鮮食葡萄的硅肥施用效應及其安全評價

張 梅，褚貴新*

(1.紹興文理學院，浙江 紹興 312000；2.石河子大學農(nóng)學院/新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆 石河子 832003)

新疆葡萄栽培歷史悠久，是我國最大的葡萄產(chǎn)區(qū)，種質(zhì)資源豐富，其中無核紫和紅地球葡萄是主要的鮮食葡萄栽培品種之一[1]。據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》及《新疆統(tǒng)計年鑒》，2010年全國葡萄栽培面積達到55.2萬hm2，產(chǎn)量8 549萬t。新疆葡萄栽培面積達到12.53萬hm2，產(chǎn)量196.6萬t，分別占全國的22.7%和23.0%。然而葡萄在生長過程中，由于氣候、環(huán)境因素易導致病蟲害頻繁發(fā)生，造成葡萄大面積減產(chǎn)，從而制約了葡萄的經(jīng)濟發(fā)展。

硅在地殼中的含量僅次于氧，但可被植物直接吸收利用的有效硅含量極少[2]。目前已有大量研究表明，硅對促進作物生長發(fā)育和提高作物產(chǎn)量具有明顯的效果，如施硅可增加小麥地上部生物量積累[3]，提高黃瓜和草莓等經(jīng)濟作物產(chǎn)量[4-5]。此外，許多學者已研究證實施硅可提高植物抗生物和非生物脅迫能力，如：施硅植物具有抗病蟲害[6]、耐鹽抗旱[7-8]、抗金屬脅迫[9]等能力。有學者研究認為，硅能在植物細胞壁和根的內(nèi)皮層細胞中沉積，形成“角質(zhì)—雙硅層”結(jié)構(gòu)(硅化細胞)，增加了植物細胞壁的機械強度，起著天然的“機械或物理屏障”作用；另一些研究表明，硅可激活植物的防御系統(tǒng)，參與代謝過程并誘導相關(guān)蛋白酶活性增加，從而提高植物的抗逆性[10-11]。目前國內(nèi)外關(guān)于硅素對植物作用的研究主要集中于禾本科以及雙子葉植物上，對果蔬的研究報道較為罕見。

鋼渣是鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，因其含硅量高(有效硅含量約為8%～20%)，已被用做制造硅肥的主要原料來源。早在20世紀50年代日本就利用鋼渣等工業(yè)廢渣作為硅肥用以改良退化稻田，提高水稻產(chǎn)量[12]。80年代末我國才利用高爐渣、黃磷廢渣以及粉煤灰等工業(yè)廢渣提煉為硅肥[13-14]，且我國廢棄鋼渣利用率僅有10%左右[15]。鋼渣雖含有豐富的Si養(yǎng)分元素，但同時含有少量的重金屬元素，作為硅肥在農(nóng)田施用，存在農(nóng)田-作物生態(tài)系統(tǒng)的重金屬污染的風險。而目前大量的研究集中在鋼渣硅肥對作物生物學性狀和增產(chǎn)效應等方面的研究，大多未對鋼渣硅肥施用的安全性進行分析。

本研究采用小區(qū)定位試驗，研究了水淬渣硅肥和鋼渣硅肥對西北石灰性土壤上葡萄產(chǎn)量及葡萄果實抗氧化物酶活性的影響，并分析了2種硅肥施用對葡萄葉片重金屬含量的影響以及土壤的安全風險評估，以期為2種硅肥的推廣普及提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015～2016年在石河子大學農(nóng)學院試驗站葡萄園進行。供試土壤為灌耕灰漠土(灌淤旱耕人為土，Calcaric Fluvisals)，耕層(0～20 cm)土壤基本性質(zhì)：有機質(zhì)19.7 g/kg，全氮0.91 g/kg，全磷2.12 g/kg，堿解氮72 mg/kg，有效磷43.8 mg/kg，速效鉀200 mg/kg，有效硅203 mg/kg，pH值8.1。

葡萄品種為無核紫葡萄和紅地球葡萄(VitisviniferaL.)。兩個品種葡萄均采用單臂籬架，群體通風條件良好，南北行向，5年生葡萄，樹體長勢基本一致，株行距為3.5 m×0.7 m，種植密度為4 082株/hm2。供試硅肥分別為水淬渣硅肥(SiO218%)和鋼渣硅肥(SiO225%)。

1.2 試驗設計

試驗采用完全隨機設計布設小區(qū)，重復3次，小區(qū)面積為22 m2(6.1 m×3.6 m)。試驗設置6個處理：葡萄品種設置2個水平，分別為無核紫葡萄和紅地球葡萄；施肥處理設置3個水平，分別為：1)對照(CK，不施硅肥)；2)鋼渣硅肥；3)水淬渣硅肥。硅肥作為追肥于開花期施入，施肥方式為條施，SiO2施用量為600 kg/hm2。供試氮肥為尿素(N 460 g/kg)，磷肥為磷酸一銨(P2O5610 g/kg)，鉀肥為硫酸鉀(K2O 510 g/kg)，N、P2O5、K2O施用量分別為189、110、115 kg/hm2。氮磷鉀肥施用方式均為水肥一體化隨水滴施，年灌水量為6 000 m3/hm2。無核紫葡萄于8月17日收獲，紅地球葡萄9月11日收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉片含硅量、土壤有效硅及重金屬含量

在葡萄果實膨大期和成熟期，每小區(qū)隨機選取功能葉30片，裝入紙袋，放進烘箱，在105 ℃殺青30 min后，75 ℃烘干至恒重。烘干的樣品經(jīng)粉碎后測定葉片含硅量和重金屬含量。同時，分別在以上兩個時期采集各處理0～20 cm土層土壤樣本，剔除礫石和植物殘根，在陰涼處風干，分為兩份，分別過2.0和0.15 mm篩，測定土壤有效硅含量和重金屬含量。土壤有效硅及植株含硅量利用硅鉬藍比色法測定[16-17]。

6種重金屬銅(Cu)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、砷(As)和汞(Hg)的測定均在微波消解儀中采用硝酸-鹽酸-氫氟酸聯(lián)合消解后，利用ICP-AES(電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀)測定。

1.3.2 葉片干物質(zhì)量和厚度

在葡萄坐果期取樣，每小區(qū)隨機選取功能葉30片，裝入紙袋，用于測定葉片厚度。葉片厚度用游標卡尺測量。然后將裝有葡萄葉片的紙袋放入烘箱，在105 ℃殺青0.5 h，再于75 ℃下烘干至恒重，測定葉片干物質(zhì)量。

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素

在果實成熟期，每小區(qū)隨機選取3株葡萄，將果實全部采摘，測其單株產(chǎn)量?？偖a(chǎn)量等于種植密度乘以單株產(chǎn)量。每個小區(qū)選6串代表性果穗，測定單穗重。然后隨機選取30粒果粒，測定單粒重、果粒橫徑和縱徑。葡萄果實的橫、縱徑采用游標卡尺進行測定。

1.3.4 果實丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性

在果實收獲期，每小區(qū)隨機采收2 kg左右葡萄，置于0～1℃冷庫，貯藏15 d后，測定葡萄果實酶活性。MDA采用TBA比色法；SOD采用氮藍四唑(NBT)比色法；POD采用愈創(chuàng)木酚法[18]。

1.4 土壤環(huán)境評價標準

評價標準采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 15618—1995)二級標準(pH>7.5)[19]。分別采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對土壤環(huán)境質(zhì)量進行評價[20-21]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理，SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析和不同處理間顯著性檢驗，用Graphpad prism 5.0軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同硅肥處理對葡萄葉片含硅量和土壤有效硅的影響

從圖1A可以看出，各處理葡萄葉片含硅量均隨生育期而提高。如兩種硅肥處理的葉片含硅量均值由坐果期的0.52%提高至收獲期的0.68%。在葡萄收獲期，兩種硅肥處理較對照可顯著提高葡萄葉片含硅量(圖1A，P<0.05)。與CK處理相比，鋼渣硅肥處理和水淬渣硅肥處理葡萄葉片含硅量分別增加了28.4%和41.7%。收獲期水淬渣硅肥處理的葡萄葉片含硅量比鋼渣硅肥處理提高了10.4%，兩種硅肥處理間差異達顯著性水平(P<0.05)。

由圖1B可知，各處理土壤有效硅含量均隨葡萄生育期而降低。兩種硅肥處理可顯著提高土壤有效硅含量(P<0.05)。與CK相比，水淬渣硅肥處理的土壤有效硅含量在坐果期和收獲期分別提高了21.5%和9.92%，鋼渣硅肥分別提高了17.2%和13.0%。

圖1 不同硅肥處理葡萄葉片含硅量及土壤有效硅動態(tài)變化

2.2 不同硅肥處理對葡萄葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

兩種硅肥處理較CK均顯著提高了葡萄葉片干物質(zhì)量和葉片厚度(表1)。兩年試驗得出，硅肥處理的無核紫和紅地球葡萄葉片干物質(zhì)量較CK處理分別增加9.13%～10.5%和8.95%～10.4%，葉片厚度提高了3.7%～11.7%和8.33%～10.7%(P<0.05)。其中，水淬渣硅肥處理的無核紫葡萄葉片干物質(zhì)量較鋼渣硅肥處理提高了5.6%，但處理間差異不顯著(P>0.05，2016年)。

表1 不同硅肥處理對葡萄葉片干物質(zhì)量和厚度的影響

注：數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達到5%顯著水平(P<0.05)，下同。

2.3 不同硅肥處理對葡萄產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表2可知，硅肥處理較CK處理顯著提高了兩種葡萄產(chǎn)量。水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理的無核紫葡萄產(chǎn)量分別為26.02和24.69 t/hm2，較CK分別增產(chǎn)16.4%和10.4%，但兩種硅肥處理之間差異不顯著。兩種硅肥處理的紅地球葡萄產(chǎn)量分別為32.32和31.53 t/hm2，較CK分別增產(chǎn)14.6%和11.8%。從產(chǎn)量構(gòu)成因素上看，硅肥處理顯著增加單粒重和單穗重(P<0.05)。與CK相比，兩種硅肥處理無核紫葡萄單粒重分別增加12.8%和8.2%，單穗重分別增加20.6%和18.2%。硅肥施用可增加無核紫葡萄橫、縱經(jīng)，水淬渣硅肥處理效果優(yōu)于鋼渣硅肥，但硅肥處理間無顯著差異。紅地球葡萄得到相似的結(jié)果。

2.4 不同硅肥處理對葡萄果實丙二醛和抗氧化酶活性的影響

從圖2可以看出，與CK處理相比，鋼渣硅肥和水淬渣硅肥均顯著降低了葡萄果實MDA含量，無核紫葡萄降幅為15.1%～18.7%，紅地球降幅為14.9%～19.1%(P<0.05，2016年)。硅肥處理的葡萄果實SOD和POD活性較CK均有提高，但各處理間差異不顯著。僅2016年顯著提高了紅地球葡萄果實POD活性，其增幅為39.4%～52.7%(圖2C、D、E、F)。不同處理降低果實MDA含量和提高果實抗氧化酶活性的效應表現(xiàn)為CK<鋼渣硅肥<水淬渣硅肥。

表2 不同硅肥處理對葡萄性狀及產(chǎn)量的影響

注:數(shù)據(jù)為2015、2016年平均值。

圖2 不同硅肥處理對葡萄果實MDA含量、SOD和POD活性的影響注：圖A、C、E為無核紫葡萄，圖B、D、F為紅地球葡萄。

2.5 不同硅肥處理對土壤及葡萄葉片重金屬含量的影響

在2015和2016年兩種硅肥施用均可降低土壤Cd、Pb和Hg含量(表3)。兩種硅肥處理的土壤Cd、Pb和Hg含量分別比CK降低5.26%～5.29%、10.19%～11.76%和20.0%～33.3%，但各處理間差異不顯著(P>0.05，2016年)。硅肥施入對土壤As和Cu含量無顯著影響。兩年施用硅肥均提高了土壤Cr含量，2015和2016年土壤Cr含量較CK分別增加1.5%和3.0%。其中，鋼渣硅肥處理土壤Cr含量高于水淬渣硅肥處理。

表3 不同硅肥處理土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計分析 (mg/kg)

由表4可知，硅肥施用可顯著降低葡萄葉片中重金屬含量(P<0.05)。與CK相比，兩種硅肥施用顯著降低了葡萄葉片中As、Cd、Cr含量(P<0.05)，其降低幅度分別為9.43%～16.98%、34.8%～40.0%、6.94%～12.5%(2015和2016年)。其中，2016年葡萄葉片中Cr含量較2015年有一定的累積效應。僅水淬渣硅肥處理顯著降低了葡萄葉片Pb含量(P<0.05)，降幅為18.75%～22.37%。硅肥處理對葡萄葉片中Cu和Hg含量無顯著影響(P>0.05)。

表4 不同硅肥處理對葡萄葉片重金屬含量的影響 (mg/kg)

2.6 土壤重金屬含量評價

從表5可以看出，在2015和2016年硅肥處理與對照處理單項污染指數(shù)>1的重金屬均為砷，說明土壤已受砷元素污染，屬輕度污染。其余5種重金屬元素在各處理土壤的單項污染指數(shù)均<1，屬于清潔或尚清潔，表明土壤未受到污染。從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)來看，在2015和2016年各處理綜合指數(shù)值均為0.8左右,屬于評價等級的第2級，說明土壤尚清潔，未受到污染。表明兩種鋼渣硅肥施用未對土壤環(huán)境造成安全風險。

表5 不同硅肥處理土壤重金屬污染指數(shù)

3 討論

本研究結(jié)果表明，施用硅肥能夠顯著提高葡萄產(chǎn)量(P<0.05)，施用水淬渣硅肥和鋼渣硅肥葡萄產(chǎn)量較CK處理分別增加了15.49%和11.12%。對產(chǎn)量構(gòu)成因素的分析表明，兩種硅肥均顯著增加葡萄單粒重和單穗重(P<0.05)，其中水淬渣硅肥施用效果優(yōu)于鋼渣硅肥。EI-Kareem等[22]研究表明,與不噴施硅處理相比，噴施濃度為0.1%和0.05%的硅溶液均能顯著提高海棗單穗重和果實橫縱徑，從而提高了海棗單株產(chǎn)量。本研究中，在土壤有效硅超過203 mg/kg的石灰性土壤上施用硅肥，葡萄仍有較好的增產(chǎn)效果。張興梅等[23]通過春小麥盆缽試驗研究也證實，在土壤有效硅含量低于511.2 mg/kg的供試土壤上，施用硅肥后均能有不同程度的增產(chǎn)，最高增產(chǎn)率達32.8%，這與本研究結(jié)果相似。造成這一結(jié)果的原因，一方面可能是用于提取土壤有效硅的緩沖液可提取一些植物不可吸收的硅，從而高估了石灰性土壤硅的供應能力，且有學者曾提出針對高pH值的石灰性土壤應開發(fā)新的土壤測試方法[10,24]；另一方面，大量研究證明施用硅肥可提高土壤肥力，促進作物對Si、P、K營養(yǎng)元素的吸收，從而促進地上部干物質(zhì)積累和提高產(chǎn)量[25-26]。本研究也發(fā)現(xiàn)施入硅肥顯著提高了葡萄葉片干物質(zhì)積累，為保證葡萄的高產(chǎn)奠定了基礎。

葡萄生長過程中，由于氣候環(huán)境、養(yǎng)分供應不足和病蟲害等因素會造成葡萄生長后期果實萎焉與腐爛，而病蟲害是直接影響葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)的重要因素[27]。大量研究表明硅對提高植物抗生物脅迫有良好的作用。如Ferreira等[28]最近研究發(fā)現(xiàn)，施硅可顯著增加檸檬對細菌性果斑病的抵抗能力，與對照處理相比，施硅酸鈣顯著降低了發(fā)病率(50%)和病情指數(shù)(89%)。徐紅霞[29]也曾研究表明紅地球葡萄在接種灰葡萄孢菌(B.cinerea)后，硅處理能誘導病程相關(guān)蛋白酶活性的上升，如提高果實內(nèi)β-1,3-葡聚糖酶、PAL和PPO等酶活性，從而增加紅地球葡萄對采后病害的抗性。本試驗研究結(jié)果表明，硅肥施用后降低了葡萄果實MDA含量，并提高了POD和SOD抗氧化酶活性，這與前人研究結(jié)果相似。此外，葡萄在采后貯藏期間，遭受各種病原菌侵染而引起腐爛，降低了葡萄的商品性。由于施硅可提高果實抗氧化酶活性，增強作物抗病蟲害能力，因此，在以后的研究中可考慮利用硅提高葡萄的耐貯性，從而延長其保鮮期。

4 結(jié)論

水淬渣硅肥和鋼渣硅肥均可顯著提高葡萄葉片干物質(zhì)量和厚度，葡萄分別增產(chǎn)15.49%和11.12%(P<0.05)，水淬渣硅肥效果優(yōu)于鋼渣硅肥。

施硅可降低葡萄果實MDA含量，提高SOD和POD活性，從而提高了葡萄的抗逆性。

水淬渣與鋼渣硅肥施用均未造成土壤重金屬污染，且顯著降低了葡萄葉片中As、Cd、Pb和Cr重金屬含量(P<0.05)。