

本文希望通过以上研究,认识有机质在湿地中的来源、分布特征、主要控制因素及有机质的降解过程,结合植物降解实验建立湿地中有机碳循环的模型,定量估算长江口湿地与河口间的有机质输送通量。

湿地表层沉积物中总有机碳(TOC)浓度较低,仅为0.1—0.7%,最高值出现于高潮滩。

结合低的C/N比值(6—11),我们可以初步推测,表层沉积物中有机质可能主要来自于长江悬浮颗粒物,而湿地植物的贡献相对较小。

表层沉积物中C,N,S部分在沉积物中呈现相似的变化趋势,即由堤向海浓度逐渐降低,这主要由沉积物中粒度组成差异所引起,细颗粒沉积物中容易富集这几种元素。

与C,N,S不同,表层沉积物中P元素由堤向海呈不规则分布。

柱状沉积物中有机质的来源组成不同于表层沉积物。

当扣除粒度的影响后发现,高潮滩和中潮滩柱状沉积物的中上部出现明显的有机质富集,而这些层次恰好与切割柱样时发现的植物根须密集层次相一致,显示了植物有机质的贡献。

湿地生态系统土壤微生物研究进展
湿地生态系统土壤微生物的研究进展主要涉及土壤微生物的种类、活性、生态分布及其与环境条件的关系。

首先，在土壤微生物的种类方面，厌氧氨氧化菌被发现是湿地和土壤系统中的重要过程，而且是稻季土壤氮素损失的重要途径。

此外，一些特殊种类如甲烷氧化菌也被发现并进一步研究。

其次，土壤微生物的活性研究也取得了进展。

例如，长期耕作会导致土壤微生物结构发生明显改变，但长期的水稻耕作使得稻田微生物向功能均质化演化，特别是土壤营养元素生物地球化学循环相关的生态功能，有利于增强土壤活性和加快养分转化，提高水稻产量。

再者，土壤微生物的生态分布及其与环境条件的关系也有了更深入的认识。

例如，气候变化和土地利用导致青藏高原高寒草地的退化，而这种退化和恢复过程对土壤微生物群落和土壤质量的影响尚不清楚。

此外，研究人员还发现矿物保护作用减弱引起的土壤碳可获取性增加是导致氮输入背景下微生物CUE增加的关键途径，这一发现并不支持“微生物养分限制缓解和土壤酸化导致土壤微生物CUE变化”的传统认识。

综上所述，湿地生态系统土壤微生物的研究正在不断深入和发展，为理解湿地生态系统的功能和过程提供了重要的科学依据。

湿地生态地球化学研究进展
姚志刚;谢淑云;鲍征宇
【期刊名称】《环境污染与防治》
【年(卷),期】2006(028)002
【摘要】湿地生态地球化学研究是湿地研究的核心内容之一, 是研究其物理过程、化学过程和生物过程及其相互关系以及这些过程与湿地功能的关系.回顾了近年来国内外湿地生态地球化学方面的研究成果,介绍了它的概念,并评述了湿地的生态功能、元素地球化学、生物地球化学、湿地模型和3S技术等新技术在湿地研究中的应用等方面的研究进展.提出了中国湿地生态地球化学研究的优先领域,应加强湿地基础理论研究及在湿地的演化、生态过程、界面过程、预测与评价、信息系统等方面的研究.
【总页数】4页(P121-124)
【作者】姚志刚;谢淑云;鲍征宇
【作者单位】中国地质大学地球科学学院,湖北,武汉,430074;中国地质大学地球科学学院,湖北,武汉,430074;中国地质大学地球科学学院,湖北,武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】X5
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湿地生态系统碳、氮、硫、磷生物地球化学过程
湿地生态系统中的碳、氮、硫、磷生物地球化学过程主要包括：碳循环、氮循环、硫循环和磷循环。

碳循环：湿地生态系统中的碳循环主要包括碳的植物吸收、植物分解、植物碳的微生物分解、植物碳的陆地微生物分解、植物碳的水生微生物分解和植物碳的沉积物分解等。

氮循环：湿地生态系统中的氮循环主要包括氮的植物吸收、氮的微生物吸收、氮的水生微生物吸收、氮的植物分解、氮的微生物分解、氮的水生微生物分解和氮的沉积物分解等。

硫循环：湿地生态系统中的硫循环主要包括硫的植物吸收、硫的微生物吸收、硫的水生微生物吸收、硫的植物分解、硫的微生物分解、硫的水生微生物分解和硫的沉积物分解等。

磷循环：湿地生态系统中的磷循环主要包括磷的植物吸收、磷的微生物吸收、磷的水生微生物吸收、磷的植物分解、磷的微生物分解、磷的水生微生物分解和磷的沉积物分解等。

森林生态系统硅素循环研究进展
王惠;马振民;代力民
【期刊名称】《生态学报》
【年(卷),期】2007(27)7
【摘要】硅是植物生长发育的有益元素,其在生态系统内的迁移转化是维持生态系统结构与功能的决定性因素之一.近年来,陆地生态系统硅循环特别森林生态系统硅
循环在全球生物地球化学循环中的重要性,受到越来越多的关注.该文总结了国内外
森林生态系统硅循环研究的成果,在综述了硅在森林生态系统中的存在形态、分布、循环过程的基础上,总结了森林生态系统硅循环的特点、作用及其影响因素,并指出
典型森林生态系统类型中硅循环规律的研究、森林生态系统与其它生态系统硅循环的比较研究、森林生态系统硅循环对全球气候变化的影响和响应研究和人类干扰对森林生态系统硅循环的影响的研究将是今后开展森林生态系统硅循环研究的重点.【总页数】8页(P3010-3017)
【作者】王惠;马振民;代力民
【作者单位】济南大学城市发展学院,济南,250002;济南大学城市发展学院,济
南,250002;中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳,110161
【正文语种】中文
【中图分类】Q143
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