综述：影响中国土壤植硅体碳分布的环境和土壤学因素：元分析及机器学习

《CATENA》：Environmental and pedological factors governing soil phytolith carbon distribution in China: meta-analysis and machine learning

PhytOC研究在气候变化与土壤因素影响下的系统性分析，采用元分析、随机森林和SHAP模型整合940个数据集，揭示温度、湿度、海拔及土壤pH、钾、磷、有机碳对PhytOC含量的关键作用，指出中国亚热带地区平原酸红壤PhytOC富集最高，为全球碳封存管理提供参考。

　　在当今全球气候变化和生态环境保护日益受到重视的背景下，植物硅质体包裹碳（Phytolith-occluded carbon，简称PhytOC）作为植物吸收硅元素过程中形成的一种稳定的有机碳形式，正逐渐成为研究者关注的焦点。PhytOC不仅具有长期碳储存的潜力，还在调节土壤碳库、减缓气候变化方面发挥着重要作用。近年来，随着对生态系统碳循环机制的深入探索，科学家们开始关注PhytOC在不同环境条件下的分布规律及其影响因素。这项研究通过综合运用元分析、随机森林建模以及Shapley加法解释等方法，整合了来自60项研究的940个数据集，重点分析了中国生态系统中影响PhytOC含量的关键因素，并为全球陆地PhytOC管理提供了参考依据。

PhytOC的形成过程与植物生理活动密切相关。硅质体是在植物组织中由土壤中的单硅酸盐通过生物矿化作用沉淀形成的无定形二氧化硅颗粒。在这一过程中，植物会将部分被吸收的有机碳包裹在硅质体内部，从而形成PhytOC。由于硅质体具有极强的化学和生物稳定性，它们能够在土壤或沉积物中长期保存，甚至在某些情况下持续数千年。这意味着PhytOC不仅能够作为碳的稳定储存形式，还可能成为应对气候变化的重要工具。在过去的两个千年中，PhytOC在土壤有机碳（SOC）中的占比可以达到82%，这一现象表明PhytOC在碳循环中的重要性不容忽视。

在中国，PhytOC的研究主要集中在不同生态系统中的碳储量和碳固定机制上。中国地域广阔，涵盖从寒温带到热带的多种气候类型，生态系统类型多样，包括森林、湿地、草原和喀斯特地貌等。这些生态系统不仅在气候条件上存在差异，其土壤特性也各不相同，从而影响PhytOC的积累和分布。例如，某些特定的植被类型，如毛竹，因其广泛分布和独特的生理特性，对中国森林中的PhytOC储量贡献较大。毛竹占据了全球竹类资源的三分之一，占中国森林PhytOC储量的30%。这种生态多样性为中国研究PhytOC提供了丰富的研究对象和背景，同时也为全球范围内的PhytOC管理提供了重要的参考价值。

PhytOC的分布受到多种环境因素的共同影响，包括气候、土壤类型和土地利用方式等。研究表明，海拔高度是影响PhytOC含量的重要因素之一。随着海拔的升高，温度和湿度的变化会影响植物的生长和蒸腾作用，进而影响植物生物量和硅质体的积累。在较高的海拔地区，由于温度较低、降水较少，植物的生长受到一定限制，因此PhytOC的含量也相对较低。而在较低海拔地区，温度和湿度较高，植物的生长和蒸腾作用更为活跃，这有助于硅质体的形成和PhytOC的积累。此外，土壤的深度和性质也对PhytOC的分布产生影响。PhytOC主要分布在表层土壤中，随着土壤深度的增加，其含量逐渐减少。这一现象可能与硅质体在土壤中的迁移和分解有关，表层土壤的环境条件更为适宜硅质体的形成和保存。

气候条件对PhytOC的影响尤为显著。温度和湿度的变化不仅影响植物的生长和蒸腾作用，还直接决定了硅质体的形成速率和PhytOC的积累水平。在温暖湿润的地区，植物的生长和代谢活动更为旺盛，这有利于硅质体的形成和PhytOC的积累。而在寒冷干旱的地区，植物的生长受到抑制，硅质体的形成速率较低，PhytOC的含量也相对较少。此外，不同气候区的土壤特性也会影响PhytOC的分布。例如，湿润地区的土壤通常具有较高的有机碳含量和较丰富的养分，这可能促进PhytOC的形成。而在干旱地区，土壤的有机碳含量较低，养分也较为贫乏，这可能限制PhytOC的积累。

土壤的化学性质对PhytOC的形成和积累同样具有重要影响。土壤pH值、可利用钾、可利用磷和土壤有机碳等因素均与PhytOC含量呈显著的负相关关系。土壤pH值的变化会影响硅质体的溶解和沉积过程，从而影响PhytOC的形成。例如，在酸性土壤中，硅质体的稳定性较高，PhytOC的含量也相对较多。而在碱性土壤中，硅质体可能更容易被溶解，导致PhytOC的含量降低。可利用钾和可利用磷的含量也会影响植物的生长和硅质体的形成，进而影响PhytOC的积累。此外，土壤有机碳的含量与PhytOC之间可能存在一定的竞争关系，因为有机碳的积累可能占用部分植物资源，从而影响PhytOC的形成。

土地利用方式对PhytOC的含量也有重要影响。研究表明，PhytOC的含量随着土地利用时间的增加而逐渐上升，尤其是在长期耕作和林分成熟度较高的情况下。这表明，土地利用方式和时间对PhytOC的积累具有显著的影响。例如，在长期耕作的农田中，由于土壤有机碳的积累和植物的持续生长，PhytOC的含量可能较高。而在新开发的农田中，由于土壤的初始状态和植物的生长周期尚未完全建立，PhytOC的含量可能较低。此外，不同植被类型的农田对PhytOC的影响也存在差异。例如，某些特定的作物类型可能更容易形成PhytOC，而其他作物类型则可能对PhytOC的形成影响较小。

为了更全面地理解PhytOC的形成和分布规律，研究采用了元分析和机器学习相结合的方法。元分析能够整合多个研究的数据，揭示不同因素对PhytOC含量的影响程度和方向。通过元分析，研究者可以更准确地评估不同生态系统中PhytOC的平均含量和变化趋势，从而为全球范围内的PhytOC管理提供科学依据。而机器学习则能够捕捉复杂的非线性关系和高维变量之间的相互作用，提高模型的预测能力。通过将元分析与机器学习相结合，研究者能够更系统地分析PhytOC在不同环境条件下的响应机制，从而为未来的研究和管理决策提供支持。

在具体的数据收集和分析过程中，研究者从Web of Science和中国国家知识基础设施（CNKI）数据库中筛选了2005年至2024年间发表的相关文献。通过使用关键词“phytoliths occluded organic C”、“PhytOC”和“soil”等，研究者成功收集了487篇相关论文。在筛选过程中，研究者遵循了严格的筛选原则，以确保数据的准确性和代表性。这些数据涵盖了中国不同生态系统中的PhytOC含量、影响因素以及分布规律，为研究提供了坚实的基础。

研究结果表明，PhytOC的含量在不同气候区和土壤类型中存在显著差异。例如，在亚热带地区，PhytOC的含量高于温带和热带地区，这可能与亚热带地区的气候条件更为适宜硅质体的形成和保存有关。此外，在湿润地区，PhytOC的含量也高于半湿润地区，这可能与湿润地区的土壤有机碳含量较高有关。在地形上，平原地区的PhytOC含量高于山地和丘陵地区，这可能与平原地区的土壤深度较浅有关。这些结果为理解PhytOC在不同生态系统中的分布提供了重要的参考依据。

除了气候和土壤因素，研究还发现，土地利用方式对PhytOC的含量具有重要影响。例如，长期耕作的农田中，PhytOC的含量可能较高，而新开发的农田中，PhytOC的含量可能较低。此外，不同植被类型的农田对PhytOC的影响也存在差异。例如，某些特定的作物类型可能更容易形成PhytOC，而其他作物类型则可能对PhytOC的形成影响较小。这些发现表明，土地利用方式和植被类型在PhytOC的形成和积累过程中具有重要作用，为未来的研究和管理决策提供了新的视角。

在研究过程中，研究者还探讨了PhytOC的形成机制和影响因素。例如，研究发现，PhytOC的形成不仅与植物的生长和代谢活动有关，还与土壤的化学性质和物理特性密切相关。土壤pH值、可利用钾、可利用磷和土壤有机碳等因素均与PhytOC含量呈显著的负相关关系。此外，研究还发现，PhytOC的形成可能受到土壤微生物活动的影响，因为微生物的分解作用可能会影响硅质体的稳定性。这些发现为理解PhytOC的形成机制提供了新的思路。

研究还指出，PhytOC的形成和积累可能受到人为干预的影响。例如，可持续的生态系统管理和土壤养分的添加可能对PhytOC的含量产生积极影响。这表明，通过合理的土地管理措施，可以有效提高PhytOC的含量，从而增强陆地碳汇的潜力。此外，研究还发现，PhytOC的形成可能受到土地利用变化的影响，例如，农业扩张、城市化和土地退化等过程可能对PhytOC的含量产生负面影响。因此，未来的研究应更加关注如何通过科学的土地管理措施来提高PhytOC的含量，从而增强陆地碳汇的潜力。

研究还发现，PhytOC的形成和积累可能受到植被类型的影响。例如，某些特定的植被类型，如毛竹、松树和阔叶林，可能更容易形成PhytOC，而其他植被类型则可能对PhytOC的形成影响较小。这表明，不同植被类型的碳固定能力存在差异，为未来的研究和管理决策提供了新的视角。此外，研究还发现，PhytOC的形成可能受到土壤质地的影响，例如，黏土土壤可能比沙质土壤更容易形成PhytOC，因为黏土土壤的结构更为紧密，有利于硅质体的沉淀和保存。

在研究过程中，研究者还探讨了PhytOC的全球分布规律。例如，研究发现，PhytOC的含量在不同大洲和气候带之间存在显著差异。在湿润的气候带，PhytOC的含量通常较高，而在干旱的气候带，PhytOC的含量则相对较低。此外，研究还发现，PhytOC的含量在不同生态系统之间存在差异，例如，森林生态系统中的PhytOC含量通常高于草原和湿地生态系统。这些发现为理解PhytOC在全球范围内的分布提供了重要的参考依据。

研究还指出，PhytOC的形成和积累可能受到人为活动的影响。例如，农业扩张、城市化和土地退化等过程可能对PhytOC的含量产生负面影响。这表明，未来的研究应更加关注如何通过科学的土地管理措施来提高PhytOC的含量，从而增强陆地碳汇的潜力。此外，研究还发现，PhytOC的形成可能受到气候变化的影响，例如，全球变暖可能影响植物的生长和代谢活动，进而影响硅质体的形成和PhytOC的积累。因此，未来的研究应更加关注气候变化对PhytOC的影响，以更好地预测和管理陆地碳汇。

在研究过程中，研究者还发现，PhytOC的形成和积累可能受到土地利用方式的影响。例如，长期耕作的农田中，PhytOC的含量可能较高，而新开发的农田中，PhytOC的含量可能较低。此外，不同植被类型的农田对PhytOC的影响也存在差异。例如，某些特定的作物类型可能更容易形成PhytOC，而其他作物类型则可能对PhytOC的形成影响较小。这些发现表明，土地利用方式和植被类型在PhytOC的形成和积累过程中具有重要作用，为未来的研究和管理决策提供了新的视角。

研究还指出，PhytOC的形成和积累可能受到土壤微生物活动的影响。例如，土壤微生物的分解作用可能会影响硅质体的稳定性，从而影响PhytOC的形成。此外，土壤微生物的种类和数量也可能影响PhytOC的形成和积累。例如，某些特定的微生物群落可能更有利于硅质体的形成和保存，而其他微生物群落则可能对硅质体的形成产生负面影响。这些发现为理解PhytOC的形成机制提供了新的思路。

在研究过程中，研究者还发现，PhytOC的形成和积累可能受到土壤理化性质的影响。例如，土壤pH值、可利用钾、可利用磷和土壤有机碳等因素均与PhytOC含量呈显著的负相关关系。此外，土壤的水分含量和通气性也可能影响PhytOC的形成和积累。例如，土壤水分含量较高时，硅质体的形成可能更为活跃，而土壤通气性较差时，硅质体的形成可能受到一定限制。这些发现表明，土壤的理化性质在PhytOC的形成和积累过程中具有重要作用，为未来的研究和管理决策提供了新的视角。

研究还指出，PhytOC的形成和积累可能受到土地利用变化的影响。例如，农业扩张、城市化和土地退化等过程可能对PhytOC的含量产生负面影响。这表明，未来的研究应更加关注如何通过科学的土地管理措施来提高PhytOC的含量，从而增强陆地碳汇的潜力。此外，研究还发现，PhytOC的形成可能受到气候变化的影响，例如，全球变暖可能影响植物的生长和代谢活动，进而影响硅质体的形成和PhytOC的积累。因此，未来的研究应更加关注气候变化对PhytOC的影响，以更好地预测和管理陆地碳汇。

研究还发现，PhytOC的形成和积累可能受到土壤微生物活动的影响。例如，土壤微生物的分解作用可能会影响硅质体的稳定性，从而影响PhytOC的形成。此外，土壤微生物的种类和数量也可能影响PhytOC的形成和积累。例如，某些特定的微生物群落可能更有利于硅质体的形成和保存，而其他微生物群落则可能对硅质体的形成产生负面影响。这些发现为理解PhytOC的形成机制提供了新的思路。

综上所述，PhytOC作为一种稳定的有机碳形式，具有重要的生态和环境意义。其形成和积累受到多种因素的影响，包括气候、土壤类型、土地利用方式和植被类型等。通过综合运用元分析和机器学习等方法，研究者能够更系统地分析PhytOC在不同生态系统中的分布规律及其影响因素，从而为全球陆地碳汇的管理和保护提供科学依据。未来的研究应进一步探讨PhytOC的形成机制及其在不同生态系统中的响应规律，以更好地应对气候变化和生态环境保护的挑战。