設(shè)施土壤硅素水平和蔬菜施硅效應(yīng)研究進(jìn)展

摘要：該文綜述了我國(guó)及河北省設(shè)施蔬菜發(fā)展現(xiàn)狀、設(shè)施土壤硅素水平以及硅肥在蔬菜作物上的應(yīng)用的研究進(jìn)展，并指出了設(shè)施蔬菜硅素研究的核心問(wèn)題和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：設(shè)施土壤；硅素；硅肥；蔬菜

中圖分類(lèi)號(hào) S626.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2013）17-63-04

1 我國(guó)及河北省設(shè)施蔬菜發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年全國(guó)蔬菜播種面積達(dá)0.15億hm2，占農(nóng)作物播種面積的11.9%；產(chǎn)量達(dá)4.96億t，總產(chǎn)值1.2萬(wàn)億元，占種植業(yè)總產(chǎn)值的33%；人均占有量370kg左右（國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)）。河北省屬于黃淮海與環(huán)渤海設(shè)施蔬菜優(yōu)勢(shì)區(qū)域，發(fā)展設(shè)施蔬菜效益顯著，目前全省設(shè)施蔬菜面積已達(dá)60萬(wàn)hm2以上。設(shè)施栽培對(duì)提高蔬菜的產(chǎn)量、產(chǎn)值和全年均衡供應(yīng)起到了重要作用，逐漸成為我國(guó)和河北省農(nóng)業(yè)中最具活力的產(chǎn)業(yè)之一，已經(jīng)成為促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展的重要引擎。目前，我國(guó)及河北省設(shè)施蔬菜生產(chǎn)也面臨著一些問(wèn)題，由于設(shè)施蔬菜栽培具有采用人工控制、集約化程度和復(fù)種指數(shù)高、蔬菜種類(lèi)單一等特點(diǎn)，加之施肥量大、灌溉頻繁、土壤受外界氣候變化影響小等因素，在設(shè)施內(nèi)部形成了一個(gè)特殊的生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致了連作障礙的加劇和土壤環(huán)境的惡化，突出表現(xiàn)在：田間作業(yè)踩踏、重視化肥而忽視有機(jī)肥施入和缺少機(jī)械深耕，導(dǎo)致土壤耕層變淺、板結(jié)、通透性差、容重增大，不利于作物根系生長(zhǎng)發(fā)育[1]；連年過(guò)量施肥和缺乏自然降水淋洗，造成土壤耕層鹽分積聚，次生鹽漬加重[1-4]；作物連作和常年施入性質(zhì)相同或類(lèi)似的肥料，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分不平衡和肥力下降[5-9]；氮肥或生理酸性化肥施用過(guò)多，致使土壤酸根離子積累過(guò)多，pH值明顯下降，造成土壤酸化[4，10-14]；連年重茬，造成病蟲(chóng)害發(fā)生嚴(yán)重等幾個(gè)方面。

上述問(wèn)題的凸顯致使設(shè)施土壤產(chǎn)出能力下降，蔬菜產(chǎn)量降低和品質(zhì)變劣，嚴(yán)重制約了設(shè)施蔬菜的可持續(xù)發(fā)展。加之目前消費(fèi)者對(duì)蔬菜質(zhì)量和安全性的要求越來(lái)越高，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)綠色和品牌化是必然趨勢(shì)。近年來(lái)，我國(guó)蔬菜質(zhì)量安全水平明顯提高，蔬菜農(nóng)殘檢測(cè)合格率穩(wěn)定在95%以上，商品質(zhì)量明顯改善，商品化處理率達(dá)到40%。但是，局部地區(qū)個(gè)別品種的產(chǎn)品農(nóng)殘超標(biāo)等質(zhì)量安全問(wèn)題依然存在。因此，如何改善設(shè)施土壤環(huán)境，平衡土壤營(yíng)養(yǎng)；提高蔬菜抗逆性、抗病性，進(jìn)而提高蔬菜產(chǎn)品整體質(zhì)量水平，已經(jīng)成為當(dāng)前設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中亟待解決的突出問(wèn)題。

2 土壤硅素水平

硅是地殼中第二豐富的元素，構(gòu)成地殼總質(zhì)量的25.7%，僅次于第一位的氧（49.4%）。但自然界中絕大部分硅存在于硅酸鹽結(jié)晶和沉淀之中[14]，是不可溶的，不能被植物所利用。能被植物吸收利用的只是其中活性部分或可溶部分，也就是土壤中的有效硅部分，包括水溶態(tài)、吸附態(tài)和部分礦物態(tài)硅等。硅的溶解度受土壤中發(fā)生的多種動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響，包括土壤的pH值、溫度、濕度以及存在的鋁、鐵、磷等離子的變化都會(huì)引起有效硅含量的動(dòng)態(tài)變化[15]，施肥和灌溉會(huì)增加硅的含量，而作物吸收和淋溶則會(huì)降低土壤中有效硅的含量。土壤中有效硅的含量一般僅為50～250mg/kg。有研究指出，全球每年有210億～240億t的硅被植物從土壤中吸收。據(jù)調(diào)查[17-18]，我國(guó)50%左右的耕地供硅能力不足，長(zhǎng)江流域70%的土壤缺硅，黃淮海地區(qū)約50%的土壤缺硅。

一般將土壤有效硅含量水平作為土壤硅素水平和是否施用硅肥的主要依據(jù)，但至今國(guó)內(nèi)外尚未有統(tǒng)一的測(cè)定方法及相應(yīng)的臨界指標(biāo)。目前已有的研究多集中在稻田土壤上，但臨界指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不一。日本缺硅的臨界指標(biāo)是低于105mg/kg，我國(guó)和韓國(guó)均將有效硅含量低于100mg/kg作為臨界指標(biāo)。吳英等[19]研究認(rèn)為，當(dāng)?shù)咎锿寥烙行Ч韬繛?00～300mg/kg時(shí)，施硅仍有增產(chǎn)效果。張翠珍等[20]對(duì)山東省水稻土有效硅含量及硅肥的效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：濕潮土、砂姜黑土、鹽化潮土、棕壤的有效硅含量分別為328.15、306.53、170.41、110.87mg/kg，在所有類(lèi)型土壤中施硅對(duì)水稻均有增產(chǎn)效果。

目前，國(guó)內(nèi)外土壤硅素水平的研究多集中在水田，關(guān)于旱田土壤有效硅的研究起步較晚（從20世紀(jì)90年代開(kāi)始）且研究較少（多集中于美國(guó)、澳大利亞、巴西等國(guó)家的甘蔗栽培）。李清芳等[21]指出，棉田施硅具有普遍增產(chǎn)作用。張興梅等[22]對(duì)東北地區(qū)主要旱地土壤供硅狀況進(jìn)行研究，結(jié)果表明：土壤有效硅含量與土壤的pH值及粘粒含量呈極顯著和顯著正相關(guān)；黑土、褐土、草甸土、白漿土有效硅含量依次降低，分別為605.1、577.5、271.3、149.2mg/kg（SiO2）。而對(duì)于設(shè)施土壤硅素水平的研究報(bào)道較少。王柳[23]在順義、平谷、密云、通縣、昌平、海淀、朝陽(yáng)等京郊7個(gè)蔬菜種植代表區(qū)縣，選擇不同種植年限19個(gè)點(diǎn)的日光溫室，對(duì)京郊日光溫室土壤環(huán)境特性與黃瓜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)相關(guān)性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：隨種植年限的增加，溫室土壤養(yǎng)分狀況表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，其中有機(jī)質(zhì)、全氮與種植年限呈極顯著正相關(guān)，速效磷、有效鋅與種植年限呈顯著正相關(guān)，而容重與種植年限呈顯著負(fù)相關(guān)；經(jīng)過(guò)一茬黃瓜或番茄的日光溫室長(zhǎng)季節(jié)栽培，土壤中全氮、速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)鐵、錳、銅的含量有極顯著提高，說(shuō)明在京郊溫室現(xiàn)有施肥水平下，土壤中營(yíng)養(yǎng)元素有不斷積累的趨勢(shì)，應(yīng)注意防止土壤次生鹽漬化，但作者未對(duì)土壤中硅的動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究。近年來(lái)，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)楊丹、王程秀等[24-26]連續(xù)發(fā)表3篇文章對(duì)遼寧省丹東市振安區(qū)溫室土壤硅素水平進(jìn)行初步研究，結(jié)果表明，溫室土壤硅素累積釋放量與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量分別呈顯著和直線(xiàn)和二次函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，且受pH值的影響更為顯著，種植年限13a以上的溫室有效硅含量則低于100mg/kg。

3 硅肥的應(yīng)用

硅肥被國(guó)際土壤界列為繼氮、磷、鉀之后的第四大元素肥料。早在1926年，美國(guó)加州大學(xué)農(nóng)業(yè)研究人員就開(kāi)始研究硅肥并肯定了硅素的肥效。1935年日本開(kāi)始進(jìn)行硅肥研究，1954年開(kāi)始生產(chǎn)和應(yīng)用，1957年成立日本硅肥協(xié)會(huì)。硅肥在日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)使用了約50a的歷史，日本政府于1955年就以肥料法的形式將硅肥作為一種新型肥料確定并大面積推廣和使用，硅肥的大量施用給日本農(nóng)業(yè)帶來(lái)了高效益，日本農(nóng)民使用肥料首先考慮的就是硅肥。目前，硅肥在日本、韓國(guó)、朝鮮、美國(guó)、澳大利亞、菲律賓、印度、泰國(guó)、馬來(lái)西亞及我國(guó)臺(tái)灣等發(fā)達(dá)國(guó)家與地區(qū)已被大面積推廣和使用，據(jù)報(bào)道，硅肥在水稻上的增產(chǎn)效果已經(jīng)超過(guò)了磷肥和鉀肥。我國(guó)從20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始研究硅肥，80年代后期實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，2004年6月1日農(nóng)業(yè)部頒布了由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所等單位完成的硅肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T797-2004，標(biāo)志著經(jīng)過(guò)多年的研究試驗(yàn)和推廣，硅肥已成為我國(guó)21世紀(jì)的一種新型肥料。

目前，硅肥的品種主要有枸溶性硅肥、水溶性硅肥兩大類(lèi)，枸溶性硅肥是指不溶于水而溶于酸后可以被植物吸收的硅肥，常見(jiàn)的多為煉鋼廠(chǎng)的廢鋼渣、粉煤灰、礦石經(jīng)高溫煅燒工藝等加工而成，一般施用量較大，適合作土壤基施，市場(chǎng)售價(jià)較低；水溶性硅肥是指溶于水可以被植物直接吸收的硅肥，農(nóng)作物對(duì)其吸收利用率較高，為高溫化學(xué)合成，生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，成本較高，但施用量較小，一般常用作葉面噴施、沖施和滴灌，也可進(jìn)行基施和追施，具體用量可根據(jù)作物喜硅情況、當(dāng)?shù)赝寥赖娜惫枨闆r以及硅肥的具體含量而定。近年來(lái)，其它硅源（如硅藻土）已經(jīng)引起研究者越來(lái)越多的關(guān)注[27]。硅藻土是一種天然易溶硅源，其比表面積大，有效硅含量較高，且無(wú)重金屬污染，長(zhǎng)期施用對(duì)土壤無(wú)負(fù)面影響。對(duì)昆士蘭州陽(yáng)光海岸的商業(yè)草莓農(nóng)場(chǎng)將硅藻土作為基地土壤改良劑使用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：施用硅藻土使植物中硅的含量增加80%；根系發(fā)育得到改善，根的質(zhì)量顯著增加100%～200%；草莓的花、葉、地上部體積和果實(shí)數(shù)量增加；果實(shí)糖度得到提高；土壤水分含量顯著增加；植株吸收氮磷鉀的能力提高；平均增產(chǎn)35%。這項(xiàng)研究的結(jié)論表明，硅藻土顯著改善了植物生長(zhǎng)狀況和提高了產(chǎn)量，提高了養(yǎng)分和水分的利用效率，改善了品質(zhì)，提高了生產(chǎn)效益。在其它作物和其它地區(qū)對(duì)硅藻土的研究則未見(jiàn)報(bào)道。

不同作物的需硅水平不同，對(duì)于喜硅作物水稻而言，每生產(chǎn)100kg稻谷需SiO2 22kg左右，是氮、磷、鉀總和的4.4倍[28]。以往一般認(rèn)為，土壤有效硅含量小于50mg/kg為嚴(yán)重缺硅土壤，50～100mg/kg為缺硅土壤，大于100mg/kg為不缺硅土壤[29]。但也有大量研究發(fā)現(xiàn)，即使在不缺硅的土壤中施用硅肥對(duì)水稻仍有增產(chǎn)作用。商全玉等[30]研究認(rèn)為，在有效硅含量為119.5mg/kg的稻田中施用硅肥可以使水稻產(chǎn)量構(gòu)成三要素協(xié)同提高，同時(shí)改善稻米品質(zhì)。李軍等[31]指出，在非堿性土壤中有效硅含量在130mg/kg左右時(shí)，施硅增產(chǎn)效果顯著；當(dāng)有效硅含量高于202.24mg/kg時(shí)，施硅沒(méi)有增產(chǎn)效果。在堿性土壤（pH=8.8）上，劉鳴達(dá)等[32]認(rèn)為，在土壤有效硅含量達(dá)到250mg/kg時(shí)，施硅的增產(chǎn)效果依然明顯。吳英等[19]在黑龍江地區(qū)的研究也認(rèn)為，當(dāng)土壤有效硅含量在200～300mg/kg時(shí)，水稻施硅仍有增產(chǎn)效果。大量研究證明，施硅可以改善稻米品質(zhì)，但對(duì)于某些品質(zhì)指標(biāo)的影響則不盡一致。張國(guó)良等[28]認(rèn)為，適量施硅使稻米整精米率顯著增加，精米率也有增加趨勢(shì)，施硅可以降低堊白粒率、堊白度和堊白大小，改善稻米外觀品質(zhì)。盧維盛等[33]則認(rèn)為，施硅雖然使稻米整精米率顯著增加，堊白大小和直鏈淀粉含量顯著降低，但對(duì)稻米出糙率、堊白粒率、堊白度和食味等品質(zhì)性狀無(wú)明顯影響。商全玉等[30]認(rèn)為，施硅使稻米精米率和整精米率均顯著提高，且與整精米率相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，而與蛋白質(zhì)含量和食味值呈顯著負(fù)相關(guān)，直鏈淀粉含量無(wú)明顯變化。中國(guó)農(nóng)科院土壤肥料研究所[35]在全國(guó)進(jìn)行的743個(gè)水稻硅肥田間試驗(yàn)結(jié)果表明，硅對(duì)水稻的增產(chǎn)率為4%～24.2%，平均增產(chǎn)率為10.3%，稻米品質(zhì)也得到改善，精米和整精米率提高4.9%，堊白率降低8.0%。大量研究表明：水稻對(duì)硅肥的響應(yīng)范圍很廣，在大多數(shù)稻田中適量施硅可以提高水稻產(chǎn)量和改善稻米品質(zhì)。

李清芳等[21]研究指出，硅對(duì)棉花種子發(fā)芽率無(wú)顯著影響，但對(duì)棉花幼苗生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，可以顯著增加幼苗鮮重。魯嘉等[35]指出，施硅使小麥結(jié)實(shí)率和千粒重均有增加，產(chǎn)量提高4.95%～16.53%。此外在甘蔗[36]、玉米[37]、花生[38]、煙草[39]等作物上的研究也得到了類(lèi)似的結(jié)果。

4 硅肥在蔬菜上的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在硅對(duì)黃瓜、番茄、柿子椒和生菜等蔬菜作物和水稻、玉米、棉花、小麥、甘蔗、黃豆等30多種其它作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響上做了研究。大量研究表明，硅在提高水稻、甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)上發(fā)揮著極為重要的作用。在蔬菜作物上，研究表明：硅可以提高黃瓜產(chǎn)量和抗病能力[39-43]，減少番茄畸形果[44]，提高柿子椒抗疫病[45]、生菜抗根腐病[46]和甜瓜抗白粉病能力[47]，延緩大白菜、青菜葉片壽命、提高葉片光合勢(shì)和產(chǎn)量[48]。但也有學(xué)者指出施硅對(duì)番茄無(wú)明顯影響[49]。

在改善外觀品質(zhì)方面，孫鴻彬等[50]在大棚茄子上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，施硅肥茄子畸形果、病果數(shù)減少，基本沒(méi)有出現(xiàn)石茄子，果形周正，商品性好。賈建新[51]研究發(fā)現(xiàn)，施硅肥番茄抗擠壓強(qiáng)度比對(duì)照提高14.39%，硅提高了番茄的耐貯性和耐運(yùn)輸性。丁濤[52]指出施硅可以使大蔥緊實(shí)度增加。

在提高產(chǎn)量和改善營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)方面，研究表明：施用硅肥可以顯著提高黃瓜的含糖量[50]，尤其是在塑料大棚內(nèi)施用氮肥過(guò)量的情況下，硅肥可以抑制黃瓜對(duì)氮的吸收，促進(jìn)糖分的積累[53]；王登甲[54]研究發(fā)現(xiàn)，大棚芹菜施硅，硝酸鹽含量降低8%。胡京昂等[55]以芥藍(lán)為材料，研究了施用硅肥對(duì)其產(chǎn)量、品質(zhì)及重金屬含量的影響。結(jié)果表明，施用硅肥能夠顯著提高芥藍(lán)的產(chǎn)量和維生素C含量，每hm2施用硅肥1 500kg（有效硅含量26.3%），芥藍(lán)產(chǎn)量比對(duì)照增加94.7%，維生素C含量增加8.2%；施用硅肥能降低芥藍(lán)中砷和鎘的含量，減輕重金屬對(duì)芥藍(lán)的毒害，每hm2施用硅肥1 800kg，芥藍(lán)中砷和鎘的含量分別為28.7μg/kg和9.3μg/kg（對(duì)照分別為45.3、41.5μg/kg）。陳長(zhǎng)友等[53]研究指出，施用硅肥的處理黃瓜莖粗增加0.18～0.24cm，株高增加4.8～25.1cm，秧節(jié)數(shù)增加15%～42%，增產(chǎn)25%～29%。王明祖等[56]研究認(rèn)為，施硅可以顯著提高甜瓜產(chǎn)量和改善甜瓜品質(zhì)，但品質(zhì)的改善效果不同品種間有明顯差異。

受蔬菜種類(lèi)繁多、對(duì)不同蔬菜需硅特性研究較少、植株和土壤對(duì)硅素響應(yīng)鮮有研究和設(shè)施土壤的硅素水平也未見(jiàn)系統(tǒng)報(bào)道等諸多因素的共同影響，目前，對(duì)菜田土壤尤其是設(shè)施菜田土壤有效硅含量豐缺程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)還尚待深入研究。因此，研究硅素在蔬菜—土壤這一整體系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和作用，并據(jù)此提出科學(xué)的硅肥運(yùn)籌措施，是設(shè)施蔬菜硅素研究的核心問(wèn)題和發(fā)展方向。

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（責(zé)編：徐世紅）