海南岛典型流域生态系统硅的生物地球化学循环研究

The biogeochemical cycle of silicon(Si) on the Earth's surface has become a crucial subject of studying on global environmental change because of its interconnexion with the change of atmospheric CO2 concentration, the efficiency of oceanic biological Si pump and the degree of coastal eutrophication. The Changhuajiang River basin,Hainan Island, located in the tropical monsoon zone, will be selected in this study. The samples of rock, regolith, soil, riverine surface sediment, surface water (rainfall, riverine water, water in reservoir) and penetrative water passing through soil, will be systematically sampled. The organic carbon content, mineral assemblage, major elements contents, silicon isotopic composition, phytolith and phytoplankton contents will be measured. Averaged vegetation cover and primary production in the watershed will be obtained through remote sensing method. The Si fluxes exported from the watershed to the South China Sea, and the size of Si reservoirs of rock, soil and water body within the Changhuajiang River basin will be evaluated. The contribution of chemical weathering processes and biological processes to the Si cycle will be quantitated in terms of mass-balance method and technology of silicon isotopic tracing. The sources, shift and fate of Si will be investigated within the tropical monsoon ecosystem. The purpose of this study will be to provide the evidences for identifying the matter sources in the South China Sea and improving the model of the global biogeochemical cycle of Silicon.

由于地球表层硅的生物地球化学循环与大气CO2浓度变化、大洋生物泵作用效率和海岸带富营养化程度等密切相关，因此成为全球环境变化研究的核心问题之一。本研究选择位于热带季风区的海南岛昌化江流域，系统地采集流域内基岩、风化壳、土壤和河流表层沉积物、地表水（雨水、河流水、水库水）和土壤水等样品；测试分析样品的有机碳含量、矿物组成、主要元素含量、硅同位素组成、植物硅酸体和浮游植物含量；采用遥感方法获取流域内平均植被覆盖率和植物生产力；估算昌化江流域生态系统硅输出通量和岩石、土壤、水体等硅库的大小；运用质量平衡法和硅同位素示踪技术量化风化过程和生物过程对硅循环的贡献；探讨热带季风区硅生物地球化学循环的机理。本项研究可为识别南海物质来源和完善全球硅的生物地球化学循环模型提供基础数据。

地球表层元素硅（Si）的生物地球化学循环与大气CO2浓度变化、大洋生物泵作用效率和海岸带富营养化程度等密切相关，从而成为全球环境变化研究的核心问题之一。本研究分别于2014年1月和8月采集海南岛昌化江流域的水样、悬移质、岩石、风化壳、土壤和植物样品，测量分析样品的有机碳、常量元素、微量元素Ge、植物硅酸体（生物硅，BSi）和浮游植物等含量。利用遥感解译获取流域内平均植被覆盖率；运用质量平衡法和统计法估算昌化江流域生态系统Si输出通量和岩石、土壤、水体等Si库的大小。研究结果得出：昌化江流域化学径流组成主要源自硅酸盐岩的化学风化，其贡献率为82.30%。流域内硅酸盐岩、碳酸盐岩和蒸发盐岩的风化速率分别为16.25 tkm-2∙y-1、0.40 tkm-2y-1和0.62 tkm-2y-1。昌化江流域岩石风化对大气CO2的吸收通量为(1.94-3.44)×105 molkm-2y-1，高于全球平均值(2.46×105 molkm-2y-1)，稍低于同为热带季风区的印度西南部流域相应值(1.6~5.2×105 molkm-2y-1)。昌化江流域风化壳的SiO2/Al2O3比值（2.13±0.37）揭示研究区处于中等风化阶段。研究区风化碳汇潜力仍较大。. 昌化江流域溶解硅（DSi）的输出通量为12.4×104 molkm-2y-1，约为全球平均值(5.5×105 molkm-2y-1)的2.25倍。如果不考虑植物生长吸收DSi 的季节差异，昌化江干流湿季DSi 含量(366.63molL-1)低于干季 (383.65molL-1)，揭示因高温多雨加快的岩石风化速率对河流DSi 含量的影响小于径流的稀释效应。昌化江流域输出的颗粒岩石Si 量为3.13×109 moly-1；BSi输出量为9.98×107 moly-1，湿季输出的BSi 量占总量的97.95%。. 昌化江流域活植物体BSi 总储量为4.29×1010 mol。流域土壤BSi 储量平均为18.0×1010mol，而且干季土壤BSi 储量（22.1×1010mol）大于湿季的相应值（13.8×1010 mol）。. 本项研究结果可为识别南海物质来源、预测南海生态系统变化和建立全球Si 的生物地球化学循环模型提供基础数据。