微納米硅肥的研制開發背景及應用效果

陳慶峰，呂 剛，于廣武，于樹林，李曉冰

(1.黑龍江省富錦市農業技術推廣中心 黑龍江富錦 156100； 2.中國科學院東北地理與農業生態研究所 黑龍江哈爾濱 150040； 3.齊齊哈爾市松土肥業有限公司 黑龍江齊齊哈爾 161041；4.東北農業大學資源與環境學院 黑龍江哈爾濱 150030)

0 前言

硅是自然界中僅次于氧的第2多元素，擁有與鉆石相同的構造。硅肥既可以用作肥料為作物提供養分，又可以用作土壤調理劑改良土壤，此外還兼有防病、防蟲和減毒的作用，是一種新型多功能肥料。

1840年，德國化學家李比希提出礦質營養理論，奠定了現代化學肥料工業的基礎，他最早提出硅與氮、磷、鉀一樣重要，是植物必需的養分。英國科學家在洛桑肥料試驗站(創建于1843年，至今已有176年的歷史，是世界上最早的肥料試驗站)連續170多年試驗證明，硅肥具有活化土壤中磷的作用。

早在1926年，美國加州大學的農業研究人員就開始研究硅肥并肯定了硅素的肥效。1935年，日本開始進行硅肥的研究，1954年開始生產和應用硅肥，1957年成立日本硅肥協會。日本現有硅肥生產企業超過30家，硅肥在日本等發達國家已經有60多年的使用歷史。日本政府于1955年以肥料法的形式確定硅肥為一種新型肥料并大面積推廣使用，每年施用量超過1 500 kt，硅肥的大量施用給日本農業生產帶來了高效益。

東南亞地區的韓國、朝鮮、菲律賓、印度、斯里蘭卡、泰國等國先后引進日本硅肥生產技術，并迅速推廣氮、磷、鉀+硅的施肥配方。據報道，硅肥在水稻上的增產效果已超過磷肥和鉀肥。朝鮮每年硅肥的用量達750 kt；中國臺灣進行了20萬畝(1畝=666.67 m2，下同)水稻施用硅肥的示范和推廣，結果畝增產水稻40 kg，增產率達到12%；東南亞地區生產水稻的國家已將硅作為氮、磷、鉀后的第四大營養元素；美國、澳大利亞已在甘蔗種植上普遍施用硅肥。

我國從20世紀70年代中期開始進行硅肥研究，80年代后期才實現工業化生產。近幾年來，我國在河南、山東、浙江、安徽、湖北、廣西、海南、河北、四川等對喜硅作物和缺硅土壤施用硅肥，其增產幅度為水稻10%～20%、小麥10%～15%、花生15%～35%、大豆10%～20%、甘蔗10%～25%、玉米12%～20%、芝麻15%以上、棉花10%～15%、麻類10%～25%、竹類10%～20%、蔬菜15%～20%、草莓30%～50%、西瓜10%～25%。

硅肥不僅可以提高作物的產量，而且可以提高作物的質量，如施用硅肥后，蘋果的含糖量、著色率、耐貯性、運輸性等都有所提高。此外，硅肥還能起到防病防蟲的作用，如稻瘟病、葉斑病、莖腐病、紋枯病、霜霉病、灰霉病、白粉病、銹病、爛根病以及二化螟、稻飛虱、蚜蟲等。

齊齊哈爾市松土肥業有限公司以中科院、清華大學、哈爾濱工業大學、東北農業大學為技術依托，自主研發的“硅博源”微納米硅肥將微納米技術與生物技術相結合，是一種優良的品質肥料、植物調節性肥料。

1 研發背景

1.1 防治土壤污染，改變生態環境的需要

在《水污染防治行動計劃》和《土壤污染防治行動計劃》中，明確提出“藍天常在、青山常在、綠水常在”的奮斗目標。根據中國國土資源部在2005—2013年的調查結果顯示，全國土壤總點位超標率為16.1%，耕地超標率為19.4%。造成土壤污染的各種原因中，包括工廠有毒廢棄物的排放、污水灌溉、過渡使用農藥和高濃度化肥等。據統計，我國耕地面積不足全世界的10%，卻使用了全世界近40%的化肥，單位面積農藥使用量是世界平均水平的2～3倍。除了化肥和農藥的濫用，近年來糧食重金屬污染事件屢見報端，全國耕地重金屬污染面積在16%以上，大中城市、工礦區周邊情況尤為嚴重。如：廣州有50%的耕地受鎘、砷、汞等重金屬污染；遼寧省八家子鉛鋅礦區周邊耕地鎘、鉛含量超標60%以上。

因此，土壤治理迫在眉睫，采用微納米硅、腐殖酸、氨基酸、中微量元素等土壤調理劑、改良劑治理被污染的土壤是切實可行、效果顯著的途徑之一。

1.2 發展綠色生態農業的需要

由于生態農產品可以解除消費者對食品安全的擔心，故生態農業已經得到廣大消費者、政府和企業經營者的一致認可。據有機市場觀察機構(Organic Monitor)提供的數據，2006年全球有機產品的銷售額達到了386億美元，主要消費地區集中在北美洲和歐洲。美國的有機食品銷售額逐年上升，1990年的銷售額為10億美元，1996年上升至33億美元，2002年銷售額達110億美元，2005年的銷售額已接近146億美元。由此可見，生態食品已成為世界農業的主流和發展方向。

20世紀90年代以來，各國對食品衛生和質量的監控越來越嚴，標準也越來越高，尤其是對與農產品生產和貿易有關的環保技術和產品衛生安全標準的要求更加嚴格，食品生產的方式及其對環境的影響日益受到重視，這就要求食品在進入國際市場前由權威機構按照通行的標準加以認證，獲得一張“綠色通行證”。目前，國際標準化委員會(ISO)已制定了環境國際標準ISO 14000，與之前制定的ISO 9000一起作為世界貿易標準，有效促進了生態農業的發展。

微納米硅肥是生態農業大發展環境下的產物，將有助于生態農業的發展。

1.3 貫徹落實重大部署的需要

黨和國家始終高度重視農業發展，針對現代農業發展作出了一系列部署，把發展現代農業作為建設社會主義新農村的首要任務，明確了走中國特色農業現代化道路的基本方向；明確把發展現代農業作為加快轉變經濟發展方式的重大任務，對加強主產區糧食生產能力、建設現代農業示范區和完善現代農業產業體系等都提出了要求。創建現代農業示范區是貫徹落實發展現代農業重大部署的具體舉措，有利于用現代物質條件裝備農業，用現代科學技術改造農業，用現代產業體系提升農業，用現代經營形式推進農業，用現代發展理念引領農業，用培養新型農民發展農業，加速中國特色農業現代化進程。

1.4 大力推廣微納米硅肥的需要

微納米硅肥在黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古、河北、山東、浙江、湖南等省區的水稻、玉米、大豆、谷子、棉麻、葡萄、蘋果、草莓、生姜及多種蔬菜作物上進行了試驗、示范和應用，取得了顯著的生態效益、社會效益和經濟效益。僅在湖南省就有14個地市51個縣市大面積施用推廣成功，取得了糧食產量提高5%～10%、氮肥全生育期施用量減少10%、果蔬產量提高近40%、水稻食味值提高2～3點、土壤中重金屬含量降低、土壤有機質明顯增加和土壤肥力明顯提高、農業生態環境得到明顯改善的顯著成效。為進一步推廣微納米硅肥，擴大其使用面積，2018年10月14日在衡陽市衡山縣店門鎮柏樹村對微納米硅肥在晚稻中的應用效果進行測產驗收，專家組充分肯定了微納米硅肥的效果

1.5 改善生態環境、提高人體健康水平的需要

自然界中的硅元素幾乎都是以非反應性和反應性的有機硅和無機硅氧化的固態和砂土狀組成，如砂土、石塊、晶體等，這些硅元素是人類無法直接吸收的。因此，在大自然未受到污染之前，人類除了從地下水、地表水、山泉水中攝取偏硅酸及人體所需要的礦物質營養成分外，主要從農作物中攝取所能吸收的硅元素及各種中微量礦物質元素，即人類足以通過飲食攝取到足夠的硅和其他基礎營養素。

但隨著工業化的快速發展，尤其是化學工業的飛速發展，給地表水造成了不同程度的污染，土壤中豐富的硅元素因大量投入化學肥料、農藥等而遭到破壞，使土壤中的硅元素及微量元素大量流失，農作物中的硅元素含量逐漸減少。由于無法通過飲食攝取到足夠的自然生態硅元素和其他營養素，從而導致人體患上多種疾病。

施用微納米硅肥可以為作物、動物以及人體補充硅營養，是提高人體健康水平的有效措施之一。

2 應用效果

微納米硅肥是一種以硅酸鈣為主礦物的肥料，亦稱硅鈣肥或硅鈣鎂肥，無毒、無味、無腐蝕性、不變質、不易流失，自2016年推向市場以來，在全國15個省區、多個點次的糧食作物、經濟作物和果蔬作物上進行了試驗、示范和推廣，取得了可觀的生態、社會和經濟效益。

微納米硅肥之所以具有節水、節肥、省工、提質、抗逆、增產功能，主要體現在4個方面。

(1)吸附性。由于微納米硅肥的表面積巨大，同時還含有諸多微孔，使其成為天然的具有超強吸附性的氨穩定劑。將微納米硅肥加入氮肥中，其對游離氨分子的吸附率可達80%以上，在常溫下能起到吸附和儲存氨分子的作用，從而將氮肥釋放周期由不足40 d延長至90～120 d。

(2)高活性。土壤中的營養元素大都是轉化為離子形態后才能被作物吸收利用，微納米硅肥遇水則變成導體，可活化土壤，增加透氣性，激活土壤中沉積的磷和鉀，促進肥料中養分離子的釋放并被作物更好地吸收，從而提高了肥料利用率，可減少施肥量20%～30%。

(3)抗逆性。微納米硅肥的水溶性極好，可被作物充分吸收利用。隨著植株體內硅元素的增加，作物體內導管剛性增大，促使通氣性增強，可有效調節葉片氣孔的開閉，控制水分蒸騰作用，從而提高作物的抗逆性。這對水稻尤其重要，不但可使根系快速生長，還可預防根系腐爛和早衰，使其抗倒伏、抗病能力提高80%。

(4)平衡性。微納米硅肥進入土壤可直接形成硅離子，并充分調動土壤中的硫酸根、硼酸根等陰離子的活性，調節土壤陰陽離子的平衡。其攜帶的鈣、鎂、鐵、銅離子可使土壤更富營養化，可使土壤pH降低0.9～1.5，并刺激作物根系對營養元素的吸收，促早熟抗早衰，實現大田作物增產10%～15%、經濟作物增產15%～20%的效果。

由于微納米硅肥具有以上顯著的特點和生理活性，適宜在各類土壤(尤其是南方酸性土壤)、各種作物上施用，施用方法多樣。經多年多種作物試驗、示范，微納米硅肥具有如下的顯著作用。

2.1 節水、節肥，提高肥料利用率

水稻中的硅化細胞能夠有效調節葉片氣孔的開閉及水分蒸騰，減少水稻用水量，一般可節水17%以上。硅能減少磷在土壤中的固定,活化土壤中的磷，并促進磷在作物體內的運轉，從而提高結實率。調節作物對氮、磷、鉀各元素的平衡吸收，并能抑制對鐵、錳的過量吸收和毒害?；罨寥乐械牧姿?，調節水稻不同生育階段對氮、磷、鉀等營養元素的需求，可分別提高氮、磷和鉀的利用率1.9%、6.4%和2.8%，提高肥料利用率20%以上。

2.2 減輕或消除土壤中的重金屬污染

硅肥中所含的硅酸根離子可與鎘、汞、鉛等重金屬發生化學反應，形成新的不易被植物吸收的硅酸化合物而沉淀下來；施硅肥增強了蔬菜等作物根系氧化能力，可氧化鎘、錳等重金屬，減小了其溶解度，從而抑制了作物對重金屬的吸收，有效防止重金屬對蔬菜的污染，從而使蔬菜達到國家規定的安全標準要求。

硅肥可防止重金屬對水田的污染，減輕重金屬對水稻的危害，同時可防治硫化氫、甲烷等有害氣體對水稻根系的危害，尤其是對南方水稻重金屬鎘污染有明顯的防治效果，污染程度可降低87%。根據湖南省衡陽市農業科學研究所在大廣村的示范結果，與對照相比，施用微納米硅肥的稻米的鎘含量最高可降低0.254 mg/kg，平均可降低0.188 mg/kg。

2.3 提高抗逆性

水稻硅化細胞的形成可促使水稻表皮細胞壁加厚、角質層增加，從而增強了水稻對病蟲害的抵抗能力。特別是對水稻稻瘟病、紋枯病、胡麻斑病及螟蟲、葉蟬等病蟲害的抵抗能力明顯增強，水稻褐變穗、鞘腐病病情指數分別降低4%和7%，葉片蟲食缺刻明顯減輕，水稻稻瘟病發病率降低30%左右。硅素還能增強水稻基部莖桿強度，促使導管剛性增強，提高水稻內部的通氣性，促使水稻白根增多，活性增強，防止根系早衰，減輕有毒氣體對其危害，對水稻爛根病(根腐病)具有較強的防治作用，水稻抗倒伏能力提高80%，倒伏與倒折率減少40%～70%，令作物莖桿挺直，有利于作物密植。由于角質和硅質雙層結構的存在，降低了葉面的蒸騰作用，有效提高了作物的抗旱、抗干熱風和抗低溫能力，故在干旱地區種植的作物施硅后增產作用尤為顯著。施硅后作物的莖葉挺直，減少遮陰，葉片光合作用加強，葉綠素含量大幅增加，如施硅后水稻的葉片角度減小25.4°，冠層光合作用提高10%以上。硅素還能改善植株體內通氣組織，根系氧化能力、抗漬能力等增強，這對水稻、蘆葦等水生和溫生作物有重要意義。此外，硅肥中含有較多的鈣、鎂并含有一定量的磷、鋅、鎂、硼、鐵等中微量元素，對作物具有復合營養作用。

2.4 提高產品品質和產量

高產不優質、優質不高產是一直困擾我國農作物種植的問題。微納米硅肥不僅有助于作物根系的生長發育，增強吸收能力，同時可以關閉表面氣孔，減少植物體內水分的蒸騰，保證養分的有效供給，使作物所需營養始終處于充分、均衡狀態，不至于因速生而使養分失調。此外，作物吸收微納米硅肥后形成的硅化細胞的細胞壁十分堅硬，有助于細胞群的有序排列組合，使作物形狀完美，可達到改善作物品質的目的。

微納米硅肥能增強花粉的活力，在開花期施硅肥能增強瓜果類的坐果率；改變植株態勢，如水稻吸收硅肥以后，形成的硅化細胞提高了水稻細胞壁強度，植株挺拔、莖葉直立，受光態勢明顯改善， 有利于通風透光和有機物的積累。硅素能提高水稻葉綠素的含量，延長生育期，促進水稻生長。由于硅肥改變了水稻的群體結構，有效分蘗率提高4%，出穗期提早2～3 d，下部枯葉少，莖基部粗壯，成熟期提早，有效穗數和穗粒數增加，結實率提高，秕粒率降低，增產作用明顯，平均增產幅度約為10%。

2.5 改良土壤，提高有機質含量

硅能改良土壤，促進有機肥料分解。微納米硅肥進入土壤后可以直接形成硅離子，并充分調動土壤中的硫酸根、磷酸根、硼酸根等陰離子的活性，調節土壤陰陽離子的平衡，其攜帶的鈣、鎂、鐵、銅等離子可使土壤更富營養化。微納米硅肥為堿性肥料，能改良土壤，矯正土壤的酸度，提高土壤鹽基，促進有機肥分解，抑制土壤病菌，抗板結、抗重茬。且硅肥中所含的硅、鈣、鎂離子能夠與紅土壤中大量積聚的鐵、鋁和鈉離子發生置換反應，形成無害化合物，減少有害成分，同時補充作物生長急需的硅、鈣、鎂離子。

3 發展前景

微納米硅肥是一種很好的植物調節性肥料、品質肥料、保健肥料，在改善作物品質、提高作物產量、提高水稻抗倒伏、緩解土壤板結、改良鹽堿地等方面效果突出。

據考察，國內耕地均有不同程度的缺硅現象，在國內4.5億畝水稻田中，一半以上缺硅。國內硅肥市場有40 000 kt/a的潛在缺口，硅肥的使用潛力比氮、磷、鉀肥大。

硅肥的應用、硅元素的循環利用正在我國興起，其前景廣闊。2018年10月14日，由中國農業科學院衡陽紅壤實驗站、衡陽市農業科學研究所等組成的專家組在衡陽市衡山縣店門鎮柏樹村對晚稻的測產驗收結果顯示，施用微納米硅有機生物肥料的一季晚稻(品種為玉針香)平均畝產432.9 kg，與對照相比增產70.2 kg/畝，增產率19.3%，增收210元/畝，節省肥料成本50元/畝、農藥成本40元/畝，合計節本增收300元/畝。測產專家組認為微納米硅有機生物肥具有三增(增產、增效、增加有機質含量)、二抗(抗病蟲害、抗倒伏)、一降(降低重金屬含量)的作用，效果明顯。該產品將微納米技術與新型緩控釋技術結合，通過硅肥、生物肥和有機肥的科學配比，率先把微納米技術應用到肥料生產中，填補了長江以南地區微納米硅有機生物肥料應用上的空白。

綜上所述，微納米硅有機生物肥料產品試驗示范效果顯著，經濟效益良好，應用前景廣闊，是改良土壤、生產無公害農產品、綠色有機農產品的理想肥料。建議深入進行相關的機理研究，進一步改進生產工藝以降低生產成本，促進其推廣應用。