凋落物分解是陸地碳氮循環(huán)的核心過程，深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)功能與全球生物地球化學循環(huán)。長期以來，研究普遍認為氮濃度、碳氮比或木質素氮比是預測凋落物分解速率的主要指標。然而，人類活動導致的大氣氮沉降改變了土壤氮有效性，同時也可能改變植物對硅的吸收。

　　在氮和硅有效性同時變化的背景下，究竟誰在主導凋落物的分解與土壤碳的形成？河北大學生命科學學院王靜教授團隊，近日在《Soil & Tillage Research》發(fā)表了Elevated silicon concentrations accelerate decomposition of the dominant silicon-rich grass litter in grassland ecosystems。研究揭示了：對于草原上最常見的禾本科植物，其凋落物分解的主要調控因子并非傳統(tǒng)的氮素指標，而是另一種元素——硅。這一發(fā)現(xiàn)為理解全球碳循環(huán)、應對氣候變化提供了全新視角。為探究凋落物中初始氮(N)和硅（Si）含量對其生物降解性及凋落物衍生新土壤碳形成的影響，研究團隊在實驗室開展盆栽實驗，并同步進行田間凋落物采樣實驗以收集不同氮硅含量的凋落物。隨后通過兩次實驗室培養(yǎng)實驗，進一步探究凋落物的生物降解特性及其對新土壤碳形成的貢獻。

　　1. 盆栽控制實驗

　　選取草地兩種優(yōu)勢植物：羊草（禾本科）和苜蓿（豆科），設置四種處理：

　　·對照

　　·添加氮

　　·添加硅

　　·同時添加氮和硅

　　培養(yǎng)100天后，收集接近衰老的植株作為凋落物樣本。

　　2. 野外采集實驗

　　在內蒙古呼倫貝爾草原，采集了96份自然生長的羊草地上部分作為凋落物樣本，以獲取更廣泛的自然變異數(shù)據(jù)。

　　3. 室內培養(yǎng)實驗

　　將上述凋落物樣品與長期種植C4作物的土壤混合，進行為期150天的培養(yǎng)。

　　圖1 硅添加對凋落物化學性質及化學計量比的影響氮添加顯著提高了豆科凋落物的氮濃度，降低了其碳氮比，但對禾本科影響較小。硅添加顯著提高了禾本科和豆科凋落物的硅濃度及Si/C比。施肥能定向改變凋落物的“初始質量”，為后續(xù)分解差異埋下伏筆。

　　圖2 氮、硅添加對凋落物化學成分的影響(13C NMR法)

　　氮添加使兩種凋落物的烷基碳和芳香碳（難分解成分）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）的同時，卻增加了難分解組分，其凈效應可能相互抵消。

　　圖3 室內培養(yǎng)實驗禾本科凋落物（a、b）與豆科凋落物（c、d）的累積碳損失。

　　PP Systems公司的TARGAS-1基于非分散紅外吸收原理，能夠以高精度測定CO?濃度。在長達150天的培養(yǎng)期間，研究人員在1、2、3、4、5、6、7、9、11、16、26、50、60、70、80、106、120、130和150天等19個時間點進行了系統(tǒng)測量。每次測量前，培養(yǎng)系統(tǒng)都會用無CO?氣體吹10分鐘，確保初始條件一致。隨后密封培養(yǎng)瓶3小時，從頂空無菌抽取10mL氣體注入TARGAS-1的注射模塊，執(zhí)行測定程序，獲得CO2濃度。基于這些數(shù)據(jù)，團隊精確計算出了每個處理的累積碳損失。

　　對于羊草（禾本科），硅添加使其累積碳損失顯著增加了12.1%。氮添加單獨作用無顯著影響。對于苜蓿（豆科），氮添加有影響，但硅添加單獨作用不明顯。對于富硅的禾本科，硅才是驅動其凋落物分解的更關鍵因子。

　　圖4 氮、硅添加對落葉層土壤碳的影響

　　硅添加使禾本科凋落物形成的新土壤碳增加了23.7%。氮添加對兩者新碳形成均無顯著影響。硅不僅加速了凋落物分解（CO?釋放），還可能促進了分解產(chǎn)物向穩(wěn)定土壤碳的轉化。

　　圖5 盆栽實驗禾本科凋落物(a)與盆栽實驗豆科凋落物(b)的累積碳損失及其性狀之間的關系

　　圖S2 培養(yǎng)過程中野外禾本科凋落物累積碳損失與其性狀之間的關系

　　圖6 野外采集的草禾本科凋落物化學性質、累積碳損失及其相關性研究

　　無論是盆栽還是野外樣本，禾本科凋落物的累積碳損失均與其硅濃度、Si/C、Si/N比呈顯著正相關。相反，碳氮比等傳統(tǒng)指標與分解速率無顯著關聯(lián)。野外96個樣本的數(shù)據(jù)進一步證實，硅濃度與碳、酚類濃度呈負相關，暗示硅可能替代了部分難分解的碳化合物。綜上所述，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態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳（SOC）形成中具有關鍵作用，但這一作用常被忽視。盡管氮濃度和碳氮比在功能群層面仍具重要性，但本文的研究結果表明，硅濃度及其相關化學計量比對富硅禾本科植物的分解過程和土壤碳輸入具有更強的預測價值。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了硅在草地碳循環(huán)中的核心作用，并提示將硅管理策略納入常規(guī)管理方案——例如推廣富硅禾本科植物或優(yōu)化土壤硅有效性——可有效提升SOC固存能力與凋落物分解效率。通過結合傳統(tǒng)養(yǎng)分管理與硅動態(tài)調控，我們有望在全球變化背景下培育更具氣候適應力和可持續(xù)性的草地生態(tài)系統(tǒng)。