在全球气候变化背景下，如何提升陆地生态系统的碳汇能力成为科学界关注的焦点。近日，贵州大学杨孝民副教授课题组发表在Plant and Soil、Agriculture, Ecosystems and Environment、Catena等农林科学、环境科学和地球科学领域国际权威SCI期刊的系列研究提出：硅（Si）与碳（C）在土壤-植物系统中的耦合循环，可能是一条被长期忽视的自然增汇路径。研究团队以薏苡、青稞和喀斯特竹林为对象，从“植物体内硅部分替代生物量碳”的生理机制、硅积累对生物量碳和植硅体碳产生通量的促进作用、地上植被收获对土壤-植物系统硅循环的影响三个层面，系统论证了硅的生物地球化学循环在农林生态系统中不仅促进了生物量增加，更在实现碳汇增益方面发挥着不可替代的核心作用，揭示了硅元素驱动“增产-增汇”协同的双赢效应。

（1）硅与碳的“有益置换”：植物体内的微观调控

研究发现，在薏苡（Coix lacryma-jobi L.）的不同器官（根、茎、叶、壳、籽粒）中，碳含量稳定在38%~44%之间，而硅含量则从0.31 g/kg到41.54 g/kg不等。通过电镜与能谱分析，研究团队在组织水平上证实：硅可以在干物质基础上部分替代碳的位置。这种“替代”不仅没有损害植物生长，反而是一种有利的生理策略。类似的结果也在青稞（Hordeum vulgare var. nudum）中得到验证：硅积累与地上部生物量碳积累呈显著正相关，说明硅的输入实际上促进了碳的存储，而非抑制。

Fig. 1. Qualitative characterization of Si and C distribution in different organs of Job’s tears and purity testing of phytolith particles extracted from these organs.

Fig. 2. SEM-EDS images exhibited the distribution of Si (yellow) and C (blue) in different organs of highland barely. The EDS scanning area is located within the red box.

（2）薏苡与青稞：高固碳潜力的作物代表

研究进一步估算了薏苡的植硅体（一种富含硅的植物结构）及其包裹碳的生产通量。结果显示，薏苡每年每公顷可产生576 ± 243公斤的植硅体，这一数值高于大多数农作物。其中，叶片、壳、茎和根的相对贡献分别为43%、35.2%、19.8%和2.1%。这意味着薏苡不仅是一种粮食作物，更是一种具有长期碳封存潜力的“碳汇作物”。在青藏高原，青稞同样表现出优异的硅-碳耦合能力。研究表明，土壤中植物有效硅（PASi）显著影响青稞生物量，并解释了植硅体碳产量的76%的变异。该研究指出，当前全球农田土壤普遍存在硅缺乏风险，合理施用硅肥有望在不增加耕地面积的前提下，提升作物固碳能力。

Fig. 3. Path model for the (a) indirect effect of plant available Si (PASi) on PhytOC production and (b) correlation between biomass C accumulation and biomass.

（3）喀斯特竹林：硅循环的长期预警与调控

为了解硅-碳耦合在长期生态系统中的演变规律，研究团队选择了喀斯特地区不同林龄（0至约100年）的竹林进行时序分析。结果发现，随着林龄增加，土壤中植物有效硅（尤其是0.01 M CaCl₂提取的硅）持续下降。竹叶中的硅含量最高（10.5–21.5 g/kg），但其值在5年林龄达到峰值后迅速回落。尽管竹林每年从土壤中吸收的硅从23.7 kg/ha增加到78.9 kg/ha（5–100年），但其中24%–53%会因竹秆收获而被移除，导致土壤硅库逐渐耗竭。研究预测，在造林10–40年后，喀斯特竹林将面临明显的植物有效硅亏缺，建议未来考虑硅肥补充以维持生态与经济可持续性。

Fig. 4. Variations in plant available Si proxies along an afforestation chronosequence and across soil layers.

Fig. 5. Correlation analysis between plant available Si proxies and bamboo Si uptake indicators (i.e., leaf, branch, culm, and weighted Si content) at different soil layers.

（4）科学启示：从“硅肥”到“碳汇管理”

上述系列研究共同指向一个核心结论：硅不仅是植物的有益元素，更是连接生物地球化学碳循环与碳封存的关键桥梁。通过“以硅替碳”和“植硅体固碳”两条耦合路径，禾本科作物天然具备提高碳汇能力的潜力。在全球土壤硅持续退化的背景下，合理施用硅肥、保护土壤有效硅库，有望成为一种兼具粮食安全、生态修复和气候变化减缓的“自然解决方案”。

论文信息：

Ruan, D., Yang, X., Li, Z., Liu, J., Xu, H., Jiang, J., Wu, Q., & Yuan, Y. (2026). Silicon accumulation in Job's tears (Coix lacryma-jobi L.) partially replaces biomass carbon synthesis and enhances phytolith associated carbon sequestration potential. Plant and Soil, 518, 423–437. https://doi.org/10.1007/s11104-025-08007-z

Jiang, J., Yang, X., Li, Z., Ruan, D., Zeng, J., Wu, Q., & Xu, H. (2026). Silicon affects alpine cropland carbon cycling by enhancing the biomass carbon accumulation and phytolith production in highland barley. Agriculture, Ecosystems and Environment, 400, 110246. https://doi.org/10.1016/j.agee.2026.110246

Yan, K., Yang, X., Li, Z., & Xu, H. (2026). Plant available silicon depletion in karst bamboo forest soils: Evidence from a bamboo afforestation chronosequence. Catena, 267, 110004. https://doi.org/10.1016/j.catena.2026.110004