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1、硅是地殼和土壤中含量?jī)H次于氧的大量元素,從單細(xì)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(zhǎng)的必需元素,雖然還沒有被列為高等植物生長(zhǎng)的必需元素,但它的有益作用已被廣泛關(guān)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(xué)一直是人們研究的熱點(diǎn)。 研究表明,在巖石風(fēng)化和生物吸收硅的過程中會(huì)發(fā)生硅同位素分餾,在不同的物質(zhì)中留下獨(dú)特的硅同位素特征
2、值。近年來,隨著硅同位素測(cè)試精度的提高和快速測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn),利用硅同位素信號(hào)來研究硅生物地球化學(xué)循環(huán)開始逐漸引起人們的關(guān)注。目前關(guān)于硅同位素的研究主要集中海洋和河流系統(tǒng),已報(bào)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(duì)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(guān)于陸生植物的硅同位素組成只有零星的報(bào)道,還未開展系統(tǒng)研究。本課題以水稻為對(duì)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(jī)理,得到以下主要結(jié)論: (1)
3、試驗(yàn)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(zhǎng)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?yàn)椋呵o<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?yàn)椋呵o<根<葉<稻殼<糙
4、米??梢钥闯?,水稻各器官δ30Si值的變化順序顯示出一個(gè)明顯的趨勢(shì)。除根外,從下部器官到上部器官δ30Si值逐漸增加。 水稻單獨(dú)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(shì)。 (3)植物體內(nèi)硅同位素分
5、餾的成因是硅隨蒸騰流運(yùn)輸?shù)礁髌鞴俚倪^程中,相對(duì)質(zhì)量較輕的28Si優(yōu)先沉淀在蒸騰流先到達(dá)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(yùn)輸,硅沉淀的過程繼續(xù)進(jìn)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(gè)過程是一個(gè)類似于同位素動(dòng)力學(xué)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(yīng)該最低,因?yàn)楦枪柽M(jìn)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(shí)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(cè)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(gè)現(xiàn)象指出在植物根部吸
7、收硅時(shí)存在輕硅同位素優(yōu)先進(jìn)入植物的生物分餾作用,其成因可能是硅隨質(zhì)流進(jìn)入植物時(shí),輕硅同位素有更高的擴(kuò)散系數(shù)。本次試驗(yàn)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(duì)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(yàn)條件下水稻對(duì)硅的吸收和體內(nèi)運(yùn)輸都主要受蒸騰流的影響,硅吸收為隨質(zhì)流擴(kuò)散的被動(dòng)形式占主要成分。 試驗(yàn)中觀察到植物吸收硅時(shí)的生物分餾效應(yīng)可以用來解
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