有機(jī)硅改性復(fù)合肥對玉米養(yǎng)分和鎘吸收的影響

黃衡亮，楊發(fā)文，宋福如，肖 平，乜雪雷，何 璇，王章偉，熊雙蓮，涂書新，6*

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.河北硅谷農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北 邯鄲 057151；3.湖北省公安縣農(nóng)業(yè)局農(nóng)科所，湖北 荊州 434300；4.河北省永年區(qū)農(nóng)牧局，河北 邯鄲 057151；5.湖北省恩施州鶴峰縣農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)站，湖北 恩施 445800；6.主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 荊州 434045）

玉米是我國主要的糧食作物。近些年來，我國玉米的種植面積及總產(chǎn)不斷增長，但據(jù)統(tǒng)計預(yù)測，隨著國際貿(mào)易爭端和關(guān)稅問題常態(tài)化，我國仍將存在玉米生產(chǎn)安全及需求缺口的問題［1-3］。施用化肥可增加糧食單產(chǎn)55%～57%，但肥料的不合理使用會造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題［4-5］，因此，通過提高作物對養(yǎng)分的吸收提高作物產(chǎn)量是解決玉米需求問題的重要途徑之一。

硅在地殼和土壤中含量豐富，主要以硅酸的形式被植物吸收。大量研究均表明，施用硅肥促進(jìn)植物生長發(fā)育，提高作物對養(yǎng)分的吸收、積累［6-12］。朱從樺等［9］研究結(jié)果顯示，施硅肥不僅能提高土壤速效磷含量，還能提高玉米植株氮、磷、鉀吸收量及籽粒產(chǎn)量。不過，過去的這些研究采用的是無機(jī)硅，運(yùn)用有機(jī)硅肥提高作物養(yǎng)分吸收和積累的報道卻鮮見。

鎘是環(huán)境中毒性最強(qiáng)的重金屬之一，農(nóng)田中少量的鎘（土壤鎘0.3～0.8 mg/kg）就會對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)生污染，危害生態(tài)環(huán)境和人體健康。施用硅肥能有效鈍化土壤鎘［13-14］，有效降低鎘的生物有效性［13，15］，減少農(nóng)作物對重金屬的吸收［15-16］。但有關(guān)有機(jī)硅與肥料結(jié)合對于鎘的防控作用尚未見報道。本研究采用大田試驗，探討了有機(jī)硅改性復(fù)合肥對玉米養(yǎng)分和鎘吸收的影響，為有機(jī)硅改性復(fù)合肥在玉米生產(chǎn)、重金屬污染防控的應(yīng)用提供依據(jù)和手段。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗為田間小區(qū)試驗。試驗于2017年5～11月在湖北省公安縣章莊鋪鎮(zhèn)（東經(jīng) 111°58′33″，北緯 29°52′40″）進(jìn)行。供試土壤為棕紅壤，土壤pH值5.18，有機(jī)質(zhì)28.20 g/kg，堿解氮90.54 mg/kg，有效磷9.35 mg/kg，速效鉀97.10 mg/kg，Cd含量0.25 mg/kg。種植作物為夏玉米（Zea maysL.），品種為臨奧一號。

供試有機(jī)硅改性復(fù)合肥（OSiF）（18-18-18）由河北硅谷農(nóng)業(yè)科學(xué)院生產(chǎn)并提供。OSiF含有氮磷鉀及有機(jī)硅等多種植物必需的營養(yǎng)成分，是一種完全水溶并具有緩釋性能的復(fù)合肥［17］。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗研究不同肥料對玉米的肥料效果及降低玉米重金屬的作用。共設(shè)計4個處理，分別為（1）不施肥，處理代號CK；（2）普通復(fù)合肥（27-10-14），市售肥料，施用量按當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣，為825kg/hm2；（3）OSiF（18-18-18），施用量 750kg/hm2，處理代號OSiF750；（4）OSiF（18-18-18），施用量1 050kg/hm2，處理代號OSiF1050。

肥料按整地時基肥70%、大喇叭口期追施穗肥30%的方式施用。每個處理3個重復(fù)，每個重復(fù)小區(qū)面積為20 m2（4 m×5 m）。2017年5月31日取土壤基本樣，整地施肥；6月1日玉米播種；6月18日進(jìn)行間苗補(bǔ)苗，每個試驗小區(qū)保苗120株；9月8日取成熟期樣品。其他農(nóng)事管理根據(jù)需要統(tǒng)一進(jìn)行。

1.3 化學(xué)測定方法

1.3.1 基本指標(biāo)及養(yǎng)分含量測定

在整地施肥前五點(diǎn)取樣進(jìn)行本底土樣的采集，土樣制備、過0.85 mm篩，運(yùn)用常規(guī)方法進(jìn)行土壤pH值（電極法）、有機(jī)質(zhì)（重鉻酸鉀容量法-外加熱法）、堿解氮（堿解擴(kuò)散法）、有效磷（0.5 mol/L NaHCO3法）、速效鉀（NH4OAc浸提，火焰光度法）的測定［18］。

玉米成熟期，每個處理選取具有代表性的3個重復(fù)，測定玉米株高，取樣，按莖稈、籽粒、苞葉、棒子分裝于檔案袋中，105℃殺青0.5 h后60℃烘干至恒重，分別稱重，測量棒長，然后分部位粉碎供氮磷鉀的測定。氮（N）、磷（P）、鉀（K）含量采用H2SO4-H2O2消煮，N、P采用流動注射分析儀分析法，K采用火焰光度法進(jìn)行測定。

1.3.2 重金屬Cd及其形態(tài)的測定

分別取制備后過0.15 mm篩的本底土樣和玉米拔節(jié)期的土樣，土壤全鎘采用HNO3-HCl-HClO4法消解，石墨爐原子吸收分光光度法測定；土壤不同形態(tài)Cd含量采用改進(jìn)BCR法進(jìn)行測定［19］；玉米拔節(jié)期和成熟期各部位植物樣Cd含量采用混酸（HNO3∶HClO4=9∶1）法消解，石墨爐原子吸收分光光度法進(jìn)行測定［20］。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用SPSS 20進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用LSD方法（P＜0.05）進(jìn)行平均值的顯著性比較。圖表采用Excel 2016和SigmaPlot 12.0進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)硅改性復(fù)合肥（OSiF）對玉米生長及產(chǎn)量的影響

施用OSiF顯著促進(jìn)玉米生長（表1）。成熟期測定玉米株高的結(jié)果表明，與不施肥相比，施用有機(jī)硅改性復(fù)合肥OSiF750和OSiF1050分別顯著提高玉米株高24%和32%；與施用普通復(fù)合肥相比，施用有機(jī)硅改性復(fù)合肥OSi750和OSi1050分別提高株高9%和16%。

表1 不同肥料對玉米株高、干重及產(chǎn)量的影響

從表1中玉米各部位干重可以看出，施用肥料顯著增加玉米各部位的干重。施用普通復(fù)合肥相比于不施肥對照，莖葉、玉米棒、苞葉干重分別增加29%、115%和174%，總干重增加82%，其中莖葉和籽粒差異未達(dá)到顯著水平。施用OSiF相比于不施肥干重增加更為明顯，OSiF750和OSiF1050處理玉米莖葉、玉米棒、苞葉和總干重分別增加45%和45%、165%和173%、174%和154%、192%和189%，差異均達(dá)到顯著水平。而與普通復(fù)合肥處理相比，OSiF750和OSiF1050處理的玉米總干重顯著增加了60%和59%。

有機(jī)硅改性復(fù)合肥能顯著提高玉米產(chǎn)量。由表1可知，OSiF750和OSiF1050處理與不施肥處理相比的玉米產(chǎn)量顯著增加368%和361%；而相對普通復(fù)合肥處理也增產(chǎn)顯著，增產(chǎn)率分別為127%和123%。不同有機(jī)硅改性復(fù)合肥施用量的產(chǎn)量差異不顯著。計算整株干重中籽粒的分配比（收獲系數(shù)）可知，不施肥、普通復(fù)合肥、OSiF750和OSiF1050處理分別為37%、41.5%、59%、58%，結(jié)果表明有機(jī)硅改性復(fù)合肥更利于提高玉米產(chǎn)量。

2.2 有機(jī)硅改性復(fù)合肥對玉米養(yǎng)分吸收的影響

表2的結(jié)果表明，各處理莖葉中N積累量順序為普通復(fù)合肥＞OSiF1050＞OSiF750＞CK。普通復(fù)合肥、OSiF1050、OSiF750處理中N積累量相比不施肥處理分別增加了150%、143%、38%。苞葉中的N積累量與莖葉類似，分別增加了345%、62%、51%。而玉米棒和籽粒中的N積累量情況與此不同，OSiF1050和OSiF750處理中N積累量最高，其次是普通復(fù)合肥處理，OSiF1050、OSiF750和普通復(fù)合肥3個處理的玉米棒和籽粒中N積累量相比于不施肥處理分別增加了96%、177%、89%和510%、452%、221%。整株N積累量從高到低分別是OSiF1050、OSiF750和普通復(fù)合肥處理，比不施肥處理分別增加了333%、271%、194%。

表2 不同肥料處理的成熟期玉米各部位N積累量 （mg/株）

值得注意的是，相比于普通復(fù)合肥，有機(jī)硅改性復(fù)合肥OSiF1050、OSiF750處理的玉米籽粒N積累量顯著增加90%和72%。有機(jī)硅改性復(fù)合肥OSiF750和OSiF1050處理含氮（N）分別是135 和189kg/hm2，均小于普通復(fù)合肥中含氮（N）222.75kg/hm2，說明有機(jī)硅復(fù)合肥相比普通復(fù)合肥更能促進(jìn)玉米對N的吸收利用。

此外，在不考慮施用氮量多少的情況下，普通復(fù)合肥處理主要將N素積累在莖葉和苞葉中，而有機(jī)硅復(fù)合肥處理主要將N積累在籽粒和玉米棒中，說明有機(jī)硅改性復(fù)合肥促進(jìn)養(yǎng)分向籽粒中運(yùn)轉(zhuǎn)，利于產(chǎn)量形成。

玉米不同部位P積累量結(jié)果見表3。結(jié)果表明，莖葉中以普通復(fù)合肥處理P積累量最高，其次是OSiF1050和OSiF750處理，分別比不施肥處理增加了106%、102%和79%；苞葉中P積累量趨勢與此略有不同，普通復(fù)合肥處理比不施肥處理增加了99%，而OSiF1050和OSiF750顯著下降50%左右。同N積累量一樣，OSiF1050和OSiF750處理的玉米棒和籽粒中的P積累量相比普通復(fù)合肥處理明顯增加，除OSiF1050處理的玉米棒外。玉米整株總P積累量以O(shè)SiF750處理最高，OSiF750、OSiF1050和普通復(fù)合肥處理的總P積累量比不施肥處理分別顯著增加了186%、181%和136%。

表3 不同肥料處理的成熟期玉米各部位P積累量 （mg/株）

玉米不同部位K積累量結(jié)果見表4。結(jié)果表明，OSiF1050和OSiF750處理的玉米各部位K積累量均最高，其中莖葉部分K積累量增加較為明顯，相比于不施肥處理分別顯著增加了139%和150%，相比于普通復(fù)合肥處理分別增加了36%和42%。OSiF與普通復(fù)合肥同不施肥處理相比，玉米整株中總K積累量均顯著增加，與籽粒中K積累量趨勢一致，OSiF1050和OSiF750處理相比于不施肥處理分別增加了159%和182%，相比于普通復(fù)合肥處理分別增加了38%和51%。

表4 不同肥料處理的成熟期玉米各部位K積累量 （mg/株）

2.3 有機(jī)硅改性復(fù)合肥對玉米中Cd含量的影響

由圖1可知，不同肥料處理的拔節(jié)期玉米莖葉中Cd含量差異顯著。不施肥處理的玉米莖葉Cd含量最低，施用肥料后玉米Cd含量顯著增加，其中普通復(fù)合肥處理的玉米Cd含量最高。與普通復(fù)合肥處理相比，施用OSiF的玉米Cd含量顯著下降，OSiF750和OSiF1050處理分別下降了40%和45%，說明OSiF能顯著降低拔節(jié)期玉米莖葉鎘含量，但增加用量對降鎘沒有顯著差異。

圖1 不同肥料處理的拔節(jié)期玉米莖葉鎘含量

圖2反映了不同肥料處理的成熟期玉米莖葉、玉米棒、籽粒和苞葉中的鎘含量。由圖2A、B、C可知，與普通復(fù)合肥處理相比，OSiF750和OSiF1050的玉米各部位鎘含量有所下降，其中莖葉、籽粒中下降明顯，分別下降了43%和44%、11%和13%；玉米棒中下降了47%和61%。由圖2D可知，苞葉中鎘含量狀況相反，施用OSiF750和OSiF1050相比普通復(fù)合肥處理增加了17%和14%，差異不顯著。由圖2C可知，施用OSiF750和OSiF1050處理的玉米籽粒Cd含量降低到不施肥處理籽粒Cd含量以下，分別下降了31%和32%，說明OSiF能有效降低成熟期玉米中鎘含量。

圖2 不同肥料處理的成熟期玉米各部位鎘含量

2.4 有機(jī)硅改性復(fù)合肥對土壤pH和鎘形態(tài)的影響

2.4.1 對土壤pH值的影響

圖3是施用不同肥料后土壤pH值測定的結(jié)果。結(jié)果顯示，普通復(fù)合肥處理的土壤pH值相對不施肥處理幾乎沒有變化，而OSiF750和OSiF1050處理的土壤pH值分別增加了0.13和0.23個單位，相對于普通復(fù)合肥處理也分別增加了0.11和0.21個單位，說明有機(jī)硅改性復(fù)合肥能提升酸性土壤的pH值。

圖3 不同肥料處理的土壤pH值

2.4.2 對土壤鎘形態(tài)的影響

由圖4可知，與不施肥及普通復(fù)合肥處理相比，OSiF處理土壤可交換態(tài)鎘占各種形態(tài)中比例下降了3%～7%及8%～11%。同時，相比于普通復(fù)合肥處理，OSiF1050處理可還原態(tài)鎘比例增加21%，但可氧化態(tài)和殘渣態(tài)鎘所占比例差別不大；OSiF750處理結(jié)果和OSiF1050處理類似，但殘渣態(tài)鎘增加最多，為21%。上述測定結(jié)果表明，施用有機(jī)硅改性復(fù)合肥后，代表土壤活性鎘的土壤可交換態(tài)鎘下降，而代表緩效態(tài)或者無效態(tài)鎘的可還原態(tài)鎘及殘渣態(tài)鎘含量增加，說明有機(jī)硅改性復(fù)合肥處理能使土壤中鎘鈍化。

3 討論

在田間條件下，研究了有機(jī)硅改性復(fù)合肥和普通復(fù)合肥對于玉米生長、產(chǎn)量形成及養(yǎng)分吸收和鎘含量的影響。本試驗條件下，施用有機(jī)硅改性復(fù)合肥顯著提高玉米產(chǎn)量123%～127%（表1）。其機(jī)制首先可能是由于有機(jī)硅改性復(fù)合肥提高玉米對養(yǎng)分的吸收積累。與普通復(fù)合肥相比，玉米N的積累量提高26%～47%（表2），P的積累量提高19%～21%（表3），K的積累量提高38%～51%（表4），特別是籽粒中N、P、K積累量分別顯著提高72%～90%、72%～82%、103%～128%（表2、3、4）。這一結(jié)果再次表明，籽粒中的養(yǎng)分含量與作物產(chǎn)量顯著正相關(guān)。結(jié)果與朱從樺等［21］配施無機(jī)硅肥促進(jìn)植物對N、P、K的吸收，增加產(chǎn)量的研究結(jié)果一致。其次，玉米產(chǎn)量的提高主要依賴于總干物重及收獲系數(shù)的增加。本研究中，與普通復(fù)合肥相比，有機(jī)硅改性復(fù)合肥增加玉米總干重59%～60%，收獲系數(shù)提高40%（表1），這成為玉米增產(chǎn)的基礎(chǔ)。Fageria 等［22］、Gardner等［23］和齊文增等［24］有類似報道。如，齊文增等［24］的研究結(jié)果表明，高產(chǎn)夏玉米DH661莖、葉中的養(yǎng)分分配比例低于ZD958，而在籽粒和根系中的分配比例高于ZD958，說明籽粒中分配較多的養(yǎng)分有利于獲得較高的收獲系數(shù)，進(jìn)而影響產(chǎn)量。另外，本研究結(jié)果表明，有機(jī)硅改性復(fù)合肥處理的玉米莖葉、玉米棒及苞葉K含量也明顯提高，表明植物的抗逆性提高。任軍等［25］研究表明，施硅能提高玉米抗逆性，改善玉米體內(nèi)營養(yǎng)狀況，增加產(chǎn)量。

本研究條件下，與普通復(fù)合肥相比，施用有機(jī)硅改性復(fù)合肥玉米拔節(jié)期莖葉Cd含量顯著下降40%～45%，成熟期籽粒Cd含量下降11%～13%，說明有機(jī)硅改性復(fù)合肥能有效降低玉米中鎘含量（圖1、2）。許多研究表明，施用無機(jī)硅能降低玉米中鎘含量［15-16，26］，這與有機(jī)硅對鎘的影響類似。在探討硅降低鎘吸收的機(jī)制方面，武成輝等［14］研究了硅酸鹽對小白菜的降鎘效果和機(jī)制，結(jié)果表明，硅酸鹽調(diào)理劑使酸性土壤pH值升高約1.4個單位，弱酸溶解態(tài)鎘含量分別下降19.8%和9.40%。本研究也有類似結(jié)果，施用有機(jī)硅改性復(fù)合肥土壤pH值升高了0.13～0.23個單位（圖3），表明有機(jī)硅改性復(fù)合肥主要通過升高pH值，控制重金屬氫氧化物的溶解平衡移動，促進(jìn)鎘沉淀的生成。本研究也表明，施用有機(jī)硅改性復(fù)合肥土壤可交換態(tài)鎘比例下降了8%～11%（圖4），表明有機(jī)硅能夠?qū)⑼寥乐杏行B(tài)鎘轉(zhuǎn)變成難以利用的形態(tài)，從而抑制鎘的吸收［15］。此外，有機(jī)硅還可能通過對玉米生理生化性狀的調(diào)節(jié)來降低植物體中的鎘。史新慧等［27］研究表明，硅通過調(diào)節(jié)植物的生理過程，增強(qiáng)植物抗氧化系統(tǒng)，提高清除自由基的能力來減輕鎘對植物體造成的傷害；馬捷［28］報道了在鎘脅迫下，有機(jī)硅能改善細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)利用效率，并維持細(xì)胞正常生理生化功能來抑制鎘離子的吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 不同肥料處理的土壤鎘形態(tài)

4 結(jié)論

有機(jī)硅改性復(fù)合肥促進(jìn)玉米生長，提高玉米產(chǎn)量。與普通復(fù)合肥相比，有機(jī)硅改性復(fù)合肥顯著提高玉米對肥料N、P、K的吸收利用，提高植株各部位干物重及收獲系數(shù)。同時，有機(jī)硅改性復(fù)合肥降低玉米中Cd含量，主要通過提升酸性土壤pH值，促進(jìn)土壤可交換態(tài)鎘向緩效態(tài)鎘轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)。