水稻硅同位素組成及分餾機理.pdf

1、硅是地殼和土壤中含量僅次于氧的大量元素，從單細胞的藻類到維管植物，幾乎所有的生命體中都可以發(fā)現(xiàn)含硅組織的存在。硅是硅藻生長的必需元素，雖然還沒有被列為高等植物生長的必需元素，但它的有益作用已被廣泛關注。硅不僅是生物體的重要的組成部分，而且還可以緩沖土壤pH值、調(diào)節(jié)大氣CO2濃度。因此，植物硅生理和硅生物地球化學一直是人們研究的熱點。 研究表明，在巖石風化和生物吸收硅的過程中會發(fā)生硅同位素分餾，在不同的物質(zhì)中留下獨特的硅同位素特征

2、值。近年來，隨著硅同位素測試精度的提高和快速測量技術的出現(xiàn)，利用硅同位素信號來研究硅生物地球化學循環(huán)開始逐漸引起人們的關注。目前關于硅同位素的研究主要集中海洋和河流系統(tǒng)，已報道的生物數(shù)據(jù)主要是硅藻、海綿體等海洋生物。陸生植物對全球硅循環(huán)和硅同位素平衡有重要的影響，但是國際上關于陸生植物的硅同位素組成只有零星的報道，還未開展系統(tǒng)研究。本課題以水稻為對象，研究了陸生高等植物硅同位素組成的分布規(guī)律和分餾機理，得到以下主要結(jié)論： (1)

3、試驗中觀察到兩種類型的硅同位素分餾：1、在水稻內(nèi)部不同組織器官之間存在硅同位素分餾。2、在水稻與其生長環(huán)境之間存在硅同位素分餾。 (2)水稻不同器官間存在明顯的硅同位素組成的差異。常規(guī)水培條件下水稻不同器官中δ30Si值變化范圍是-2.7‰～2.1‰，各器官δ30Si值變化順序為：莖<根<葉<稻殼<糙米。限定硅源水培條件下水稻不同器官中δ30Si值變化范圍是-2.3‰～2.6‰。各器官830Si值變化順序為：莖<根<葉<稻殼<糙

4、米?？梢钥闯觯靖髌鞴佴?0Si值的變化順序顯示出一個明顯的趨勢。除根外，從下部器官到上部器官δ30Si值逐漸增加。 水稻單獨器官一稻葉不同部位同樣存在明顯的硅同位素組成的差異。δ30Si值的變化范圍分別為：常規(guī)水培，-2.5‰～2.3‰；限定硅源水培，-2.6‰～1.7‰，兩種培養(yǎng)方式稻葉各部位δ30Si值變化順序相同，葉鞘<葉片基段<葉片中段<葉片頂段，也顯示出從下部到上部逐漸增加的趨勢。 (3)植物體內(nèi)硅同位素分

5、餾的成因是硅隨蒸騰流運輸?shù)礁髌鞴俚倪^程中，相對質(zhì)量較輕的28Si優(yōu)先沉淀在蒸騰流先到達的器官，使得蒸騰流中剩余的溶解性硅酸富含30Si，隨著蒸騰流的運輸，硅沉淀的過程繼續(xù)進行，溶解硅酸的δ30Si值逐漸升高，因而在硅后續(xù)沉淀的器官較先沉淀的器官有更高的δ30Si值，最終在蒸騰流末端沉淀的SiO2獲得最高的δ30Si值，整個過程是一個類似于同位素動力學分餾的瑞利行為(Rayleigh-like behavior)。 在水稻樣品中觀

6、察到根部的δ30Si值比莖高。按照瑞利模型來解釋植物體內(nèi)的硅同位素分餾，根部δ30Si值應該最低，因為根是硅進入植株后最先沉淀的器官。結(jié)合硅生理研究數(shù)據(jù)分析顯示，取樣時在植物根部存有大量的溶解態(tài)硅，且這部分溶解硅比根部的沉淀硅有更高的δ30Si值，而所測量的根δ30Si值是根部溶解硅和沉淀硅的混合值，因此顯示根部δ30Si值比莖高。 (4)水稻與外界環(huán)境中溶解硅之間存在硅同位素分餾(植株30Si的虧缺)。這個現(xiàn)象指出在植物根部吸

7、收硅時存在輕硅同位素優(yōu)先進入植物的生物分餾作用，其成因可能是硅隨質(zhì)流進入植物時，輕硅同位素有更高的擴散系數(shù)。本次試驗觀察到水稻生物硅與外界溶解硅之間的硅同位素分餾系數(shù)(αP1-So1)為0.9986～0.9996。 (5)對植物內(nèi)部及植物與環(huán)境之間硅同位素變化特征研究表明，在本試驗條件下水稻對硅的吸收和體內(nèi)運輸都主要受蒸騰流的影響，硅吸收為隨質(zhì)流擴散的被動形式占主要成分。 試驗中觀察到植物吸收硅時的生物分餾效應可以用來解