森林生态系统的碳汇潜力一直是国内外学者研究的重点，但对其关注普遍集中于植被层和土壤层，凋落物层则常常被忽略。森林凋落物沟通着地上植被和土壤之间的养分循环和能量流动，是森林生态系统碳循环的重要环节(杨万勤等，2008)。凋落物现存量是指积累于土壤表层的由未分解、半分解和已分解凋落物组成的死有机物的数量，是凋落物量与分解量动态平衡的结果(郑路，2012)。凋落物层的碳含量在整个森林生态系统中所占的比例较小，但也是森林碳库中不容忽视的重要组成部分(周国模等，2010)。

植硅体也称植物蛋白石，它的形成是由于植物吸收了土壤溶液中的单硅酸(H₄SiO₄)，在蒸腾作用下，以无定型硅的形式在细胞间以及细胞内沉淀而来(王永吉等，1993)。有研究表明，植硅体是生物硅库的重要组成部分(Sommer et al.，2006；Clarke，2003)。同时，植硅体在形成过程中会包裹一部分的有机碳在其中，这部分有机碳就被称为植硅体碳。Wilding等(1967)发现随着植物死亡及凋落物腐败，释放到土壤中的植硅体能够存在数万年之久。因此，森林生态系统通过凋落物将植硅体归还到土壤中，是一种森林生态系统长期封存碳的途径(Parr et al.，2010)，对全球固碳有着重要意义。

中国亚热带森林面积达2.5亿hm²(安晓娟等，2012)，有着世界上罕见的植被类型，是世界同纬度地区中唯一的绿洲(李洁冰，2011)。前人已对亚热带森林生态系统凋落物碳汇功能展开了大量研究，主要集中在年凋落物量(官丽莉等，2004；温远光等，1989)、碳密度(张佳佳等，2014)及碳素动态(李正才等，2010；杨智杰等，2010)等方面，同时，对植硅体碳封存潜力的研究多集中于具有硅高富集能力的禾本科(Gramineae)植物(Parr et al.，2010；2011；李自民等，2013；左昕昕等，2011；Li et al.，2013)，而关于中国亚热带森林生态系统的研究鲜见报道。凋落物层在森林生态系统中发挥着独特的生态功能，开展凋落物层植硅体碳封存研究将对认识森林生态系统碳汇功能具有重要意义。本研究以中国亚热带森林中常见的5种森林类型毛竹(Phyllostachys edulis)林、杉木(Cunninghamia lanceolata)林、马尾松(Pinus massoniana)林、常绿阔叶林和针阔混交林(赵同谦等，2004)为研究对象，分析凋落物现存量及凋落物植硅体碳含量，并估测不同森林类型凋落物植硅体碳贮量，为进一步估测中国亚热带森林生态系统植硅体碳封存潜力提供科学依据。

研究区位于浙江省临安市玲珑山(119°42′ E，30°14′ N)，该地属典型亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛，年均气温15.9 ℃，年降水量1 424 mm，全年无霜期236天。土壤类型为红壤，土壤理化性质如表 1所示。研究区原生植被为北亚热带常绿阔叶林，由于人为干扰，现有主要树种包括毛竹、木荷(Schima superba)、青冈(Cyclobalanopsis glauca)、苦槠(Castanopsis sclerophylla)、马尾松和杉木等。在研究区内选取坡向(东南)、坡位(中坡)、坡度(22°)基本一致的4个试验区，每个试验区毛竹林、杉木林、马尾松林、常绿阔叶林和针阔混交林这5种林分类型齐全，5种林分的基本特征如表 2所示。

表 1 研究区土壤理化性质 Tab.1 Soil physical and chemical properties in the study area

表 1研究区土壤理化性质 Tab.1 Soil physical and chemical properties in the study area 林分类型Stand type pH 土壤密度Soil density/(g·cm-3) 有机质含量Organic matter content/(g·kg-1) 水解氮含量Hydrolytic N content/(mg·kg-1) 有效磷含量Available P content/(mg·kg-1) 毛竹林Moso bamboo stand 4.68 1.23 25.47 120.54 0.77 杉木林Chinese fir stand 4.82 1.20 22.24 98.78 0.73 马尾松林Masson pine stand 4.60 1.21 18.17 74.88 0.87 常绿阔叶林Evergreen broad-leaf stand 4.69 1.20 30.67 124.40 1.36 针阔混交林Conifer-broadleaf stand 4.47 1.18 26.61 124.29 0.89

表 2 研究区5种林分特征^① Tab.2 Characteristics of 5 stand types in the study area

表 2 研究区5种林分特征① Tab.2 Characteristics of 5 stand types in the study area 林分类型Stand type 林龄Stand age/a 郁闭度Canopy density(%) 平均胸径Mean DBH/cm 平均树高Mean tree height/m 优势树种Dominant tree species 林下植被Undergrowth vegetation ①毛竹林为人工经营，建园20年左右，现存竹子年龄为1～ 3年，立竹密度2 800～ 3 200 株 ·hm-2。 Moso bamboo plantation established about 20 years,existing bamboo age vere 1-3 years,with density of 2 800-3 200 plant ·hm-2. 毛竹林Moso bamboo stand - - 9.0 12 毛竹Phyllostachys edulis 灌木稀少，仅有一些草本植物Scarce shrubs,only few herbaceous plants 杉木林Chinese fir stand 20 70 14.2 12 杉木Cunninghamia lanceolata 灌木稀少，草本层仅有少量蕨类植物Scarce shrub,only few ferns in herbaceous layer 马尾松林Masson pine stand 20～25 70 13.5 10 马尾松Pinus massoniana 连蕊茶Camellia fraterna,乌饭Vaccinium bracteatum 常绿阔叶林Evergreen broad-leaf stand 20～25 70 14.3 11 青冈Cyclobalanopsis glauca、苦槠Castanopsis sclerophylla、木荷Schima superba 山苍子Litsea cubeba,山胡椒Lindera glauca 针阔混交林Conifer-broadleaf stand 25 80 14.0 11 苦槠Cactanopsis sder ophylla、木荷Schima superba、马尾松Pinus massoniana 山苍子Litsea cuheba,山胡椒Lindera glauca

2013年1月，在4个试验区进行地表凋落物采集。在每个试验区内，每种森林类型分别设4个1 m×1 m样方，收集样方内的全部枯枝落叶(主要为未分解层及半分解层)，装入编织袋，称总质量并做记录。在装袋时，应折断枯枝，以免戳破编织袋损失样品。将编织袋编号，带回实验室分析。将野外采集回的凋落物样品，用去离子水洗净，在105 ℃下杀青，70 ℃下烘干至恒质量后用天平称其干质量并记录(即为凋落物现存量)(表 3)。烘干的样品用高速粉碎机粉碎后用塑封袋保存备用。

表 3 不同林分凋落物植硅体碳含量及植硅体碳贮量 Tab.3 Content of occluded carbon in phytoliths(PhytOC) and PhytOC stock of litter in different stand types

表 3 不同林分凋落物植硅体碳含量及植硅体碳贮量 Tab.3 Content of occluded carbon in phytoliths(PhytOC) and PhytOC stock of litter in different stand types 林分类型Stand type 植硅体碳含量Occluded carbon content of phytoliths/(g·kg-1) 植硅体碳/总有机碳PhytOC/total organic carbon(%) 植硅体碳/干物质PhytOC content of biomass/(g·kg-1) 凋落物现存量Dry litter weight/(kg·m-2) 植硅体碳贮量PhytOC stock/(CO2·hm-2) 毛竹林Moso bamboo stand 24.63±4.11c 1.09 4.34±0.74a 1.45 0.231±0.039 杉木林Chinese fir stand 126.00±41.14a 0.10 0.50±0.08b 1.88 0.034±0.006 马尾松林Masson pine stand 62.07±13.77b 0.13 0.67±0.21b 2.51 0.062±0.019 常绿阔叶林Evergreen broad-leaf stand 76.54±29.91b 0.20 1.07±0.20b 3.20 0.125±0.023 针阔混交林Conifer-broadleaf stand 89.48±11.80b 0.20 1.04±0.23b 2.38 0.090±0.020

在采集地表凋落物样品的同时，进行相应的土壤样品采集。每个试验区每种森林类型样地中各挖掘1个土壤剖面，取0～10 cm表层土样，并用环刀法测其土壤密度。将土样带回实验室后，在自然条件下风干，除去砾石与根系后，过2 mm筛备用。用于提取植硅体的土样需再用玛瑙研钵磨细并过0.149 mm筛后备用。

所有凋落物C含量用Elementar Vario MAX CN碳氮元素分析仪(德国Elementar公司)测定。凋落物Si含量用偏硼酸锂熔融-硝酸缓冲液提取-钼蓝比色法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定；水解氮含量采用碱解法测定；有效磷含量采用Bray法测定(鲍士旦，2008)。

凋落物和土壤植硅体的提取均采用微波消解法(Parr et al.，2001)，后用重液浮选。凋落物植硅体采用比重为1.5～1.7的重液浮选，除去上浮部分，将下沉的部分用酒精和水冲洗，确保有机质被全部除去，干燥称质量；土壤植硅体第1次浮选用比重为2.30的重液，取上浮物；第2次浮选用比重为1.60的重液，取沉积物，而后用酒精和水冲洗，确保有机质被全部除去，干燥称质量(王永吉等，1993)。植硅体碳的测定方法在Li等(2013)的基础上略有改进，具体如下：1)称取提取好烘干后的植硅体样品于10 mL塑料离心管中，加入10 mol ·L^-1的NaOH 0.5 mL在室温下浸提3 h，以溶解phytolith-Si(孔德顺等，2013)；2)将浸提液全部转移入玻璃离心管，以超纯水冲洗残留液2次(每次0.7 mL)，一并转入玻璃离心管中(冲洗次数以是否洗干净而定)，立即加入0.800 0 mol ·L^-1，c(1/6K₂Cr₂O₇)=0.800 0 mol ·L^-1，标准溶液1.0 mL，轻轻摇匀后加浓H₂SO₄ 4.6 mL摇匀显色；3)将显色液置于96 ℃下水浴30 min。取出定容至25 mL，充分摇匀、冷却，2 500 r ·min^-1离心10 min，1 cm光程比色皿590 nm下比色。

植硅体碳贮量计算，公式如下：

式中：X为凋落物植硅体碳贮量(CO₂ ·hm^-2)；Y为土壤植硅体碳贮量(CO₂ ·hm^-2)；C_p为凋落物干物质中植硅体碳的含量(g ·kg^-1)；C_s为第i层土壤中植硅体碳的含量(g ·kg^-1)；B为凋落物现存量(kg ·m²)；H_i为第i层土壤的厚度(cm)；BD_i为第i层土壤密度(g ·cm^-3)；a为C转换为CO₂的系数，为3.67。

用SPSS 18.0软件进行统计分析，用Duncan新复极差法测验不同处理的差异显著性。

凋落物中SiO₂含量、植硅体含量在不同林分间均存在一定的差异(表 2)。毛竹林的SiO₂含量(152.50 g ·kg^-1)及植硅体含量(180.20 g ·kg^-1)在5种林分类型中均为最高。5种林分SiO₂含量为6.59～ 152.50 g ·kg^-1，表现为毛竹林>常绿阔叶林>针阔混交林>杉木林>马尾松林；植硅体含量为5.58～ 180.20 g ·kg^-1，变化幅度较SiO₂含量大，最大值为最小值的32倍，表现为毛竹林>常绿阔叶林>针阔混交林>马尾松林>杉木林。

表 4 不同林分凋落物SiO₂和植硅体含量^① Tab.4 Content of SiO₂ and phytolith of dry litter biomass under different stand types

表 4 不同林分凋落物SiO2和植硅体含量① Tab.4 Content of SiO2 and phytolith of dry litter biomass under different stand types 林分类型Stand type SiO2含量SiO2 content /(g·kg-1) 植硅体含量Phytolith content /(g·kg-1) ①同列不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。 Different superscripts in the same column show significant difference (P<0.05)，The same below. 毛竹林Moso bamboo stand 152.50±2.74a 180.20±40.85a 杉木林Chinese fir stand 7.62±1.19c 5.58±2.77b 马尾松林Masson pine stand 6.59±1.01c 11.36±4.82b 常绿阔叶林Evergreen broad-leaf stand 13.96±2.83b 14.67±2.59b 针阔混交林Conifer-broadleaf stand 12.55±0.74b 11.49±1.12b

相关性分析表明，SiO₂含量与植硅体含量极显著正相关(R²=0.940 5， P < 0.01)(图 1)。

	图 1 不同林分凋落物植硅体含量和SiO2含量相关性 Fig. 1 Relationship between SiO2 and the phytolith contents in the litter in different stand types

不同林分凋落物植硅体中的碳含量为24.63～ 126.00 g ·kg^-1(表 3)，表现为马尾松林、常绿阔叶林、针阔混交林之间无显著性差异，但与毛竹林、杉木林差异显著(P<0.05)，其中杉木林最高，毛竹林最低，这与植硅体含量的大小趋势相反。5种林分凋落物干物质中植硅体碳的含量为0.50～ 4.34 g ·kg^-1，干物质中植硅体碳占总有机碳的比例为0.10%～ 1.09%，其中毛竹干物质中植硅体碳的含量及其在总有机碳含量中所占的比例都表现为最高，其余4种林分之间差异不大。

5种林分的植硅体含量与植硅体碳在干物质中的含量(R²=0.950 0， P < 0.01)(图 2)、植硅体碳含量与植硅体碳在干物质中的含量之间均极显著相关(R²=0.701 8， P < 0.01)(图 3)。

	图 2 不同林分凋落物植硅体含量和干物质中植硅体碳含量之间的相关性 Fig. 2 Relationship between the phytolith contents and the PhytOC contents in litter in different stand types

	图 3 不同林分凋落物植硅体中有机碳含量和凋落物中植硅体碳含量的相关性 Fig. 3 Relationship between organic C contents in phytoliths and PhytOC contents in the litters under different stands

在计算植硅体碳封存量时，准确计算生物量尤为重要。本研究用凋落物现存量来计算5种林分地表凋落物植硅体碳封存贮量，凋落物现存量来自实地测量(表 3)。5种林分凋落物现存量表现为阔叶林(3.20 kg ·m^-2)＞马尾松林(2.51 kg ·m^-2)＞针阔混交林(2.38 kg ·m^-2)＞杉木林(1.88 kg ·m^-2)＞毛竹林(1.45 kg ·m^-2)。

5种林分的凋落物植硅体碳贮量为0.034～ 0.231 tCO₂ ·hm^-2(表 3)，不同林分间差异较植硅体碳含量小，以毛竹林最高0.231 tCO₂ ·hm^-2，其次是常绿阔叶林0.125 tCO₂ ·hm^-2、针阔混交林0.090 tCO₂ ·hm^-2和马尾松林0.062 tCO₂ ·hm^-2，杉木林最低0.034 tCO₂ ·hm^-2。

本研究选取0～10 cm土层(Parr et al.，2010)来研究不同林分土壤中的植硅体。毛竹林的土壤植硅体碳贮量在5种林分中最高，为0.492 tCO₂ ·hm^-2。其余依次为针阔混交林0.448 tCO₂ ·hm^-2、常绿阔叶林0.362 tCO₂ ·hm^-2、马尾松林0.352 tCO₂ ·hm^-2和杉木林0.217 tCO₂ ·hm^-2。

比较不同林分凋落物与土壤中的植硅体碳贮量可知，土壤层普遍高于凋落物层。在不同林分间，土壤植硅体碳贮量大小序列与凋落物大致相同，但变化幅度小于凋落物。

Hodson等(2005)研究认为，被子植物的植硅体含量要高于裸子植物，而在被子植物中，又以单子叶的禾本科植物最高。本研究中，植硅体含量表现为毛竹林>常绿阔叶林>针阔混交林>针叶林(杉木林、马尾松林)，与前人研究相符。王永吉等(1993)认为，植物中的SiO₂含量能够直接反映其植硅体含量。本研究中，SiO₂含量与植硅体含量大小序列基本一致；对SiO₂含量与植硅体含量的相关性分析结果显示，它们之间极显著正相关(R²=0.940 5，P < 0.01)。这说明SiO₂含量较高的植物，其植硅体含量也相应较高，随着植物吸收Si能力增强，其植硅体产生量也相应增多。

不同林分凋落物植硅体碳含量存在较大的差异，杉木林>针阔混交林>常绿阔叶林>马尾松林>毛竹林。对竹子(Parr et al.，2010)、小麦(Triticum aestivum)(Parr et al.，2011)、黍(Panicum miliaceum)、粟(Setaria italica)(左昕昕等，2011)和甘蔗(Saccharum)(Parr et al.，2009)的研究结果显示，在同一种植物或同一种植物不同基因型中，植硅体碳含量并不完全由植硅体的多少而决定，而是与其植硅体本身能够固碳的能力和效率有关。本研究中，5种森林的植硅体含量与植硅体碳在干物质中的含量(R²=0.950 0，P < 0.01)、植硅体碳含量与植硅体碳在干物质中的含量均极显著相关(R²=0.701 8， P < 0.01)。这说明在不同植物间，植硅体碳含量也受到不同植物植硅体含量的控制。不同森林凋落物植硅体含量具有较大的差异，这是因为不同植物吸收Si能力的大小也有差异。

从林分类型来看，毛竹林的凋落物植硅体碳贮量表现为最高，其次为常绿阔叶林、针阔混交林，针叶林(马尾松林、杉木林)最低。李海奎等(2011)研究认为，不同森林类型总碳储量及碳密度均表现为常绿阔叶林大于针叶林，而针阔混交林介于他们之间。周玉荣等(2000)的研究指出，阔叶林的单位面积碳汇能力要大于针叶林。本研究中关于常绿阔叶林、针阔混交林和针叶林(马尾松林、杉木林)凋落物层植硅体碳贮量的研究结果与我国森林的总碳储量大小趋势相符，也从植硅体碳封存的方面反映出这3种森林的碳汇能力。凋落物植硅体碳贮量的大小取决于植硅体碳占干物质含量及凋落物现存量的比例。常绿阔叶林>针阔混交林>针叶林>毛竹林。凋落物现存量是凋落量与分解量动态平衡的结果，凋落物现存量的大小与不同森林凋落物的分解速率(Pedersen et al.，1999)密切相关。凋落物中叶、枝、果所占的比例(温远光等，1989)也会影响凋落物现存量的大小，路翔等(2012)对中亚热带4种森林凋落物的研究表明，有1/2的凋落叶在当年即可被分解。此外，植硅体是随着凋落物的分解被释放到土壤中的，凋落物分解速率的大小还能够影响土壤中植硅体的含量。

计算不同林分地表凋落物植硅体碳封存贮量，也应考虑到森林生态系统以凋落物的形式不断将植硅体富集到地表，进而归还到土壤中，这个过程是持续进行的。本研究的5种林分土壤植硅体碳贮量大小序列与凋落物大致相同，但变化幅度小于凋落物。5种林分凋落物与土壤中的植硅体碳贮量，0～10 cm土层土壤普遍高于凋落物层，这说明植硅体碳能够通过凋落物植硅体在土壤中积累。张瑾(2011)的研究也表明，在整个土壤剖面中，植硅体呈明显的表层富集趋势。此外，张新荣等(2006)的研究指出，对地表土壤中的植硅体分析也是了解、恢复古植被的重要途径。

总之，毛竹林凋落物的植硅体碳占干物质含量、凋落物及土壤的植硅体碳贮量在5种林分中最高，可见毛竹林具有极强的植硅体碳封存潜力。若以中国亚热带毛竹林年凋落物量3.6 t ·hm^-2a^-1计算，毛竹林每年还将以0.057 CO₂ ·hm^-2a^-1的植硅体碳封存速率将植硅体碳封存到凋落物层中。其余4种林分在亚热带中分布较广，凋落物现存量及年凋落物量都较大，因此都应具有一定的植硅体碳封存潜力。