摘要：为了指导农业生产中硅肥合理使用，本文通过文献综述的方法，系统地阐述了硅肥对正常环境下作物生长指标的调控机理和增产提质效应，并从土壤环境的响应方面概括了硅肥的调控效应。现有研究结果表明：增施硅肥可以促进植株生长发育，提高产量，改善品质，同时对土壤微环境具有一定的改善作用。不同硅肥类型调控效果存在一定的差异，与化肥或者农艺措施结合使用比硅肥单施效果好。未来可进一步深化硅肥提质增效调控机理与机制研究，研发低本高效硅肥，为农业高质量发展提供技术支撑。
关键词：硅肥；土壤；产量；品质；进展
0引言
硅（Si，silicon）作为第二丰富元素，广泛存在于水、土、气中[1]。土壤Si含量最低约为0.5%，最高可达48%。土壤中的硅具有固态、液态、吸附态三种形态，其中固态硅由结晶、微晶和无定形组成[2]。研究表明，施用硅肥可以提高作物的光合能力[3]，促进有益微生物的生长[4]，减少昆虫或病原菌的危害[5]，提高磷、钾、钙等养分利用率[6]和植株水盐胁迫的抗性，加强碳的固定[7-10]，减轻镉、砷、铅等重金属毒害效应[3，11-12]等，有利于作物的生长和产量提高。近年来，关于作物吸收硅的作用机理、硅对作物生长发育和土壤微环境的影响以及硅的一些抗逆性特征的研究愈加深入；本文综述了正常环境条件下硅肥对作物生长和土壤微环境的调控效应与机制等，并对硅肥在未来农业中的应用提出了建议，以期为硅肥在农业中的利用提供一定参考。
1硅肥对作物生长的影响和作用机理
1.1硅肥对作物生长的调控作用
硅肥是一种新型肥料，能使作物苗青秆壮，促进根系生长，增加植株结实。朱薇等[13]研究表明，叶面喷施水溶性硅肥使水稻叶面积指数提高了5.6%~7.9%。郑泽华等[14]研究表明，增施钢渣硅肥200kg/hm2（以SiO2计）可以增加水稻各生育期植株分蘖数、地上和地下生物量，尤其后期增加效果更为显著，各生育期叶面积指数显著增大，前期根冠比略微增大但后期会有所降低。徐宁等[15]研究发现，追施硅能显著提高夏玉米株高5.15%~9.79%，显著增加茎粗3.23%~12.68%，增加最大叶面积3.87%~10.21%，显著提高收获期干物质量2.48%~4.44%；王宇先等[16]研究也表明，拔节期叶面硅肥喷施质量浓度200mg/L较不喷施硅肥，株高增高了10.42%，茎粗增粗了20.33%，有利于促进玉米植株的生长发育。硅肥配施其他措施时对作物生长的调控效果会更好，其他措施包括正常施肥制度、pH调节剂、作物生长调节剂等。Pati等[17]研究表明，硅肥（600kg/hm2）与标准肥料实践结合使用时，籽粒和稻草产量最高。由于硅肥溶液呈碱性，因此叶面喷施硅肥时，一般要通过pH调节剂来调节溶液酸碱度，鄢建宾等[18]研究表明，在水稻孕穗期喷施叶面25%速效硅（499.5mL/hm2）和酿造醋（1500mL/hm2）时，水稻株高增高了30.77%。张冰和吴云艳[19]研究表明，喷施硅肥可以使水稻根长增加23.31%~103.76%，根冠比提高5.84%~100.78%，根系总吸收面积提高0.87%~130.30%，根系活跃吸收面积提高76.71%~257.53%，且喷施浓度以1500倍稀释液为宜；此外，与单施硅肥相比，硅肥和胺鲜酯（DA-6）耦合使用有利于优化水稻根系参数。硅肥在烟草、药材种植上也有所应用。李京蕾[20]研究表明，增施适宜硅肥对烟草生长前期株高、叶长的影响不明显，随着生育期的延长，差异逐渐显著，就生长指标而言，适宜硅肥施量为0.024g/kg。郭俊霞等[21]研究表明适宜增施硅肥可以促进川芎的生长发育，有利于株高、地上和地下鲜重的增加，但是施硅量太高则会出现增幅降低甚至低于不施硅肥处理，喷施硅肥以不超过4.5kg/hm2为宜。硅肥用量过高或过低均不利于烟草和药材的生长发育，应该根据种植作物的类型选择适宜的硅肥用量。
1.2硅肥对作物生理的调控效应
光合作用对作物的生长发育至关重要。李尚霞等[22]研究表明，增施硅肥可以提高花生叶片的叶绿素含量和光合作用。徐宁等[15]研究表明，玉米拔节期叶面喷施硅肥增加了玉米叶片叶绿素含量，增幅为3.48%~14.78%。同样，Xie等[23]研究表明，玉米不同生育期适当增施硅肥可以提高总叶绿素含量（Chl）、光合速率（Pr）和气孔导度（Gs），并降低玉米叶片蒸腾速率（E）和胞间CO2浓度（Ci）。此外，叶片生理指标还受不同硅肥种类的影响。郭玉蓉等[24]研究表明，施硅酸钠后，具有明显诱导抗性作用，如作物POD活性和GLU活性显著升高，而纳米氧化硅处理则不具有诱导抗性作用。李鑫[25]研究表明，Si-60-G（含有环氧基团的纳米硅）对MDA含量的降低效果和CAT活性的提升效果最佳，分别显著降低了15.81%、36.22%、60.77%（P<0.05）和分别提高了3.26%、2.30%、2.35%，Si-E-G（以稻壳灰为原料制成的制剂）对脯氨酸含量的提升效果最佳，分别显著增加了28.82%、28.13%、30.49%（P<0.05），Si-La（硅与镧的复合制剂）对可溶性糖含量和过氧化物酶POD的提升效果综合而言相对最佳，分别增加了0.54%（P>0.05）、26.65（P<0.05）、24.05%（P<0.05）和分别提高了17.01%、16.36%、22.26%。李京蕾[22]研究表明，硅肥可以促进烟草Chl和Ci的增加，显著提高Pr，促进Gs的降低，显著降低E。贺月等[26]研究表明，施硅肥可以显著提高Pr和E，也可以提高Ci、SPAD值、Gs但不显著。不同类型硅肥对产量和品质的调控效应不同。刘红芳等[37]研究表明，高氮（450kg/hm2）水平下，硅肥可以显著提高产量，其中硅酸钠和硅钙肥显著增产12.3%和12.5%。Huang等[38]通过有机硅肥与无机硅肥的对比试验发现，硅肥增强了叶片气体交换属性和叶绿素含量，而减少了氧化损伤，这表现为较低的过氧化氢（H2O2）和丙二醛（MDA）含量以及较低的超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性，进而促使小麦籽粒产量增加22%~65%，有机硅肥增产效果更加明显。
1.3硅肥对作物产量和品质的效应
硅肥对水稻产量的提高和品质的改善具有一定的促进作用。硅肥可以在一定程度上提高产量，改善品质，而且不同作物配施相应的肥料效果更加明显。Zhao等[27]研究表明，硅肥使作物增产12.1%~71.2%，作物根系CO2固定量增加0.95~14.9t/hm2；基于此，通过密集发展作物根系和增加收获后根渣的质量，可以确保土壤碳的回收和土壤肥力的提升。不同硅肥用量对作物产量和品质的影响不同，徐宁等[28]研究表明，水稻产量及产量构成与硅肥用量正相关。熊丽萍等[29]研究发现，在N、P肥料相同的基础上，增施硅肥使早、晚季水稻稻谷分别增产2.2%~30.4%和3.9%~9.2%。减施氮磷钾肥会降低作物产量，增施硅肥可以在保证产量稳定或不显著减产的基础上减施NPK肥。朱从桦等[30]研究表明，在NPK减施20%以内时，适当增施硅肥（75kg/hm2）有利于玉米对N、P和K的吸收，提高并优化成熟期干物质的分配，进而提高籽粒产量。不同硅肥施用量和施用方式对作物产量和品质的影响也不同。任海等[31]研究表明，基本苗一定（64.5万株/hm2）时，不同基施硅肥处理以基施900kg/hm2产量最高，增产4.85%，而不同喷施硅肥处理以喷施硅肥900mL/hm2最高，增产14.33%，硅肥基施和叶面喷施方式以喷施处理产量更高；此外，增施硅肥可以改善稻米外观品质和加工品质，提高稻米透明度和精白度，降低垩白粒率和垩白度，增加稻米的粒长、粒宽，对长宽比影响较小，糙米率、精米率、整精米率、直链淀粉量和蛋白质量都有所提高。硅肥不仅可以提高作物产量，而且可以增加农户收益，达到增产增收的双重效果。万跃明等[32]认为，增施硅肥在增产提质的基础上，收益增加了23.48%。张准等[33]田间试验表明，生物硅肥在水稻幼穗分化期施用，有利于水稻穗粒数、结实率和千粒重的提高，增幅分别为2.51%、2.53%和3.35%，从而增产7.71%，而且根据成本分析，收益提高了2001元/hm2；此外，在常规施肥减少30%并配施生物硅肥时，水稻的产量及其参数并不会比常规施肥有所降低，反而略有提升，其中水稻穗粒数增加了0.32%，结实率提高了1.95%，千粒质量增加了2.23%，且产量也提高了2.19%，收益也增加了867元/hm2。佘恒志等[34]研究表明，施硅肥有利于甜荞产量及其构成因素的提高，且甜荞产量、单株粒质量和千粒质量随着硅肥施用量的增加先增后减，单株粒数随着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，叶面喷施硅肥对玉米产量和品质也有较明显的提高与改善，以硅肥喷施质量浓度200mg/L效果最明显，百粒质量提高了7.81%，可溶性糖量增加了66.44%，可溶性蛋白量增加了25.23%。徐宁等[15]研究也有类似结果，在玉米拔节期喷施硅叶面肥后，夏玉米穗长增加了3.34%~8.71%，穗粗增粗了3.66%~11.44%，百粒质量提高了4.11%~6.14%，产量提高了7.05%~14.53%，而且硅肥同时也提高了玉米籽粒中淀粉1.60%~2.25%、蛋白质1.47%~4.62%、油分6.39%~9.83%和单宁含量3.77%~9.43%。硅肥配施作物生长剂时，增产增收提质效果更佳。杨克泽等[35]研究表明，施硅肥可以改善玉米产量构成因素，产量增幅为4.7%~12.1%，收益增加1755~6675元/hm2；而硅肥配施18%吡唑醚菌酯条件下，玉米产量构成因素较单施硅肥进一步得到改善，产量进一步提高了2.49%~5.56%，收益进一步增加了1935~4050元/hm2。李京蕾[22]研究表明，施硅肥可以显著提高烟草的产量，增幅高达12%，显著降低烟叶中的还原性糖和总糖含量（烟叶中糖分含量高时，使烟气平淡无味、焦油含量高），减少对人体的危害，显著提升烟碱含量，降低施木克值至2左右（该值时烟叶适用性较好），增加调制后卷烟的吃味和劲头，使烟叶吃味更加浓郁。王苗苗等[36]研究发现，叶面喷施硅肥不仅显著提高了黄瓜单株产量，而且也改善了果实品质，提高了果实中相关酶活性（碱性转化酶、蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶及半乳糖内脂脱氢酶活性），促进了果实果糖、葡萄糖和维生素C的积累。
2硅肥对土壤环境功能的影响
2.1硅肥对土壤微环境的影响
硅肥是一种绿色、可持续发展的肥料，对土壤微环境的改善具有重要意义。硅肥本身的化学特性，决定了其对土壤微环境的改良作用。硅肥可以调控土壤理化性质。当土壤偏酸性时，增施硅肥可以提高土壤pH值，缓解土壤酸化问题[39]；郭俊霞等[21]研究表明，川芎药材种植田中，喷施硅肥100、300、450g/667m2后土壤pH值分别提高了0.29、0.36、0.75，土壤有效镉分别降低了58.39%、61.76%、59.50%。徐宁等[40]研究表明，喷施硅肥处理有利于提高根际土壤脲酶、磷酸酶和转化酶等活性，但也提高了根际土壤含盐量，且均与硅肥浓度正相关。Matichenkov等[41]试验表明，富硅材料的施加降低了P、K、NO3-和NH4+的渗漏量，促进了大麦对N、P、K养分的吸收，增幅分别为13％~54％、26％~104％、16％~72％。牟静等[42]研究也发现，与单施氮肥（20、40、60g/m2）相比，N+4g/m2Si组合施用后土壤氮含量有显著提高，其中0~20cm土层硝态氮较单施氮肥（20、40、60g/m2）分别增加98.78%、192.62%、330.16%，铵态氮较单施氮肥（20、40、60g/m2）分别增加99.96%、195.82%、306.32%，其他土层也有类似趋势；同时，N+Si配施促进了土壤氮矿化行为，进而缓解大气沉降，其中在0~20cm土层，60g/m2与4g/m2硅肥喷施下土壤净硝化速率、净氨化速率较单独施氮时分别增加35.88%、27.41%。
2.2硅肥对土壤微生物的影响
除了影响土壤理化性质外，硅肥对土壤微生物也有一定的影响。方至萍[43]研究发现，适量增施硅肥后，分蘖期稻田土壤微生物活度、土壤功能微生物以及氨化细菌数量、解磷菌数量、脲酶活性、酸性磷酸酶活性分别平均显著提高了8.34%、73.12%、130.36%、28.12%、20.15%；此外，适量增施硅肥（以SiO2计，23.40kg/hm2）时，土壤微生物的OUT数、Chao1指数、ACE指数、Shannon指数、Simpson指数达到最大值，较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结构，提高了微生物多样性。Song等[44]研究表明，水稻生长期间施硅酸盐肥料是一种减少N2O排放的有效方法。实验数据显示，与NPK处理相比，添加硅肥使N2O排放速率和反硝化潜能分别降低了32.4%~66.6%、22.0%~59.2%，nirS（cd1型亚硝酸盐还原酶）和nirK（Cu型亚硝酸盐还原酶）基因的丰度分别降低了17.7%~35.8%和21.1%~43.5%，反硝化（DeN2O）排放产生的总N2O和N2O速率与nirS和nirK基因丰度呈正相关。徐宁等[40]研究表明，喷施硅肥可提高根际土细菌数量以及根际土酶活性，且均随喷施硅肥浓度的升高而升高，但是降低了真菌数量，且硅肥浓度越高真菌数量越少。此外，硅肥与除菌剂配施，可以有效抑制土壤中病原真菌和病原细菌等，提高根系的抗病性，修复耕地常年连作障碍[45]。
2.3硅肥对植物硅酸体形成的影响
植物硅酸体，简称植硅体，是高等植物的根系吸收了一定量的可溶性SiO2，经植物输导组织输送到茎、果实等后沉淀在植物细胞间和细胞内，形成非晶质二氧化硅颗粒[4]。植硅体可以在土壤中储存数千年，其积累在长期土壤有机碳储存乃至在全球碳库中起着重要的作用。例如，由于芒属作物生物炭中植硅体的存在，它不仅增强了土壤的固碳能力和肥力，也可以视为潜在的生物可利用硅的来源[46]。此外，土壤中Si的含量会影响植硅体含量，施硅肥有助于提高水稻植株的植硅体含量。Sun等[47]研究发现，不论是富硅土壤还是缺硅土壤，硅肥的施用显著增加了水稻茎、叶和鞘中植硅体的含量，但其含量在富硅土壤中明显高于缺硅土壤。Huang等[48]研究表明，硅肥的施用可以通过增加土壤中有效硅的含量而增加了作物和土壤中植硅体碳的积累，促进了作物-土壤系统中的植硅体碳的固定。
3结论与展望
已有研究结果表明，增施硅肥具有促进植株生长发育，提高产量，改善品质，同时对土壤微环境具有一定的改善作用。此外，不同类型、不同种类硅肥的调控效果是有差异的，而且单施硅肥的效果没有与其他肥料或农艺措施结合使用效果好。虽然，农业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）硅肥的调控机理与机制。Si与其他矿质元素是如何作用的，在作物体内Si是如何循环与转化的，以及硅是如何改善土壤微环境的，其机理尚不清楚。（2）成本低廉的新型硅肥研究。硅（Si）对作物有益，可以提高光合作用效率，并缓解生物和非生物胁迫。目前市场硅肥种类主要有尾矿类、矿石直接活化类、硅叶面肥等，当前条件下生产硅肥的成本在200～700元/t，市场零售价达1000元/t以上，甚至更高。不论何种新型肥料，高昂的成本会极大地限制其在农业生产中的推广应用。（3）非常规水资源利用条件下硅肥的调控效应与机制。硅肥的抗盐、抗重金属功能如何在非常规水资源（微咸水、再生水、养殖废水、雨水等）利用中是否依然具有功效以及如何发挥功效。（4）纳米硅材料的研发。硅纳米技术有可能颠覆农业等领域中的现有技术。硅纳米粒子介导的生物分子靶向有利于针对性的解决有关问题，有可能成为绿色肥料。（5）硅肥提质增效研究。随着人们生活水平的不断提高，农产品品质与安全成为关注的焦点。在稳产或不显著减产的基础上，如何提升果实品质愈来愈受到青睐。目前，总体上硅肥研究多侧重于增产，改善品质的相对较少。因此，在稳产、增产的基础上，研究硅肥提质增效机理与机制对未来农业高质量发展提供技术支撑。此外，在节水农业方面，由于硅肥具有抗旱性，在水分胁迫条件下能够缓解作物生长受到的抑制作用，因此应加快低成本硅肥的研发，加强推广水溶性硅肥或速溶性硅肥在水肥一体化中的应用。
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作者:周峰 曾智 刘春成 单位:江西省赣抚平原水利工程管理局 中铁水利水电规划设计集团有限公司 中国农业科学院农田灌溉研究所