全球工业化的发展导致二氧化碳（CO₂）排放量急剧增加，从而显著加速了全球变暖（Peters等人，2013年；Taylor等人，2016年）。因此，提高陆地生态系统储存碳（C）的能力成为应对全球温度上升的关键措施（Parr等人，2010年；Song等人，2012b年；Song等人，2016年；Rehman和Rashid，2024年）。最近的研究表明，土壤-植物系统中的碳积累与硅（Si）之间存在密切联系（Song等人，2014a年；Schaller等人，2019年；Pang等人，2024年）。硅在植物根际和其他组织中的积累通过多种机制缓解了各种生物和非生物压力（Fauteux等人，2006年；Ye等人，2013年；Song等人，2018年），从而促进植物生长并增强植物的碳封存能力（Mateos-Naranjo等人，2015年；Li等人，2018年；Yang等人，2024a年）。此外，植物吸收硅后形成植硅体过程中产生的植硅体封闭碳（PhytOC）是陆地长期碳封存的重要过程（Parr和Sullivan，2005年；Parr等人，2010年；Song等人，2013a年）。因此，陆地硅的生物地球化学循环可以在短期和长期时间尺度上调节碳循环。
在陆地硅的生物地球化学循环中，可溶性硅（H₄SiO₄）主要通过硅酸盐风化释放到土壤溶液中（Currie和Perry，2007年；Yang等人，2020a年）。这种形式的可溶性硅是生物可利用硅的重要组成部分，容易被植物根部吸收，然后通过蒸腾作用运输到地上组织（Kumar等人，2017年）。在植物组织内，H₄SiO₄经历聚合和脱水过程，最终以无定形二氧化硅（SiO2·nH2O）的形式沉淀在细胞壁、细胞腔和细胞间隙中（Hodson，2019年）。这些通过植物生成途径形成的生物硅矿物被称为植硅体（Yang等人，2020b年）。在植硅体形成过程中，一部分有机碳被封装在这些生物硅矿物中，这部分碳被正式定义为PhytOC（Parr和Sullivan，2005年；Song等人，2012b年）。植硅体具有很强的抗降解性，使其能够在土壤和沉积物中长期存在，从而形成稳定的碳库（Parr和Sullivan，2005年；Gross等人，2024年）。先前的研究表明，在2000年的分解后，PhytOC占特定地层总有机碳（SOC）的约82%（Parr和Sullivan，2005年）。因此，PhytOC对陆地生态系统中的长期碳封存具有重大潜力（Song等人，2014a年；Anjum和Prakash，2023年），尽管仍存在一些争议（de Tombeur等人，2024年）。
禾本科植物作为陆地生态系统中的主要植被类型，具有不可忽视的碳封存能力（Sivaram等人，2018年）。在这些植物中，硅主要积累在茎和叶中，而叶子中的硅含量和植硅体碳封存潜力特别高（Li等人，2013年；Li等人，2018年；Yang等人，2018年）。总体而言，硅的存在增强了作物的茎秆机械强度和抗倒伏能力，提高了作物的光合作用效率，并增强了作物对各种生物和非生物压力的抵抗力（Fauteux等人，2006年；Ye等人，2013年；Kumar等人，2017年；Song等人，2018年；Ruan等人，2025年）。这些好处共同促进了植物的生长，从而增加了生物量碳积累和PhytOC的产生（Song等人，2012a年；Atkinson等人，2016年；Yang等人，2024a年）。禾本科作物通过大规模种植，成为重要的全球碳汇（Dingkuhn等人，2020年）。合理的农艺管理进一步促进了这些谷物作物的生长和碳封存能力，部分减少了大气中的CO₂浓度，有助于缓解气候变化（Tang等人，2022年；Yang等人，2024a年）。同时，许多研究表明，提高农田土壤中硅的生物有效性可以增加作物产量和生物量生产力，进一步提高来自生物量的碳封存（Guntzer等人，2012b年；Marxen等人，2016年；Yang等人，2024a年）。这一策略还可以增加植物组织中的植硅体产生，最终通过落叶将更多的PhytOC带入土壤（Zhang等人，2017年；Lv等人，2020年；Rehman等人，2023年）。最近的研究表明，农业生态系统在增加PhytOC产生和埋藏方面具有最大的潜力（Song等人，2017年；Anjum和Nagabovanalli，2021年；Li等人，2022年；Yang等人，2024a年）。目前，已对水稻（Li等人，2013年；Tan等人，2021年；Yang等人，2023年）、小麦（Parr和Sullivan，2011年；Li等人，2022年）、甘蔗（Parr等人，2009年）和小米（Zuo和Lü，2011年）等禾本科作物的植硅体碳封存潜力进行了充分量化。然而，许多其他禾本科植物的这一潜力尚未完全量化，限制了在全球范围内准确评估农业生物地球化学碳汇潜力的能力。因此，需要对其他作物进行相关研究以解决这一限制。
高寒大麦（Hordeum vulgare var. nudum）是禾本科（属Hordeum）的一年生作物，是人类最早驯化的年度作物之一，对高山地区的恶劣自然条件表现出异常强的适应性（Ma等人，2021年；Ma等人，2023年）。青藏高原（QTP）是高寒大麦的主要种植区，在世界高山陆地生态系统中发挥着重要作用（Zeng等人，2015年；Yin等人，2022年；Li等人，2023年）。尽管之前的研究集中在QTP地区的土壤碳成分动态和植硅体形态上（Ding等人，2017年；Song等人，2022年），但该地区农业生态系统中的硅-碳耦合生物地球化学循环及其相关的碳封存机制仍不清楚。这一知识空白严重阻碍了对全球农田生态系统中植硅体衍生碳汇能力的全面理解（Wang和Sheng，2022年）。因此，本研究的目标是：i）探讨高寒大麦不同器官中硅含量与生物量碳含量之间的相关性，并评估硅对生物量碳积累的影响；ii）揭示高寒大麦不同器官中植硅体和PhytOC的分布模式，从而阐明硅对PhytOC产生的影响；iii）探索提高QTP地区农田中硅生物地球化学循环相关碳封存能力的管理策略。相关发现将填补QTP地区农田中硅益处的关键知识空白，为估算全球农田的碳汇潜力提供数据，并为中国实现碳中和战略提供新途径。
