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摘要：為了指導農業生產中硅肥合理使用，本文通過文獻綜述的方法，系統地闡述了硅肥對正常環境下作物生長指標的調控機理和增產提質效應，并從土壤環境的響應方面概括了硅肥的調控效應?，F有研究結果表明：增施硅肥可以促進植株生長發育，提高產量，改善品質，同時對土壤微環境具有一定的改善作用。不同硅肥類型調控效果存在一定的差異，與化肥或者農藝措施結合使用比硅肥單施效果好。未來可進一步深化硅肥提質增效調控機理與機制研究，研發低本高效硅肥，為農業高質量發展提供技術支撐。
關鍵詞：硅肥；土壤；產量；品質；進展
0引言
硅（Si，silicon）作為第二豐富元素，廣泛存在于水、土、氣中[1]。土壤Si含量最低約為0.5%，最高可達48%。土壤中的硅具有固態、液態、吸附態三種形態，其中固態硅由結晶、微晶和無定形組成[2]。研究表明，施用硅肥可以提高作物的光合能力[3]，促進有益微生物的生長[4]，減少昆蟲或病原菌的危害[5]，提高磷、鉀、鈣等養分利用率[6]和植株水鹽脅迫的抗性，加強碳的固定[7-10]，減輕鎘、砷、鉛等重金屬毒害效應[3，11-12]等，有利于作物的生長和產量提高。近年來，關于作物吸收硅的作用機理、硅對作物生長發育和土壤微環境的影響以及硅的一些抗逆性特征的研究愈加深入；本文綜述了正常環境條件下硅肥對作物生長和土壤微環境的調控效應與機制等，并對硅肥在未來農業中的應用提出了建議，以期為硅肥在農業中的利用提供一定參考。
1硅肥對作物生長的影響和作用機理
1.1硅肥對作物生長的調控作用
硅肥是一種新型肥料，能使作物苗青稈壯，促進根系生長，增加植株結實。朱薇等[13]研究表明，葉面噴施水溶性硅肥使水稻葉面積指數提高了5.6%~7.9%。鄭澤華等[14]研究表明，增施鋼渣硅肥200kg/hm2（以SiO2計）可以增加水稻各生育期植株分蘗數、地上和地下生物量，尤其后期增加效果更為顯著，各生育期葉面積指數顯著增大，前期根冠比略微增大但后期會有所降低。徐寧等[15]研究發現，追施硅能顯著提高夏玉米株高5.15%~9.79%，顯著增加莖粗3.23%~12.68%，增加最大葉面積3.87%~10.21%，顯著提高收獲期干物質量2.48%~4.44%；王宇先等[16]研究也表明，拔節期葉面硅肥噴施質量濃度200mg/L較不噴施硅肥，株高增高了10.42%，莖粗增粗了20.33%，有利于促進玉米植株的生長發育。硅肥配施其他措施時對作物生長的調控效果會更好，其他措施包括正常施肥制度、pH調節劑、作物生長調節劑等。Pati等[17]研究表明，硅肥（600kg/hm2）與標準肥料實踐結合使用時，籽粒和稻草產量最高。由于硅肥溶液呈堿性，因此葉面噴施硅肥時，一般要通過pH調節劑來調節溶液酸堿度，鄢建賓等[18]研究表明，在水稻孕穗期噴施葉面25%速效硅（499.5mL/hm2）和釀造醋（1500mL/hm2）時，水稻株高增高了30.77%。張冰和吳云艷[19]研究表明，噴施硅肥可以使水稻根長增加23.31%~103.76%，根冠比提高5.84%~100.78%，根系總吸收面積提高0.87%~130.30%，根系活躍吸收面積提高76.71%~257.53%，且噴施濃度以1500倍稀釋液為宜；此外，與單施硅肥相比，硅肥和胺鮮酯（DA-6）耦合使用有利于優化水稻根系參數。硅肥在煙草、藥材種植上也有所應用。李京蕾[20]研究表明，增施適宜硅肥對煙草生長前期株高、葉長的影響不明顯，隨著生育期的延長，差異逐漸顯著，就生長指標而言，適宜硅肥施量為0.024g/kg。郭俊霞等[21]研究表明適宜增施硅肥可以促進川芎的生長發育，有利于株高、地上和地下鮮重的增加，但是施硅量太高則會出現增幅降低甚至低于不施硅肥處理，噴施硅肥以不超過4.5kg/hm2為宜。硅肥用量過高或過低均不利于煙草和藥材的生長發育，應該根據種植作物的類型選擇適宜的硅肥用量。
1.2硅肥對作物生理的調控效應
光合作用對作物的生長發育至關重要。李尚霞等[22]研究表明，增施硅肥可以提高花生葉片的葉綠素含量和光合作用。徐寧等[15]研究表明，玉米拔節期葉面噴施硅肥增加了玉米葉片葉綠素含量，增幅為3.48%~14.78%。同樣，Xie等[23]研究表明，玉米不同生育期適當增施硅肥可以提高總葉綠素含量（Chl）、光合速率（Pr）和氣孔導度（Gs），并降低玉米葉片蒸騰速率（E）和胞間CO2濃度（Ci）。此外，葉片生理指標還受不同硅肥種類的影響。郭玉蓉等[24]研究表明，施硅酸鈉后，具有明顯誘導抗性作用，如作物POD活性和GLU活性顯著升高，而納米氧化硅處理則不具有誘導抗性作用。李鑫[25]研究表明，Si-60-G（含有環氧基團的納米硅）對MDA含量的降低效果和CAT活性的提升效果最佳，分別顯著降低了15.81%、36.22%、60.77%（P<0.05）和分別提高了3.26%、2.30%、2.35%，Si-E-G（以稻殼灰為原料制成的制劑）對脯氨酸含量的提升效果最佳，分別顯著增加了28.82%、28.13%、30.49%（P<0.05），Si-La（硅與鑭的復合制劑）對可溶性糖含量和過氧化物酶POD的提升效果綜合而言相對最佳，分別增加了0.54%（P>0.05）、26.65（P<0.05）、24.05%（P<0.05）和分別提高了17.01%、16.36%、22.26%。李京蕾[22]研究表明，硅肥可以促進煙草Chl和Ci的增加，顯著提高Pr，促進Gs的降低，顯著降低E。賀月等[26]研究表明，施硅肥可以顯著提高Pr和E，也可以提高Ci、SPAD值、Gs但不顯著。不同類型硅肥對產量和品質的調控效應不同。劉紅芳等[37]研究表明，高氮（450kg/hm2）水平下，硅肥可以顯著提高產量，其中硅酸鈉和硅鈣肥顯著增產12.3%和12.5%。Huang等[38]通過有機硅肥與無機硅肥的對比試驗發現，硅肥增強了葉片氣體交換屬性和葉綠素含量，而減少了氧化損傷，這表現為較低的過氧化氫（H2O2）和丙二醛（MDA）含量以及較低的超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性，進而促使小麥籽粒產量增加22%~65%，有機硅肥增產效果更加明顯。
1.3硅肥對作物產量和品質的效應
硅肥對水稻產量的提高和品質的改善具有一定的促進作用。硅肥可以在一定程度上提高產量，改善品質，而且不同作物配施相應的肥料效果更加明顯。Zhao等[27]研究表明，硅肥使作物增產12.1%~71.2%，作物根系CO2固定量增加0.95~14.9t/hm2；基于此，通過密集發展作物根系和增加收獲后根渣的質量，可以確保土壤碳的回收和土壤肥力的提升。不同硅肥用量對作物產量和品質的影響不同，徐寧等[28]研究表明，水稻產量及產量構成與硅肥用量正相關。熊麗萍等[29]研究發現，在N、P肥料相同的基礎上，增施硅肥使早、晚季水稻稻谷分別增產2.2%~30.4%和3.9%~9.2%。減施氮磷鉀肥會降低作物產量，增施硅肥可以在保證產量穩定或不顯著減產的基礎上減施NPK肥。朱從樺等[30]研究表明，在NPK減施20%以內時，適當增施硅肥（75kg/hm2）有利于玉米對N、P和K的吸收，提高并優化成熟期干物質的分配，進而提高籽粒產量。不同硅肥施用量和施用方式對作物產量和品質的影響也不同。任海等[31]研究表明，基本苗一定（64.5萬株/hm2）時，不同基施硅肥處理以基施900kg/hm2產量最高，增產4.85%，而不同噴施硅肥處理以噴施硅肥900mL/hm2最高，增產14.33%，硅肥基施和葉面噴施方式以噴施處理產量更高；此外，增施硅肥可以改善稻米外觀品質和加工品質，提高稻米透明度和精白度，降低堊白粒率和堊白度，增加稻米的粒長、粒寬，對長寬比影響較小，糙米率、精米率、整精米率、直鏈淀粉量和蛋白質量都有所提高。硅肥不僅可以提高作物產量，而且可以增加農戶收益，達到增產增收的雙重效果。萬躍明等[32]認為，增施硅肥在增產提質的基礎上，收益增加了23.48%。張準等[33]田間試驗表明，生物硅肥在水稻幼穗分化期施用，有利于水稻穗粒數、結實率和千粒重的提高，增幅分別為2.51%、2.53%和3.35%，從而增產7.71%，而且根據成本分析，收益提高了2001元/hm2；此外，在常規施肥減少30%并配施生物硅肥時，水稻的產量及其參數并不會比常規施肥有所降低，反而略有提升，其中水稻穗粒數增加了0.32%，結實率提高了1.95%，千粒質量增加了2.23%，且產量也提高了2.19%，收益也增加了867元/hm2。佘恒志等[34]研究表明，施硅肥有利于甜蕎產量及其構成因素的提高，且甜蕎產量、單株粒質量和千粒質量隨著硅肥施用量的增加先增后減，單株粒數隨著硅肥施用量的增加而增加，硅肥施量以300kg/hm2效果最佳。王宇先等[16]研究表明，葉面噴施硅肥對玉米產量和品質也有較明顯的提高與改善，以硅肥噴施質量濃度200mg/L效果最明顯，百粒質量提高了7.81%，可溶性糖量增加了66.44%，可溶性蛋白量增加了25.23%。徐寧等[15]研究也有類似結果，在玉米拔節期噴施硅葉面肥后，夏玉米穗長增加了3.34%~8.71%，穗粗增粗了3.66%~11.44%，百粒質量提高了4.11%~6.14%，產量提高了7.05%~14.53%，而且硅肥同時也提高了玉米籽粒中淀粉1.60%~2.25%、蛋白質1.47%~4.62%、油分6.39%~9.83%和單寧含量3.77%~9.43%。硅肥配施作物生長劑時，增產增收提質效果更佳。楊克澤等[35]研究表明，施硅肥可以改善玉米產量構成因素，產量增幅為4.7%~12.1%，收益增加1755~6675元/hm2；而硅肥配施18%吡唑醚菌酯條件下，玉米產量構成因素較單施硅肥進一步得到改善，產量進一步提高了2.49%~5.56%，收益進一步增加了1935~4050元/hm2。李京蕾[22]研究表明，施硅肥可以顯著提高煙草的產量，增幅高達12%，顯著降低煙葉中的還原性糖和總糖含量（煙葉中糖分含量高時，使煙氣平淡無味、焦油含量高），減少對人體的危害，顯著提升煙堿含量，降低施木克值至2左右（該值時煙葉適用性較好），增加調制后卷煙的吃味和勁頭，使煙葉吃味更加濃郁。王苗苗等[36]研究發現，葉面噴施硅肥不僅顯著提高了黃瓜單株產量，而且也改善了果實品質，提高了果實中相關酶活性（堿性轉化酶、蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶及半乳糖內脂脫氫酶活性），促進了果實果糖、葡萄糖和維生素C的積累。
2硅肥對土壤環境功能的影響
2.1硅肥對土壤微環境的影響
硅肥是一種綠色、可持續發展的肥料，對土壤微環境的改善具有重要意義。硅肥本身的化學特性，決定了其對土壤微環境的改良作用。硅肥可以調控土壤理化性質。當土壤偏酸性時，增施硅肥可以提高土壤pH值，緩解土壤酸化問題[39]；郭俊霞等[21]研究表明，川芎藥材種植田中，噴施硅肥100、300、450g/667m2后土壤pH值分別提高了0.29、0.36、0.75，土壤有效鎘分別降低了58.39%、61.76%、59.50%。徐寧等[40]研究表明，噴施硅肥處理有利于提高根際土壤脲酶、磷酸酶和轉化酶等活性，但也提高了根際土壤含鹽量，且均與硅肥濃度正相關。Matichenkov等[41]試驗表明，富硅材料的施加降低了P、K、NO3-和NH4+的滲漏量，促進了大麥對N、P、K養分的吸收，增幅分別為13％~54％、26％~104％、16％~72％。牟靜等[42]研究也發現，與單施氮肥（20、40、60g/m2）相比，N+4g/m2Si組合施用后土壤氮含量有顯著提高，其中0~20cm土層硝態氮較單施氮肥（20、40、60g/m2）分別增加98.78%、192.62%、330.16%，銨態氮較單施氮肥（20、40、60g/m2）分別增加99.96%、195.82%、306.32%，其他土層也有類似趨勢；同時，N+Si配施促進了土壤氮礦化行為，進而緩解大氣沉降，其中在0~20cm土層，60g/m2與4g/m2硅肥噴施下土壤凈硝化速率、凈氨化速率較單獨施氮時分別增加35.88%、27.41%。
2.2硅肥對土壤微生物的影響
除了影響土壤理化性質外，硅肥對土壤微生物也有一定的影響。方至萍[43]研究發現，適量增施硅肥后，分蘗期稻田土壤微生物活度、土壤功能微生物以及氨化細菌數量、解磷菌數量、脲酶活性、酸性磷酸酶活性分別平均顯著提高了8.34%、73.12%、130.36%、28.12%、20.15%；此外，適量增施硅肥（以SiO2計，23.40kg/hm2）時，土壤微生物的OUT數、Chao1指數、ACE指數、Shannon指數、Simpson指數達到最大值，較不施硅肥平均提升了14.16%、23.80%、30.54%、0.18%、2.64%，有效改善了土壤微生物群落結構，提高了微生物多樣性。Song等[44]研究表明，水稻生長期間施硅酸鹽肥料是一種減少N2O排放的有效方法。實驗數據顯示，與NPK處理相比，添加硅肥使N2O排放速率和反硝化潛能分別降低了32.4%~66.6%、22.0%~59.2%，nirS（cd1型亞硝酸鹽還原酶）和nirK（Cu型亞硝酸鹽還原酶）基因的豐度分別降低了17.7%~35.8%和21.1%~43.5%，反硝化（DeN2O）排放產生的總N2O和N2O速率與nirS和nirK基因豐度呈正相關。徐寧等[40]研究表明，噴施硅肥可提高根際土細菌數量以及根際土酶活性，且均隨噴施硅肥濃度的升高而升高，但是降低了真菌數量，且硅肥濃度越高真菌數量越少。此外，硅肥與除菌劑配施，可以有效抑制土壤中病原真菌和病原細菌等，提高根系的抗病性，修復耕地常年連作障礙[45]。
2.3硅肥對植物硅酸體形成的影響
植物硅酸體，簡稱植硅體，是高等植物的根系吸收了一定量的可溶性SiO2，經植物輸導組織輸送到莖、果實等后沉淀在植物細胞間和細胞內，形成非晶質二氧化硅顆粒[4]。植硅體可以在土壤中儲存數千年，其積累在長期土壤有機碳儲存乃至在全球碳庫中起著重要的作用。例如，由于芒屬作物生物炭中植硅體的存在，它不僅增強了土壤的固碳能力和肥力，也可以視為潛在的生物可利用硅的來源[46]。此外，土壤中Si的含量會影響植硅體含量，施硅肥有助于提高水稻植株的植硅體含量。Sun等[47]研究發現，不論是富硅土壤還是缺硅土壤，硅肥的施用顯著增加了水稻莖、葉和鞘中植硅體的含量，但其含量在富硅土壤中明顯高于缺硅土壤。Huang等[48]研究表明，硅肥的施用可以通過增加土壤中有效硅的含量而增加了作物和土壤中植硅體碳的積累，促進了作物-土壤系統中的植硅體碳的固定。
3結論與展望
已有研究結果表明，增施硅肥具有促進植株生長發育，提高產量，改善品質，同時對土壤微環境具有一定的改善作用。此外，不同類型、不同種類硅肥的調控效果是有差異的，而且單施硅肥的效果沒有與其他肥料或農藝措施結合使用效果好。雖然，農業中硅肥的利用取得了大量研究成果，但是仍有很多方面需要深入研究。（1）硅肥的調控機理與機制。Si與其他礦質元素是如何作用的，在作物體內Si是如何循環與轉化的，以及硅是如何改善土壤微環境的，其機理尚不清楚。（2）成本低廉的新型硅肥研究。硅（Si）對作物有益，可以提高光合作用效率，并緩解生物和非生物脅迫。目前市場硅肥種類主要有尾礦類、礦石直接活化類、硅葉面肥等，當前條件下生產硅肥的成本在200～700元/t，市場零售價達1000元/t以上，甚至更高。不論何種新型肥料，高昂的成本會極大地限制其在農業生產中的推廣應用。（3）非常規水資源利用條件下硅肥的調控效應與機制。硅肥的抗鹽、抗重金屬功能如何在非常規水資源（微咸水、再生水、養殖廢水、雨水等）利用中是否依然具有功效以及如何發揮功效。（4）納米硅材料的研發。硅納米技術有可能顛覆農業等領域中的現有技術。硅納米粒子介導的生物分子靶向有利于針對性的解決有關問題，有可能成為綠色肥料。（5）硅肥提質增效研究。隨著人們生活水平的不斷提高，農產品品質與安全成為關注的焦點。在穩產或不顯著減產的基礎上，如何提升果實品質愈來愈受到青睞。目前，總體上硅肥研究多側重于增產，改善品質的相對較少。因此，在穩產、增產的基礎上，研究硅肥提質增效機理與機制對未來農業高質量發展提供技術支撐。此外，在節水農業方面，由于硅肥具有抗旱性，在水分脅迫條件下能夠緩解作物生長受到的抑制作用，因此應加快低成本硅肥的研發，加強推廣水溶性硅肥或速溶性硅肥在水肥一體化中的應用。
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作者:周峰 曾智 劉春成 單位:江西省贛撫平原水利工程管理局 中鐵水利水電規劃設計集團有限公司 中國農業科學院農田灌溉研究所