設施土壤硅素水平和蔬菜施硅效應研究進展

摘要：該文綜述了我國及河北省設施蔬菜發展現狀、設施土壤硅素水平以及硅肥在蔬菜作物上的應用的研究進展，并指出了設施蔬菜硅素研究的核心問題和發展方向。

關鍵詞：設施土壤；硅素；硅肥；蔬菜

中圖分類號 S626.9 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）17-63-04

1 我國及河北省設施蔬菜發展現狀

我國是世界上最大的蔬菜生產國和消費國。據統計，2010年全國蔬菜播種面積達0.15億hm2，占農作物播種面積的11.9%；產量達4.96億t，總產值1.2萬億元，占種植業總產值的33%；人均占有量370kg左右（國家統計局數據）。河北省屬于黃淮海與環渤海設施蔬菜優勢區域，發展設施蔬菜效益顯著，目前全省設施蔬菜面積已達60萬hm2以上。設施栽培對提高蔬菜的產量、產值和全年均衡供應起到了重要作用，逐漸成為我國和河北省農業中最具活力的產業之一，已經成為促進現代農業科學發展的重要引擎。目前，我國及河北省設施蔬菜生產也面臨著一些問題，由于設施蔬菜栽培具有采用人工控制、集約化程度和復種指數高、蔬菜種類單一等特點，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，在設施內部形成了一個特殊的生態環境，導致了連作障礙的加劇和土壤環境的惡化，突出表現在：田間作業踩踏、重視化肥而忽視有機肥施入和缺少機械深耕，導致土壤耕層變淺、板結、通透性差、容重增大，不利于作物根系生長發育[1]；連年過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相同或類似的肥料，導致土壤養分不平衡和肥力下降[5-9]；氮肥或生理酸性化肥施用過多，致使土壤酸根離子積累過多，pH值明顯下降，造成土壤酸化[4，10-14]；連年重茬，造成病蟲害發生嚴重等幾個方面。

上述問題的凸顯致使設施土壤產出能力下降，蔬菜產量降低和品質變劣，嚴重制約了設施蔬菜的可持續發展。加之目前消費者對蔬菜質量和安全性的要求越來越高，設施蔬菜生產實現綠色和品牌化是必然趨勢。近年來，我國蔬菜質量安全水平明顯提高，蔬菜農殘檢測合格率穩定在95%以上，商品質量明顯改善，商品化處理率達到40%。但是，局部地區個別品種的產品農殘超標等質量安全問題依然存在。因此，如何改善設施土壤環境，平衡土壤營養；提高蔬菜抗逆性、抗病性，進而提高蔬菜產品整體質量水平，已經成為當前設施蔬菜生產中亟待解決的突出問題。

2 土壤硅素水平

硅是地殼中第二豐富的元素，構成地殼總質量的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、吸附態和部分礦物態硅等。硅的溶解度受土壤中發生的多種動態過程的影響，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引起有效硅含量的動態變化[15]，施肥和灌溉會增加硅的含量，而作物吸收和淋溶則會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。據調查[17-18]，我國50%左右的耕地供硅能力不足，長江流域70%的土壤缺硅，黃淮海地區約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，但至今國內外尚未有統一的測定方法及相應的臨界指標。目前已有的研究多集中在稻田土壤上，但臨界指標標準不一。日本缺硅的臨界指標是低于105mg/kg，我國和韓國均將有效硅含量低于100mg/kg作為臨界指標。吳英等[19]研究認為，當稻田土壤有效硅含量為200～300mg/kg時，施硅仍有增產效果。張翠珍等[20]對山東省水稻土有效硅含量及硅肥的效應進行了研究，結果表明：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，在所有類型土壤中施硅對水稻均有增產效果。

目前，國內外土壤硅素水平的研究多集中在水田，關于旱田土壤有效硅的研究起步較晚（從20世紀90年代開始）且研究較少（多集中于美國、澳大利亞、巴西等國家的甘蔗栽培）。李清芳等[21]指出，棉田施硅具有普遍增產作用。張興梅等[22]對東北地區主要旱地土壤供硅狀況進行研究，結果表明：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；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）。而對于設施土壤硅素水平的研究報道較少。王柳[23]在順義、平谷、密云、通縣、昌平、海淀、朝陽等京郊7個蔬菜種植代表區縣，選擇不同種植年限19個點的日光溫室，對京郊日光溫室土壤環境特性與黃瓜優質高產相關性進行了研究，結果表明：隨種植年限的增加，溫室土壤養分狀況表現出增加的趨勢，其中有機質、全氮與種植年限呈極顯著正相關，速效磷、有效鋅與種植年限呈顯著正相關，而容重與種植年限呈顯著負相關；經過一茬黃瓜或番茄的日光溫室長季節栽培，土壤中全氮、速效氮、速效磷、速效鉀、有機鐵、錳、銅的含量有極顯著提高，說明在京郊溫室現有施肥水平下，土壤中營養元素有不斷積累的趨勢，應注意防止土壤次生鹽漬化，但作者未對土壤中硅的動態進行研究。近年來，沈陽農業大學楊丹、王程秀等[24-26]連續發表3篇文章對遼寧省丹東市振安區溫室土壤硅素水平進行初步研究，結果表明，溫室土壤硅素累積釋放量與土壤pH值、有機質含量分別呈顯著和直線和二次函數正相關關系，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 硅肥的應用

硅肥被國際土壤界列為繼氮、磷、鉀之后的第四大元素肥料。早在1926年，美國加州大學農業研究人員就開始研究硅肥并肯定了硅素的肥效。1935年日本開始進行硅肥研究，1954年開始生產和應用，1957年成立日本硅肥協會。硅肥在日本等發達國家已經使用了約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業帶來了高效益，日本農民使用肥料首先考慮的就是硅肥。目前，硅肥在日本、韓國、朝鮮、美國、澳大利亞、菲律賓、印度、泰國、馬來西亞及我國臺灣等發達國家與地區已被大面積推廣和使用，據報道，硅肥在水稻上的增產效果已經超過了磷肥和鉀肥。我國從20世紀70年代中期開始研究硅肥，80年代后期實現工業化生產，2004年6月1日農業部頒布了由中國農業科學院土壤肥料研究所等單位完成的硅肥行業標準NY/T797-2004，標志著經過多年的研究試驗和推廣，硅肥已成為我國21世紀的一種新型肥料。

目前，硅肥的品種主要有枸溶性硅肥、水溶性硅肥兩大類，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，常見的多為煉鋼廠的廢鋼渣、粉煤灰、礦石經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，市場售價較低；水溶性硅肥是指溶于水可以被植物直接吸收的硅肥，農作物對其吸收利用率較高，為高溫化學合成，生產工藝較復雜，成本較高，但施用量較小，一般常用作葉面噴施、沖施和滴灌，也可進行基施和追施，具體用量可根據作物喜硅情況、當地土壤的缺硅情況以及硅肥的具體含量而定。近年來，其它硅源（如硅藻土）已經引起研究者越來越多的關注[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，且無重金屬污染，長期施用對土壤無負面影響。對昆士蘭州陽光海岸的商業草莓農場將硅藻土作為基地土壤改良劑使用進行了研究，結果表明：施用硅藻土使植物中硅的含量增加80%；根系發育得到改善，根的質量顯著增加100%～200%；草莓的花、葉、地上部體積和果實數量增加；果實糖度得到提高；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35%。這項研究的結論表明，硅藻土顯著改善了植物生長狀況和提高了產量，提高了養分和水分的利用效率，改善了品質，提高了生產效益。在其它作物和其它地區對硅藻土的研究則未見報道。

不同作物的需硅水平不同，對于喜硅作物水稻而言，每生產100kg稻谷需SiO2 22kg左右，是氮、磷、鉀總和的4.4倍[28]。以往一般認為，土壤有效硅含量小于50mg/kg為嚴重缺硅土壤，50～100mg/kg為缺硅土壤，大于100mg/kg為不缺硅土壤[29]。但也有大量研究發現，即使在不缺硅的土壤中施用硅肥對水稻仍有增產作用。商全玉等[30]研究認為，在有效硅含量為119.5mg/kg的稻田中施用硅肥可以使水稻產量構成三要素協同提高，同時改善稻米品質。李軍等[31]指出，在非堿性土壤中有效硅含量在130mg/kg左右時，施硅增產效果顯著；當有效硅含量高于202.24mg/kg時，施硅沒有增產效果。在堿性土壤（pH=8.8）上，劉鳴達等[32]認為，在土壤有效硅含量達到250mg/kg時，施硅的增產效果依然明顯。吳英等[19]在黑龍江地區的研究也認為，當土壤有效硅含量在200～300mg/kg時，水稻施硅仍有增產效果。大量研究證明，施硅可以改善稻米品質，但對于某些品質指標的影響則不盡一致。張國良等[28]認為，適量施硅使稻米整精米率顯著增加，精米率也有增加趨勢，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。盧維盛等[33]則認為，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，但對稻米出糙率、堊白粒率、堊白度和食味等品質性狀無明顯影響。商全玉等[30]認為，施硅使稻米精米率和整精米率均顯著提高，且與整精米率相關性達到極顯著水平，而與蛋白質含量和食味值呈顯著負相關，直鏈淀粉含量無明顯變化。中國農科院土壤肥料研究所[35]在全國進行的743個水稻硅肥田間試驗結果表明，硅對水稻的增產率為4%～24.2%，平均增產率為10.3%，稻米品質也得到改善，精米和整精米率提高4.9%，堊白率降低8.0%。大量研究表明：水稻對硅肥的響應范圍很廣，在大多數稻田中適量施硅可以提高水稻產量和改善稻米品質。

李清芳等[21]研究指出，硅對棉花種子發芽率無顯著影響，但對棉花幼苗生長有促進作用，可以顯著增加幼苗鮮重。魯嘉等[35]指出，施硅使小麥結實率和千粒重均有增加，產量提高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似的結果。

4 硅肥在蔬菜上的應用

目前，國內外已經在硅對黃瓜、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多種其它作物生長發育的影響上做了研究。大量研究表明，硅在提高水稻、甘蔗產量和品質上發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、提高葉片光合勢和產量[48]。但也有學者指出施硅對番茄無明顯影響[49]。

在改善外觀品質方面，孫鴻彬等[50]在大棚茄子上進行試驗，結果表明，施硅肥茄子畸形果、病果數減少，基本沒有出現石茄子，果形周正，商品性好。賈建新[51]研究發現，施硅肥番茄抗擠壓強度比對照提高14.39%，硅提高了番茄的耐貯性和耐運輸性。丁濤[52]指出施硅可以使大蔥緊實度增加。

在提高產量和改善營養品質方面，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施用氮肥過量的情況下，硅肥可以抑制黃瓜對氮的吸收，促進糖分的積累[53]；王登甲[54]研究發現，大棚芹菜施硅，硝酸鹽含量降低8%。胡京昂等[55]以芥藍為材料，研究了施用硅肥對其產量、品質及重金屬含量的影響。結果表明，施用硅肥能夠顯著提高芥藍的產量和維生素C含量，每hm2施用硅肥1 500kg（有效硅含量26.3%），芥藍產量比對照增加94.7%，維生素C含量增加8.2%；施用硅肥能降低芥藍中砷和鎘的含量，減輕重金屬對芥藍的毒害，每hm2施用硅肥1 800kg，芥藍中砷和鎘的含量分別為28.7μg/kg和9.3μg/kg（對照分別為45.3、41.5μg/kg）。陳長友等[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，秧節數增加15%～42%，增產25%～29%。王明祖等[56]研究認為，施硅可以顯著提高甜瓜產量和改善甜瓜品質，但品質的改善效果不同品種間有明顯差異。

受蔬菜種類繁多、對不同蔬菜需硅特性研究較少、植株和土壤對硅素響應鮮有研究和設施土壤的硅素水平也未見系統報道等諸多因素的共同影響，目前，對菜田土壤尤其是設施菜田土壤有效硅含量豐缺程度的劃分標準還尚待深入研究。因此，研究硅素在蔬菜—土壤這一整體系統中的遷移轉化規律和作用，并據此提出科學的硅肥運籌措施，是設施蔬菜硅素研究的核心問題和發展方向。

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（責編：徐世紅）