鲜食葡萄的硅肥施用效应及其安全评价

2018-08-24褚贵新

中国土壤与肥料 2018年4期

张梅，褚贵新*

(1.绍兴文理学院，浙江绍兴 312000；2.石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003)

新疆葡萄栽培历史悠久，是我国最大的葡萄产区，种质资源丰富，其中无核紫和红地球葡萄是主要的鲜食葡萄栽培品种之一[1]。据《中国统计年鉴》及《新疆统计年鉴》，2010年全国葡萄栽培面积达到55.2万hm2，产量8 549万t。新疆葡萄栽培面积达到12.53万hm2，产量196.6万t，分别占全国的22.7%和23.0%。然而葡萄在生长过程中，由于气候、环境因素易导致病虫害频繁发生，造成葡萄大面积减产，从而制约了葡萄的经济发展。

硅在地壳中的含量仅次于氧，但可被植物直接吸收利用的有效硅含量极少[2]。目前已有大量研究表明，硅对促进作物生长发育和提高作物产量具有明显的效果，如施硅可增加小麦地上部生物量积累[3]，提高黄瓜和草莓等经济作物产量[4-5]。此外，许多学者已研究证实施硅可提高植物抗生物和非生物胁迫能力，如：施硅植物具有抗病虫害[6]、耐盐抗旱[7-8]、抗金属胁迫[9]等能力。有学者研究认为，硅能在植物细胞壁和根的内皮层细胞中沉积，形成“角质—双硅层”结构(硅化细胞)，增加了植物细胞壁的机械强度，起着天然的“机械或物理屏障”作用；另一些研究表明，硅可激活植物的防御系统，参与代谢过程并诱导相关蛋白酶活性增加，从而提高植物的抗逆性[10-11]。目前国内外关于硅素对植物作用的研究主要集中于禾本科以及双子叶植物上，对果蔬的研究报道较为罕见。

钢渣是钢铁行业生产过程中产生的固体废弃物，因其含硅量高(有效硅含量约为8%～20%)，已被用做制造硅肥的主要原料来源。早在20世纪50年代日本就利用钢渣等工业废渣作为硅肥用以改良退化稻田，提高水稻产量[12]。80年代末我国才利用高炉渣、黄磷废渣以及粉煤灰等工业废渣提炼为硅肥[13-14]，且我国废弃钢渣利用率仅有10%左右[15]。钢渣虽含有丰富的Si养分元素，但同时含有少量的重金属元素，作为硅肥在农田施用，存在农田-作物生态系统的重金属污染的风险。而目前大量的研究集中在钢渣硅肥对作物生物学性状和增产效应等方面的研究，大多未对钢渣硅肥施用的安全性进行分析。

本研究采用小区定位试验，研究了水淬渣硅肥和钢渣硅肥对西北石灰性土壤上葡萄产量及葡萄果实抗氧化物酶活性的影响，并分析了2种硅肥施用对葡萄叶片重金属含量的影响以及土壤的安全风险评估，以期为2种硅肥的推广普及提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015～2016年在石河子大学农学院试验站葡萄园进行。供试土壤为灌耕灰漠土(灌淤旱耕人为土，Calcaric Fluvisals)，耕层(0～20 cm)土壤基本性质：有机质19.7 g/kg，全氮0.91 g/kg，全磷2.12 g/kg，碱解氮72 mg/kg，有效磷43.8 mg/kg，速效钾200 mg/kg，有效硅203 mg/kg，pH值8.1。

葡萄品种为无核紫葡萄和红地球葡萄(VitisviniferaL.)。两个品种葡萄均采用单臂篱架，群体通风条件良好，南北行向，5年生葡萄，树体长势基本一致，株行距为3.5 m×0.7 m，种植密度为4 082株/hm2。供试硅肥分别为水淬渣硅肥(SiO218%)和钢渣硅肥(SiO225%)。

1.2 试验设计

试验采用完全随机设计布设小区，重复3次，小区面积为22 m2(6.1 m×3.6 m)。试验设置6个处理：葡萄品种设置2个水平，分别为无核紫葡萄和红地球葡萄；施肥处理设置3个水平，分别为：1)对照(CK，不施硅肥)；2)钢渣硅肥；3)水淬渣硅肥。硅肥作为追肥于开花期施入，施肥方式为条施，SiO2施用量为600 kg/hm2。供试氮肥为尿素(N 460 g/kg)，磷肥为磷酸一铵(P2O5610 g/kg)，钾肥为硫酸钾(K2O 510 g/kg)，N、P2O5、K2O施用量分别为189、110、115 kg/hm2。氮磷钾肥施用方式均为水肥一体化随水滴施，年灌水量为6 000 m3/hm2。无核紫葡萄于8月17日收获，红地球葡萄9月11日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶片含硅量、土壤有效硅及重金属含量

在葡萄果实膨大期和成熟期，每小区随机选取功能叶30片，装入纸袋，放进烘箱，在105 ℃杀青30 min后，75 ℃烘干至恒重。烘干的样品经粉碎后测定叶片含硅量和重金属含量。同时，分别在以上两个时期采集各处理0～20 cm土层土壤样本，剔除砾石和植物残根，在阴凉处风干，分为两份，分别过2.0和0.15 mm筛，测定土壤有效硅含量和重金属含量。土壤有效硅及植株含硅量利用硅钼蓝比色法测定[16-17]。

6种重金属铜(Cu)、铬(Cr)、铅(Pb)、镉(Cd)、砷(As)和汞(Hg)的测定均在微波消解仪中采用硝酸-盐酸-氢氟酸联合消解后，利用ICP-AES(电感耦合等离子体发射光谱仪)测定。

1.3.2 叶片干物质量和厚度

在葡萄坐果期取样，每小区随机选取功能叶30片，装入纸袋，用于测定叶片厚度。叶片厚度用游标卡尺测量。然后将装有葡萄叶片的纸袋放入烘箱，在105 ℃杀青0.5 h，再于75 ℃下烘干至恒重，测定叶片干物质量。

1.3.3 产量及产量构成要素

在果实成熟期，每小区随机选取3株葡萄，将果实全部采摘，测其单株产量。总产量等于种植密度乘以单株产量。每个小区选6串代表性果穗，测定单穗重。然后随机选取30粒果粒，测定单粒重、果粒横径和纵径。葡萄果实的横、纵径采用游标卡尺进行测定。

1.3.4 果实丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性

在果实收获期，每小区随机采收2 kg左右葡萄，置于0～1℃冷库，贮藏15 d后，测定葡萄果实酶活性。MDA采用TBA比色法；SOD采用氮蓝四唑(NBT)比色法；POD采用愈创木酚法[18]。

1.4 土壤环境评价标准

评价标准采用《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)二级标准(pH>7.5)[19]。分别采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对土壤环境质量进行评价[20-21]。

1.5 数据分析

采用Excel 2007进行数据整理，SPSS 17.0统计软件进行单因素方差分析和不同处理间显著性检验，用Graphpad prism 5.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同硅肥处理对葡萄叶片含硅量和土壤有效硅的影响

从图1A可以看出，各处理葡萄叶片含硅量均随生育期而提高。如两种硅肥处理的叶片含硅量均值由坐果期的0.52%提高至收获期的0.68%。在葡萄收获期，两种硅肥处理较对照可显著提高葡萄叶片含硅量(图1A，P<0.05)。与CK处理相比，钢渣硅肥处理和水淬渣硅肥处理葡萄叶片含硅量分别增加了28.4%和41.7%。收获期水淬渣硅肥处理的葡萄叶片含硅量比钢渣硅肥处理提高了10.4%，两种硅肥处理间差异达显著性水平(P<0.05)。

由图1B可知，各处理土壤有效硅含量均随葡萄生育期而降低。两种硅肥处理可显著提高土壤有效硅含量(P<0.05)。与CK相比，水淬渣硅肥处理的土壤有效硅含量在坐果期和收获期分别提高了21.5%和9.92%，钢渣硅肥分别提高了17.2%和13.0%。

图1 不同硅肥处理葡萄叶片含硅量及土壤有效硅动态变化

2.2 不同硅肥处理对葡萄叶片形态结构的影响

两种硅肥处理较CK均显著提高了葡萄叶片干物质量和叶片厚度(表1)。两年试验得出，硅肥处理的无核紫和红地球葡萄叶片干物质量较CK处理分别增加9.13%～10.5%和8.95%～10.4%，叶片厚度提高了3.7%～11.7%和8.33%～10.7%(P<0.05)。其中，水淬渣硅肥处理的无核紫葡萄叶片干物质量较钢渣硅肥处理提高了5.6%，但处理间差异不显著(P>0.05，2016年)。

表1 不同硅肥处理对葡萄叶片干物质量和厚度的影响

注：数据后不同字母表示处理间差异达到5%显著水平(P<0.05)，下同。

2.3 不同硅肥处理对葡萄产量及产量构成因素的影响

由表2可知，硅肥处理较CK处理显著提高了两种葡萄产量。水淬渣硅肥和钢渣硅肥处理的无核紫葡萄产量分别为26.02和24.69 t/hm2，较CK分别增产16.4%和10.4%，但两种硅肥处理之间差异不显著。两种硅肥处理的红地球葡萄产量分别为32.32和31.53 t/hm2，较CK分别增产14.6%和11.8%。从产量构成因素上看，硅肥处理显著增加单粒重和单穗重(P<0.05)。与CK相比，两种硅肥处理无核紫葡萄单粒重分别增加12.8%和8.2%，单穗重分别增加20.6%和18.2%。硅肥施用可增加无核紫葡萄横、纵经，水淬渣硅肥处理效果优于钢渣硅肥，但硅肥处理间无显著差异。红地球葡萄得到相似的结果。

2.4 不同硅肥处理对葡萄果实丙二醛和抗氧化酶活性的影响

从图2可以看出，与CK处理相比，钢渣硅肥和水淬渣硅肥均显著降低了葡萄果实MDA含量，无核紫葡萄降幅为15.1%～18.7%，红地球降幅为14.9%～19.1%(P<0.05，2016年)。硅肥处理的葡萄果实SOD和POD活性较CK均有提高，但各处理间差异不显著。仅2016年显著提高了红地球葡萄果实POD活性，其增幅为39.4%～52.7%(图2C、D、E、F)。不同处理降低果实MDA含量和提高果实抗氧化酶活性的效应表现为CK<钢渣硅肥<水淬渣硅肥。

表2 不同硅肥处理对葡萄性状及产量的影响

注:数据为2015、2016年平均值。

图2 不同硅肥处理对葡萄果实MDA含量、SOD和POD活性的影响注：图A、C、E为无核紫葡萄，图B、D、F为红地球葡萄。

2.5 不同硅肥处理对土壤及葡萄叶片重金属含量的影响

在2015和2016年两种硅肥施用均可降低土壤Cd、Pb和Hg含量(表3)。两种硅肥处理的土壤Cd、Pb和Hg含量分别比CK降低5.26%～5.29%、10.19%～11.76%和20.0%～33.3%，但各处理间差异不显著(P>0.05，2016年)。硅肥施入对土壤As和Cu含量无显著影响。两年施用硅肥均提高了土壤Cr含量，2015和2016年土壤Cr含量较CK分别增加1.5%和3.0%。其中，钢渣硅肥处理土壤Cr含量高于水淬渣硅肥处理。

表3 不同硅肥处理土壤重金属含量的描述性统计分析 (mg/kg)

由表4可知，硅肥施用可显著降低葡萄叶片中重金属含量(P<0.05)。与CK相比，两种硅肥施用显著降低了葡萄叶片中As、Cd、Cr含量(P<0.05)，其降低幅度分别为9.43%～16.98%、34.8%～40.0%、6.94%～12.5%(2015和2016年)。其中，2016年葡萄叶片中Cr含量较2015年有一定的累积效应。仅水淬渣硅肥处理显著降低了葡萄叶片Pb含量(P<0.05)，降幅为18.75%～22.37%。硅肥处理对葡萄叶片中Cu和Hg含量无显著影响(P>0.05)。

表4 不同硅肥处理对葡萄叶片重金属含量的影响 (mg/kg)

2.6 土壤重金属含量评价

从表5可以看出，在2015和2016年硅肥处理与对照处理单项污染指数>1的重金属均为砷，说明土壤已受砷元素污染，属轻度污染。其余5种重金属元素在各处理土壤的单项污染指数均<1，属于清洁或尚清洁，表明土壤未受到污染。从内梅罗综合污染指数来看，在2015和2016年各处理综合指数值均为0.8左右,属于评价等级的第2级，说明土壤尚清洁，未受到污染。表明两种钢渣硅肥施用未对土壤环境造成安全风险。

表5 不同硅肥处理土壤重金属污染指数

3 讨论

本研究结果表明，施用硅肥能够显著提高葡萄产量(P<0.05)，施用水淬渣硅肥和钢渣硅肥葡萄产量较CK处理分别增加了15.49%和11.12%。对产量构成因素的分析表明，两种硅肥均显著增加葡萄单粒重和单穗重(P<0.05)，其中水淬渣硅肥施用效果优于钢渣硅肥。EI-Kareem等[22]研究表明,与不喷施硅处理相比，喷施浓度为0.1%和0.05%的硅溶液均能显著提高海枣单穗重和果实横纵径，从而提高了海枣单株产量。本研究中，在土壤有效硅超过203 mg/kg的石灰性土壤上施用硅肥，葡萄仍有较好的增产效果。张兴梅等[23]通过春小麦盆钵试验研究也证实，在土壤有效硅含量低于511.2 mg/kg的供试土壤上，施用硅肥后均能有不同程度的增产，最高增产率达32.8%，这与本研究结果相似。造成这一结果的原因，一方面可能是用于提取土壤有效硅的缓冲液可提取一些植物不可吸收的硅，从而高估了石灰性土壤硅的供应能力，且有学者曾提出针对高pH值的石灰性土壤应开发新的土壤测试方法[10,24]；另一方面，大量研究证明施用硅肥可提高土壤肥力，促进作物对Si、P、K营养元素的吸收，从而促进地上部干物质积累和提高产量[25-26]。本研究也发现施入硅肥显著提高了葡萄叶片干物质积累，为保证葡萄的高产奠定了基础。

葡萄生长过程中，由于气候环境、养分供应不足和病虫害等因素会造成葡萄生长后期果实萎焉与腐烂，而病虫害是直接影响葡萄产量、品质的重要因素[27]。大量研究表明硅对提高植物抗生物胁迫有良好的作用。如Ferreira等[28]最近研究发现，施硅可显著增加柠檬对细菌性果斑病的抵抗能力，与对照处理相比，施硅酸钙显著降低了发病率(50%)和病情指数(89%)。徐红霞[29]也曾研究表明红地球葡萄在接种灰葡萄孢菌(B.cinerea)后，硅处理能诱导病程相关蛋白酶活性的上升，如提高果实内β-1,3-葡聚糖酶、PAL和PPO等酶活性，从而增加红地球葡萄对采后病害的抗性。本试验研究结果表明，硅肥施用后降低了葡萄果实MDA含量，并提高了POD和SOD抗氧化酶活性，这与前人研究结果相似。此外，葡萄在采后贮藏期间，遭受各种病原菌侵染而引起腐烂，降低了葡萄的商品性。由于施硅可提高果实抗氧化酶活性，增强作物抗病虫害能力，因此，在以后的研究中可考虑利用硅提高葡萄的耐贮性，从而延长其保鲜期。