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地球环境研究所揭示黄土高原轮作增加土壤水的同时加速了植物有效硅库耗竭

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硅是支撑作物抗逆性和农业生态系统生产力的重要元素,植物有效硅主要以土壤溶液中的单硅酸形式被作物吸收。在黄土高原等干旱半干旱雨养农业区,土壤水是限制作物生产的关键因子;轮作通过改变根系活动和土壤剖面水分利用,可能同时调控深层土壤水储存与植物有效硅库,因此量化二者关系是评估长期轮作制度下土壤硅肥力的关键。

与此同时,工业固废中普遍含有大量的硅,部分已被用于农业。随着固废中硅资源农业资源化利用受到关注,一个基本问题亟待回答:黄土中到底缺不缺植物可利用硅?只有明确黄土高原农田是否存在植物有效硅不足或耗竭,固废硅资源才有明确的农业施用空间。在此背景下,中国科学院地球环境研究所固废资源化团队以天然草地为对照,评估了农田0—50 cm剖面有效硅分布特征,系统研究了轮作如何同时调控土壤水储存与植物有效硅循环。

研究选取黄土高原北部旱作农田的玉米连作、玉米—大豆轮作、小米—大豆轮作、玉米—小米轮作以及天然草地为研究对象,采集0—50 cm的剖面分层土壤及当季作物样品,测定土壤水和植物有效硅含量,并结合植物器官硅含量和植硅体分析,系统评估了不同种植模式下土壤水储量、植物有效硅动态及作物硅吸收特征。结果表明,对比天然草地(2.55—13.21 mm),轮作农田显著提高了0—50 cm土壤水储量(10.81—23.17 mm, p<0.01);但草地植物有效硅含量(33.8—49.0 mg kg-1)约为农田的1.4倍。玉米—谷子轮作模式下作物植硅体积累量(134.0—236.5 kg ha-1 yr-1)和0—50 cm植物有效硅储量耗竭(122.8 kg Si ha-1)均显示最大,其水驱动硅耗竭速率也最高(1.43—2.15 kg ha-1 mm-1)。研究还发现,土壤水含量与植物有效硅呈显著负相关(r = −0.73,p<0.001),表明在农田生态系统中,水分促进作物生长和蒸腾的同时,水驱动的作物硅吸收主导了有效硅耗竭过程。

该研究揭示了轮作提高土壤水储量的同时加速了植物有效硅库耗竭。研究区0—20 cm土壤总硅含量达28.71—30.80 wt.%,但植物有效硅偏低,农田尤其高硅累积轮作模式存在有效硅耗竭。这一结果说明在该研究区及高硅累积轮作模式下,植物有效硅库存在明显耗竭风险,从而为固废硅资源优先用于缺硅农田、优化高低硅累积作物轮作配置及硅肥管理提供了科学依据。

该成果发表于国际植物与土壤领域知名期刊Plant and Soil。论文第一作者为博士研究生王美霞,通讯作者为周卫健研究员。研究得到陕西省技术创新引导专项(2024QY-SZX-31)和陕西省博士后科学基金(2024BSHSDZZ189)的资助。

Wang, M., Xiong, X., Sun, Y., Xu, G., Li, Z., Zhou, W. Crop rotation creates a trade-off between soil water storage and plant available silicon depletion. Plant and Soil (2026). https://doi.org/10.1007/s11104-026-08768-1


图1 七个剖面点位所有土壤样品的(a)植物有效硅和(b)有效硅储量的垂直分布,以及(c)五个农田剖面点位植物有效硅的耗竭量


图2 农田剖面样本中0–d cm土层总有效硅消耗量与总土壤水储量之间的关系

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