1 引言

土壤中的硅主要以不溶解的固态硅、 可溶性硅和吸附硅3种形式存在于土体、 土壤溶液以及土壤胶体表面^[1]。硅在植物体内的存在形式主要是无定形二氧化硅(SiO₂ ·nH₂O)，其次是可溶性的胶状硅酸和单硅酸[Si(OH)₄]^[2]。硅有利于改善植物的矿质营养，促进植物的生长发育，提高植物抗倒伏、 抗病虫害、 抗旱、 抗盐和抗重金属的能力，并能够提高作物的产量和质量^{[3, 4, 5]}。

植物体内的硅通过根系从土壤中吸收，经维管束传送，在细胞内腔或细胞之间以水合硅(SiO₂ ·nH₂O)的形式出现，在植物体内形成的难溶硅酸形态，即植硅体^[6]，它是硅在植物体内主要的存在形式。植硅体在植物的根、 茎、 叶、 花等器官组织中均有分布，草本植物的植硅体主要形成于叶面表皮细胞中，它在禾本科植物中含量最高，为干重的3 ％ 左右，最高达10 ％ -20 ％ ^[7]。生长季结束后，植物残体分解使植硅体返回到土壤中，其中92.5 ％ 的植硅体溶解后又被其他植物再吸收，仅7.5 ％ 保留在土壤中^[8]。由于植硅体耐腐蚀、 耐高温、 产量丰富且形态多样，已被广泛地应用于农学、 地质学、 考古学和第四纪研究等诸多领域^{[9, 10, 11, 12, 13]}。目前关于环境对植硅体形成的影响已有所研究，介冬梅等^[14]的研究发现，在不同的湿度环境中，芦苇植硅体的含量表现出明显变化。Madella等^[15]的研究则显示，植硅体的含量明显受到植物生长过程中水分状况的影响，并且有些形状的植硅体在植物的不同部位中含量不同，这可能与植物不同部位的蒸腾能力有关。另有研究表明，随着CO₂浓度的升高，羊草植硅体的产量也随之增加，且各类型植硅体的比例发生了明显变化^[16]。总体来看，目前关于土壤有效硅对植硅体的影响少有研究。芦苇(Phragmites communis)为多年生禾本科植物，是形态上高度分化的群落建群种，广泛分布于世界各地^[17]。因此，本文选取芦苇作为研究对象，研究东北地区芦苇植硅体浓度、 芦苇有效硅含量和土壤有效硅含量之间的关系，分析土壤有效硅对植硅体形成的影响，这对于探讨植硅体的形成机理具有重要意义。分析气候变化对土壤有效硅含量的影响，进而对芦苇植硅体浓度的影响，以此来探索植硅体的气候指示意义，为古气候、 古环境重建工作提供参考。

中国东北地区位于亚欧大陆东缘，地理位置为 38°40′～53°30′N，115°05′～135°02′E^[18]。东北地区位于温带大陆性季风气候区，四季分明，冬季寒冷而漫长，夏季温暖湿润而短促，年均温度为-1-6℃，年降水量为400-800mm，集中在夏季^[19]。随温度变化，自北向南可分为寒温带、 温带和暖温带，植被随热量条件的变化依次出现寒温带针叶林、 温带针阔叶混交林和暖温带落叶阔叶林； 随湿度变化，由东至西可分为湿润区、 半湿润区和半干旱区，植被相应地出现森林、 森林草原和典型草原^[20]。主要土壤类型为寒温带棕色针叶林土、 温带针阔混交林暗棕色森林土、 温带森林草原黑土与草甸草原黑钙土^[21]。

2011年在东北地区按温度梯度自北向南布设4条剖面线，共设12个采样点，即讷河-北安-同江、 大庆-哈尔滨-牡丹江、 长岭-长春-龙湾以及通辽-盘锦-丹东( 表1和 图1)。同时，每条剖面线上的3个样点按湿度梯度的变化布设，即分别设在半干旱区、 半湿润区和湿润区见 图1。6～10月期间，每月的15日对12个样点的土壤和芦苇进行采集，每个样点各采集5株芦苇和3个重复土样，每个土样的土壤深度为20cm。

表 1(Tab.1)

表 1 采样点地理位置与环境信息 Tab.1 Description of location and environment about sampling sites 地点 纬度(N) 经度(E) 海拔/m 采样环境 讷河 48°27′52.6″ 124°52′43.9″ 194 湿地 北安 48°23′14.6″ 126°25′25.0″ 277 湿地 同江 47°44′39.6″ 133°35′10.3″ 47 湿地 大庆 46°32′35.0″ 125°10′55.8″ — 湿地 哈尔滨 45°54′10.7″ 126°53′54.9″ 116 湿地 牡丹江 44°04′49.4″ 128°50′37″ 366 湿地 长岭 44°36.5′0.6″ 123°36.7′03.9″ 143 湿地 长春 43°50′49.7″ 125°18′46.1″ 216 湿地 龙湾 42°21′27.0″ 126°22′03.5″ 453 湿地 通辽 43°20′45.4″ 121°02′31.09″ — 湿地 盘锦 40°54′26.4″ 121°38′09.7″ 5 湿地 丹东 39°52′18.8″ 123°36′04.0″ 5 湿地 “—”代表数据缺失

表 1 采样点地理位置与环境信息 Tab.1 Description of location and environment about sampling sites

图 1(Fig. 1)

图 1 采样点分布图 Fig. 1 Distribution of sampling sites

在实验室内对采集的芦苇样品进行植硅体提取、 分析。实验采用湿灰化法提取植硅体: 从每个样点采集的5株芦苇上选择部位相同、 长势一致的叶片，用超声波清洗仪反复清洗后放入烘箱中烘干； 将同一样点的叶片剪成小段混合，取0.2g放入试管中，加入浓硝酸进行水浴加热，待溶液澄清后停止加热； 向氧化后的试管中加入蒸馏水，用离心机(2000rpm/分钟)离心20分钟，重复离心3次； 取另一试管放入一粒孢子片，加入浓盐酸，待反应完全后，将孢子溶液加入到上述离心溶液中，并加入蒸馏水，离心清洗3次，然后加入无水乙醇离心1次，最后保留少量液体； 将试管中的液体制成固定片，并在MOTIC生物显微镜下放大900倍观察、 统计，每个玻片样品统计植硅体在300粒以上。本文共统计植硅体43493粒，根据实验中所加孢子的浓度计算得出植硅体的浓度。参考王永吉和吕厚远^[6]对植硅体的分类与命名建议，对实验中所观测到的植硅体进行了分类和命名。

土壤和芦苇的有效硅采用0.025mol/L 柠檬酸浸提-硅钼蓝比色法测定: 取风干、 过2mm孔径筛的样品10g于塑料瓶中，加柠檬酸浸提剂100ml，摇匀并放于30℃的恒温箱中保温5小时，每隔1小时摇动1次，取出后用干滤纸过滤； 吸取上述溶液1～5ml(含硅(Si)10～125μg)于50ml容量瓶中，用水稀释至15ml，依次加入0.6mol/L(1/2H₂SO₄)溶液5ml，在30～35℃下放置15分钟，加钼酸铵溶液5ml，摇匀后放置5分钟； 然后依次加入草酸溶液5ml和抗坏血酸溶液5ml，用水定容，放置20分钟后在分光光度计上700nm波长处比色，同时做空白实验； 在样品测定同时，分别吸取50μg/ml 硅(Si)0、 0.25ml、 0.50ml、 1.00ml、 1.50ml、 2.00ml和2.50ml于50ml容量瓶中，用水稀释至约15ml，按上述步骤显色和比色测定。即ρ(Si)分别为0、 0.25μg/ml、 0.50μg/ml、 1.00μg/ml、 1.50μg/ml、 2.00μg/ml 和2.50μg/ml 的标准系列浓度。建立回归方程，或以硅(Si)浓度为横坐标，吸收值为纵坐标，绘制曲线。

数据的统计和分析处理采用Excel、 SPSS、 C2和Canoco for Windows等软件。同时，由于本文的数据分析涉及对土壤有效硅含量、 芦苇中有效硅含量和植硅体浓度的综合比较分析，但3个指标的数量级和单位不同，无法直接用原始数据进行对比。因此，为保证结果的可对比性，本文将原始数据进行了Z标准化处理。

本文采样环境多为湿地，土壤类型以草甸土、 潜育化草甸土、 盐化/碱化草甸土为主，各样点的土壤环境大体相似。因此，本文在分析土壤有效硅含量和芦苇植硅体的变化时，不考虑土壤类型的影响，而考虑气候因素的变化以及由气候变化引起的土壤理化性质差异的影响。

图2表示的是12个样点6～10月土壤有效硅含量的变化趋势。由 图2可知，土壤有效硅含量因样点的不同而有明显差异(p < 0.001)，但5个月之间的变化趋势大体相似。其中，通辽、 长岭和大庆样点的土壤类型均为盐/碱化草甸土，但通辽、 长岭样点的土壤有效硅含量相对较低。前人研究表明^[22]，土壤在含水量较多的情况下，硅的浓度相对较高。范业成等^[23]研究发现，在一定pH值范围内，土壤有效硅含量随pH值升高而减少。通辽样点为暖温带半干旱气候，土壤含水量较小(含水量=17 ％ )。长岭样点土壤为碱化草甸土，土壤pH值较高(pH=9.50)。因此，通辽和长岭样点的土壤有效硅含量较低。此外，龙湾、 牡丹江、 同江和北安样点的土壤类型均为潜育化草甸土，但龙湾样点的土壤有效硅含量相对较高。有研究指出，土壤有机质含量较高时，有机质会释放出一定量的硅，同时有机质分解产生的有机酸和形成的还原条件，可以破坏铁-硅复合体，有助于硅的溶解^[24]。龙湾样点湿度较大，土壤含水量(含水量=75 ％ )和有机质含量(有机质含量=18.24 ％ )均较大。因此，龙湾样点的土壤有效硅含量较高。

图 2(Fig. 2)

图 2 土壤有效硅含量的变化趋势 Fig. 2 Variation of available soil silicon content

在6～10月，绝大部分样点的土壤有效硅含量在不同生长期的差异并不明显(p=0.730)( 图2)。研究显示，土壤溶液中的硅浓度基本保持在恒定水平，甚至硅被植物吸收后还保持浓度恒定^[25]。这可能是由于土壤中的硅元素有多种存在形态，各形态硅之间存在动态平衡关系，因此土壤中的有效硅含量变化不大。

图3表示的是12个样点6～10月芦苇中有效硅含量的变化趋势。由图可知，6月、 7月时牡丹江以南样点的芦苇有效硅含量普遍小于牡丹江以北样点，8月时南、 北含量相当，而9月、 10月时牡丹江以南样点的芦苇有效硅含量普遍大于牡丹江以北样点。6～10月偏北地区温度较偏南地区下降较快，偏北地区的芦苇可能较先停止生长，对硅元素的需求量也随之减少。因此，9月、 10月牡丹江以南样点的芦苇有效硅含量普遍大于牡丹江以北样点。

图 3(Fig. 3)

图 3 芦苇中有效硅含量的变化趋势 Fig. 3 Variation of available silicon content in Phragmites communis

在6～10月，芦苇中有效硅含量在不同生长期的差异明显(p=0.001)( 图3)，且含量在8月、 9月时较高。前人的研究发现^[26]，水稻植株中硅的含量在不同生长期差异较大，其含量从分蘖期到成熟期呈现出高-低-高-低的变化趋势； 另有研究表明^[27]，玉米在不同生长期对硅的吸收量有明显差异: 四叶期以前吸收量较低，拔节期开始吸收速度增加，从拔节期到抽雄初达到高峰期，抽雄初期以后，植株内硅量反而减少，约40 ％ ～60 ％ 的硅外溢。芦苇与水稻、 玉米都属于禾本科植物，硅吸收可能具有相似的特点。因此，本文中芦苇有效硅含量的变化规律可能与生长期有关。大部分样点的芦苇中有效硅含量在8月、 9月时普遍较高，该阶段为芦苇的抽穗期，可能芦苇在该生长阶段对硅的吸收量较大。

图4表示的是12个样点6～10月芦苇中植硅体浓度的变化趋势，植硅体浓度因样点的不同而有明显差异(p=0.032)，且牡丹江以南样点的植硅体浓度普遍大于牡丹江以北样点。东北地区年均气温从南到北逐渐降低，温度在地理空间上的差异，使植物的生长与光合作用也随之发生变化。介冬梅等^[28]在对松嫩草原羊草群落进行增温处理的研究中发现，增温对羊草植硅体的发育在很大程度上表现出促进作用。这说明东北地区南北温度的差异对芦苇植硅体的发育可能同样有很大影响。由于牡丹江以南样点温度较高于牡丹江以北样点，因而偏南地区的植硅体浓度大于偏北地区。

图 4(Fig. 4)

图 4 芦苇植硅体浓度的变化趋势 Fig. 4 Variation of phytolith concentration in Phragmites communis

图5中6～10月土壤有效硅含量、 芦苇中有效硅含量及植硅体浓度分别为样点的平均值。从 图4和 图5来看，7月土壤有效硅含量明显增多，植硅体浓度也显著增多，芦苇中有效硅含量虽也增多但增幅较小； 8月植硅体浓度继续增多； 9月土壤有效硅含量基本不变，芦苇中有效硅含量仍然增多的情况下，植硅体浓度反而减少； 10月三者均减少。刘利丹等^[29]的研究表明，芦苇在6月、 7月主要形成鞍型植硅体，8月中下旬芦苇生长旺期结束，起支撑作用的机动细胞开始硅化成扇型植硅体。由此说明，在芦苇生长旺期，满足植株对有效硅需求的情况下，植株从土壤中吸收的有效硅可能主要用于植硅体的形成。9月芦苇进入生长后期，穗粒逐渐形成，使植株上部重量增加，为了增强植株的支撑能力，芦苇体内的植硅体浓度在理论上应该增多，而 图5中，9月土壤有效硅含量基本不变，芦苇中有效硅含量增多的情况下，植硅体浓度反而减少。由此猜测，植物体内可能由于吐水或其他某种生理机制，使植硅体在芦苇生长后期时排出植物体外，因而呈现浓度减少。此外，表2中10月植硅体浓度的最大值和极差明显大于前4个月，这可能是由于芦苇为多年生植物，在成熟期时也会继续形成植硅体，为次年的萌发做准备。前人对水稻的研究有同样发现，水稻植硅体在10月成熟期时含量最大^[30]。

图 5(Fig. 5)

图 5 6～10月土壤有效硅含量、 芦苇中有效硅含量及植硅体浓度的变化趋势 Fig. 5 Variations of available soil silicon content， available silicon content and phytolith concentration in Phragmites communis from June to October

表 2(Tab.2)

表 2 6～10月植硅体浓度最大值和最小值 (万粒/g)Tab.2 Maximum and minimum of phytolith concentration from June to October(ten thousand particles/g) 6月 7月 8月 9月 10月 最小值 129.09 164.57 150.72 118.15 77.35 最大值 381.16 677.11 742.43 651.91 769.41 极差 252.07 512.54 591.71 533.76 692.06

表 2 6～10月植硅体浓度最大值和最小值 (万粒/g) Tab.2 Maximum and minimum of phytolith concentration from June to October(ten thousand particles/g)

对土壤有效硅含量、 芦苇中有效硅含量和植硅体浓度的方差分析发现，土壤有效硅含量在样点间表现出极显著性差异(p < 0.001)，而在月份间差异不明显(p=0.730)； 芦苇中有效硅含量在月份间表现出显著性差异(p=0.001)，而在样点间差异不明显(p=0.354)； 植硅体浓度在样点间表现出显著性差异(p=0.032)，而在月份间差异不明显(p=0.547)。这说明芦苇中植硅体浓度的差异可能与土壤有效硅含量有关，芦苇中有效硅含量的差异可能与生长期有关。因此，本文将进一步分析不同样点、 不同生长期的土壤有效硅含量、 芦苇中有效硅含量和植硅体浓度的变化规律及其关系。

6～10月芦苇中有效硅与植硅体之和(简称为芦苇中的硅)与土壤有效硅的关系如 图6所示。7月和9月的变化曲线中，除个别样点外，芦苇中的硅与土壤有效硅的变化趋势基本一致。刘鸣达等^[31]的研究显示，水稻植株中硅的含量与土壤有效硅含量之间成幂函数正相关。同时，有研究表明，燕麦吸收硅的数量与土壤溶液中SiO₂的浓度成比例地增加^[22]。芦苇和水稻、 燕麦均属于禾本科植物，硅吸收特点可能相似。因此，本文中7月、 9月芦苇中的硅与土壤有效硅的变化趋势基本一致。而在8月的变化曲线中，除个别样点外，芦苇中的硅与土壤有效硅的变化趋势相反，前者变化曲线的谷、 峰分别与后者变化曲线的峰、 谷相对应。有研究指出，在低浓度条件下，水稻和小麦为主动吸收硅，而在高浓度下，水稻被动吸收的硅增多，而小麦则主要是被动吸收^[32]。本文中8月土壤有效硅的低值与芦苇中的硅的高值对应的样点，环境较干旱或是盐碱化土壤，使芦苇产生抗逆性，植株对硅的需求量增大，因而植株从土壤中主动吸收硅元素。土壤有效硅的高值与芦苇中的硅的低值对应的样点，土壤中有效硅浓度较高，植株对硅的需求量小，芦苇采取被动吸收硅的方式，从而植株中硅的含量较低。

图 6(Fig. 6)

图 6 6～10月芦苇中的有效硅含量与植硅体浓度之和与土壤有效硅含量的关系 Fig. 6 Relationship between available soil silicon content and the sum of available silicon content and phytolith concentration in Phragmites communis from June to October

图7反映了6～10月土壤与芦苇中的有效硅含量之比(简称为有效硅之比)与植硅体浓度的变化关系，将12个样点按照比值的大小排列。由图可知，当比值约小于4时，植硅体的浓度较大； 当比值约大于4时，植硅体的浓度较小。进而分析，当比值较小时，芦苇以主动方式吸收硅，形成的植硅体较多； 当比值较大时，芦苇可能由于被动吸收硅而形成较少的植硅体。同时，从图中有效硅之比与植硅体浓度的变化规律来看，土壤有效硅含量约为芦苇中有效硅含量的4倍时，芦苇对硅的吸收方式可能从主动吸收逐渐转变为被动吸收。

图 7(Fig. 7)

图 7 6～10月土壤有效硅含量与芦苇中有效硅含量之比与植硅体浓度的关系 Fig. 7 Relationship between phytolith concentration and the ratio of available silicon contents in soils and in Phragmites communis from June to October

此外，6月植硅体浓度随比值的变化不明显，可能是由于6月各样点的植硅体都刚刚开始形成，其浓度受比值影响较小； 7月、 8月植硅体浓度则明显表现出随比值变化的特征，根据上述4.3的研究结果，此阶段为植硅体形成的主要时期，因此其浓度会明显受到比值的影响； Nisia^[33]对水稻不同生长期进行加硅处理，研究发现水稻在营养期和生殖期所吸收的硅几乎有一半是存在于叶片中，而成熟期吸收的硅只有30 ％ 存在于叶片中。10月时植硅体浓度较小可能是芦苇具有与水稻相似的硅吸收特点，成熟期叶片中的硅含量较低，形成植硅体较少，加之可能存在植硅体的外排现象，因此植硅体的浓度较小。

芦苇中主要的短细胞植硅体类型为鞍型和帽型植硅体，其含量最高，一般达50 ％ 以上，是芦苇植硅体中较为优势的类型^{[6, 29]}。本文研究的12个样点按湿度梯度的变化自西向东布设在3条剖面线上，分别位于半干旱区、 半湿润区和湿润区(见图1)。由 图8可知，半湿润区样点的短细胞植硅体百分含量小于半干旱区、 湿润区样点的百分含量。介冬梅等^[14]对不同湿度梯度变化下的芦苇植硅体进行研究，发现在沙兰、 长春和长岭3个不同湿度环境的采样点中，长春采样点的鞍型植硅体百分含量小于沙兰和长岭采样点，鞍型植硅体的百分含量表现出随湿度的递增有先减少后增多的趋势。随着湿度的递增，本文中短细胞植硅体的百分含量同样有先减小后增大的趋势。此外，图8中有效硅之比表现出与短细胞植硅体相反的变化规律，即半湿润区样点的比值大于半干旱区、 湿润区样点的比值。这表明湿度变化时，短细胞植硅体的形成一方面可能与植物的蒸腾作用有关^{[34, 35, 36]}，另一方面根据 图8显示的规律，也可能是由于湿度影响了土壤和芦苇中有效硅含量的比值，从而影响了植株对硅的吸收方式以及短细胞植硅体的相对含量。由此也说明，芦苇中植硅体含量的变化在一定条件下可以反映环境湿度的变化。对澳大利亚昆士兰LongPocket湖泊沉积物植硅体的研究表明^[37]，全新世以来虎尾草亚科(Chloridoideae)植硅体含量的降低指示了干旱程度的逐渐降低。据此可以将芦苇植硅体作为气候代用指标进行古气候、 古环境重建工作。

图 8(Fig. 8)

图 8 土壤有效硅含量与芦苇中有效硅含量之比与短细胞植硅体百分含量的关系 Fig. 8 Relationship between the percentage of short cell phytolith and the ratio of available silicon contents in soils and in Phragmites communis

本文首先用除趋势对应分析(Detrended Correspondence Analysis，简称DCA)对各样点的有效硅之比和各形态植硅体浓度进行间接梯度分析，得到各排序轴的梯度长度如 表3所示，最大梯度长度仅为0.521，因此进一步的直接梯度分析选用冗余分析(Redundancy Analysis，简称RDA)模型^[38]。

表 3(Tab.3)

表 3 DCA分析排序轴的梯度长度Tab.3 The gradient length of DCA axes 排序轴 1 2 3 4 梯度长度 0.521 0.334 0.216 0.258

表 3 DCA分析排序轴的梯度长度 Tab.3 The gradient length of DCA axes

RDA分析的有效硅之比与各形态植硅体浓度双序图如 图9所示，浅色线段的长短代表了各形态植硅体之间浓度的相对大小，越短浓度越大，反之越小。每两条线段之间的夹角代表其相关性: 锐角代表两者呈正相关，钝角代表两者呈负相关，若夹角接近直角代表两者相关性较弱。由 图9可知，鞍型、 帽型、 棒型、 扇型与有效硅之比成钝角，即与有效硅之比呈负相关； 块型与有效硅之比成锐角，即与有效硅之比呈正相关； 尖型与有效硅之比的夹角接近直角，即与有效硅之比的相关性较弱。同时，块型和尖型的线段长度较长，说明两者浓度较低。由此分析，当有效硅比值较小时，芦苇中大部分形态的植硅体会由于主动吸收硅而浓度较大； 当有效硅比值较大时，芦苇中大部分形态的植硅体则由于被动吸收硅而浓度较小。这与上文中植硅体浓度与有效硅之比的研究结果是基本一致的。

图 9(Fig. 9)

图 9 RDA分析各形态植硅体浓度-有效硅含量之比双序图 Fig. 9 Concentration of phytolith morphotypes-the ratio of available silicon content double ordination plot of RDA

(1)根据方差分析，东北地区不同样点间的土壤有效硅含量和植硅体浓度均有明显差异。在芦苇生长过程中，土壤有效硅含量在不同生长期差异不明显，而植株中有效硅含量则差异明显。因此，应根据芦苇不同生长阶段的硅素需求特点，科学地施用硅肥，从而促进芦苇的生长发育。

(2)植硅体主要在7月、 8月形成，此阶段其浓度较大，此时植株从土壤中吸收的有效硅主要用于植硅体的形成，并且植硅体的浓度受土壤与芦苇中的有效硅之比的影响较大。9月、 10月植硅体浓度较小，可能是由于成熟期芦苇叶片中硅含量较少而形成较少植硅体。此外，芦苇因生长环境产生抗逆性时，植株的硅主动吸收会增强。当土壤有效硅含量约为芦苇中有效硅含量的4倍时，硅吸收方式可能由主动逐渐转变为被动。据此来调节土壤中硅肥的施用量，有利于芦苇对硅素的高效吸收以及植硅体的形成，从而增强芦苇的抗病性，提高芦苇的产量和品质。

(3)芦苇中大部分形态的植硅体浓度与有效硅之比呈负相关，其中短细胞植硅体的百分含量随着湿度的递增有先减小后增大的趋势，与有效硅之比的变化趋势相反。这表明湿度的变化可能影响了土壤和芦苇中有效硅含量的比值，从而影响了植株对硅的吸收方式以及各形态植硅体的形成。植硅体的含量变化在一定条件下可以反映环境的湿度变化，据此不仅可以了解区域的受旱程度，为土壤墒情管理提供帮助，同时也为古气候、 古环境重建工作提供参考。